Avant de commencer
Les cours 1 et 2 en trois cases
| Chapitre du cours | Ce qu'il apporte à l'IWE |
|---|---|
| 1 L'intensité | pénétration, dépôt, plages par diamètre, percement |
| 2 La tension | largeur, consommation de flux, apport d'éléments, fusion de la racine |
| 3 La vitesse et l'énergie | taille du cordon, énergie, apport de chaleur, t8/5 |
| 4 Le diamètre et le fil sorti | densité de courant, préchauffage du fil, taux de dépôt |
| 5 La polarité et le soufflage | CC+, CC−, CA, CA carré ; soufflage magnétique et prise de masse |
| 6 La position du fil et la forme du cordon | angle du fil, pente, facteur de forme, fissuration à chaud |
- EN 1011-1 et ISO/TR 17671-1 : énergie de soudage et rendement thermique (k = 1 pour le 121) ; EN 1011-2 : soudage des aciers ferritiques, avec les formules du temps de refroidissement t8/5 et, en annexe, l'indice de sensibilité à la fissuration à chaud des soudures sous flux.
- t8/5 : temps de refroidissement entre 800 et 500 °C ; ZAT : zone affectée thermiquement ; UCS : units of crack susceptibility, unités de sensibilité à la fissuration.
- CC+, CC− : courant continu, fil au pôle positif ou négatif ; CA : courant alternatif ; équilibre d'un CA carré : part du temps au pôle positif.
Un descriptif de mode opératoire sous flux fixe chaque paramètre et sa plage. Quand une macrographie montre un manque de fusion à la racine, un cordon en champignon, une fissure au centre ou des caniveaux, le coordinateur doit savoir quel bouton a été mal tourné, et dans quel sens le corriger, sans casser le reste.
La série en quatre cours
Le plan du cours
- 1L'intensité
Elle creuse et elle remplit : pénétration et dépôt.
- 2La tension
Elle élargit l'arc, fond plus de flux, et peut manquer la racine.
- 3La vitesse et l'énergie
Le pinceau qui court : cordon plus fin, refroidissement plus rapide.
- 4Le diamètre et le fil sorti
Un fil fin et un fil sorti long fondent plus vite.
- 5La polarité et le soufflage
CC+ creuse, CC− dépose ; le courant peut pousser l'arc.
- 6La position du fil et la forme du cordon
Angle, pente, facteur de forme, et la fissure au cœur du cordon.
L'intensité
Elle creuse et elle remplit : pénétration et dépôt
L'intensité est le bouton le plus puissant. Elle agit comme une pioche : plus elle est forte, plus l'arc creuse la tôle (la pression de l'arc et la chaleur augmentent) ; et comme une brouette : plus elle est forte, plus le fil fond vite, plus il y a de métal déposé. À vitesse égale, le cordon est donc à la fois plus profond et plus gros.
Chaque diamètre de fil a sa plage d'intensité :
- trop faible : l'arc erre, manque de stabilité, pénètre peu ;
- trop forte : le fil surchauffe, l'arc devient instable, le profil se dégrade, des caniveaux apparaissent ; sur tôle mince sans support, le bain perce.
Manipulation 1 : la pioche et la brouette
Cordon sur tôle, vitesse 550 mm/min, tension réglée sur le repère U = 20 + 0,02·I. Choisis le diamètre du fil, l'intensité I et l'épaisseur de la tôle e (soudée d'un seul côté, sans support envers). La coupe montre le métal déposé (bleu), la tôle fondue (bleu-vert) et la limite de la ZAT (pointillé) ; la barre montre la plage du fil. Le bouton ▶ monte l'intensité de 300 à 1 000 A. Modèle pédagogique.
| Diamètre du fil | Plage indicative (CC+) | Taux de dépôt indicatif (fil sorti ≈ 32 mm) |
|---|---|---|
| 2,0 mm | 200 à 500 A | ≈ 2 kg/h à 200 A ; ≈ 7 kg/h à 500 A |
| 3,2 mm | 250 à 800 A | ≈ 5 kg/h à 500 A ; ≈ 10 kg/h à 800 A |
| 4,0 mm | 400 à 900 A | ≈ 5 kg/h à 500 A ; ≈ 11 à 13 kg/h à 900 A |
| 5,0 mm | 500 à 1 100 A (ordre de grandeur) | ≈ 12 kg/h à 1 000 A |
Plages et taux de dépôt rassemblent des tableaux de fabricants ; les plages se recouvrent, ce qui laisse choisir le diamètre selon l'effet cherché (chapitre 4).
