Préparer, varier, contrôler : du chanfrein au chantier

Le bain de fusion sous flux est gros, très chaud et très fluide : plusieurs centimètres cubes de métal liquide. Tant qu'il reste assez de tôle solide en dessous, il est porté. Mais pour souder un joint bout à bout sur toute son épaisseur d'un seul côté, l'arc doit traverser la tôle : il n'y a plus rien sous le bain, qui tombe. C'est le trapéziste sans filet.

Deux familles de solutions :

• tendre un filet sous le joint : un support envers (latte de cuivre, support céramique, lit de flux) qui porte le bain et moule la face envers du cordon ;
• souder des deux côtés : une passe de chaque côté, chacune pénétrant un peu plus que la moitié de l'épaisseur, pour que les deux zones fondues se chevauchent au cœur du joint.

Dans les deux cas, la fenêtre de réglage est étroite : trop peu d'intensité, et la racine reste non soudée ; trop, et le bain perce ou s'effondre.

La reprise envers sur bords droits obéit à deux conditions : la première passe ne doit pas percer, et les deux pénétrations doivent se recouvrir. Avec les repères du cours :

Exemple : tôle de 16 mm. Il faut 9 ≤ p ≤ 14 mm, soit environ 700 à 980 A dans le modèle (fil de 4 mm, 550 mm/min) ; avec la plage du fil de 4 mm, 700 à 900 A. À 800 A, p ≈ 10,8 mm et c ≈ 5,5 mm. Sur latte de cuivre, une tôle de 12 mm demande au contraire p ≥ 12 mm : environ 875 A, au bord de la plage du fil. On ralentit, ou l'on passe au fil de 5 mm ou à deux fils. Les lignes de panneaux des chantiers navals soudent ainsi d'un seul côté, sur lit de flux et cuivre, des tôles jusqu'à environ 25 mm en une passe, avec un, deux ou trois fils.

Les soudures d'angle (angle intérieur d'un T ou d'un angle) se soudent sous flux de deux façons. En angle à plat (PB), la pièce reste à plat : le bain coule vers la tôle horizontale, et l'on ne dépose guère plus qu'une soudure d'environ 8 mm de côté en une passe. En gouttière (PA), on incline la pièce à 45° : le joint forme une gouttière qui retient le flux et le bain ; le cordon est symétrique, plus gros en une passe, et pénètre mieux. Le vireur et le positionneur servent à ça.

La corniche multipasse (PC) : un joint horizontal sur une paroi verticale, typiquement entre deux viroles d'un réservoir de stockage. Une machine automotrice roule sur le bord de la virole ; une courroie retient le flux contre la paroi ; les cordons s'empilent l'un sur l'autre. C'est l'une des rares positions hors du plat où le soudage sous flux s'emploie.

Le soudage sous flux pénètre profondément : jusqu'à une vingtaine de millimètres, on soude souvent sans chanfrein, sur bords droits, une passe de chaque côté (chapitre 1). Au-delà, il faut ouvrir le joint pour que l'arc atteigne le fond : c'est le chanfrein. Mais chaque millimètre carré de chanfrein est du métal à déposer, donc du temps et du fil.

Un chanfrein en V ressemble à une part de gâteau : quand l'épaisseur double, la part devient quatre fois plus grosse. Le X (deux V, un de chaque côté) divise ce volume par deux. Pour les très fortes épaisseurs, on arrondit le fond (U, double U), puis on resserre les bords jusqu'à les rendre presque parallèles : le chanfrein étroit, une fente de tirelire qu'on remplit couche après couche. Son volume ne croît presque plus que comme l'épaisseur.

L'ISO 9692-2 propose, pour le soudage sous flux d'un fil (121) sur acier en positions PA et PB, des types de préparation avec leurs plages d'épaisseur et leurs cotes (angle, talon, écartement), pour des soudures à pleine pénétration. Hors de ce cadre (pénétration partielle, autres positions, multi-fil), les cotes se fixent par la norme d'application ou par accord. Le tableau suivant donne des repères de cours, pas les valeurs de la norme.

