Le procédé 111 et son poste de soudage : de la baguette qui fond à la prise de masse

L'électrode enrobée est une baguette de 25 à 45 cm de long. Son cœur, l'âme, est une tige métallique de 2 à 6 mm de diamètre ; autour d'elle, l'enrobage est une pâte minérale séchée, épaisse de un à quelques millimètres. Le soudeur la serre dans une pince porte-électrode, reliée au générateur (le poste de soudage) par un câble. Un second câble, fixé à la pièce par une prise de masse, ramène le courant au générateur.

Le soudeur touche la pièce du bout de l'électrode puis la relève de quelques millimètres : un arc électrique jaillit. C'est un pont de gaz devenu conducteur, porté à plusieurs milliers de degrés, que traverse le courant. Sa chaleur fait fondre en même temps le bout de l'électrode et la surface de la pièce, qui se mélangent dans le bain de fusion.

Chaque partie de l'électrode a son rôle, comme dans un crayon qui écrirait en métal :

• L'âme, c'est la mine : elle conduit le courant, puis fond goutte à goutte et nourrit le bain. Le métal qu'elle apporte s'appelle le métal déposé.
• L'enrobage, c'est le bois, mais un bois très utile : il fond un peu moins vite que l'âme et forme au bout une petite collerette, le cratère d'enrobage, qui guide l'arc. Il se décompose en gaz qui chassent l'air de l'arc, et il fond en un laitier, une sorte de verre minéral léger qui flotte sur le bain, le couvre pendant qu'il se solidifie, puis se retire au marteau à piquer.
• Le trait de crayon, c'est le cordon : derrière l'arc, le bain se solidifie en un cordon couvert de laitier. Le crayon raccourcit à mesure qu'il écrit : une électrode de 3,2 mm dure environ une minute.

Pas de bouteille de gaz, pas de dévidoir de fil : l'électrode apporte tout, le métal et sa protection. C'est ce qui rend le procédé si simple et si mobile.

La désignation normalisée (polycopié, § 0)

L'ISO 4063 numérote les procédés de soudage par familles emboîtées : le premier chiffre donne la famille, le deuxième le groupe, le troisième le sous-groupe. Dans son édition de 2023 :

On dit couramment « soudage à l'électrode enrobée », ou « à la baguette ». Le numéro 111 figure dans la fourche du symbole de soudure sur les plans, dans le descriptif de mode opératoire de soudage (DMOS) et sur les certificats de qualification des soudeurs. Dans le même groupe 11, le 112 désigne le soudage à l'arc avec électrode enrobée par gravité, où l'électrode descend seule le long d'un support, et le 114 le fil fourré autoprotecteur.

Un siècle d'électrodes (polycopié, § 1)

Le principe et le bilan matière (polycopié, § 2)

Le circuit est une boucle : générateur → câble de pince → pince → âme de l'électrode → arc → pièce → prise de masse → câble de retour → générateur. L'arc dégage une puissance P = U·I de 1 à 8 kW environ, concentrée sur quelques millimètres. L'électrode est fusible (elle fond) : elle sert à la fois de conducteur et de métal d'apport. La masse d'âme fondue par seconde est, en première approximation, proportionnelle à l'intensité :

Exemple : électrode de 3,2 × 350 mm à 110 A. L'âme pèse m = ρ·π·d²/4·L = 7,85 × 10⁻³ × π × 3,2²/4 × 350 ≈ 22,1 g (ρ = 7,85 g/cm³ = 7,85 × 10⁻³ g/mm³, masse volumique de l'acier ; π ≈ 3,14). On en brûle 310 mm, soit m_u ≈ 19,6 g. Elle fond à 9,5 × 110/3 600 ≈ 0,29 g/s et dure donc t_e ≈ 19,6/0,29 ≈ 67 s. À 3 mm/s, elle dépose L_c ≈ 3 × 67 ≈ 200 mm de cordon : il faut environ cinq électrodes par mètre.

Le métal déposé ne vient pas que de l'âme fondue : une partie se perd en projections et en fumées, tandis que certains enrobages apportent de la poudre de fer. Le rapport entre la masse déposée et la masse d'âme fondue s'appelle le rendement de l'électrode (95 % dans nos modèles, au-delà de 100 % pour les électrodes à poudre de fer : cours 3).

