Soudage - Définition et Explications

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Introduction

Le soudage (Voir article sur la théorie du soudage) est un moyen d'assemblage permanent. Il a pour objet d'assurer la continuité de la matière à assembler. Dans le cas des métaux, cette continuité est réalisée à l'échelle de l'édifice atomique. En dehors du cas idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau....) où les forces inter-atomiques et la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) assurent lentement le soudage (Le soudage (Voir article sur la théorie du soudage) est un moyen d'assemblage permanent. Il a...) des pièces métalliques mises entièrement en contact suivant des surfaces parfaitement compatibles et exemptes de toute pollution (La pollution est définie comme ce qui rend un milieu malsain. La définition varie selon le...), il est nécessaire de faire intervenir une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) d'activation (Activation peut faire référence à :) pour réaliser rapidement la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction....) recherchée.

L'opération peut être appliquée aux métaux ainsi qu'aux thermoplastiques (voir soudage plastique) et au bois (voir soudage du bois). Le soudage permet d'obtenir une continuité de la nature des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) assemblés : matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) métallique, matière plastique (Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une...), etc.. De ce fait, les techniques d'assemblage mécaniques (rivetage, boulonnage, agrafage...) ou par adhésion (En physique, l'adhésion est l'ensemble des phénomènes physico-chimiques qui se...) (collage), ainsi que les techniques de brasage ne répondent pas à la définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) du soudage.

Le soudeur à l'arc, au MIG ou au TIG doit être totalement protégé (masque, gant), la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) produite lors de l'arc étant tellement intense qu'elle provoque des brûlures de la peau (La peau est un organe composé de plusieurs couches de tissus. Elle joue, entre autres, le...) et de la rétine (La rétine est l'organe sensible de la vision. D'origine diencéphalique, elle est une...). La lumière bleue produite par l'arc est aussi puissante que la lumière du soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...) et provoque des effets similaires sur le corps humain (Le corps humain est la structure physique d'une personne.) (coup de soleil, brûlure (La brûlure est une destruction partielle ou totale pouvant concerner la peau, les parties...) de la rétine). Cependant, la peau et la rétine se régénèrent : douleur (La douleur est la sensation ressentie par un organisme dont le système nerveux détecte un...) et marque disparaissent « rapidement ».

Procédés de soudage de pièces métalliques

Brasage à la lampe à souder

Lampe à souder : l'acétylène (L’acétylène (appelé éthyne par la nomenclature IUPAC) est un...) était autrefois fabriqué par l'action de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) sur du carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique...) de calcium (Le calcium est un élément chimique, de symbole Ca et de numéro atomique 20.)

Réalisé avec du plomb (Le plomb est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Pb et...), ce métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des...) ayant un point de fusion (Le point de fusion' ou la température de fusion d'un corps représente la température...) assez bas, les apports successifs de métal sont chaque fois refroidis par passage d'un chiffon humide. Cette méthode ancienne exige beaucoup de doigté, la moindre surchauffe (La surchauffe est une opération physique qui a lieu dans un moteur à vapeur.) provoquant l'effondrement de l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) à souder.

Soudage oxyacétylénique ou soudage oxy-gaz

(procédé 311 selon l'ISO 4063)

L'énergie thermique (L'énergie thermique est l'énergie cinétique d'un objet, qui est due à une agitation...) est générée par l'oxycombustion du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) oxygène-acétylène. Le métal d'apport est en général amené sous forme de baguette. Le chalumeau présenté sur la photo fonctionne à l'essence et non à l'acétylène.

Soudage aluminothermique

(procédé 71 selon l'ISO4063)

Utilisé pour la réparation de pièces massives telles que les rails de chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et...), c'est une méthode de soudage chimique : le joint à réaliser est emprisonné dans une forme, que l'on remplit d'un mélange pulvérulent à base d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13....) et d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...). Les pièces à souder sont chauffées au rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) et le mélange est ensuite enflammé ; la réduction de l'oxyde de fer par l'aluminium provoque la fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état...) et l'alumine produite est expulsée vers le haut par décantation.