Exemples (talon 5 mm, α = 60°, surépaisseurs comprises) : à 40 mm, le V demande 707 mm² de chanfrein, soit environ 5,9 kg/m et 22 passes ; le X 3,2 kg/m et 12 passes. À 200 mm, le X demanderait 87 kg/m, le double U 37 kg/m et le chanfrein étroit 34 kg/m. Avec un fil seul à 7,5 kg/h, cela fait 4,5 h d'arc par mètre de chanfrein étroit, contre 11,5 h pour le X. L'angle compte aussi : à 40 mm, ouvrir le V de 60 à 90° agrandit le chanfrein de 73 % (de 707 à 1 225 mm²).

L'accostage (la mise en place des bords avant soudage) est plus exigeant qu'en soudage manuel : la tête automatique ne voit pas le joint et ne s'adapte pas comme un soudeur. Talon et écartement réguliers, bords alignés sans dénivellation, joint rectiligne pour le suivi : ce sont les conditions d'une pénétration régulière. Un chanfrein pour le soudage sous flux a d'ailleurs souvent un talon plus fort et un angle plus fermé qu'un chanfrein pour l'électrode enrobée, car l'arc pénètre davantage.

Le chanfrein étroit (en anglais narrow gap) a des bords presque parallèles, un fond de 18 à 26 mm de large environ, et s'emploie en général au-delà de 50 mm, jusqu'à 350 mm environ. On y dépose de préférence deux passes par couche, une contre chaque flanc : c'est la variante la plus sûre contre les manques de fusion des flancs, les caniveaux et le laitier coincé. Il demande une torche plate isolée qui descend dans la fente, un suivi de joint précis et un flux dont le laitier se détache très facilement, car on ne peut pas aller le chercher au fond. Atouts : beaucoup moins de métal, de temps et de flux, peu de déformation. Limites : préparation usinée coûteuse, réparation difficile au fond d'une fente.

Pour souder plus vite un fil seul, on ne peut pas monter l'intensité sans fin : la pénétration, la dilution et le risque de fissure montent avec elle (cours 3). L'idée est celle du train trop lourd pour une locomotive : on en ajoute.

• Twin : deux fils fins (2 à 3 mm) passent dans le même tube contact, à environ 8 mm l'un de l'autre, alimentés par un seul générateur et un seul dévidoir. Gain de dépôt annoncé : 30 à 40 % sans grosse dépense.
• Tandem : deux têtes, deux générateurs, deux fils à quelques centimètres l'un derrière l'autre. Le fil de tête, en CC+ (courant continu, fil au pôle positif), creuse ; le fil de queue, en CA (courant alternatif), remplit et lisse le cordon.
• Multi-fil : trois à cinq fils en file, pour les tubes de gros diamètre et les panneaux.
• Fil froid et poudre métallique : du métal ajouté dans le bain sans arc supplémentaire ; la chaleur de l'arc, au lieu de surchauffer la tôle, fond cet apport.

Les dépôts du tableau sont ceux de tableaux de fabricants (à leurs intensités, fil sorti courant) ; avec un fil sorti long, ils montent encore. Selon TWI, la poudre métallique réduit typiquement de 30 à 50 % le nombre de passes pour remplir un joint, et diminue la consommation de flux.

Pourquoi CC+ en tête et CA en queue ? Deux arcs voisins parcourus par des courants continus créent chacun un champ magnétique qui dévie l'autre : c'est le soufflage du cours 3, en pire. Le fil de tête garde le CC+ pour pénétrer ; le fil de queue passe en CA, dont le champ s'inverse sans cesse, ce qui limite l'interaction. En CA/CA, on décale les phases des deux courants. La position des fils (écartement, angles) fait partie des réglages du mode opératoire : en général, le fil de tête presque vertical creuse, le fil de queue incliné étale et lisse.

L'apport de chaleur d'un multi-fil additionne les puissances de tous les arcs :

Exemple (modèle, section de 60 mm², arc de tête à 800 A) : un fil seul dépose 9,5 kg/h, avance à 335 mm/min et apporte 5,2 kJ/mm. Le tandem (800 A en CC+, 640 A en CA) dépose 17,8 kg/h et avance à 630 mm/min, presque deux fois plus vite, pour 4,9 kJ/mm. Un fil froid qui ajoute 35 % de métal ramène Q à 3,8 kJ/mm (−26 %) : l'énergie de l'arc fond du métal d'apport au lieu de surchauffer la tôle. C'est l'intérêt du fil froid et de la poudre pour les aciers dont la ténacité craint les forts apports de chaleur.