Un générateur portatif, deux câbles et une boîte d'électrodes : on peut souder au sommet d'un pylône, au fond d'une fouille, sur le pont d'un navire ou dans une ferme isolée, avec un groupe électrogène s'il le faut. Voilà pourquoi le 111 reste partout présent (polycopié, § 3) :

• sur les chantiers : charpente métallique, ponts, réservoirs, canalisations (les pipelines se soudent souvent avec des électrodes cellulosiques, en descendant) ;
• en réparation et maintenance : engins de travaux publics, matériel agricole, navires, rechargement des pièces usées ;
• en chaudronnerie et en tuyauterie, pour les racines et les positions difficiles ;
• sur de nombreux matériaux, en changeant d'électrode : aciers non alliés et faiblement alliés, aciers inoxydables, fontes, alliages de nickel, plus rarement cuivreux et aluminium.

Mais le couteau suisse a ses limites (polycopié, § 4). L'électrode est courte : toutes les minutes, le soudeur s'arrête pour la changer, jette un bout, pique le laitier du cratère, puis reprend le cordon. Le métal se dépose lentement, de l'ordre de 1 à 2 kg par heure d'arc. Et l'arc n'est allumé qu'une petite partie du temps de travail : c'est le taux d'arc, souvent 20 à 40 % en 111. Sur un long cordon en atelier, un procédé à fil continu va plusieurs fois plus vite.

Du volume du joint au temps de travail

Pour estimer un chantier, on part de la section du joint A (en mm²), c'est-à-dire l'aire du métal à déposer vue en coupe, et l'on enchaîne quatre calculs :

Sections théoriques usuelles, sans surépaisseur : une soudure d'angle de gorge a (la hauteur du triangle inscrit dans le cordon, mesurée depuis la racine) a une section A = a² ; un chanfrein en V d'angle α (« alpha »), d'épaisseur t et d'écartement g a une section A = t²·tan(α/2) + g·t, où tan est la tangente. Pour t = 10 mm, α = 60° et g = 2 mm : A = 100 × 0,577 + 20 ≈ 78 mm².

Exemple : 6 m de soudure d'angle a = 5 mm (A = 25 mm²) avec des électrodes de 3,2 mm à 110 A, taux d'arc 30 %. m = 7,85 × 10⁻³ × 25 × 6 000 ≈ 1 178 g. Une électrode dépose m_e ≈ 0,95 × 19,6 ≈ 18,6 g, donc N ≈ 1 178/18,6 ≈ 63,3 : 64 électrodes. Le taux de dépôt vaut D ≈ 0,95 × 9,5 × 110 ≈ 0,99 kg/h, d'où t_arc ≈ 1,178/0,99 ≈ 1,19 h ≈ 71 min, et t_tot ≈ 71/0,30 ≈ 237 min, près de quatre heures. En MAG, à 3,5 kg/h et 40 % de taux d'arc, le même joint demanderait environ 50 min.

Le réseau électrique fournit 230 V ou 400 V avec quelques dizaines d'ampères. L'arc demande l'inverse : une tension basse, de 20 à 30 V environ, et un fort courant, de 50 à 300 A. Le générateur de soudage fait cette conversion, isole le circuit de soudage du réseau, et permet de régler le courant. Il en existe quatre familles (polycopié, § 5.1) :

• le transformateur, qui délivre du courant alternatif : simple, robuste, lourd ;
• le transformateur-redresseur, qui transforme puis redresse en courant continu ;
• l'onduleur (en anglais inverter) : il redresse le réseau, découpe le courant à très haute fréquence, le transforme dans un petit transformateur, puis le redresse ; léger et réglé électroniquement, c'est aujourd'hui le plus répandu ;
• le groupe moto-soudeur : un moteur thermique entraîne une machine tournante qui produit le courant ; c'est le poste des chantiers sans réseau.

La question clé est ailleurs. La main du soudeur n'est pas une machine : la hauteur d'arc varie sans cesse d'un millimètre ou deux. Or la tension de l'arc augmente avec sa longueur. Si le courant variait avec elle, la fusion de l'électrode, la chaleur apportée et la pénétration changeraient à chaque tremblement. Le générateur du 111 a donc une caractéristique tombante : sa tension s'effondre dès que le courant voudrait augmenter. Il se comporte comme un robinet à débit constant : que le tuyau (l'arc) soit plus long ou plus court, il débite presque le même courant.