Dans le modèle du cours, la pénétration croît un peu plus vite que l'intensité, la largeur beaucoup moins vite :
p : pénétration ; w : largeur ; h : surépaisseur ; Ad : aire du métal déposé, proportionnelle au taux de dépôt divisé par la vitesse (mm²). Exposants pédagogiques ; « ∝ » se lit « proportionnel à »
La surépaisseur se déduit de la conservation de la matière : le métal déposé forme un chapeau à peu près parabolique, dont l'aire vaut 2/3·w·h. À 600 A (32 V, 550 mm/min, fil de 4 mm), le modèle donne p ≈ 7,4 mm, w ≈ 15,5 mm, h ≈ 2,6 mm et une dilution de 73 %. À 900 A (38 V) : p ≈ 12,5 mm, w ≈ 21,7 mm.
Le percement : soudée d'un seul côté sans support, une tôle doit garder sous le bain une épaisseur de métal solide qui le porte. Repère du cours : garder p ≤ e − 2 mm. Pour une tôle de 10 mm, le modèle donne au plus environ 635 A ; au-delà, il faut un support envers (cours 4) ou une passe de chaque côté.
À l'amorçage, la tôle est froide : une montée progressive de l'intensité évite les manques de fusion de départ. En fin de cordon, une descente progressive remplit le cratère et limite la fissure de cratère. Sur les tôles d'essai et en production, on soude aussi souvent sur des appendices d'amorçage et de sortie, qu'on coupe ensuite (cours 4).
La tension
Elle élargit l'arc, fond plus de flux, et peut manquer la racine
Recule une lampe torche du mur : la tache de lumière s'élargit. La tension d'arc traduit la longueur de l'arc : plus elle est haute, plus l'arc est long et s'étale. Sur une tôle pleine, le cordon devient plus large et plus plat (à dépôt égal, un cordon plus large est forcément moins haut), la dilution augmente, la pénétration change peu.
Mais un arc long fond aussi plus de flux : la consommation de poudre grimpe, et un flux actif apporte plus de manganèse et de silicium. Dans un chanfrein en V, un arc trop large ne descend plus jusqu'au fond : il fond les flancs et laisse un manque de fusion à la racine. Enfin, un arc long souffle plus facilement (chapitre 5). Une tension trop basse donne un cordon étroit et bombé, mal raccordé.
Manipulation 2 : la lampe torche
Fil de 4 mm, 550 mm/min. Règle l'intensité I et la tension U, sur tôle pleine ou dans un chanfrein en V. À gauche, la coupe (contour pointillé : la tension repère) ; à droite, le plan tension-intensité avec la bande repère U = 20 + 0,02·I ± 2 V tirée de tableaux de fabricants. La lecture donne la consommation de flux et l'apport de manganèse d'un flux « 67 ». Le bouton ▶ balaie la tension de 26 à 42 V.
Les tableaux de réglage des fabricants associent à chaque intensité une tension : pour un fil de 4 mm, environ 28 V à 400 A, 32 V à 600 A, 36 V à 800 A et 38 V à 900 A, à ± 2 V près selon le flux et le joint. On en retient un repère :
U en V, I en A ; fil de 4 mm ; ± 2 V selon le flux, l'épaisseur et la préparation
La consommation de flux suit la tension. Une fiche de fabricant (fil de 4 mm, 580 A, 55 cm/min, CC+) donne 0,7 kg de flux par kg de fil à 26 V, 1,0 à 30 V, 1,3 à 34 V et 1,6 à 38 V : presque deux fois plus de flux fondu entre 26 et 38 V. Avec un flux actif, l'apport de manganèse et de silicium suit, d'où la règle : avec un flux qui allie, la longueur d'arc, donc la tension, se tient serrée.
| Tension | Tôle pleine, bords droits | Chanfrein en V |
|---|---|---|
| trop basse | cordon étroit, bombé, mal raccordé | arc étroit qui atteint la racine, mais cordon bombé, mal raccordé aux flancs |
| repère | cordon régulier, bien raccordé | fusion de la racine et des flancs |
| trop haute | cordon large, plat, dilution plus forte ; avec une vitesse lente, cordon en champignon | arc trop large : manque de fusion à la racine ; soufflage ; plus de flux fondu |
Sur une installation, la tension affichée est mesurée entre le tube contact et la pièce : elle comprend la chute de tension dans le fil sorti. Deux installations réglées « à 32 V » avec des fils sortis différents n'ont pas tout à fait la même longueur d'arc. Le mode opératoire précise donc où se mesure la tension et quel fil sorti l'accompagne.
La vitesse et l'énergie
Le pinceau qui court : cordon plus fin, refroidissement plus rapide
Passe un pinceau chargé de peinture lentement, puis vite : le trait lent est large et épais, le trait rapide fin et mince. À intensité égale, la taille du cordon est inversement proportionnelle à la vitesse. Et plus on va vite, moins chaque millimètre reçoit de chaleur : le cordon refroidit plus vite.
- vitesse trop lente : gros bain, risque de percement ; avec une tension haute, cordon en champignon ;
- vitesse trop rapide : cordon étroit, porosités plus probables, caniveaux et cordon irrégulier à l'extrême.
