L'électrode, de la fabrication à l'étuve : enrobages, hydrogène, efficacité et désignation

Une électrode se fabrique comme une baguette de boulanger, en quatre temps (polycopié, § 9.1) :

1. 1L'âme

   Du fil d'acier est tréfilé, c'est-à-dire étiré à travers des filières jusqu'au diamètre voulu, décapé pour ôter le lubrifiant, dressé puis coupé à longueur (de 250 à 450 mm environ).

2. 2La pâte

   Les poudres minérales, les ferro-alliages et la poudre de fer sont tamisées, pesées selon la recette et mélangées à sec ; on ajoute ensuite un liant, des silicates de sodium et de potassium en solution (le « verre soluble »), puis on pétrit et l'on presse la pâte en briquettes.

3. 3Le filage

   Une presse pousse la pâte autour des âmes qui défilent à travers une filière : l'enrobage se forme en continu, bien centré. On dégage ensuite le bout de prise, nu sur au moins 15 mm pour le contact avec la pince, et l'on prépare parfois le bout d'amorçage avec un produit qui facilite l'allumage de l'arc.

4. 4La cuisson

   Les électrodes sèchent à l'air, puis cuisent au four. La température dépend de la famille : les basiques cuisent très chaud, vers 450 °C, pour chasser l'eau et garantir un faible hydrogène ; les cellulosiques, elles, gardent volontairement de l'eau. Elles sont contrôlées puis emballées aussitôt, à l'abri de l'humidité.

Comme pour la baguette, le défaut le plus sournois est une pâte mal centrée : l'enrobage est plus mince d'un côté que de l'autre. C'est l'excentricité. Au bout de l'électrode, le côté mince fond plus vite que le côté épais : le cratère d'enrobage devient dissymétrique, et l'arc part de travers. Les autres défauts (polycopié, § 9.2) : enrobage fissuré, écaillé, cassé par un choc ou une flexion, enrobage humide, âme rouillée au bout de prise.

Ce que demande la norme de livraison

L'ISO 544 fixe les conditions de livraison des produits d'apport. Pour les électrodes enrobées, elle impose un enrobage concentrique et régulier sur toute la longueur, « afin d'éviter une fusion dissymétrique de l'enrobage » ; un enrobage sans irrégularité, fissure ni défaut de surface ; un enrobage bien adhérent qui ne s'écaille pas en usage normal ; et un bout de prise nu sur au moins 15 mm. Elle donne aussi les tolérances sur le diamètre de l'âme (quelques centièmes de millimètre à un dixième selon le diamètre) et sur la longueur.

Exemple : âme de 3,2 mm, enrobage moyen D = 1,6 × 3,2 = 5,12 mm, donc c = 0,96 mm. Une âme décalée de 0,24 mm donne t_min = 0,72 mm et t_max = 1,20 mm, soit ε = 0,24/0,96 = 25 % : le cratère est nettement dissymétrique, et la manipulation montre un arc dévié d'environ 12°.

Excentricité ou soufflage ?

Les deux font dévier l'arc. Le test des fabricants est simple : tourne l'électrode d'un demi-tour dans la pince et soude à nouveau. Si la déviation tourne avec l'électrode, l'enrobage est excentré ; si elle garde la même direction, c'est du soufflage magnétique (cours 2), lié à la pièce et à la prise de masse.

L'enrobage remplit trois rôles à la fois (polycopié, § 9.12) :

• un rôle électrique : faciliter l'amorçage, stabiliser l'arc, le rallumer en courant alternatif. Des éléments faciles à ioniser, comme le potassium et le sodium, rendent le gaz de l'arc conducteur (cours 2) ;
• un rôle physique : produire les gaz qui chassent l'air, former le laitier qui couvre le bain, lui donne sa forme, ralentit son refroidissement et le soutient en position, et dessiner le cratère qui guide l'arc et les gouttes ;
• un rôle métallurgique : désoxyder le bain, c'est-à-dire capter l'oxygène qui l'a pollué, ajouter des éléments d'alliage, épurer le métal par des échanges avec le laitier, et augmenter le métal déposé grâce à la poudre de fer.