Recharger, c'est déposer une couche sur une surface, sans assembler deux pièces : de l'inox (un acier riche en chrome Cr et en nickel Ni) contre la corrosion à l'intérieur d'un réacteur en acier au carbone-manganèse (C-Mn), un alliage dur contre l'usure sur un rouleau. Un fil donne un cordon étroit et profond, qui mélange beaucoup de tôle : mauvais pour une couche qui doit garder sa composition. Le feuillard est une bande de métal de 60 × 0,5 mm (ou 90 × 0,5 mm) qui remplace le fil : l'arc court le long de sa largeur et étale un cordon d'environ 65 mm de large et 4 à 5 mm d'épaisseur, qui creuse peu. C'est le couteau à beurre qui étale sans trouer la tartine.

Deux variantes : le feuillard sous flux (procédé 122), avec un arc ; et le soudage sous laitier, dit électroslag (procédé 72), sans arc : le courant traverse un bain de laitier liquide qui chauffe par effet Joule et fond la bande. Le second dilue environ deux fois moins et dépose plus vite.

Données d'un fabricant pour des inox austénitiques ; l'ISO 14174 classe les flux pour feuillard (classe 2B) et fixe leurs essais à 750 A, 28 V, 120 mm/min sous flux, et 1 250 A, 25 V, 160 mm/min sous laitier. Avec des flux conçus pour la grande vitesse, le sous laitier dépasse 2 000 A et 50 kg/h. Le laitier du 72 se fige plus lentement : les gaz et les oxydes ont le temps de remonter, d'où un dépôt propre, peu sensible aux porosités et à la fissuration à chaud. Les mâchoires de contact, au ras du laitier très chaud, sont refroidies à l'eau.

La composition de chaque couche suit la règle de dilution du cours 2, appliquée couche par couche :

Exemple (modèle) : sous flux à 750 A et 120 mm/min, D = 18 % ; une couche de 309L sur l'acier à 0,18 % de carbone donne C = 0,82 × 0,015 + 0,18 × 0,18 ≈ 0,045 % : trop de carbone pour une surface « L » (bas carbone). Une deuxième couche en 308L donne C ≈ 0,020 %, Cr ≈ 19,9 %, Ni ≈ 10,2 %, sur 8,3 mm. Sous laitier à 1 250 A et 160 mm/min, D = 9 % : une seule couche de 309L donne C ≈ 0,030 %, Cr ≈ 21,4 %, Ni ≈ 12,3 %, sur 4,9 mm. Pour 100 m² : environ 463 h d'arc sous flux en deux couches, 174 h sous laitier en une couche.

Sous flux, on ne voit ni l'arc ni le bain : le cordon se découvre quand on décroche le laitier, parfois des mètres plus loin. Le coordinateur travaille donc en détective : il regarde l'indice (où est le défaut, quelle forme, est-il répété ?) et remonte au suspect (le flux, la tôle, un réglage, la position du fil).

• des trous ronds (porosités) : un gaz est resté piégé ; humidité, rouille, huile, peinture, ou flux trop mince ;
• des petits cratères en surface (empreintes) : le gaz s'est coincé entre le laitier et le métal ;
• une fente au milieu du cordon : cordon trop profond pour sa largeur ;
• un sillon le long du bord (caniveau) : trop vite et trop haut en tension ;
• une racine non soudée : pas assez d'intensité, ou fil à côté du joint ;
• du laitier coincé entre deux passes, ou un bain effondré sous la tôle.

Les défauts se jugent ensuite selon les niveaux de qualité B, C et D de l'ISO 5817, après contrôle visuel (ISO 17637). Les joints épais sous flux se contrôlent surtout par ultrasons (ISO 17640) ou par radiographie (ISO 17636), qui révèlent les manques de fusion, les inclusions de laitier et les fissures internes.

En soudage automatique, la qualité du joint est « figée » dans les réglages. Le descriptif de mode opératoire (DMOS) est la recette : préparation, produits, intensité, tension, vitesse, ordre des passes. La qualification du mode opératoire (QMOS) est la dégustation : on soude une pièce d'essai selon la recette, on la découpe et on la teste. L'opérateur, qui conduit la machine, est qualifié pour cette installation. Et avant chaque soudure, comme un pilote avant le décollage, on fait la ronde : préparation, flux, appendices, pointage, réglages.