Manipulation 3 : le pinceau et le refroidissement
Fil de 4 mm. Règle l'intensité I, la tension U et la vitesse v, puis l'épaisseur e, le préchauffage T0 et le type de joint. La lecture calcule l'énergie E, l'apport de chaleur Q (k = 1) et le temps de refroidissement t8/5 par les formules de l'EN 1011-2 ; la courbe montre le refroidissement d'un point de la ZAT. Le bouton ▶ trace la courbe.
avec v en mm/s : 32 V, 600 A, 550 mm/min (9,17 mm/s) → E = 32 × 600/9,17 = 2 095 J/mm ≈ 2,09 kJ/mm
Le temps de refroidissement t8/5 entre 800 et 500 °C commande la structure de la ZAT et du métal fondu. L'EN 1011-2 donne deux formules, selon que la chaleur s'écoule en trois dimensions (tôle épaisse) ou en deux (tôle mince) ; T0 est la température initiale de la pièce (préchauffage), e l'épaisseur, F3 et F2 des facteurs de forme du joint (1 pour un cordon sur tôle, 0,9 pour des passes de bout à bout, 0,67 pour un angle en T en 3D ; en 2D, la norme donne pour l'angle une plage dont 0,67 est le haut, valeur gardée ici) :
2D : t8/5 = (4 300 − 4,3·T0)·105·(Q²/e²)·[1/(500 − T0)² − 1/(800 − T0)²]·F2
t en s, Q en kJ/mm, e en mm, T0 en °C. On utilise la formule 2D quand e est plus petite que l'épaisseur de transition et = √{[(4 300 − 4,3·T0)/(6 700 − 5·T0)]·105·Q·[1/(500 − T0) + 1/(800 − T0)]}
Exemple : 650 A, 33 V, 500 mm/min → E = Q = 2,57 kJ/mm. Tôle de 30 mm, T0 = 20 °C, passes de bout à bout (F = 0,9) : et ≈ 23,5 mm < 30 mm, écoulement 3D, t8/5 ≈ 12,3 s. Avec un préchauffage à 100 °C : 15,4 s. Sur une tôle de 15 mm (2D) : 30,1 s.
Ces mêmes formules servent dans la série Métallurgie du wiki et dans la série Électrode enrobée : seule l'énergie change. Avec 2 à 3 kJ/mm, le soudage sous flux donne des t8/5 longs, favorables contre la trempe et l'hydrogène, mais qui grossissent les grains et peuvent réduire la ténacité des aciers à haute résistance : c'est pourquoi leurs modes opératoires plafonnent souvent l'apport de chaleur.
Pour les aciers à grains fins et à haute résistance, le descriptif de mode opératoire fixe souvent un apport de chaleur maximal par passe, vérifié lors de la qualification. En production, l'opérateur ne doit donc pas « rattraper » une vitesse trop lente par une tension plus haute : les deux augmentent l'apport et le t8/5.
Le diamètre et le fil sorti
Un fil fin et un fil sorti long fondent plus vite
Le fil sorti, entre le tube contact et l'arc, est parcouru par des centaines d'ampères : il chauffe comme le fil d'un grille-pain, par effet Joule. Plus il est long, plus il arrive chaud dans l'arc, et plus il fond vite. Plus le fil est fin, plus la densité de courant est forte, et plus cet effet compte.
- À intensité égale, un fil plus fin pénètre plus, donne un cordon plus étroit et dépose davantage ; l'arc démarre et se tient mieux.
- Un fil sorti plus long dépose plus et pénètre moins. Normalement, on le tient à 25-30 mm pour l'acier non allié, un peu moins (20-25 mm) pour l'inox, plus résistif. Au-delà, le fil chaud et mou se met à errer, sauf s'il est guidé.
Et en source plate, à vitesse de fil constante (cours 1), relever la tête allonge le fil sorti : le fil fond plus vite par effet Joule, donc l'intensité baisse pour garder la même fusion, et la pénétration chute encore plus.
Manipulation 4 : le grille-pain
Tension 32 V, vitesse 550 mm/min. Choisis le diamètre du fil et le mode de réglage, puis le fil sorti L. En « intensité constante », l'intensité reste celle du curseur ; en « vitesse de fil constante » (source plate), le curseur fixe l'intensité obtenue avec 30 mm de fil sorti, et le modèle recalcule l'intensité quand L change. La couleur du fil sorti montre son échauffement. Le bouton ▶ relève la tête de 20 à 100 mm de fil sorti.
