Le procédé 12 et son installation : l'arc caché sous la poudre

Pense à une braise enfouie sous le sable d'une plage : tu ne vois plus la lueur, mais le sable autour fond en verre. Sous la poudre du soudage, c'est pareil, en beaucoup plus chaud. Un fil d'acier nu, déroulé sans fin d'une bobine, descend vers la pièce. Il reçoit le courant dans un tube contact en cuivre, quelques centimètres avant son extrémité. Devant lui, une buse verse une poudre minérale, le flux, en un petit cordon de 3 à 5 cm de haut. L'arc jaillit entre le bout du fil et la pièce, sous cette poudre.

1. 1Le fil et le tube contact

   Le fil avance à vitesse réglée ; le tube contact lui transmet des centaines d'ampères. La longueur de fil entre le tube et l'arc s'appelle le fil sorti.

2. 2La cavité d'arc

   L'arc brûle dans une bulle de gaz et de vapeurs, coiffée de flux fondu : personne ne le voit, d'où le nom d'arc submergé.

3. 3Le bain et le laitier

   Le fil et les bords fondent dans le bain. Le flux fondu flotte dessus, le protège de l'air, puis se fige en une croûte de verre, le laitier, qui se détache souvent seule.

4. 4Le flux non fondu

   Seule une partie de la poudre fond. Le reste est aspiré derrière la tête, tamisé et réutilisé.

Le procédé est presque toujours mécanisé : une machine porte la tête et la déplace le long du joint, ou fait tourner la pièce sous la tête. Le soudeur devient opérateur : il règle, surveille les afficheurs et corrige.

La désignation normalisée

L'ISO 4063 numérote les procédés : le premier chiffre donne la famille (1 : soudage à l'arc), le deuxième le groupe (2 : sous flux), le troisième le sous-groupe. Le soudage à l'arc sous flux porte le numéro 12 :

L'édition 2023 ne donne pas de numéro au soudage à plusieurs fils : un tandem de deux fils pleins reste un 121, et le nombre de fils se précise dans le descriptif de mode opératoire. La norme prévoit qu'on complète le numéro quand une variante n'est pas listée.

Le rôle du flux, en bref (le cours 2 le détaille) : il protège le bain de l'oxygène et de l'azote de l'air ; il stabilise l'arc grâce à des éléments faciles à ioniser ; il façonne le cordon, car le laitier liquide le lisse et le retient ; il épure le bain (désoxydation) et peut lui apporter du manganèse ou du silicium.

Un peu d'histoire

Un TGV est imbattable entre deux gares, sur une voie droite et bien posée ; il ne passe pas dans les ruelles. Le soudage sous flux est pareil : sur un long joint à plat, rien ne va plus vite ; dans un recoin, au plafond ou sur trois cordons de 10 cm, il perd tout son intérêt. Ses sept particularités :

Ses limites : on soude à plat (PA) ou en angle à plat (PB), parfois en corniche (PC) avec un dispositif qui retient la poudre ; il faut une installation, du temps de réglage et des joints accessibles ; la poudre craint l'humidité ; les fortes énergies élargissent la zone affectée thermiquement et peuvent réduire la ténacité. On l'emploie surtout sur les aciers non alliés et faiblement alliés, les aciers inoxydables et les alliages de nickel, en assemblage comme en rechargement.

Ses terrains de jeu : appareils à pression et réservoirs, mâts d'éoliennes et pieux offshore, tubes soudés en continu, panneaux et raidisseurs de navires, poutres reconstituées de ponts et de bâtiments, wagons, rechargement de rouleaux et de cuves.

La densité de courant

La densité de courant J est l'intensité rapportée à la section du fil (ou de l'âme de l'électrode) :

Les taux de dépôt du sous flux à un fil viennent de tableaux de fabricants (fil sorti d'environ 32 mm) ; le tandem atteint environ 19 kg/h, et les montages à trois fils dépassent 30 kg/h. Le taux de dépôt est la masse de métal déposée par heure d'arc ; comme il n'y a ni projections ni bouts d'électrode perdus, il est presque égal à la masse de fil fondue.

