Une soudure parfaite repose sur l’efficacité des gaz et cette dernière même est fonction de leurs compositions. En effet, chacun des constituants a une mode d’action propre, une ou des incidences sur l’apport énergétique et va déterminer le bain de fusion. Le gaz permet à la fois de souder, de couper et de protéger. L’efficacité des procédés de soudage et la qualité du cordon de soudure dépendent essentiellement du gaz
Si autrefois pour le soudage à l’arc sous protection gazeuse on n’utilisait habituellement que quelques gaz uniques comme le dioxyde de carbone pur pour le soudage MAG et l’argon pur pour le soudage TIG et MIG, actuellement, ce sont les mélanges de gaz qui prédominent. La diversité de ces mélanges de gaz standardisés est désormais très grande.
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A chaque procédé son gaz et ses mélanges
Le choix du gaz de protection ou mélange dépend du processus de soudage, des particularités de soudage et ainsi que de la nature des matériaux. Pour chacune de leurs applications, il existe une palette de gaz et mélanges gazeux.
Le choix du gaz ou mélange gazeux est un paramètre important, car son action influence les performances obtenues en fonction du procédé mis en œuvre. Il convient donc de prendre aussi en compte la compatibilité métallurgique d’un type de gaz en fonction des matériaux à assembler, l’action d’un composant sur le comportement de l’arc, l’incidence environnementale du soudeur sans négliger le coût du produit fini.
Le soudage MIG (Métal Inerte Gaz) et MAG (Métal Active Gaz)
Le procédé MIG MAG est un procédé de soudage arc sous protection gazeuse qui consiste à établir un arc entre la pièce à souder, la cathode (pôle négatif), et un fil continu, l’anode (pôle positif), dévidée par un dispositif approprié.
La dénomination MIG est attribuée aux gaz ou mélanges gazeux dont le caractère chimique contrôlé est inerte, c’est-à-dire qu’il n’y a pas de réaction avec le métal fondu. Les matériaux concernés sont les alliages légers ou les bases Nickel par exemple qui utilisent des gaz pratiquement.
Pour l’assemblage des aciers non faiblement ou fortement alliés, on utilisera une protection gazeuse active d'où l’appellation MAG.
Pour le soudage MIG
Le soudage MIG est employé uniquement pour les opérations sur des métaux « non ferreux », tels l’aluminium et les alliages de cuivre. En effet avec ces métaux, on ne peut travailler qu’avec des gaz inertes (pour éviter des problèmes de structure cristalline) qui excluent des mélanges avec oxygène, hydrogène et azote.
À côté de l’argon pur comme gaz de protection, des mélanges argon-hélium sont aussi employés pour le procédé MIG. D’une part, l’hélium a une haute capacité de conduction thermique et une grande résistance aux tensions, il évacue relativement bien la chaleur sur la pièce. D’autre part, il permet aussi une meilleure diffusion thermique et donne un arc plus large, permettant d’atteindre une pénétration plus large et plus profonde. Certains fabricants ajoutent aussi un pourcentage minimal (0,015 %) d'azote dans le mélange pour un meilleur contrôle de l’arc, ce qui permet alors de réduire la quantité d’hélium, mais en arrivant aux mêmes résultats escomptés.
Des compléments de mélange minimes d’azote et de monoxyde d’azote procurent une mise au point et par conséquent une augmentation de la densité d’énergie. Par ailleurs, une quantité minimale d'azote peut limiter le risque de fissures dans le soudage de l'aluminium.
Pour le soudage MAG
L’argon a une petite pénétration et un arc trop instable. C’est la raison pour laquelle il est souvent mélangé à du gaz actif tel que le gaz carbonique et/ou de l’oxygène pour le procédé MAG. La quantité de gaz carbonique et/ou d’oxygène ajouté dépend de la base à souder, du matériau d’apport et des conditions de soudage.
Il est à noter qu’une faible teneur en gaz carbonique donne moins d’éclaboussures et de fumée, par contre une quantité plus élevée diminue le risque de porosité.