Soudage électrique par résistance

(ou par points, ou à la molette, ou PSE, ou PSR procédé 2 selon l'ISO 4063)

Le soudage est réalisé par la combinaison (Une combinaison peut être :) d'une forte intensité électrique et d'une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) ponctuelle. Ce procédé ne nécessite pas d'apport extérieur. L'intensité électrique chauffe la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) jusqu'à la fusion. La pression maintient le contact entre l'électrode et l'assemblage. Pour souder, une pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose...) plaque l'assemblage avec des embouts, ou des électrodes en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...), matière bonne conductrice de l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la...) et de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), ce qui permet de moins chauffer la zone de contact avec cette pince et d'en éviter la fusion, qui se trouve limitée à la zone de contact entre les deux feuilles à souder. Cette technique est donc dépendante de la résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) (résistance électrique) des matières, de l'épaisseur totale de l'assemblage et du diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) des électrodes. Ce procédé est majoritairement utilisé dans l'assemblage de tôle d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) de faible épaisseur (< 6 mm). Cette technique bénéficie d'un savoir-faire très important et d'une productivité incomparable (L'Incomparable est un diamant jaune-brun, un des plus grand jamais trouvé dans le monde (890...) (dans le domaine d'application). Pour exemple, une caisse (Les caisses en bois servent à emballer des produits en plusieurs pièces, qui doivent être...) automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un...) est assemblée à plus de 80 % par des points soudés.

Il peut s'agir également d'un soudage par bossages, sur des pièces ayant subi au préalable un emboutissement.

Soudage à l'arc électrique (Un arc électrique est un courant électrique visible dans un milieu isolant (gaz, vide...). La...) avec électrodes enrobées

(MMA : Manual Metal Arc, ou SMAW : Shielded Metal Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 111 selon l'ISO 4063)

La température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de soudage est générée par l'arc électrique entre deux électrodes que constituent la pièce à souder et la baguette de métal d'apport où le métal fondu est protégé par un laitier.

Soudage à l'arc avec électrodes non fusibles

(Soudage TIG : Tungsten Inert Gas, GTAW Gas Tungsten Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 141 selon l'ISO 4063)

Un arc électrique est établi entre l'extrémité d'une électrode infusible en tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de...) (qui peut être en tungstène pur, thorié 1 % et 2 % ou en Zirconium (Le zirconium est un élément chimique, de symbole Zr et de numéro atomique 40.) mais celui-ci exclusivement pour le soudage de l'aluminium) et la pièce à souder, sous la protection d'un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.) (argon, hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) ou mélange argon-hélium). Le métal d'apport est ajouté si nécessaire sous forme d'une baguette ou d'un feuillard placé dans l'arc électrique. Ce procédé peut s'automatiser voire se robotiser dans le cas fréquent du soudage TIG orbital.

Soudage à l'arc avec fil électrodes fusibles ou soudage semi-automatique

Eclaté d'une torche (Une torche est un instrument qui se présente sous la forme d’un bâton que...) de soudage MAG / GMAW.
(1) Tête de torche de soudage
(2) Isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) électrique (pièce en blanc) et embout de vissage du tube contact (pièce en jaune)
(3) Diffuseur de gaz(argon ou hélium)
(4) Embout du tube contact-type
(5) Buse métallique

(soudage MIG-MAG : Metal Inert Gas-Metal Active Gas, GMAW Gas Metal Arc Welding selon les normes américaines ou encore procédé 131 (MIG) ou 135 (MAG) selon l'ISO 4063)

Un arc électrique est établi entre l'extrémité d'une électrode consommable et la pièce à assembler, sous la protection d'un mélange gazeux dont la nature dépend du type de soudure réalisée. L'électrode, amenée automatiquement de façon continue depuis un dévidoir, se présente sous la forme d'un fil massif (Le mot massif peut être employé comme :) ou fourré.

Soudage orbital

Le soudage orbital est un procédé de soudage spécial pendant lequel un arc tourne sans interruption à au moins 360 ° autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) d’une pièce fixe (composant cylindrique, tel qu’un tube).

Soudage laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...)

(LBW: Laser Beam Welding)

L'énergie est apportée sous forme d'un faisceau laser. Les sources laser peuvent être de type CO ou YAG, LED ou fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...).

