L'arc et ses réglages : courant, polarité, intensité, tension, vitesse et soufflage

En courant continu (CC), le courant garde toujours le même sens et la même valeur : l'arc brûle sans interruption. Ce courant vient d'un redresseur, d'un onduleur ou d'un groupe (cours 1).

En courant alternatif (CA), le courant change de sens cent fois par seconde, puisque le réseau européen vibre à 50 Hz (50 hertz : 50 périodes par seconde, avec deux passages par zéro à chaque période). À chaque passage par zéro, le courant s'annule un instant : l'arc s'éteint presque, et sa colonne de gaz commence à refroidir. Pour qu'il se rallume dans l'autre sens, il faut que la tension remonte au-dessus d'un seuil, la tension de réamorçage.

C'est une bougie magique qu'on soufflerait cent fois par seconde. Elle se rallume seule à trois conditions :

• une mèche encore chaude : le gaz de l'arc reste chaud et conducteur pendant quelques dixièmes de milliseconde ;
• une mèche facile à rallumer : l'enrobage contient des éléments qui s'ionisent facilement, comme le potassium et le sodium. Un atome ionisé a perdu un électron ; un gaz riche en ions et en électrons libres conduit le courant ;
• une étincelle assez forte : une tension à vide suffisante, et un transformateur dont la tension est « en avance » sur le courant, de sorte qu'au passage par zéro du courant la tension est déjà haute.

Si l'une des conditions manque, l'arc crépite, devient instable, ou s'éteint. Voilà pourquoi toutes les électrodes ne s'emploient pas en alternatif : les basiques et les cellulosiques prévues pour le seul courant continu n'ont pas assez d'éléments ionisants.

Le courant alternatif en équations (polycopié, § 6.1 et 6.4)

La tension d'un transformateur à vide varie comme une sinusoïde :

Le courant passe par zéro toutes les T/2 = 10 ms. Juste après, l'arc ne se rallume que lorsque la tension disponible dépasse la tension de réamorçage U_r. Le retard de réamorçage vaut :

Exemple : U₀ = 50 V (70,7 V crête) et une rutile qui se rallume à 30 V. Sans réactance (φ = 0), arcsin(30/70,7) ≈ 25,1°, soit t_r ≈ 25,1/360 × 20 ms ≈ 1,4 ms : l'arc reste éteint 14 % de chaque demi-période, il crépite. Avec un transformateur à réactance (φ = 60°), la tension vaut déjà 70,7 × sin 60° ≈ 61 V quand le courant passe par zéro : l'arc repart aussitôt. Une électrode qui demanderait 130 V ne se rallumerait jamais, même à 80 V efficaces (113 V crête), la limite de la norme.

En courant continu, l'un des deux pôles de l'arc est la cathode (−), l'autre l'anode (+). Les électrons, très légers, partent de la cathode et frappent l'anode ; les ions positifs, lourds et lents, vont en sens inverse et frappent la cathode. Les deux pôles reçoivent donc de la chaleur, mais pas exactement la même part.

• CC+, polarité inverse : électrode au pôle positif, pièce au négatif. C'est la polarité la plus employée en 111 ; elle donne en général une pénétration plus profonde.
• CC−, polarité directe : électrode au pôle négatif. L'électrode fond un peu plus vite, la pénétration et la dilution baissent : utile sur tôle mince ou pour une racine ouverte qui risquerait de percer.
• CA : la polarité change cent fois par seconde ; le résultat se situe entre les deux, et le soufflage magnétique recule.

En 111, contrairement au soudage TIG (électrode de tungstène qui ne fond pas, sous gaz inerte, procédé 141), la balance reste presque équilibrée : le métal de l'électrode passe lui-même dans le bain et y emporte sa chaleur. C'est surtout l'enrobage qui décide : chaque électrode est conçue pour un courant et une polarité, écrits sur sa boîte et dans sa désignation. Le métal à souder oriente ensuite le choix de l'électrode, donc du courant.

Directe ou inverse (polycopié, § 6.2 et 6.3)

Les ordres de grandeur publiés convergent : à réglages égaux, le CC+ pénètre davantage ; le CC− fond l'électrode plus vite, réduit la pénétration et la dilution du métal de base dans le cordon. Mais l'écart reste modéré, et l'enrobage pèse plus que la polarité : une cellulosique en CC+ pénètre bien plus qu'une rutile, quelle que soit la polarité de celle-ci.

Ce que dit l'ISO 2560

Dans le système B de l'ISO 2560 (classification d'après la résistance à la traction), deux chiffres de la désignation donnent le type d'enrobage, qui fixe les positions et le courant. Extrait du tableau 4B :

CC (+) : électrode au pôle positif ; CC (−) : au pôle négatif ; CC (±) : l'un ou l'autre. Le cours 3 détaillera la désignation complète et les enrobages.

Le choix selon le métal soudé (polycopié, § 6.14)

La fiche du fabricant fait foi : elle donne le courant, la polarité et la plage d'intensité de chaque diamètre. Le cours 5 reviendra sur l'aluminium et les fontes.

