Flux, fils et métal déposé : la recette sous la poudre

Le flux est une poudre minérale, un peu comme le sable et la chaux d'un mortier. Une fois fondu, il travaille sur cinq fronts :

1. 1Protéger

   Le flux fondu et ses vapeurs chassent l'air : ni oxygène ni azote dans le bain.

2. 2Ioniser

   Des composés faciles à ioniser (de sodium, de potassium, de calcium) rendent l'arc stable et aident le rallumage en courant alternatif.

3. 3Façonner

   Le laitier liquide recouvre le bain, le lisse et le retient ; il ralentit aussi le refroidissement du cordon.

4. 4Épurer

   Il capte l'oxygène dissous dans le métal (désoxydation) et une partie du soufre.

5. 5Allier

   Il peut donner au bain du manganèse et du silicium, ou en retirer : c'est son comportement métallurgique (chapitre 6).

Ses ingrédients se rangent en deux camps. Les bases (chaux CaO, magnésie MgO, fluorure de calcium CaF₂) captent l'oxygène et donnent un métal propre et tenace. Les acides (silice SiO₂, oxyde de titane TiO₂) donnent un laitier fluide, un beau cordon et de grandes vitesses, mais laissent plus d'oxygène dans le métal. L'alumine Al₂O₃ et l'oxyde de manganèse MnO comptent à moitié. Pèse les deux plateaux : c'est l'indice de basicité.

L'indice de basicité de Boniszewski

L'indice le plus employé pour les flux de soudage sous flux rapporte les oxydes basiques aux oxydes acides, en pourcentages de masse ; les oxydes « intermédiaires » comptent pour moitié :

ppm signifie « partie par million » : 700 ppm d'oxygène, c'est 0,07 % en masse. Exemple, le flux B : BI = (25 + 12 + ½ × 8)/(25 + ½ × (22 + 5)) = 41/38,5 = 1,06, un flux neutre. D'autres fabricants découpent autrement (faible sous 1,5, moyenne de 1,5 à 2,5, forte au-delà) : c'est une autre notation courante, et l'indice ne figure pas dans la désignation normalisée.

Les types de l'ISO 14174

La norme désigne le type de flux par ses constituants caractéristiques, en % de masse. Quelques types, avec leurs critères :

La norme compte d'autres types (ZS zirconium-silicate, RS rutile-silicate, AS aluminate-silicate, BA, AAS, GS, CG, CB…) et le symbole Z pour une composition non listée.

Les réactions laitier-métal et gaz-métal

Dans la cavité d'arc et sous le laitier, le métal liquide échange des éléments avec le flux fondu. L'échange le plus important oppose le silicium et le manganèse :

Côté gaz, l'eau du flux humide se décompose dans l'arc et charge le bain en hydrogène ; le fluorure de calcium en fixe une partie sous forme de fluorure d'hydrogène gazeux (HF), ce qui explique le faible hydrogène des flux fluorés. Une couche de flux trop mince laisse entrer l'azote de l'air (porosités).

Le flux fondu se fabrique comme un sucre d'orge : on fond tous les minéraux ensemble dans un four électrique, au-delà de 1 250 °C, on coule le liquide sur des blocs froids, puis on concasse le verre obtenu et on le tamise. Chaque grain est un petit éclat de verre, dur, homogène, qui ne boit presque pas l'eau.

Le flux aggloméré se fabrique comme un granola : on broie finement les minéraux, on ajoute des poudres métalliques (ferro-alliages, désoxydants), on colle le tout avec un liant au silicate de sodium ou de potassium, on forme des granulés, puis on les cuit et on les tamise. Chaque grain est un petit assemblage de miettes, plus poreux.

Le flux mixte est un mélange, après fabrication, de plusieurs flux ou d'un flux et d'autres composants.

D'où la grande différence : un flux fondu ne peut pas contenir de métal désoxydant ni d'élément d'alliage (ils brûleraient dans le four) ; un flux aggloméré, si. En revanche, l'aggloméré reprend l'humidité de l'air.

Le symbole du mode de fabrication est la deuxième lettre de la désignation ISO 14174 : S F pour un flux fondu, S A pour un aggloméré, S M pour un mixte (le S initial désigne le soudage sous flux, ES le soudage sous laitier).