Principe du soudage laser

Un système optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) concentre l'énergie du faisceau laser, ( 105 W/cm² à 106 W/cm² ) et génère un capillaire rempli de vapeurs métalliques dont les parois sont tapissées de métal liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) en fusion. Le bain de fusion ainsi créé est déplacé et le métal liquide se resolidifie après le passage du faisceau assurant la continuité métallurgique entre les pièces.

Plusieurs études sont en cours sur ce procédé, notamment au Centre des technologies de l'aluminium du CNRC (Canada).

Soudage plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées...)

(PAW : Plasma Arc Welding)

Considéré comme une évolution du soudage TIG, il s'en distingue par le fait que l'arc est contraint mécaniquement (constriction mécanique) ou pneumatiquement (constriction pneumatique), générant ainsi une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'énergie supérieure. L'arc peut jaillir entre la tuyère (Une tuyère ou tuyère propulsive, dans le domaine de l'astronautique, est un conduit (appelé...) et l'électrode (arc non-transféré) ou entre la pièce et l'électrode (arc transféré) voire être semi-transféré. Le soudage plasma peut être réalisé sans chanfrein ( Le chanfrein (remplaçant par élimination une arête vive) est habituellement noté NxN où ces...) sur un assemblage en bout à bout d'un dixième de mm jusqu'à des épaisseurs de 8 mm. Dans ce cas, il nécessite très peu de métal d'apport. Il est utilisé quasi exclusivement en mode automatisé (robot)et les vitesses de soudage sont élevées (dizaines de cm par seconde). Cette méthode permet de souder à des températures atteignant les 10 000 °C.

Il permet de souder les aciers « noirs » et les aciers inoxydables, mais pas l'aluminium.

Soudage par faisceau d'électrons

(EBW : Electron Beam Welding)

Utilise l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) des électrons projetés dans une enceinte sous vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) et focalisés sur la pièce à souder pour créer une zone fondue.

Soudage par friction

Ce type de soudage est obtenu par l'échauffement de deux pièces pressées et en mouvement l'une par rapport à l'autre. Le mouvement relatif entraine un échauffement de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) jusqu'à plastification locale du matériau, puis soudage par diffusion atomique. La qualité de la liaison ainsi obtenue est supérieure à celle des matériaux utilisés. Il n'y a pas de métal d'apport. On peut souder des matériaux différents.

On distingue deux familles de soudage par friction :

  • Le soudage linéaire (LFW, Linear Friction Welding), obtenu par un mouvement d'aller/retour linéaire.
  • Le soudage orbital, obtenu par rotation relative des deux pièces.

Ce dernier type se compose de deux familles :

  • Le soudage à friction pilotée, pour lequel le couple du moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif...) d'entraînement est transmis directement à la pièce en rotation.
  • Le soudage à friction inertielle, qui utilise un volant d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa...) pour fournir le couple de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...).

Soudage par friction malaxage ou soudage thixotropique

Le « friction stir welding » (FSW) est le procédé de soudage la plus récent de tous. Il a été inventé « par erreur » et breveté par TWI dans les années 1990. Ce type de soudage est aujourd'hui essentiellement utilisé pour les alliages d'aluminium car il demande des efforts très importants pour être mis en œuvre. De même les outils utilisés pour le soudage de nuances autres que l'aluminium (aciers) doivent être très durs et très résistants. Ses applications principales se concentrent donc dans la fabrication de trains (le TGV (Le TGV est une rame automotrice électrique d'origine française apte à circuler à des vitesses...) par exemple) ou d'avions : l'Eclipse est un avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale...) assemblé à 100 % avec ce système. L'avantage principal de ce procédé par rapport à ses concurrents dans ces domaines (qui sont le rivetage, le collage et le soudage par résistance) est la jointure bout à bout des tôles, sans recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union...), ce qui permet de gagner en poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...).

Plusieurs études sont en cours sur ce procédé :

  • à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de Soudure en Lorraine (France) ;
  • à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) du Québec à Chicoutimi (Canada) ;
  • au Centre des technologies de l'aluminium du CNRC (Canada) ;
  • à l'International Institute of Welding en Grande-Bretagne (La Grande-Bretagne (en anglais Great Britain) est une île bordant la côte nord-ouest de...).