L'intensité est le premier réglage du soudeur. Elle commande à la fois la fusion de l'électrode, donc la quantité de métal déposé, et la pénétration, c'est-à-dire la profondeur à laquelle l'arc fait fondre la pièce sous le cordon. La pénétration croît plus vite que l'intensité : 20 % d'ampères en plus donnent environ 30 % de profondeur en plus.

Chaque diamètre d'électrode a sa plage d'intensité, donnée par le fabricant (cours 1 : de l'ordre de 80 à 150 A pour une rutile de 3,2 mm). Comme pour une poêle :

• feu trop doux (intensité trop faible) : l'arc est mou et instable, l'électrode colle, le cordon reste étroit et bombé, posé sur la tôle sans s'y lier : c'est le manque de fusion, et le laitier peut rester piégé ;
• feu trop fort (intensité trop forte) : l'électrode rougit avant la fin, son enrobage se fissure, les projections se multiplient, le bain se creuse en caniveaux le long du cordon, et une tôle mince peut percer.

En position verticale ou au plafond, le bain risque de couler : on baisse l'intensité de 10 à 20 % environ, ou l'on prend un diamètre plus petit.

Ce que fixe l'intensité (polycopié, § 6.7, 6.11 et 12.8)

Le métal déposé par millimètre de cordon (sa section) découle directement du cours 1 : l'âme fond à c_f·I grammes par heure, dont une part r se retrouve dans le cordon.

Exemple : 3,2 mm, 3 mm/s. À 110 A, A_d = 0,95 × 2,64 × 10⁻³ × 110/(7,85 × 10⁻³ × 3) ≈ 11,7 mm². Le modèle de la manipulation donne alors une pénétration d'environ 1,7 mm et une dilution d'environ 36 %. À 80 A : 8,5 mm² déposés et 1,0 mm de pénétration ; à 140 A : 14,9 mm² et 2,4 mm. Le métal déposé suit l'intensité (proportionnel à I), la pénétration la devance (proportionnelle à I^1,5 dans le modèle, exposant illustratif).

À 140 A, la densité de courant vaut 140/(π × 3,2²/4) ≈ 17,4 A/mm² dans une âme de 3,2 mm, mais seulement 11,1 A/mm² dans une âme de 4 mm : à intensité égale, le plus petit diamètre donne un arc plus concentré et pénètre un peu plus, mais il chauffe plus vite.

Les facteurs de la pénétration (polycopié, § 12.7)

La hauteur d'arc (ou longueur d'arc) l est la distance entre le bout de l'électrode et le bain. Avec un générateur à caractéristique tombante ou à courant constant (cours 1), c'est elle qui fixe la tension : plus l'arc est long, plus sa tension monte, alors que le courant ne bouge presque pas. Sur le poste, on règle l'intensité ; la tension, c'est la main du soudeur qui la tient (polycopié, § 6.6, 6.13, 12.4 à 12.6).

La règle de l'arc court : une hauteur d'arc de l'ordre du diamètre de l'âme, voire moins pour les basiques. Comme une lampe de poche approchée d'un mur :

• arc court : énergie concentrée, bonne pénétration, cordon bien formé, gaz et laitier qui protègent bien le bain, peu de projections ;
• arc long : arc qui s'étale et vagabonde, cordon plus large et plus plat, pénétration plus faible, projections, caniveaux ; surtout, l'air s'infiltre dans l'arc : l'azote et l'oxygène attaquent le métal fondu et forment des soufflures (porosités), en particulier avec les électrodes basiques ;
• arc trop court : l'électrode touche le bain, colle, et le cordon devient irrégulier.

La hauteur d'arc change aussi la façon dont le métal passe de l'électrode au bain : c'est le mode de transfert (polycopié, § 12.12). Selon l'enrobage, le métal part en fines gouttes, en grosses gouttes qui touchent le bain, ou projeté par un arc très violent.

La tension d'arc

La tension d'un arc se décompose en deux chutes de tension concentrées près de l'électrode et de la pièce, de l'ordre d'une dizaine de volts au total, et une chute dans la colonne de l'arc, proportionnelle à sa longueur :

Exemple : à 120 A, un arc de 3 mm donne U = 14 + 4,8 + 6 = 24,8 V ; un arc de 6 mm, 30,8 V. Le courant restant le même, la puissance de l'arc et l'énergie par millimètre de cordon augmentent de 24 % : le cordon s'élargit et s'aplatit, mais la pénétration baisse, car l'énergie s'étale et se perd davantage par rayonnement.

Les modes de transfert (polycopié, § 12.12)

Dans tous les cas, le cratère d'enrobage canalise les gouttes, et le laitier fondu enrobe chaque goutte pendant son vol. Le cours 3 relie ces comportements à la composition de l'enrobage.

La vitesse d'avance v est la vitesse à laquelle l'arc se déplace le long du joint (polycopié, § 6.12 et 12.9). Comme un pinceau :

• trop lent : le cordon devient épais et large, le bain coule devant l'arc et amortit sa pénétration, le laitier peut passer devant et rester piégé ; trop de chaleur grossit le grain du métal ;
• trop rapide : le cordon est mince et étroit, mal raccordé, avec des caniveaux et du manque de fusion, et le laitier n'a pas le temps de remonter.