Le modèle du cours 1 donne le taux de fusion : un terme d'arc proportionnel à I, et un terme d'effet Joule proportionnel à L·I²/d² :
fil de 4 mm à 600 A : 6,88 kg/h avec L = 30 mm, 7,52 kg/h avec L = 60 mm (+9 %) ; fil de 2 mm à 600 A et 30 mm : 8,8 kg/h
Ce modèle linéaire sous-estime l'effet des très grands fils sortis, car la résistivité de l'acier augmente fortement avec la température. Un fabricant annonce qu'un fil sorti électrique long (environ 125 mm, guidé par une rallonge isolée) peut doubler le dépôt à intensité égale. Cette technique, dite « fil sorti long » (en anglais long stick-out), sert à remplir vite ou à réduire l'apport de chaleur par kilogramme déposé, au prix d'une pénétration plus faible.
| À 600 A, 32 V, 550 mm/min (modèle) | J (A/mm²) | MR (kg/h) | p (mm) | h (mm) |
|---|---|---|---|---|
| fil de 2,0 mm | 191 | 8,8 | 9,1 | 3,7 |
| fil de 3,2 mm | 75 | 7,2 | 7,9 | 2,8 |
| fil de 4,0 mm | 48 | 6,9 | 7,4 | 2,6 |
| fil de 5,0 mm | 31 | 6,7 | 6,9 | 2,4 |
Fil sorti et source plate : à vitesse de fil constante, passer de 30 à 60 mm de fil sorti avec un fil de 4 mm fait baisser l'intensité de 600 à environ 556 A (même fusion, moins d'arc), et la pénétration d'environ 7,4 à 6,0 mm. C'est pourquoi le mode opératoire fixe la distance entre le tube contact et la pièce.
Le diamètre du fil fait partie des variables du descriptif de mode opératoire : il change la densité de courant, le dépôt et la forme du cordon. On ne remplace donc pas un fil de 4 mm par un fil de 3,2 mm « parce que la bobine est finie » sans vérifier que le mode opératoire et sa qualification le permettent.
La polarité et le soufflage
CC+ creuse, CC− dépose ; le courant peut pousser l'arc
Le choix du courant change le partage de la chaleur entre le fil et la pièce :
- CC+ (fil au pôle positif) : le mode le plus courant ; arc stable, pénétration la plus forte ;
- CC− (fil au pôle négatif) : le fil fond plus vite (environ 25 à 35 % de dépôt en plus selon les sources), la pénétration et la dilution baissent ; l'arc est moins stable. Utile pour le rechargement et les surfaces ;
- CA : un compromis entre les deux ; il limite aussi le soufflage. Le CA carré des onduleurs permet de choisir le compromis par l'équilibre, la part du temps passée au pôle positif.
Le courant de soudage traverse la pièce pour rejoindre la prise de masse. Ce courant crée un champ magnétique ; si ce champ n'est pas symétrique autour de l'arc, il pousse l'arc d'un côté : c'est le soufflage magnétique. Il est fort aux fortes intensités, en courant continu, près des extrémités des tôles et selon la position de la masse. L'arc soufflé fond mal un bord, fait des caniveaux, des porosités, un cordon irrégulier.
Manipulation 5 : l'aimant invisible
Choisis le type de courant (et l'équilibre du CA carré) : la courbe montre le courant dans le temps, les barres le dépôt et la pénétration par rapport au CC+. Place ensuite la prise de masse et la distance x qui reste avant le bout de la tôle : le dessin montre l'arc dévié. Le bouton ▶ fait avancer la tête jusqu'au bout de la tôle. Modèle de soufflage pédagogique ; intensité 600 A, 32 V, 550 mm/min.
| Courant | Dépôt (modèle, par rapport au CC+) | Pénétration | Emplois |
|---|---|---|---|
| CC+ | référence | la plus forte | la plupart des assemblages |
| CC− | +27 % | −25 % environ | rechargement, faible dilution, tôles minces |
| CA sinusoïdal | +14 % | intermédiaire | gros fils, fil de queue d'un tandem, moins de soufflage |
| CA carré, équilibre 25 % | +20 % | plutôt faible | remplissage rapide, s'approche du CC− sans ses défauts |
| CA carré, équilibre 75 % | +7 % | plutôt forte | pénétration avec un arc alternatif |
Les ordres de grandeur viennent de fabricants et de TWI : environ +25 % de dépôt en CC− pour un fabricant, environ +35 % pour TWI ; le modèle du cours prend +27 %. Un fabricant souligne que son CA carré à équilibre de 25 % approche le dépôt du CC− sans ses problèmes d'arc.
Le soufflage et la prise de masse
En courant continu, l'arc est dévié vers l'arrière quand on soude vers la prise de masse et à l'approche du bout de la tôle ; vers l'avant quand on s'éloigne de la masse ou au départ. Les remèdes, du plus simple au plus radical :
- déplacer la prise de masse, ou en mettre deux, aux deux extrémités du joint ;
- raccourcir l'arc (tension plus basse) et, si possible, réduire l'intensité ; à grande vitesse, garder une tension basse ;
- souder sur des appendices de départ et de fin qui prolongent le joint ;
- passer au courant alternatif, au moins pour la passe sensible ; en tandem, mettre le fil de queue en CA ;
- vérifier que la pièce n'est pas aimantée (magnétisme rémanent) et la démagnétiser au besoin.