Caractéristique statique et droite de charge conventionnelle (polycopié, § 5.3)

Pour comparer les générateurs, la norme associe à chaque courant de soudage une tension conventionnelle, celle d'un arc « moyen ». Pour l'électrode enrobée :

Pendant le soudage, l'arc a sa propre caractéristique : sa tension croît avec sa hauteur l et, un peu, avec le courant. Le point de fonctionnement est le croisement des deux courbes : c'est le seul couple (courant, tension) que le générateur et l'arc acceptent à la fois. Si la hauteur d'arc change de Δl (« delta l », un petit écart), la droite de l'arc se décale de b·Δl, et le courant varie de :

Exemple : générateur réglé sur 110 A, avec U₀ = 70 V. Une caractéristique droite de 70 V à vide jusqu'au point (110 A ; 24,4 V) a une pente s = (70 − 24,4)/110 ≈ 0,415 V/A, soit 41,5 V/100 A : elle est tombante. Si l'arc s'allonge de 1 mm, ΔI ≈ −2/(0,415 + 0,04) ≈ −4,4 A, soit 4 % du courant. Avec une source plate de 2 V/100 A (0,02 V/A), le même millimètre coûte ΔI ≈ −2/(0,02 + 0,04) ≈ −33 A, soit 30 % : l'arc devient ingouvernable. Avec un onduleur à courant constant (pente de l'ordre de 5 V/A), ΔI ≈ −0,4 A.

Le point de fonctionnement est stable quand, au croisement, la caractéristique du générateur descend plus vite que celle de l'arc : si le courant augmente un instant, le générateur fournit alors moins de tension que l'arc n'en demande, et le courant redescend. Une caractéristique tombante croisant un arc dont la tension monte est toujours stable.

Les quatre familles de générateurs

Un transformateur abaisse la tension grâce à deux enroulements sur un circuit magnétique en fer. Pour une tension donnée, la taille de ce circuit diminue quand la fréquence augmente :

Choisir un générateur (polycopié, § 5.1 et 5.2, qui présente aussi des diagrammes de sélection) : le courant maximal d'emploi, fixé par le plus gros diamètre d'électrode, et le facteur de marche à ce courant (chapitre 5) ; le type de courant demandé par les électrodes (les basiques et les cellulosiques préfèrent le continu ; beaucoup de rutiles acceptent l'alternatif) ; une tension à vide suffisante (chapitre 4) ; l'alimentation disponible (monophasée 230 V, triphasée 400 V, ou aucune : groupe) ; le poids et l'environnement (symbole S, indice IP) ; les fonctions utiles (aides à l'arc, réducteur de tension à vide, autres procédés).

Poste allumé, électrode en l'air : aucun courant ne passe, mais une tension est présente entre la pince et la pièce. C'est la tension à vide U₀, de 50 à 100 V environ selon les postes. C'est la plus haute tension du circuit de soudage : dès que l'arc brûle, elle retombe vers 20 à 30 V.

Pour amorcer, on fait comme avec une allumette (polycopié, § 6.10, et cours 4 pour le geste) :

• par grattage : on frotte le bout de l'électrode sur la pièce, dans le joint, d'un geste court ;
• par toucher-relever : on pique la pièce et l'on relève aussitôt.

Au contact, l'électrode et la pièce forment un court-circuit : un fort courant traverse la petite surface de contact, la chauffe et la vaporise. En relevant de quelques millimètres, on étire ce pont de vapeur chaude en arc. La tension à vide aide à « percer » l'air au premier instant, et surtout à réallumer l'arc à chaque fois qu'il faiblit.

Les générateurs électroniques ajoutent trois aides à l'arc :

• le démarrage à chaud (hot start) : un supplément de courant pendant une fraction de seconde, le coup de pouce qui chauffe l'électrode et la pièce encore froides ;
• l'arc force (ou « dynamique d'arc ») : quand l'arc devient trop court, le générateur augmente le courant pour faire fondre plus vite le bout de l'électrode et éviter qu'elle se soude à la pièce ;
• l'anti-collage (anti-stick) : si l'électrode reste collée, le courant tombe presque à zéro au bout d'une fraction de seconde ; on la décolle sans qu'elle rougisse.

Reste le danger : 50 à 100 V suffisent pour électrocuter un soudeur en sueur, à genoux dans un réservoir métallique. D'où des limites de tension à vide fixées par la norme, et un quatrième dispositif, le réducteur de tension à vide (VRD), qui abaisse la tension tant que l'électrode ne touche pas la pièce.

La tension à vide (polycopié, § 6.5)

Une tension à vide élevée facilite l'amorçage et le réamorçage, surtout en courant alternatif et avec les électrodes basiques ou cellulosiques. Mais elle augmente le risque de choc électrique. La norme IEC 60974-1 plafonne donc U₀ :

La valeur crête est le maximum instantané de la tension ; la valeur efficace est celle qui produirait le même échauffement en continu. Pour une tension sinusoïdale, crête = efficace × √2 (√2 ≈ 1,41) : 48 V efficaces font 68 V crête. Le courant alternatif est plus sévèrement limité parce qu'à 50 Hz il provoque plus facilement que le courant continu une fibrillation ventriculaire : le cœur se contracte de façon désordonnée et cesse de pomper le sang. Pour comparaison, la tension limite conventionnelle de contact retenue par les règles de sécurité électrique en local sec est de 50 V en alternatif et de 120 V en continu : un poste de soudage à vide la dépasse souvent en alternatif.