Deux angles décrivent la position de l'électrode (polycopié, § 12.10 et 12.11) :

• l'orientation, vue dans le plan perpendiculaire au joint : l'électrode vise la bissectrice du joint, à 90° des tôles pour un bout à bout à plat, vers 45° pour une soudure d'angle ;
• l'inclinaison, vue dans le plan du joint : l'électrode penche de 10 à 30° par rapport à la perpendiculaire. En 111, on la tient le plus souvent tirée : la poignée devance la pointe, qui vise le cordon déjà fait. L'arc repousse alors le laitier vers l'arrière et creuse davantage. Poussée, la pointe vise l'avant : le cordon s'aplatit, pénètre moins, et le laitier risque de passer devant.

Intensité, tension et vitesse se combinent enfin en une seule grandeur : l'énergie apportée à chaque millimètre de joint. Elle décide de la forme du cordon, mais aussi de la vitesse à laquelle la zone soudée refroidit, donc de sa dureté et de sa ténacité.

Deux énergies à ne pas confondre (polycopié, § 6.9)

Exemple : U = 24,4 V, I = 110 A, v = 3 mm/s : E = 24,4 × 110/3 × 10⁻³ ≈ 0,89 kJ/mm et Q = 0,8 × 0,89 ≈ 0,72 kJ/mm.

En 111, la vitesse est difficile à mesurer en cours de passe. On mesure plutôt la longueur de cordon déposée par une électrode, L_c, et sa durée de fusion t_e (cours 1) : la vitesse vaut v = L_c/t_e, et E = U·I·t_e/L_c. Une électrode de 3,2 × 350 mm qui brûle en 67 s en déposant 202 mm donne bien 24,4 × 110 × 67/202 ≈ 0,89 kJ/mm. Pour tenir une énergie, on fixe donc une longueur de cordon par électrode.

Du réglage au refroidissement (EN 1011-2)

L'énergie de soudage commande le refroidissement de la zone soudée, mesuré par le t_8/5 : le temps que met le métal pour passer de 800 °C à 500 °C, l'intervalle où se décide la structure des aciers. Le cours 3 de la série Métallurgie en détaille les conséquences ; voici les formules de l'EN 1011-2 :

Exemple : Q = 0,72 kJ/mm, T₀ = 20 °C, cordon sur tôle. En 3D : t_8/5 = 6 600 × 0,716 × (1/480 − 1/780) ≈ 3,8 s. L'épaisseur de transition vaut environ 12,4 mm : une tôle de 20 mm refroidit en 3,8 s, une tôle de 10 mm, plus lentement, en 5,8 s (formule 2D).

Tout courant crée autour de lui un champ magnétique. Le courant de soudage traverse l'électrode, l'arc et la pièce, et crée donc un champ autour de l'arc. Or l'arc est un conducteur souple, fait de gaz : si le champ est plus fort d'un côté que de l'autre, une force le pousse vers le côté où il est le plus faible. L'arc dévie : c'est le soufflage magnétique (polycopié, § 12.34).

Le champ devient dissymétrique dans quatre situations :

• près des bouts de la tôle : le champ, qui se referme dans l'acier, se tasse vers le bord. L'arc est repoussé des extrémités, vers la masse de métal ;
• selon la place de la prise de masse : le courant qui file vers elle crée son propre champ. L'arc s'écarte du côté de la prise de masse ;
• dans un angle, un chanfrein étroit, une passe de racine épaisse, où l'acier entoure l'arc de façon inégale ;
• quand la pièce est aimantée (magnétisme rémanent), après un levage par électro-aimant ou un contrôle magnétique.

On parle de soufflage arrière quand l'arc est repoussé vers le cordon déjà fait, ce qui arrive en soudant vers la prise de masse ou en arrivant au bout du joint, et de soufflage avant quand il est poussé vers l'avant, au départ du joint ou en s'éloignant de la prise de masse. Le soufflage est surtout gênant en courant continu : en alternatif, le champ change de sens cent fois par seconde et s'affaiblit beaucoup.

Un arc qui souffle s'allonge, projette, protège mal le bain, et ne fond plus le bon endroit : soufflures, manque de fusion, caniveaux, inclusions de laitier.

Un champ qui n'est pas négligeable

Autour d'un conducteur rectiligne parcouru par un courant I, le champ magnétique vaut, à la distance r :

Exemple : à 5 mm d'un courant de 200 A, B = 4π × 10⁻⁷ × 200/(2π × 0,005) = 8 × 10⁻³ T = 8 mT, soit 80 gauss. Une pièce dont l'aimantation rémanente dépasse environ 50 gauss (5 mT), valeur souvent citée comme seuil de gêne, crée donc un champ du même ordre que celui de l'arc lui-même. Le champ propre de l'arc croît avec I, et la force aussi : la déviation croît comme I². Monter l'intensité aggrave le soufflage.

Les remèdes (polycopié, § 12.35)

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 la manipulation 5.