Dans un tandem, deux arcs proches en courant continu s'attireraient ou se repousseraient selon le sens de leurs courants, et se déformeraient mutuellement. La combinaison classique place le fil de tête en CC+ (pénétration) et le fil de queue en CA (remplissage et finition), ce qui limite l'interaction magnétique entre les arcs. Le cours 4 détaille ces montages.
La position du fil et la forme du cordon
Angle, pente, facteur de forme, et la fissure au cœur du cordon
L'angle du fil oriente la force de l'arc. Fil poussé (pointé vers l'avant) : l'arc chasse le bain devant lui, le cordon est plus large et moins profond, sans caniveaux. Fil tiré (pointé vers l'arrière) : l'arc creuse sous lui, le cordon est plus étroit, plus profond, avec plus de risque de caniveaux. En pratique, on soude souvent fil poussé d'environ 10°, le meilleur compromis. En angle à plat, on gagne de la pénétration à la racine en redressant le fil et en visant un peu plus la tôle verticale.
La pente agit comme sur une virole (cours 1) : en montant, le bain coule vers l'arrière, l'arc creuse plus, le cordon se rétrécit et se bombe ; en descendant, le bain coule sous l'arc, le cordon s'aplatit et pénètre moins.
Enfin, la forme du cordon décide de sa résistance à la fissuration à chaud. En se solidifiant, le cordon pousse des cristaux en colonnes depuis les bords vers le centre. Si le cordon est étroit et profond, les colonnes se rencontrent de face au milieu, où se concentrent les dernières gouttes de liquide chargées d'impuretés : la fissure s'ouvre au centre. Un cordon environ une fois et demie plus large que profond est le plus sain.
Manipulation 6 : le champignon et la goutte
Fil S2 de 4 mm, flux « 67 », tôle C-Mn dont tu règles le carbone. Règle l'intensité, la tension, la vitesse, l'angle du fil α (positif : poussé ; négatif : tiré) et la pente β (positive : en montant). La coupe montre les cristaux de solidification ; la lecture donne le rapport largeur/profondeur, la dilution et l'indice UCS de l'EN 1011-2 comparé à la limite d'un cordon de cette forme. Le bouton ▶ solidifie le cordon.
Le facteur de forme est le rapport largeur/profondeur de la zone fondue, W/d. D'après TWI : W/d ≈ 3/2 donne des cordons sains ; W < d (cordon plus profond que large) favorise la fissuration au centre ; un cordon très large et peu pénétrant favorise des fissures de surface et ne fond pas la racine. Un cordon en champignon (tension haute, vitesse lente) se fissure sur ses flancs.
La composition compte autant. L'annexe de l'EN 1011-2 consacrée au soudage sous flux propose un indice de sensibilité, en unités arbitraires :
teneurs du métal fondu en % de masse ; C* = C, mais au moins 0,08 ; S soufre, P phosphore, Nb niobium. Moins de 10 : très résistant ; plus de 30 : peu résistant
Pour une passe d'angle de rapport profondeur/largeur voisin de 1, le risque apparaît vers 20 UCS ; pour une passe de bout à bout, vers 25. Ramener ce rapport de 1,0 à 0,8 remonte la limite d'environ 9 unités. Le carbone pèse le plus : en soudage sous flux, la forte dilution fait entrer le carbone de la tôle dans le cordon, surtout en racine. Remèdes : un fil plus riche en manganèse et pauvre en carbone, en soufre et en phosphore ; moins de dilution ; un cordon moins profond et plus large ; une vitesse moins élevée, un écartement et un bridage maîtrisés.
| Quand on augmente… | Pénétration p | Largeur w | Surépaisseur h | Dilution D |
|---|---|---|---|---|
| l'intensité | ↑↑ | ↑ | ↑ | ↑ |
| la tension | ≈ (↓ en chanfrein) | ↑↑ | ↓ | ↑ |
| la vitesse | ↓ | ↓↓ | ↓ | ≈ ↑ |
| le diamètre (à I égale) | ↓ | ↑ | ↓ | ≈ |
| le fil sorti (à I égale) | ↓ | ≈ | ↑ | ↓ |
| la part de CC− (polarité) | ↓ | ≈ | ↑ | ↓ |
| l'angle « tiré » | ↑ | ↓ | ↑ | ≈ |
| la pente « en montant » | ↑ | ↓ | ↑ | ≈ |
On trouve parfois une rainure superficielle le long du centre du cordon, due au retrait : elle ressemble à une amorce de fissure, mais n'en est pas une. Seul un examen (ressuage, magnétoscopie, coupe) tranche. À l'inverse, une vraie fissure de solidification, ouverte à chaud, montre souvent une surface bleuie quand on casse le cordon.