Soudage à l'arc sous flux

Aussi appelé « arc submergé » : le procédé SAW (submerged arc welding) consiste à effectuer un joint de soudure sur de l'acier à l'aide d'un arc électrique qui est submergé de flux en poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...). Ce procédé de soudage est effectué à l'aide d'un robot (Un robot est un dispositif mécatronique (alliant mécanique, électronique et...), ce qui lui apporte une grande régularité. Deux robots de ce type positionnés l'un en face de l'autre (joint en « T ») peuvent effectuer une soudure pleine pénétration d'un acier de forte épaisseur sur de longues distances (plusieurs mètres). Ce procédé est surtout utilisé pour la fabrication de pièces en série.

Soudage par composition de procédés

Dit hybride (En génétique, l'hybride est le croisement de deux individus de deux variétés,...), par exemple Laser plus TIG.

Soudage électrogaz

Se rapproche de la fonderie (La fonderie est l'un des procédés de formage des métaux qui consiste à couler...).

Le soudage electrogaz est un développement du soudage sous laitier électro-conducteur auquel il ressemble quant à sa conception et son utilisation. Au lieu de fondre dans un laitier, l'électrode fond dans un arc entouré d' un gaz de protection, comme en soudage MIG / MAG. Cette méthode est utilisée pour des tôles de 12 à 100 mm ; un balayage est utilisé pour des épaisseurs supérieures. Le joint est normalement préparé en « I », avec un espace. On utilise aussi des préparations en « V ». En réalisation de joints verticaux, sur de gros réservoirs par exemple, des économies importantes sont faisables, comparativement au soudage MIG / MAG

Soudage par diffusion

Consiste à se servir du phénomène de diffusion des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) pour créer une liaison.

Il est très utilisé pour effectuer des pièces creuses renforcées à partir de plusieurs tôles en titane (Le titane est un élément chimique métallique de symbole Ti et de numéro...). Dans ce cas, on tire au vide à l'inter-tôles et on presse avec une pression de gaz argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.) par l'extérieur. Cette opération est réalisée à 920°C.

Soudage par explosion (Une explosion est la transformation rapide d'une matière en une autre matière ayant un...)

Cette technique découverte fortuitement en 1957 lors d'essais de formage par explosion, est essentiellement employée pour assembler des métaux de nature différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...), par exemple de l'aluminium sur de l'acier. Généralement, il s'agit de profilés pré-soudés qui permettent ces assemblages (ex: superstructures en aluminium sur un bateau (Un bateau est une construction humaine capable de flotter sur l'eau et de s'y déplacer,...) à coque en acier dans le but d'abaisser le centre de gravité).

Les métaux à assembler sont superposés selon un certain angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) et recouverts d'une couche uniforme d'explosif (Un explosif est un composé chimique défini ou un mélange de corps susceptibles lors...), la combustion rapide (détonation) de celui-ci provoque une fusion en coin qui se propage sur toute la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) mêlant intimement les deux métaux. Ce type de soudure n'est pas sujet par la suite à la corrosion galvanique. Les résultats présentent à l'interface des propriétés particulières.

Soudage par impulsion magnétique

Le soudage par impulsion magnétique est une technique encore peu connue. Cette assemblage se réalise (presque) à froid (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) et résulte d’une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) magnéto-mécanique appliquée à l’une des pièces à souder qui en quelque sorte s’encastre violemment et mécaniquement dans l’autre pièce à souder maintenue fixe. Cette technique permet de souder des matériaux conducteurs qui ont des points de fusion éloignés (par ex.: aluminium-acier). Il est également possible de faire du formage et étampage de pièces.

Brasage à l’étain

Soudure d'un composant électronique (Un composant électronique est un élément destiné à être assemblé avec d'autres afin de...).

Le brasage à l’étain s'effectue à basse température (200 °C - 250 °C), un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments...) d’étain et de plomb est fondu et utilisé pour joindre des surfaces métalliques, en particulier dans le domaine de l’électronique et de la plomberie (La plomberie est une spécialité de l'ingénieur en Mécanique appliquée au...). Il s’agit de brasure et non de soudure, car seul le métal d’apport est fusionné.

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