Si le mélange est riche en oxygène, le bain de fusion sera moins épais et plus fluide, la soudure aura également un aspect plus lisse. Toutefois, le risque de défauts de jonction est aussi élevé.
D’autre part, l’ajout d’hydrogène au gaz de protection donne un meilleur arc et un rétrécissement, permettant d’atteindre une vitesse de soudage plus haute et une meilleure pénétration. L’adduction d’hélium augmente également la vitesse de soudage et la certitude d’une bonne pénétration.
Les gaz pour le soudage de matériaux non alliés ou aciers faiblement alliés ont souvent dans leur mélange une proportion de gaz actifs plus haute que les gaz de protection pour les alliages hautement alliés tel l’acier inoxydable (inox). Pour ce dernier, la teneur en gaz carbonique et en oxygène doit être limitée (3 %) afin d’éviter la combustion des éléments d’alliage lui assurant la propriété anticorrosion, ainsi qu’une possible décarbonisation et l’apparition de corrosion dite intercristalline.
Pour éviter cette combustion, d’autres composants sont aussi ajoutés au mélange, le plus souvent l’hélium et l’hydrogène. Par ailleurs, l’hydrogène se combine avec l’oxygène de l’environnement et s’évapore. Les risques d’oxydation sont ainsi réduits considérablement, ce qui est très important avec l’inox. Toutefois, ce type de mélange ne peut être utilisé que pour le soudage des inox austénitiques. L’ajout d’hydrogène peut provoquer des fissures lorsqu’il s’agit de souder l’inox ferritique.
Le soudage TIG (Tungsten Inert Gas)
Le soudage TIG permet de souder la plupart des métaux et alliages. Il s’emploie en soudage manuel, automatique et robotique. Dans ce procédé à l’arc sous gaz inerte avec électrode non fusible, l’énergie nécessaire à la fusion des pièces à assembler est apportée par un arc électrique établi entre une électrode réfractaire en tungstène et les pièces à assembler.
Un flux continu de gaz de protection inerte protège à la fois le bain de fusion, l’électrode de tungstène brûlante et le bout du matériau d’apport en train de fondre contre l’influence néfaste de l’air environnant.
Le plus souvent, on utilise l’argon, mais des mélanges d’argon et d’hélium ou d’argon et d’hydrogène (gaz réducteur) peuvent aussi être utilisés.
L’ajout d’hélium
Non seulement l’hélium augmente la température de l’arc, mais il permet également surtout une meilleure conductibilité thermique et une diffusion de la chaleur vers les flancs du cordon de soudure. Ceci a pour conséquence une pénétration plus profonde ainsi que des cordons de soudure plus plats et plus propres. Par ailleurs, l’hélium est un gaz inerte, il est donc utilisable pour tous les matériaux.
L’inconvénient pour l’hélium et le mélange argon-hélium, c’est que l’amorçage de l’arc est plus difficile, même qu’il est instable.
L’ajout d’hydrogène
L’hydrogène rend le mélange légèrement réducteur, ce qui contribue à un plus bel aspect extérieur avec une oxydation minimale et décoloration de la surface. Comme l’arc est mieux concentré et stabilisé, le soudage devient plus rapide grâce à une meilleure fluidité du matériau. L’hydrogène permet aussi une pénétration plus profonde.
Cependant, comme l’hydrogène n’est pas un gaz inerte, lorsqu’il se combine avec l’oxygène de l’air ambiant, il peut provoquer des fissures sur les inox au carbone ou ferritiques et des porosités sur l’aluminium.
Le tableau qui suit récapitule à titre indicatif les différents gaz de soudure utilisés selon les procédés.
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Matériaux à souder
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Gaz et mélange
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Aluminium / tous matériaux / Soudage TIG / PLASMA
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Argon Pur
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Aluminium et alliages de cuivre / Soudage MIG MAG
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Argon Pur
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Acier inoxydable / Soudage MAG
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Ar +2 % CO2
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Ar +2 % O2
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Acier au carbone / Soudage MAG
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Ar +8 % CO2
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Ar +12 % CO2
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Ar +14 % CO2
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Les principaux rôles du gaz de soudage
Le gaz de soudage a comme fonction principale de permettre d’obtenir une qualité aussi haute que possible le résultat de la soudure. Cela se reflète par l’aspect extérieur de la soudure, la pénétration, la protection contre les influences extérieures, les caractéristiques mécaniques et chimiques de la soudure, l’absence de défauts…
Le choix du gaz a un impact direct non seulement sur la qualité, mais aussi sur la productivité des opérations de soudage ainsi que les conditions de travail des soudeurs.