Exercices corrigés
Six exercices et un défi, de la pioche au champignon
Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les valeurs de pénétration, de largeur et de dilution viennent du modèle des manipulations : retrouve-les en réglant les curseurs. Le défi se rejoue dans les manipulations 3 et 6.
Exercice 1 : trois boutons, trois effets N1 · chapitres 1 à 3
a) À 32 V et 550 mm/min (fil de 4 mm), que deviennent p, w et h quand l'intensité passe de 400 A (28 V) à 800 A (36 V) ?
b) À 600 A et 550 mm/min, que deviennent w, h et p quand la tension passe de 26 à 38 V ?
c) À 600 A et 32 V, que deviennent w et h quand la vitesse passe de 300 à 1 200 mm/min ?
d) Résume : quel bouton règle surtout la profondeur, lequel la largeur, lequel la taille ?
Voir la correction
a) p : de 4,4 à 10,8 mm ; w : de 11,3 à 19,7 mm ; h : de 2,3 à 2,8 mm. Manipulation 1.
b) w : de 10,9 à 19,6 mm ; h : de 3,7 à 2,0 mm (même dépôt, étalé) ; p : de 7,7 à 7,2 mm, presque inchangée. Manipulation 2, tôle pleine.
c) w : de 20,3 à 10,9 mm ; h : de 3,6 à 1,7 mm ; l'aire déposée est divisée par 4 (de 48,7 à 12,2 mm²). Manipulation 3.
d) L'intensité règle la profondeur (et le dépôt), la tension la largeur, la vitesse la taille du cordon.
Exercice 2 : ne pas percer N2 · chapitre 1
Tôle de 10 mm soudée d'un seul côté sans support, fil de 4 mm, 550 mm/min, tension U = 20 + 0,02·I. Repère : p ≤ e − 2 mm.
a) Quelle pénétration maximale vise-t-on ?
b) Avec le modèle, quelle intensité maximale ?
c) Que se passe-t-il à 650 A ?
d) Comment souder plus fort en sécurité ?
Voir la correction
a) p ≤ 10 − 2 = 8 mm.
b) Environ 635 A (avec 32,7 V) : p ≈ 8,0 mm. Manipulation 1 : e = 10 mm.
c) p ≈ 8,2 mm : il reste moins de 2 mm de métal solide sous le bain, risque de percement.
d) Mettre un support envers (latte de cuivre, lit de flux, support céramique) ou souder une passe de chaque côté (cours 4) ; ou augmenter la vitesse.
Exercice 3 : régler la tension N2 · chapitre 2
a) Quelle tension repère pour un fil de 4 mm à 700 A ? Quelle plage ?
b) À 34 V, combien de flux fond-il par kg de fil, d'après la fiche du chapitre 2 ?
c) Avec un flux « 67 » (Mn +0,4 % à 30 V), quel apport de manganèse à 34 V ?
d) La racine d'un chanfrein en V présente un manque de fusion à 40 V. Que faire ?
Voir la correction
a) U ≈ 20 + 0,02 × 700 = 34 V, soit 32 à 36 V.
b) 1,3 kg de flux par kg de fil (contre 1,0 à 30 V).
c) 0,4 × 1,3 = 0,52 % de manganèse apporté. Manipulation 2 : I = 700 A, U = 34 V.
d) Baisser la tension pour resserrer l'arc vers le fond (et, au besoin, monter l'intensité) : un arc trop large fond les flancs, pas la racine. Manipulation 2, chanfrein en V.
Exercice 4 : énergie et refroidissement N2 · chapitre 3
Passe de remplissage : 650 A, 33 V, 500 mm/min, fil de 4 mm, k = 1, passes de bout à bout (F = 0,9).
a) Calcule E et Q.
b) Tôle de 30 mm, T0 = 20 °C : calcule l'épaisseur de transition et t8/5.
c) Même tôle préchauffée à 100 °C ?
d) Tôle de 15 mm à 20 °C ?
Voir la correction
a) E = 33 × 650 × 60/(1 000 × 500) = 2,57 kJ/mm ; Q = 2,57 kJ/mm.
b) et = √[(4 214/6 600) × 10⁵ × 2,57 × (1/480 + 1/780)] ≈ 23,5 mm < 30 mm : 3D. t8/5 = 6 600 × 2,57 × (1/480 − 1/780) × 0,9 ≈ 12,3 s.
c) T0 = 100 °C : et ≈ 25,1 mm, toujours 3D ; t8/5 = 6 200 × 2,57 × (1/400 − 1/700) × 0,9 ≈ 15,4 s.
d) 15 mm < 23,5 mm : 2D. t8/5 = 4 214 × 10⁵ × (2,57/15)² × (1/480² − 1/780²) × 0,9 ≈ 30,1 s : la tôle mince refroidit bien plus lentement. Manipulation 3.