Un tas de gros grains laisse passer l'air et les gaz ; un tas de grains fins forme une couverture serrée. Le grain du flux joue sur :

• la protection : un grain fin couvre mieux l'arc et évite qu'il ne perce la poudre aux fortes intensités et aux grandes vitesses ;
• le dégazage : un grain plus gros laisse s'échapper les gaz d'une tôle rouillée ou calaminée ;
• la forme du cordon et la stabilité de l'arc ;
• le transport et le recyclage : les fines font de la poussière, bouchent les conduits et sont perdues.

Règle générale : plus l'intensité est forte, plus le grain doit être fin. Les grains entre 0,5 et 1,6 mm font l'essentiel du travail ; ils doivent représenter plus de 70 % de la poudre.

La granulométrie se marque par deux nombres : les dimensions extrêmes des grains, en dixièmes de millimètre. 2–20 signifie des grains de 0,2 à 2,0 mm ; 2–16, de 0,2 à 1,6 mm. Les fiches américaines donnent l'équivalent en tamis Tyler (mailles par pouce), par exemple 8 × 65 ou 10 × 65 : plus le nombre est grand, plus la maille est fine. Ces deux nombres ne disent pas si la poudre est surtout grosse ou surtout fine : la répartition se mesure en pesant ce qui reste sur chaque tamis.

La couche de flux doit juste couvrir l'arc : une lueur à peine visible là où le fil entre dans la poudre. Trop mince, l'arc éclaire et protège mal (porosités, surface rugueuse) ; trop épaisse, le poids de la poudre gêne la sortie des gaz et marque le cordon de petits cratères (en anglais pock marks), et déforme le cordon. Repère courant : 25 à 50 mm, à ajuster à l'intensité.

Un flux aggloméré se comporte comme une éponge sèche posée dans une pièce humide : il reprend peu à peu l'eau de l'air. Dans l'arc, cette eau se décompose et charge le bain en hydrogène. Résultat : des porosités si l'hydrogène ne peut pas sortir, et surtout un risque de fissuration à froid différée sur les aciers trempants et les fortes épaisseurs.

Pour garder la poudre sèche et propre, l'atelier organise un véritable circuit du flux :

1. 1Le magasin

   Sacs fermés, au sec et à température stable ; premier entré, premier sorti.

2. 2L'étuve

   Pour les exigences de bas hydrogène, la poudre est séchée en couche mince, puis gardée chaude.

3. 3La trémie chauffée

   Elle alimente la tête en poudre maintenue autour de 150 °C.

4. 4L'aspiration

   Derrière la tête, la poudre non fondue est aspirée.

5. 5Le nettoyage

   Tamis contre le laitier et les morceaux, aimant contre les écailles et les bouts de fil, dépoussiéreur contre les fines.

6. 6Le retour, avec du flux neuf

   La poudre récupérée retourne à la trémie, mélangée à du flux neuf qui compense ce qui a fondu.

L'hydrogène et sa mesure

L'hydrogène diffusible se mesure selon l'ISO 3690, en ml pour 100 g de métal déposé. L'ISO 14174 en fait un symbole de la désignation des flux de classe 1 : H2, H4, H5, H10 (au plus 2, 4, 5 ou 10 ml/100 g). Quand un fabricant annonce ce symbole, il doit indiquer le type de courant et les conditions d'étuvage qui permettent de l'obtenir. Le lien avec la fissuration à froid, le préchauffage et la vitesse de refroidissement est traité dans la série Métallurgie du wiki et dans le sujet 2.6 « Fissuration ».

Pourquoi « une part neuve pour trois récupérées » ? Si la tête dépose environ 4 kg de poudre par kg de fil et qu'1 kg de flux fond, il faut remettre 1 kg de flux neuf pour 3 kg récupérés : le circuit garde ainsi la granulométrie et la composition d'origine.

Les fils pour aciers non alliés et à grains fins se distinguent surtout par leur teneur en manganèse, puis par leurs ajouts de silicium, de molybdène ou de nickel :

Le fil est généralement cuivré : la fine couche de cuivre le protège de la rouille et améliore le contact électrique dans le tube contact. Il se vend en diamètres de 2,0 à 6,0 mm pour l'essentiel (2,0 ; 2,4 ; 3,0 ; 3,2 ; 4,0 ; 5,0 ; 6,0 mm, parfois 1,6 mm), en bobines de 25 à 100 kg, en fûts de plusieurs centaines de kilogrammes ou en couronnes de plus de 700 kg pour les grandes séries.

Une désignation est une phrase codée : chaque case répond à une question. « S » : soudage sous flux ; puis la résistance, la température de la résilience, le type de flux, le fil, l'hydrogène.