Chaque ingrédient tient un ou plusieurs de ces rôles, comme dans une recette :

Désoxyder le bain

Malgré la protection, le bain capte un peu d'oxygène : celui de l'air qui s'infiltre, celui des oxydes de l'enrobage et de la surface des pièces. Dissous dans l'acier, l'oxygène forme des inclusions et, avec le carbone, du monoxyde de carbone qui crée des soufflures. Les désoxydants de l'enrobage s'en chargent :

Laitier acide, laitier basique

Un laitier riche en silice (SiO₂) ou en oxyde de titane est dit acide ; un laitier riche en chaux (CaO, issue du calcaire) et en fluorine est dit basique. Le laitier basique capte mieux le soufre et l'oxygène : il donne un métal plus propre et plus tenace, au prix d'un laitier moins facile à détacher et d'un arc moins doux. Les réactions gaz-métal concernent surtout l'oxygène, l'azote de l'air (arc long) et l'hydrogène (chapitre 4) ; les réactions laitier-métal, la désoxydation, la désulfuration et le transfert d'éléments d'alliage.

Selon l'ingrédient dominant, on distingue quatre grandes familles (polycopié, § 9.6 à 9.10) :

• Rutile (symbole R, ou RR pour un enrobage épais) : la plus facile. Arc doux et stable, fines gouttes, beau cordon, laitier qui se détache seul, courant alternatif ou continu. Le métal est correct mais moins tenace, et l'hydrogène reste assez élevé. C'est l'électrode de la charpente courante et de l'entretien.
• Basique (B) : la plus exigeante et la plus sûre. Métal tenace, résistant au froid et à la fissuration, très peu d'hydrogène à condition d'être sèche. Arc plus dur, grosses gouttes, arc court obligatoire, souvent en CC+, étuvage indispensable. C'est l'électrode des aciers épais, bridés ou à haute résistance.
• Cellulosique (C) : la plus pénétrante. Arc violent, peu de laitier, soudage en verticale descendante : c'est l'électrode des pipelines. Elle contient volontairement de l'eau et produit beaucoup d'hydrogène.
• Acide (A) : à base d'oxydes de fer, de manganèse et de silice ; laitier abondant et fluide, cordons lisses, surtout à plat. Le polycopié parle aussi d'enrobage oxydant, très riche en oxyde de fer, que l'on retrouve aujourd'hui dans les types « oxyde de fer » du système B de l'ISO 2560, limités aux positions PA et PB (à plat).

Entre ces couleurs de base existent des mélanges : rutile-basique (RB), rutile-cellulosique (RC), rutile-acide (RA). Et une poudre de fer ajoutée à l'enrobage augmente le métal déposé et la vitesse, au prix des positions difficiles.

Les équivalences AWS suivent le dernier chiffre de la désignation américaine : les types se terminant par 10 ou 11 sont cellulosiques ; par 12, 13, 14, 19 ou 24, rutiles ; par 15, 16, 18, 28 ou 48, basiques à bas hydrogène. Les valeurs d'hydrogène sont des ordres de grandeur publiés ; elles dépendent du fabricant, de l'emballage et de la conservation.

Dans l'arc, l'eau se décompose : son hydrogène se dissout massivement dans le métal liquide. En se solidifiant puis en refroidissant, l'acier ne peut plus le garder. Une partie s'échappe, une autre migre dans la zone voisine du cordon et s'y accumule : c'est l'hydrogène diffusible, mesuré en millilitres de gaz pour 100 g de métal déposé (ml/100 g) selon l'ISO 3690 (polycopié, § 9.3).

D'où vient cet hydrogène ? De l'humidité de l'enrobage avant tout, mais aussi de la cellulose des électrodes cellulosiques, de la rouille, de la graisse, de la peinture ou de la condensation sur les bords à souder. Avec deux complices, il provoque la fissuration à froid :

• de l'hydrogène dans le métal ;
• une structure dure et fragile dans la zone affectée thermiquement, comme la martensite d'un acier trempé par un refroidissement rapide ;
• des contraintes de traction : bridage, retrait, pièce épaisse.

Ces fissures sont sournoises : fines, souvent sous la surface, elles peuvent n'apparaître que des heures, voire des jours après le soudage.