Pour protéger le bain de fusion
Le gaz de soudage a en tout premier rôle de protéger le bain de fusion contre le contact avec l’air environnant et ses influences nuisibles. Les métaux portés à très haute température deviennent liquides, c’est le bain de fusion, et il est facilement influençable par l’azote et l’oxygène qui composent l’air. Ce phénomène a pour effet de rendre la soudure poreuse avec de très mauvaises caractéristiques mécaniques. La soudure nécessite alors une protection adéquate contre l’air ambiant, c’est pour cette raison que les gaz de soudage sont également appelés gaz de protection.
Pour rendre optimal le rapport d'arc électrique et le passage de goute
Outre son rôle de protection, le gaz de soudage favorise aussi la création d’un milieu aussi idéal que possible pour permettre l’élaboration de l’arc souhaité. Concrètement, cela veut dire qu’une ionisation doit avoir lieu facilement pour pouvoir transférer l’énergie électrique du fil et/ou de l'électrode vers la pièce à traiter. En effet, la conduction électrique ne peut avoir lieu sans ionisation. Il faut donc accorder une importance particulière au potentiel d’ionisation du gaz, car plus son potentiel est élevé, plus il sera difficile à ioniser et plus l’arc électrique sera instable et délicat à maitriser.
Le gaz de soudage permet également d’améliorer le transport de matériau du fil de soudure au métal de soudure, le passage de goute (sauf pour le TIG). Le changement du gaz ou du mélange agit considérablement sur ce dernier.
Les propriétés des gaz, des facteurs essentiels à prendre en compte
En fonction des caractéristiques spécifiques du gaz et des résultats escomptés, le choix du gaz ou du mélange à utiliser se fait soigneusement. Il existe de nombreux facteurs qui jouent un rôle important dans le processus de soudage et qui permettent plusieurs optimisations possibles.
Les propriétés physiques
Les propriétés physiques des gaz influent sur le transfert de matière, la profondeur et la forme de pénétration, la vitesse de soudage et le comportement à l’amorçage. Prenons par exemple l’argon, un gaz qui a une faible énergie d’ionisation, et l’hélium dont l’énergie d’ionisation est élevée. Avec l’argon, l’amorçage et la stabilisation de l’arc sont plus faciles qu’avec l’hélium. En revanche, l’hélium convient mieux pour contrôler le plasma et par conséquent la profondeur de soudage au laser.
Les propriétés chimiques
Les propriétés chimiques, quant à elles, agissent sur les caractéristiques métallurgiques et l’aspect superficiel du cordon de soudure. Par exemple, l’oxygène est un gaz qui donne souvent des bains de fusion trop fluides et provoque une perte d’éléments d’alliage, tandis qu’un excès de gaz carbonique conduit parfois à une carburation des matériaux alliés. D’autres exemples, l’hélium et l’argon sont des gaz neutres sur le plan métallurgique alors que l’hydrogène a un effet réducteur.
La conductibilité thermique
La morphologie du cordon dépend considérablement de la conductibilité thermique du gaz, mais cette dernière a également un effet sur la température du bain de fusion, le dégazage du bain, le mouillage et la vitesse. Ainsi, le mélange à base d’hélium permet d’augmenter la vitesse de soudage et la pénétration lors du soudage TIG et MIG des alliages composés en grande partie d’aluminium. Pour obtenir le même effet pour le soudage TIG des aciers inoxydables, on a souvent recours à l’addition d’hydrogène. Chaque gaz a un coefficient de conductibilité thermique différent. Plus ce coefficient est haut, plus la conductibilité sera meilleure. Avec un gaz affichant un faible coefficient de conductibilité thermique, la perte de chaleur dans l’air environnant est accrue.
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