La désignation d'un flux (ISO 14174)

Les quatre premières cases sont obligatoires (procédé, fabrication, type, classe) ; les trois dernières sont facultatives. Les classes d'emploi : 1 pour les aciers non alliés, à grains fins, à haute résistance, résistant au fluage ou patinables ; 2 pour l'assemblage des aciers inoxydables et du nickel, 2B pour le rechargement par feuillard ; 3 pour le rechargement dur avec apport d'éléments par le flux ; 4 pour les autres (alliages de cuivre par exemple).

Le comportement se mesure avec un fil S2 de 4 mm, sur un dépôt de 8 couches soudé à 580 A, 29 V et 550 mm/min en courant continu, fil au pôle positif. Pour le silicium, les chiffres 1 à 4 ne sont pas utilisés. « 67 » se lit donc : le flux ajoute 0,1 à 0,3 % de silicium et 0,3 à 0,5 % de manganèse.

La désignation d'un couple fil-flux (ISO 14171, système A)

R_e est la limite d'élasticité, R_m la résistance à la traction, A l'allongement à la rupture ; la résilience est l'énergie absorbée par une éprouvette Charpy entaillée. En deux passes (une de chaque côté, pénétrations croisées), la classification porte sur le joint soudé et la tôle d'essai : « 3T » veut dire que le couple convient à une tôle d'au moins 355 MPa de limite d'élasticité et donne un joint d'au moins 470 MPa de résistance.

Autres notations courantes : l'ancienne EN 760 écrivait le flux « SA AB 1 67 AC H5 » ; le système B de l'ISO 14171 et l'AWS A5.17 désignent un couple par sa résistance à la traction et une résilience de 27 J, par exemple F7A4-EM12K : flux (F) donnant au moins 70 ksi (environ 480 MPa) de résistance, à l'état brut de soudage (A), 27 J à −40 °F (4), avec un fil (E) moyennement allié au manganèse (M), à environ 0,12 % de carbone (12), calmé au silicium (K).

Le cordon est un cocktail. Le fil y verse son métal ; le flux y ajoute (ou y retire) un peu de manganèse et de silicium ; et la tôle, qui fond sous l'arc puissant, y verse sa propre composition. La part de tôle fondue dans le cordon s'appelle la dilution. En soudage sous flux, elle est forte : sur une passe unique ou en deux passes croisées, la tôle fournit souvent plus de la moitié du métal fondu.

Deux familles de flux :

• les flux actifs apportent beaucoup de manganèse et de silicium : précieux pour une ou deux passes très diluées, sur des tôles rouillées, à grande vitesse ; dangereux en multipasse, où les apports s'accumulent ;
• les flux neutres changent peu la composition : ils conviennent au multipasse épais, sans limite d'épaisseur.

Et la tension d'arc s'en mêle : plus elle est haute, plus l'arc fond de flux, plus le flux agit.

La dilution

Sur une coupe macrographique, on mesure l'aire A_b du métal de base fondu (sous la surface d'origine des tôles) et l'aire A_d du métal déposé :

Le bilan d'un élément

Pour chaque élément X (manganèse, silicium, carbone…), un catalogue de fabricant propose le bilan suivant, en % de masse :

Exemple : tôle S355 (Mn 1,50 ; Si 0,30), fil S2 (Mn 1,07 ; Si 0,12), flux « 67 » à 30 V (Si +0,2 ; Mn +0,4), D = 0,6 : Mn = 0,4 × (1,07 + 0,4) + 0,6 × 1,50 = 1,49 % ; Si = 0,4 × (0,12 + 0,2) + 0,6 × 0,30 = 0,31 %.

Le piège du multipasse avec un flux actif

En multipasse, chaque passe se dilue surtout dans la passe précédente. Passe après passe, la composition tend vers celle du métal fondu sans dilution : X_fil + ΔX_flux. Avec un flux actif « 89 » et un fil S2, le manganèse tend vers 1,87 % et le silicium vers 0,72 % : un métal fondu dur, peu tenace, sensible à la fissuration. D'où la règle : flux actifs pour une ou deux passes, flux neutres pour le multipasse. Et comme l'apport grandit avec la tension, un flux actif rend aussi le cordon sensible au moindre écart de réglage.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la formule littérale, puis les valeurs. Les manipulations 1 à 6 permettent de vérifier tes résultats ; le défi se rejoue dans les manipulations 5 et 6.