Or l'enrobage est une éponge : son liant et ses minéraux reprennent l'humidité de l'air. Une électrode basique, conçue pour déposer très peu d'hydrogène, n'en dépose peu que si elle est sèche. D'où les règles de conservation et d'étuvage (polycopié, § 10) :

• stocker les boîtes fermées dans un local sec et tempéré (humidité relative inférieure à 50 %, plus de 20 °C, sur palettes) ;
• étuver les basiques avant usage, typiquement 2 heures entre 300 et 350 °C, dans une étuve de séchage ;
• maintenir ensuite les électrodes vers 150 °C dans une étuve de maintien ou un carquois chauffant, et n'en sortir que ce que l'on va souder.

Mesurer et classer l'hydrogène

L'ISO 3690 décrit la mesure : on soude une éprouvette normalisée, on la refroidit très vite, puis on recueille l'hydrogène qui s'en échappe. L'ISO 2560 traduit le résultat en symbole facultatif de la désignation :

Les recommandations de l'EN 1011-2 pour le préchauffage des aciers ferritiques font intervenir cette teneur : 5 ml/100 g au plus correspond à son « échelle D » d'hydrogène, le plafond que recommande l'industrie de la construction métallique. Moins d'hydrogène, c'est moins de préchauffage pour un même acier (cours 4).

Les règles de conservation

Ordres de grandeur issus d'une notice de fabricant ; la fiche de chaque électrode fait foi. La même notice limite la durée cumulée des étuvages à 10 heures, car un étuvage trop long ou trop répété abîme l'enrobage. Les emballages étanches ou sous vide dispensent d'étuvage tant qu'ils sont intacts ; une fois ouverts, le fabricant fixe le délai d'utilisation. Pour éviter la condensation, on garde le magasin quelques degrés au-dessus de la température la plus haute de la journée.

Que devient le métal d'une électrode ? L'âme fond, mais une partie se perd en projections et en fumées, et l'on jette le bout. Inversement, si l'enrobage contient de la poudre de fer, celle-ci fond aussi et rejoint le cordon : l'électrode peut alors déposer plus de métal que son âme n'en contenait, comme un gâteau qui sort du four plus gros que son moule (polycopié, § 9.11).

L'efficacité de l'électrode (appelée rendement dans le cours 1, et naguère « efficacité nominale ») compare la masse de métal déposé à la masse d'âme réellement fondue :

• autour de 100 % pour une rutile ou une basique ordinaire ;
• de 105 à 160 % pour les électrodes enrichies en poudre de fer ;
• plus de 160 % pour les électrodes à très haut rendement, réservées au soudage à plat et en angle à plat.

Ce métal déposé a ses propres caractéristiques, mesurées sur une éprouvette de métal fondu hors dilution, c'est-à-dire sans mélange avec le métal de base : limite d'élasticité, résistance, allongement, énergie de rupture à basse température (polycopié, § 9.13). C'est ce que garantit la désignation (chapitre 6). Enfin, connaître le métal déposé par électrode permet de prévoir la consommation d'un chantier (polycopié, § 12.33).

Quatre grandeurs, quatre définitions

L'ISO 2401 fait souder au moins trois électrodes à plat, sans interruption, jusqu'à un bout d'environ 50 mm, et pèse tout :

Exemple : trois électrodes de 4,0 × 450 mm, bouts totalisant 150 mm, déposent 140 g. L'âme consommée mesure 3 × 450 − 150 = 1 200 mm, soit m_CN = 7,85 × 10⁻³ × π × 4²/4 × 1 200 ≈ 118,4 g et R_N = 140/118,4 ≈ 118 % : la classe « plus de 105 et au plus 125 % » de l'ISO 2560. Si les trois électrodes pesaient 186 g en tout, R_G = 140/186 ≈ 75 % : un quart de la masse achetée part en enrobage, en bouts et en projections. Avec 4,25 min d'arc à 170 A, D = 140/(170 × 4,25) ≈ 0,19 g/(A·min).

Prévoir la consommation (polycopié, § 12.33)

Exemple : 1 m de V à 60° en 10 mm, écartement 2 mm, sans talon : A ≈ 77,7 + 16,5 ≈ 94 mm² avec la surépaisseur. Racine en 3,2 mm (12 mm²), puis remplissage en 4 mm : 6 passes. À R = 95 %, une âme de 4 × 450 (40,4 g consommés) dépose 38,4 g : il faut 6 électrodes de 3,2 et 17 de 4, et 34 min d'arc. À R = 160 %, 4 et 10 électrodes, et 20 min d'arc.