L'énergie de soudage et le rendement thermique

L'énergie électrique fournie par millimètre de cordon vaut E = U·I/v. La part réellement reçue par la pièce, l'apport de chaleur Q, s'écrit Q = k·E, où k est le rendement thermique relatif du procédé (EN 1011-1 et ISO/TR 17671-1) : k = 1 pour le soudage sous flux à un fil (121), contre 0,8 pour l'électrode enrobée (111) et le MAG (135). L'arc, enfermé sous la poudre, perd très peu de chaleur.

Ces 1,9 kJ/mm sont typiques d'une passe sous flux : environ deux à quatre fois l'apport d'une passe courante à l'électrode enrobée, souvent compris entre 0,5 et 1 kJ/mm. C'est ce qui fait la productivité du procédé, et ce qui oblige à surveiller la métallurgie de la zone affectée thermiquement (cours 3).

Un poste d'électrode enrobée est un sprinteur : il soude une minute, puis se repose pendant que le soudeur change d'électrode. Un générateur de soudage sous flux est un marathonien : il débite 600 à 1 000 A pendant tout un cordon de plusieurs mètres, parfois pendant des heures sur une virole qui tourne. Une plaque typique annonce par exemple 1 000 A sous 44 V à 100 % de facteur de marche, avec une tension à vide de 71 V.

Quatre familles de sources se rencontrent :

• le transformateur, qui donne un courant alternatif sinusoïdal (CA) à 50 Hz ;
• le transformateur-redresseur à thyristors, qui donne du courant continu (CC) ;
• l'onduleur (source électronique), qui donne du CC ou un CA « carré » dont on règle la forme ;
• plus rarement, un groupe moteur-générateur sur chantier.

Chaque source a une caractéristique, c'est-à-dire une courbe tension-intensité. Une caractéristique plate garde la tension presque constante (on dit aussi « à tension constante », CV en anglais) ; une caractéristique tombante garde l'intensité presque constante (« à courant constant », CC en anglais, à ne pas confondre avec le courant continu). Beaucoup de sources modernes offrent les deux.

Le point de fonctionnement

L'arc a sa propre courbe tension-intensité. Pour les fortes intensités du soudage sous flux, on la représente ici par une droite qui monte avec l'intensité et surtout avec la longueur d'arc (modèle pédagogique) :

Une source plate s'écrit U = U₀ − p·I, où U₀ est la tension à vide réglée et p la pente (en V par 100 A). Au croisement, I = (U₀ − 18 − 1,5·l)/(p + 0,01). D'où la sensibilité à la longueur d'arc :

Avec la source plate réglée à 39 V, un arc de 6 mm donne 600 A et 33 V ; à 8 mm, l'intensité tombe à 450 A. Avec une source tombante réglée à 600 A, le même allongement ne fait perdre qu'environ 6 A. Cette différence est le moteur de la régulation du chapitre 4.

Les réglages et les commutateurs

Le CA sinusoïdal passe par zéro 100 fois par seconde à 50 Hz : l'arc s'éteint et doit se rallumer à chaque passage, ce qu'aident les éléments ionisants du flux. Le CA carré des onduleurs traverse le zéro presque instantanément : l'arc reste stable, et l'on choisit l'équilibre entre l'alternance positive (pénétration) et l'alternance négative (dépôt). En multi-fil, chaque fil a sa propre source ; un tandem classique associe un fil de tête en CC+ et un fil de queue en CA, pour limiter l'interaction magnétique entre les deux arcs (cours 4).

Le facteur de marche

L'échauffement des enroulements et des semi-conducteurs suit l'effet Joule, en R·I². D'où la relation approchée entre deux points de la plaque :

Imagine une baignoire dont le robinet coule toujours au même débit : c'est le fil qui arrive. La bonde, elle, s'ouvre d'autant plus que l'eau monte : c'est le fil qui fond. Le niveau se stabilise tout seul. Sous la poudre, la longueur d'arc joue le rôle du niveau d'eau : elle reste constante si le fil fond exactement aussi vite qu'il avance.