Exercice 5 : le grille-pain N2 · chapitre 4
Fil de 4 mm, 600 A, 32 V, 550 mm/min ; fil sorti de 30 mm.
a) À intensité constante, quel dépôt avec 60 mm de fil sorti ? Quel gain ?
b) En source plate à vitesse de fil constante, quelle intensité avec 60 mm ?
c) Que devient la pénétration dans les deux cas ?
d) Quel fil sorti TWI conseille-t-il pour l'acier non allié ? Pourquoi moins pour l'inox ?
Voir la correction
a) MR = 0,0104 × 600 + 9,5 × 10⁻⁷ × 60 × 600²/16 = 6,24 + 1,28 = 7,52 kg/h, contre 6,88 : +9 %.
b) Même fusion 6,88 kg/h : 0,0104·I + 3,56 × 10⁻⁶·I² = 6,88, d'où I ≈ 556 A.
c) Intensité constante : p de 7,4 à 6,7 mm ; vitesse de fil constante : p de 7,4 à 6,0 mm. Manipulation 4.
d) 25 à 30 mm ; 20 à 25 mm pour l'inox, plus résistif, qui chauffe davantage dans le fil sorti.
Exercice 6 : polarité et soufflage N1 et N2 · chapitre 5
a) Pour un rechargement à faible dilution, quelle polarité choisir ? Quels effets attendre (modèle) ?
b) Quel est l'intérêt d'un CA carré à équilibre 25 % ?
c) En CC+, on soude vers la prise de masse et l'arc est dévié vers l'arrière, surtout en fin de joint. Explique.
d) Donne trois remèdes.
Voir la correction
a) CC− : dépôt +27 % (8,75 kg/h au lieu de 6,88), pénétration environ −25 % (5,6 mm au lieu de 7,4), dilution de 73 à 62 %. Manipulation 5.
b) Il passe 75 % du temps en alternance négative : dépôt proche du CC− (+20 % dans le modèle) avec un arc alternatif plus stable et moins sensible au soufflage.
c) Le champ créé par le courant dans la pièce n'est pas symétrique : souder vers la masse et l'approche du bout de la tôle poussent l'arc vers l'arrière.
d) Deux prises de masse aux bouts du joint ; tension plus basse (arc court) ; appendices de fin de joint ; passage au CA ; démagnétisation si la pièce est aimantée.
🏆 Défi : la passe qui se fendait N2 · chapitres 3 et 6, à rejouer dans les manipulations 3 et 6
Joint bout à bout à bords droits, tôles de 16 mm en acier C-Mn à 0,20 % de carbone, soudé en une passe sur chaque face (fil S2 de 4 mm, flux « 67 »). Chaque passe doit pénétrer d'au moins 10 mm. Un opérateur propose : 800 A, 30 V, 900 mm/min, fil tiré de 15°, pièce inclinée de 6° en montant.
a) Avec le modèle, donne p, w, le rapport W/d, la dilution et l'UCS. Verdict ?
b) On passe à 800 A, 33 V, 600 mm/min, fil droit, pièce à plat. Mêmes grandeurs, nouveau verdict ?
c) Calcule Q et t8/5 de ce nouveau réglage (e = 16 mm, T0 = 20 °C, F = 0,9).
d) Comment gagner encore de la marge contre la fissuration ?
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a) p ≈ 14,0 mm ; w ≈ 9,0 mm ; W/d ≈ 0,65 (plus profond que large) ; D ≈ 78 % ; UCS ≈ 31,9 pour une limite d'environ 16 avec cette forme : fissuration au centre très probable. Manipulation 6 : I 800, U 30, v 900, α −15, β +6, C 0,20.
b) p ≈ 10,6 mm (≥ 10 : objectif tenu) ; w ≈ 16,7 mm ; W/d ≈ 1,58, proche de 3/2 ; D ≈ 77 % ; UCS ≈ 31,5 sous la limite d'environ 34 pour cette forme : acceptable. Mais au-dessus de 30, la composition reste peu tolérante.
c) Q = 33 × 800 × 60/(1 000 × 600) = 2,64 kJ/mm ; et ≈ 23,8 mm > 16 mm : 2D ; t8/5 ≈ 27,8 s. Manipulation 3 : I 800, U 33, v 600, e 16, T0 20, F 0,9.
d) Réduire le carbone apporté par la tôle (moins de dilution : chanfrein léger, intensité plus basse) ; choisir un fil plus riche en manganèse et pauvre en carbone, soufre et phosphore ; limiter le bridage et l'écartement ; garder la forme W/d ≈ 3/2.
Quiz : 12 questions éclair
Chaque réponse est expliquée, même quand tu as juste
Fiche mémoire du cours 3
Neuf cases, neuf images : à photographier, puis à redessiner de tête
La pioche
L'intensité creuse et dépose ; chaque fil a sa plage ; sans support, garder du métal sous le bain.