La désignation d'une électrode est sa carte d'identité (polycopié, § 11.1). Dans le système A de l'ISO 2560, elle se lit de gauche à droite, par exemple E 42 4 B 42 H5 :

• E : électrode enrobée pour soudage manuel à l'arc ;
• 42 : limite d'élasticité minimale du métal fondu, 420 MPa ;
• 4 : 47 J de résilience garantis à −40 °C ;
• (pas de symbole) : métal non allié, au plus 2 % de manganèse ;
• B : enrobage basique ;
• 4 : efficacité de plus de 105 % et au plus 125 %, courant continu ;
• 2 : toutes positions sauf la verticale descendante ;
• H5 : au plus 5 ml d'hydrogène diffusible pour 100 g de métal déposé.

Les cinq premiers éléments (E, limite, résilience, composition, enrobage) sont obligatoires ; l'efficacité et le courant, la position et l'hydrogène sont facultatifs, mais figurent presque toujours. La boîte reprend cette désignation avec bien d'autres informations (polycopié, § 11.2) : diamètre et longueur, numéro de lot, nombre ou masse d'électrodes, courant et polarité, plages d'intensité, conditions d'étuvage, positions, agréments, marquage CE.

D'autres normes couvrent les autres métaux (polycopié, § 11.4) : l'ISO 3580 pour les aciers résistant au fluage, l'ISO 3581 pour les aciers inoxydables et réfractaires, l'ISO 18275 pour les aciers à haute résistance, l'ISO 14172 pour le nickel et ses alliages, l'ISO 1071 pour les fontes, l'ISO 14700 pour le rechargement. Aux États-Unis, l'AWS publie ses propres classifications (A5.1 pour les aciers au carbone, A5.5 pour les aciers faiblement alliés, A5.4 pour les inox).

Les tableaux du système A (ISO 2560:2020)

Positions de l'ISO 6947, détaillées au cours 4 : PA à plat, PB en angle à plat, PC en corniche, PD en angle au plafond, PE au plafond, PF en verticale montante, PG en verticale descendante. Les traductions françaises varient d'un document à l'autre (la version française de l'ISO 2560 traduit PB par « en corniche » et PC par « horizontale ») : le code lettre fait foi.

La composition chimique (tableau 3A) n'a pas de symbole pour un métal non allié (au plus 2,0 % de manganèse) ; Mo signale 0,3 à 0,6 % de molybdène, MnMo du manganèse et du molybdène, 1Ni, 2Ni, 3Ni environ 1, 2 et 3 % de nickel pour la ténacité à froid. L'enrobage (tableau 4A) prend les symboles A, C, R, RR, RC, RA, RB et B. L'hydrogène (tableau 7) prend H5, H10 ou H15.

Le système B s'appuie sur la résistance à la traction et une résilience de 27 J. Sa désignation enchaîne E, la résistance minimale (43, 49, 55 ou 57 pour 430 à 570 MPa), deux chiffres pour l'enrobage, le courant et les positions (le tableau 4B du cours 2), la composition, l'état de traitement thermique après soudage, un « U » facultatif si 47 J sont aussi atteints, et l'hydrogène. Une basique de 490 MPa pour CA et CC+ commence ainsi par E 4916 ou E 4918 ; ses équivalentes américaines s'appellent E7016 et E7018 (70 ksi, soit environ 480 MPa, que le système B arrondit à 49).

Choisir l'électrode et son diamètre (polycopié, § 9.4 et 9.5)

• le métal de base : une limite d'élasticité et une ténacité du métal fondu au moins égales à celles exigées pour la pièce, à la température de service ; l'alliage adapté (nickel pour le froid, molybdène pour le chaud, inox, nickel, fonte) ;
• le risque de fissuration : épaisseur, bridage, carbone équivalent : basique H5 dès que le risque monte ;
• la position et le lieu : symbole de position, verticale descendante ou non, courant disponible ;
• le diamètre : petit pour la racine et en position, plus gros pour le remplissage à plat ; il est limité par l'épaisseur, par l'accès au fond du chanfrein, et parfois par l'énergie de soudage maximale du DMOS (cours 2) ;
• la productivité et le coût : efficacité, aspect, temps de décrassage.

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 6 et 5.