Que se passe-t-il si la tôle présente une bosse de 3 mm, ou si une virole n'est pas parfaitement ronde ? L'arc se raccourcit d'un coup. Deux mécanismes peuvent le ramener :

1. AL'autorégulation (source plate, fil à vitesse constante)

   Arc plus court → tension d'arc plus basse → avec une source plate, l'intensité bondit (environ 75 A par mm) → le fil fond plus vite qu'il n'arrive → l'arc se rallonge. En quelques dixièmes de seconde, tout est rentré dans l'ordre, sans aucun capteur.

2. BLa régulation par la tension d'arc (source tombante, dévidoir asservi)

   Avec une source tombante, l'intensité bouge à peine : l'autorégulation est trop lente. Un circuit mesure alors la tension d'arc et commande le dévidoir : arc trop court → tension trop basse → le dévidoir ralentit → l'arc se rallonge.

L'amorçage se fait aussi sous la poudre, car le flux froid est isolant : on approche le fil lentement jusqu'au contact puis on le relève (amorçage par contact et retrait), on coupe le bout du fil en pointe, ou l'on glisse une petite pelote de laine d'acier entre le fil et la pièce. Certaines installations utilisent une haute fréquence. Dès que l'arc a fondu un peu de flux, le courant passe par ce flux liquide conducteur.

Le bilan du fil

Notons H la distance entre le tube contact et la pièce (en anglais contact tip to work distance, CTWD), L le fil sorti et l la longueur d'arc : H = L + l. Le fil avance à la vitesse v_f et fond à la vitesse v_m, qui dépend de l'intensité et du fil sorti. Le symbole d/dt désigne une dérivée par rapport au temps, c'est-à-dire une vitesse de variation :

La vitesse de fusion suit un modèle classique à deux termes : un terme proportionnel à l'intensité (la chaleur de l'arc au bout du fil) et un terme en L·I²/d² (l'effet Joule dans le fil sorti). Calé sur des tableaux de fabricants (à ± 15 % près), il donne en kilogrammes par heure :

Si l'arc s'écarte de sa longueur d'équilibre, il y revient de façon exponentielle, avec une constante de temps τ (le temps pour rattraper environ 63 % de l'écart) :

Lecture : plus le fil est fin, plus sa densité de courant est forte et plus l'autorégulation est rapide. Un gros fil sur source plate se régule encore, plus lentement. Sur source tombante sans asservissement, l'arc met plusieurs secondes à se rattraper : il « pompe », colle ou s'éteint. Le dévidoir asservi, lui, donne un temps de réponse presque indépendant du diamètre.

Le choix en pratique : la source plate avec fil à vitesse constante est la plus répandue, surtout pour les fils fins (environ 1,6 à 3,2 mm) et le soudage à grande vitesse ; la source tombante avec dévidoir asservi reste traditionnelle pour les gros fils (4 à 6 mm), les fortes intensités et le CA sinusoïdal. Les onduleurs récents proposent les deux modes.

Une tête de soudage rassemble, de haut en bas :

1. 1La réserve de fil

   Bobine de 25 à 100 kg, fût ou couronne de plusieurs centaines de kilogrammes pour les grandes séries.

2. 2Le dévidoir et le redresseur de fil

   Un moteur et des galets entraînent le fil ; des galets en quinconce le redressent, sinon il sortirait courbé et l'arc se décalerait.

3. 3Le tube contact

   Pièce en alliage de cuivre qui transmet le courant au fil. Il s'use : un tube usé donne une prise de courant irrégulière.

4. 4La trémie et la buse de flux

   La poudre descend par gravité (ou sous pression d'air) et se dépose devant l'arc ; un aspirateur récupère derrière l'excédent non fondu.

5. 5Les glissières et le pupitre

   Des glissières croisées placent le fil en hauteur et en travers ; le pupitre affiche I, U et v, lance et arrête le cycle (rampes de départ et de fin).