Le réducteur de tension à vide (VRD) détecte que le circuit est ouvert (forte résistance entre pince et pièce) et ramène la tension à une valeur réduite, de l'ordre de quelques dizaines de volts au plus ; il rétablit la pleine tension dès que l'électrode touche la pièce. On le recommande dans les environnements à risque accru ; certains chantiers l'imposent.

L'amorçage, les aides et le réamorçage (polycopié, § 6.10)

Un transformateur à caractéristique tombante possède une « arc force » naturelle : quand l'arc raccourcit, son courant monte un peu (manipulation 3). L'onduleur la règle à volonté.

En courant alternatif, le courant change de sens et passe par zéro deux fois par période, soit cent fois par seconde à 50 Hz. À chaque passage, l'arc s'éteint presque et doit se réamorcer dans un gaz qui se refroidit. Il y faut une tension à vide suffisante et un enrobage riche en éléments qui s'ionisent facilement (ils perdent aisément un électron et rendent le gaz conducteur), comme le potassium et le sodium. C'est pourquoi toutes les électrodes ne s'emploient pas en alternatif, et pourquoi leur fiche indique le courant et la tension à vide minimale qu'elles demandent. Le cours 2 détaille le courant alternatif et la polarité.

Un générateur n'est pas parfait : une partie de l'énergie qu'il transforme se perd en chaleur dans ses enroulements, ses semi-conducteurs et ses câbles internes. Ces pertes croissent comme le carré du courant. Un ventilateur les évacue, mais seulement à un certain rythme. Si l'on soude trop fort trop longtemps, les composants dépassent leur température admissible : une protection thermique coupe alors le courant, un voyant s'allume, et il faut attendre que le poste refroidisse.

Le facteur de marche X dit combien de temps on peut souder à un courant donné, sur un cycle normalisé de 10 minutes, à une température ambiante de 40 °C. « 200 A à 35 % » signifie : 3,5 minutes de soudage à 200 A, puis 6,5 minutes de repos, et ainsi de suite indéfiniment, sans déclenchement. À courant plus faible, on peut souder plus longtemps : c'est le sprinteur qui ralentit pour devenir marathonien.

Toutes ces informations sont écrites sur la plaque signalétique du poste, sa carte d'identité (polycopié, § 6.15) : la norme, le type de générateur, le procédé, la tension à vide, la plage de réglage, les couples courant, tension et facteur de marche, et ce que le poste demande au réseau.

Le facteur de marche (polycopié, § 6.8)

L'échauffement vient des pertes, proportionnelles à I², et de leur durée, proportionnelle à X. À chaleur évacuée égale, on obtient une règle approchée :

Exemple : plaque « 200 A à 35 % ». À 100 %, la règle donne I = 200 × √(0,35/1) ≈ 118 A ; à 60 %, 200 × √(0,35/0,60) ≈ 153 A. À 180 A, X = 35 × (200/180)² ≈ 43 %, soit 4 min 20 s par cycle de 10 min. La plaque de la manipulation annonce 155 A à 60 % et 125 A à 100 %, un peu plus que la règle : le poste a de l'inertie thermique et refroidit aussi pendant qu'il soude. La règle est une estimation prudente ; la plaque fait foi.

Le facteur de marche concerne tous les éléments parcourus par le courant : générateur, câbles, pince, prise de masse et connecteurs ont chacun le leur (chapitre 6).

La plaque signalétique (polycopié, § 6.15)

Le courant efficace absorbé se déduit du courant maximal : I_1eff ≈ I_1max·√X (on néglige le petit courant absorbé à vide). Ici 40 × √0,35 ≈ 23,7 A : une ligne protégée à 16 A ne suffit pas pour souder à 200 A, il faut une ligne de 32 A ou réduire le courant.

Le courant de soudage parcourt une boucle : il part du générateur, traverse le câble de pince, la pince, l'électrode et l'arc, entre dans la pièce, rejoint la prise de masse et revient par le câble de retour. Chaque maillon compte (polycopié, § 8) :

• la pince porte-électrode serre l'électrode, lui amène le courant et protège la main par une poignée isolante. Elle est désignée par le courant qu'elle tient à 60 % de facteur de marche ;
• la prise de masse, ou pince de retour du courant, se fixe sur la pièce, sur un métal propre, et au plus près du joint ;
• les câbles sont faits de très nombreux fils de cuivre fins, pour rester souples, dans une gaine de caoutchouc ; leur section dépend du courant et de leur longueur ;
• les connecteurs (raccords rapides du poste et des rallonges) doivent être enfoncés et verrouillés à fond.