La sécurité a ses particularités : l'arc est caché, donc peu de rayonnement et très peu de fumées ; mais il y a la poussière de flux, le laitier brûlant, de très fortes intensités, et des charges lourdes en mouvement.

Le DMOS (ISO 15609-1) d'un soudage sous flux précise, en plus des données de tout mode opératoire (matériau, épaisseur, préparation dessinée, position, préchauffage, température entre passes, ordre des passes, gougeage, traitement thermique) : la variante du procédé (121, 122, 124, 125), le nombre de fils, leur écartement et leurs angles, le diamètre et la désignation du fil, la désignation et la marque du flux, son étuvage et son recyclage, le type de courant et la polarité de chaque fil, les plages d'intensité, de tension et de vitesse, le fil sorti, et l'apport de chaleur.

La QMOS (ISO 15614-1) : une pièce d'essai soudée selon un DMOS préliminaire (DMOS-P) est contrôlée (CND), puis découpée pour des essais (traction, pliage, résilience, dureté, macrographie). Le PV-QMOS fixe le domaine de validité : matériaux, épaisseurs, procédé, produits, et apport de chaleur.

Un fort apport de chaleur fait grossir les grains et peut faire chuter la résilience ; un faible apport refroidit vite et peut durcir la zone affectée thermiquement : d'où la borne haute pour l'une, la borne basse pour l'autre. Une qualification obtenue avec un fil ne se transpose pas d'office au tandem : le passage d'une variante à l'autre (nombre de fils, ajout de poudre) est encadré par la norme, et le DMOS nomme la variante.

Les opérateurs : en soudage mécanisé et automatique, on ne qualifie pas un « soudeur » (ISO 9606-1) mais un opérateur de soudage, qui conduit l'installation, et un régleur, qui la règle (ISO 14732). L'opérateur est qualifié sur un assemblage soudé (celui de la qualification du mode opératoire, un essai avant production, une pièce de production ou une éprouvette d'essai) et sur sa connaissance du fonctionnement de l'installation ; sa qualification se maintient ensuite par des confirmations périodiques de l'employeur.

Les recommandations générales : accostage plus serré qu'en soudage manuel ; bords meulés et secs ; flux étuvé, couche dans la plage, recyclage tamisé ; fil propre et bien redressé ; tube contact en bon état ; masse serrée près du joint, et aux deux bouts pour un long joint ; pas d'arrêt en cours de cordon, ou reprise sur une zone meulée.

Les retours d'expérience des chantiers navals :

• la vérification avant soudage : préparation et accostage conformes au DMOS, propreté (rouille, primaire, humidité), pointage sain, support plaqué, flux sec en quantité, réglages affichés ;
• la séquence sur un platelage pré-pointé (les tôles d'un pont, posées et pointées) : souder d'abord les abouts (joints transversaux entre les tôles d'une même virure, c'est-à-dire d'une même rangée de tôles), puis les coutures (joints longitudinaux entre virures), en partant du centre vers l'extérieur. À un croisement en T, on termine l'about, puis on rouvre l'extrémité de la couture avant de la souder : souder la couture d'abord briderait l'about, qui risquerait de fissurer ;
• le pointage des virures à l'électrode enrobée (111) : pointes faites à l'électrode basique étuvée, assez longues, sans fissure ni cratère, meulées en biseau aux extrémités pour être refondues par la passe sous flux ; une pointe fissurée s'enlève, elle ne se recouvre pas ;
• les tôles martyres (appendices d'amorçage et de sortie) : de même nuance, même épaisseur et même préparation que le joint, pointées à ses deux bouts. On amorce et on finit dessus : l'amorçage instable, le cratère de fin et le soufflage de bout de tôle restent hors du joint. On les enlève ensuite par coupage et meulage, jamais au marteau.

Hygiène et sécurité du poste :

La FDS du flux et celle du fil sont la première source : seize rubriques, dont la composition, les dangers, les valeurs limites d'exposition professionnelle et les équipements de protection, le stockage et l'élimination (le laitier et le flux souillé sont des déchets).

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Les valeurs de pénétration, de dépôt et de dilution viennent des modèles des manipulations : retrouve-les en réglant les curseurs. Le défi se rejoue dans la manipulation 4.