Pour déplacer l'arc le long du joint, trois familles :

• la tête bouge : tracteur (chariot automoteur) roulant sur la tôle ou sur un rail ; potence, aussi appelée colonne-flèche, qui porte la tête au bout d'un bras ; portique au-dessus d'un banc ;
• la pièce bouge : vireur à galets qui fait tourner une virole, positionneur (tourne-pièce) qui incline et fait tourner une pièce ;
• les deux bougent : potence et vireur ensemble, par exemple pour souder une soudure longitudinale puis circulaire sans démonter.

Comme on ne voit pas l'arc, la tête doit suivre le joint : un palpeur mécanique (roulette ou doigt qui frotte dans le chanfrein), un capteur laser qui mesure le profil du joint, ou le suivi par l'arc lui-même (le fil oscille et l'on mesure la variation d'intensité). Le palpeur est placé en avant du fil, comme un chien qui flaire la piste devant son maître.

Pourquoi le palpeur doit avoir de la mémoire

Le palpeur mesure le joint à une distance a devant le fil. Si la tête corrige immédiatement d'après cette mesure, le fil suit la position que le joint aura un peu plus loin, pas celle qu'il a sous l'arc. Pour un joint qui ondule en y = A·sin(2π·x/λ) (sin désigne la fonction sinus), l'écart maximal vaut :

Deux remèdes : rapprocher le palpeur du fil (ici, a ≤ 40 mm pour rester sous 1 mm), ou mémoriser les mesures et n'appliquer chaque correction qu'au moment où le fil arrive à l'endroit mesuré. C'est ce que font les capteurs laser modernes ; il ne reste alors que le retard du chariot de correction, qui doit pouvoir se déplacer en travers à la vitesse v·2π·A/λ (15 mm/min dans l'exemple, à 600 mm/min de soudage).

Les soudures bout à bout (BW, de l'anglais butt weld) se font sur trois grandes installations :

• le banc de clamage avec portique : deux tôles serrées à plat sur une latte de cuivre ou un lit de flux, soudées d'un seul côté, par exemple pour les panneaux de navires ;
• la potence et le vireur : la virole roulée est soudée en long (la tête se déplace), puis les viroles sont assemblées par des soudures circulaires (la pièce tourne sous la tête) ;
• les machines à tubes : tubes soudés en long ou en hélice, souvent avec plusieurs fils, à l'intérieur puis à l'extérieur.

Les soudures d'angle (FW, de l'anglais fillet weld) se font surtout au tracteur, qui roule le long d'un raidisseur en angle à plat (PB), ou sur des poutres reconstituées qu'un positionneur incline pour souder en gouttière (PA), c'est-à-dire avec le cordon au fond d'un V ouvert vers le haut.

Sur une virole qui tourne, le bain et le laitier liquides sont emportés par la rotation. Si l'arc est au sommet, ils redescendent de l'autre côté encore liquides : le cordon coule. On place donc le fil un peu avant le sommet, du côté qui monte, comme une nacelle de grande roue qu'on chargerait juste avant le point haut : le bain se fige quand il passe en haut, à plat.

La vitesse de rotation

Sur un vireur, la vitesse de soudage est la vitesse de la surface de la virole sous le fil. Un tour fait π·D :

Le décalage avant le sommet

Un guide de TWI donne le décalage du fil par rapport au sommet (en anglais top dead centre) selon le diamètre extérieur, pour une soudure circulaire extérieure. Il précise que la bonne valeur dépend aussi de l'épaisseur, de l'intensité et de la vitesse :

Une lecture géométrique aide à le retenir : à une distance e du sommet, la surface d'un cylindre est descendue d'une flèche h ≈ e²/D. Pour toutes les lignes du tableau, cette flèche vaut environ 2 mm (de 1,6 à 2,9 mm). Le fil se place donc là où la virole est environ 2 mm plus bas que son sommet.

Soudure intérieure : le même principe s'applique au point bas. On place le fil en amont du point bas, du côté d'où arrive la surface, pour que le bain se fige au point bas, à plat ; la tête est portée par la flèche de la potence qui entre dans la virole.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la formule littérale, puis les valeurs avec leurs unités. Les manipulations 1 à 6 permettent de vérifier tes résultats ; le défi se rejoue dans les manipulations 4 et 6.