Comme un tuyau d'arrosage trop long ou trop fin, un câble résiste au passage du courant : une partie de la tension se perd en route, et le câble chauffe. Un mauvais contact (prise de masse sur de la peinture ou de la rouille, connecteur mal serré, pince usée) fait pareil en un seul point : il chauffe, parfois jusqu'à brûler, et l'arc devient capricieux.

Et le retour compte autant que l'aller. Si la prise de masse est posée loin du joint, le courant cherche son chemin à travers la structure : roulements, charnières, chaînes, charpente, et même les conducteurs de protection de l'installation électrique, qui peuvent chauffer dangereusement. On parle de courants vagabonds.

Résistance, chute de tension et échauffement (polycopié, § 8.4)

La résistivité du cuivre pur vaut 0,0172 Ω·mm²/m à 20 °C. Un câble souple, fait de fils très fins, résiste un peu plus, et sa résistance augmente d'environ 0,4 % par degré : les tableaux de chute de tension des câbles de soudage, établis pour un câble chaud, correspondent à ρ ≈ 0,025 Ω·mm²/m (par exemple 0,709 V pour 100 A et 10 m en 35 mm²).

Exemple : pièce à 15 m du poste, soit L = 30 m ; 160 A. En 25 mm² : R = 0,025 × 30/25 = 0,030 Ω, ΔU = 0,030 × 160 = 4,8 V, P = 0,030 × 160² ≈ 770 W. En 35 mm² : R ≈ 0,0214 Ω, ΔU ≈ 3,4 V, P ≈ 550 W. Le générateur doit fournir la tension de l'arc plus ΔU : 20 + 0,04 × 160 + 3,4 ≈ 29,8 V.

On choisit la section avec deux critères : l'échauffement (le courant ne doit pas dépasser l'intensité admissible du câble au facteur de marche d'emploi) et la chute de tension (de l'ordre de 4 V au plus, repère de fabricants). Sur les câbles courts, c'est l'échauffement qui décide ; sur les câbles longs, c'est la chute de tension.

Câbles de soudage harmonisés H01N2-D (HD 22.6), ambiante 25 °C, cycle de 10 min. À 40 °C, on multiplie les intensités admissibles par 0,87 environ.

Pince, prise de masse et connecteurs (polycopié, § 8.1 à 8.3)

L'IEC 60974-11 désigne une pince porte-électrode par le courant qu'elle tient à 60 % de facteur de marche, et lui associe une plage de diamètres d'électrodes et de sections de câble :

La pince de retour du courant (IEC 60974-13) est elle aussi désignée par son courant à 60 % et par les sections de câble qu'elle accepte. On la fixe sur un métal propre (meulé si besoin), serrée, sur la pièce elle-même ou sur le support qui la porte, et au plus près du joint : le courant ne doit traverser ni roulement, ni charnière, ni chaîne, ni câble de levage, ni charpente du bâtiment. Les connecteurs de câbles de soudage (IEC 60974-12) sont dimensionnés pour la section ; un connecteur desserré chauffe et se détruit.

Gestion et maintenance du parc (polycopié, § 7)

• Identifier chaque poste, pince et câble, et tenir son historique (contrôles, réparations).
• Avant chaque poste de travail, le soudeur vérifie ses câbles (gaine intacte, pas de fils apparents), sa pince (isolants complets, mâchoires propres), sa prise de masse et ses connecteurs (serrés).
• Périodiquement et après chaque réparation, un contrôle selon l'IEC 60974-4 : examen visuel, continuité du conducteur de protection, résistance d'isolement, tension à vide, essai de fonctionnement. On dépoussière l'intérieur des onduleurs, car la poussière métallique conduit le courant.
• Valider les appareils de mesure (ampèremètre et voltmètre du poste) selon l'IEC 60974-14, surtout quand les paramètres d'un mode opératoire qualifié doivent être respectés ; les ateliers certifiés selon l'ISO 3834 (exigences de qualité en soudage) s'appuient pour cela sur l'ISO 17662, consacrée à l'étalonnage, à la vérification et à la validation du matériel de soudage.

Le polycopié illustre ce paragraphe par un retour d'expérience industriel (§ 7.1, p. 24).

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 5 et 6.