Principes de base du soudage

Une soudure peut être définie comme une coalescence de métaux produite par chauffage à une température appropriée avec ou sans application de pression et avec ou sans utilisation d'un matériau d'apport.

Lors du soudage par fusion, une source de chaleur génère suffisamment de chaleur pour créer et maintenir un bain de métal en fusion de la taille requise.La chaleur peut être fournie par l'électricité ou par une flamme de gaz.Le soudage par résistance électrique peut être considéré comme un soudage par fusion car du métal en fusion se forme.

Les procédés en phase solide produisent des soudures sans faire fondre le matériau de base et sans ajout de métal d'apport.La pression est toujours utilisée et généralement un peu de chaleur est fournie.La chaleur de friction est développée lors de l'assemblage par ultrasons et par friction, et le chauffage au four est généralement utilisé dans le collage par diffusion.

L'arc électrique utilisé en soudage est une décharge à courant élevé et basse tension généralement comprise entre 10 et 2 000 ampères à 10 et 50 volts.Une colonne à arc est complexe mais, d'une manière générale, elle se compose d'une cathode qui émet des électrons, d'un plasma gazeux pour la conduction du courant et d'une région anodique qui devient comparativement plus chaude que la cathode en raison du bombardement électronique.Un arc à courant continu (CC) est généralement utilisé, mais des arcs à courant alternatif (AC) peuvent être utilisés.

L’apport d’énergie total dans tous les procédés de soudage dépasse celui nécessaire pour produire un joint, car toute la chaleur générée ne peut pas être utilisée efficacement.Les efficacités varient de 60 à 90 pour cent, selon le processus ;certains procédés spéciaux s'écartent largement de ce chiffre.La chaleur est perdue par conduction à travers le métal de base et par rayonnement vers l'environnement.

La plupart des métaux, lorsqu'ils sont chauffés, réagissent avec l'atmosphère ou d'autres métaux proches.Ces réactions peuvent être extrêmement préjudiciables aux propriétés d’un joint soudé.La plupart des métaux, par exemple, s’oxydent rapidement lorsqu’ils sont fondus.Une couche d’oxyde peut empêcher une bonne liaison du métal.Des gouttelettes de métal en fusion recouvertes d'oxyde se retrouvent piégées dans la soudure et rendent le joint cassant.Certains matériaux précieux ajoutés pour des propriétés spécifiques réagissent si rapidement lors de l'exposition à l'air que le métal déposé n'a pas la même composition qu'au départ.Ces problèmes ont conduit à utiliser des flux et des atmosphères inertes.

Dans le soudage par fusion, le flux a un rôle protecteur en facilitant une réaction contrôlée du métal, puis en empêchant l'oxydation en formant une couverture sur le matériau fondu.Les flux peuvent être actifs et aider au processus ou inactifs et simplement protéger les surfaces lors de l'assemblage.

Les atmosphères inertes jouent un rôle protecteur similaire à celui des flux.Dans le soudage à l'arc métallique sous protection gazeuse et à l'arc au tungstène sous protection gazeuse, un gaz inerte, généralement de l'argon, s'écoule d'un anneau entourant la torche en un flux continu, déplaçant l'air autour de l'arc.Le gaz ne réagit pas chimiquement avec le métal mais le protège simplement du contact avec l’oxygène de l’air.

La métallurgie de l’assemblage des métaux est importante pour les capacités fonctionnelles du joint.La soudure à l’arc illustre toutes les caractéristiques de base d’un joint.Trois zones résultent du passage d'un arc de soudage : (1) le métal fondu, ou zone de fusion, (2) la zone affectée thermiquement et (3) la zone non affectée.Le métal fondu est la partie du joint qui a fondu pendant le soudage.La zone affectée thermiquement est une région adjacente au métal fondu qui n'a pas été soudée mais qui a subi une modification de sa microstructure ou de ses propriétés mécaniques en raison de la chaleur de soudage.Le matériau non affecté est celui qui n'a pas été suffisamment chauffé pour altérer ses propriétés.

La composition du métal fondu et les conditions dans lesquelles il gèle (se solidifie) affectent considérablement la capacité du joint à répondre aux exigences de service.Dans le soudage à l'arc, le métal fondu comprend un matériau d'apport ainsi que le métal de base qui a fondu.Une fois l’arc passé, un refroidissement rapide du métal fondu se produit.Une soudure en un seul passage présente une structure coulée avec des grains en forme de colonne s'étendant du bord du bain de fusion jusqu'au centre de la soudure.Dans une soudure multipasse, cette structure coulée peut être modifiée en fonction du métal particulier à souder.

Le métal de base adjacent à la soudure, ou la zone affectée thermiquement, est soumis à une gamme de cycles de température, et son changement de structure est directement lié à la température maximale à un moment donné, au temps d'exposition et aux vitesses de refroidissement. .Les types de métaux de base sont trop nombreux pour être discutés ici, mais ils peuvent être regroupés en trois classes : (1) les matériaux non affectés par la chaleur de soudage, (2) les matériaux durcis par un changement structurel, (3) les matériaux durcis par des processus de précipitation.

Le soudage produit des contraintes dans les matériaux.Ces forces sont induites par la contraction du métal fondu et par la dilatation puis la contraction de la zone affectée thermiquement.Le métal non chauffé impose une contrainte sur ce qui précède et, comme la contraction prédomine, le métal soudé ne peut pas se contracter librement et une contrainte se crée dans le joint.Ceci est généralement connu sous le nom de contrainte résiduelle et, pour certaines applications critiques, doit être éliminée par traitement thermique de l'ensemble de la fabrication.Les contraintes résiduelles sont inévitables dans toutes les structures soudées, et si elles ne sont pas contrôlées, une courbure ou une déformation de la construction soudée aura lieu.Le contrôle est exercé par la technique de soudage, les gabarits et les accessoires, les procédures de fabrication et le traitement thermique final.