La lampe torche
La tension élargit le cordon et fond plus de flux ; trop haute dans un V, la racine n'est pas fondue.
Le pinceau
Trop lent : gros bain, percement, champignon ; trop vite : porosités, caniveaux, cordon irrégulier.
Le refroidissement
k = 1 ; t8/5 par l'EN 1011-2, 3D au-delà de l'épaisseur de transition, 2D en dessous.
Le grille-pain
Fil fin ou fil sorti long : plus de dépôt ; fil sorti long : moins de pénétration, et l'intensité baisse en source plate.
La polarité
CC− : environ +25 à 35 % de dépôt ; CA carré : le compromis réglé par l'équilibre.
L'aimant invisible
Deux masses, arc court, appendices, CA en queue de tandem, démagnétisation.
L'angle et la pente
Poussé : large, moins profond, sans caniveau ; tiré ou en montant : étroit et profond.
Le champignon
Cordon plus profond que large : fissure au centre ; UCS = 230C* + 190S + 75P + 45Nb − 12,3Si − 5,4Mn − 1.
Glossaire
Les mots, symboles et sigles de ce cours
- α, β
- Angle du fil par rapport à la normale à la tôle (positif : poussé, pointé vers l'avant ; négatif : tiré) ; pente de la pièce (positive : soudage en montant) (°).
- Ad, Ab, D
- Aire du métal déposé ; aire de la tôle fondue (mm²) ; dilution D = Ab/(Ab + Ad).
- CA carré, équilibre
- Courant alternatif à fronts raides d'un onduleur ; part du temps passée au pôle positif (%).
- CC+, CC−, CA
- Courant continu, fil au pôle positif ; courant continu, fil au pôle négatif ; courant alternatif.
- Caniveau
- Sillon creusé dans la tôle le long du bord du cordon (vitesse ou tension trop élevées, fil tiré, soufflage).
- Cordon en champignon
- Zone fondue à tête large et tige étroite, due à une tension haute et une vitesse lente ; fissures possibles sur les flancs.
- E, Q, k
- Énergie de soudage U·I/v ; apport de chaleur k·E ; rendement thermique relatif (k = 1 pour le 121) (kJ/mm).
- e, et, T0, F2, F3
- Épaisseur de la tôle ; épaisseur de transition entre écoulements 2D et 3D (mm) ; température initiale (°C) ; facteurs de forme du joint (1 cordon sur tôle, 0,9 bout à bout, 0,67 angle en T).
- EN 1011-1, EN 1011-2
- Recommandations pour le soudage : partie générale (énergie, k) ; aciers ferritiques (t8/5, préchauffage, fissuration à chaud des soudures sous flux).
- Facteur de forme W/d
- Rapport largeur/profondeur de la zone fondue ; voisin de 3/2 pour un cordon sain.
- Fil poussé, fil tiré
- Fil incliné vers l'avant (l'arc pousse le bain devant lui) ; fil incliné vers l'arrière (l'arc creuse sous lui).
- Fil sorti L, fil sorti long
- Longueur de fil entre le tube contact et l'arc (mm) ; technique qui l'allonge fortement, avec une rallonge isolée, pour déposer plus.
- Fissuration à chaud (de solidification)
- Fissure qui s'ouvre au centre du cordon pendant la fin de solidification, quand le liquide résiduel chargé d'impuretés ne résiste pas au retrait.
- I, U, v, d
- Intensité (A) ; tension (V) ; vitesse de soudage (mm/min) ; diamètre du fil (mm).
- J
- Densité de courant : intensité divisée par la section du fil (A/mm²).
- Magnétisme rémanent
- Aimantation qui reste dans une pièce (manutention par électroaimant, contrôle magnétique) et peut faire souffler l'arc.
- MR
- Taux de fusion du fil (kg/h).
- p, w, h
- Pénétration, largeur et surépaisseur du cordon (mm).
- Percement
- Bain qui traverse la tôle faute de métal solide ou de support en dessous.
- Prise de masse
- Connexion par laquelle le courant de soudage revient au générateur ; sa position influence le soufflage.
- Soufflage magnétique
- Déviation de l'arc par un champ magnétique dissymétrique, surtout en courant continu et aux fortes intensités.
- Tension repère
- Tension associée à une intensité dans les tableaux de réglage (fil de 4 mm : U ≈ 20 + 0,02·I, ± 2 V).
- t8/5
- Temps de refroidissement entre 800 et 500 °C (s).
- UCS
- Indice de sensibilité à la fissuration à chaud des soudures sous flux (EN 1011-2) : 230C* + 190S + 75P + 45Nb − 12,3Si − 5,4Mn − 1.
- ZAT
- Zone affectée thermiquement : tôle chauffée sans fondre, dont la structure change.
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