Préparer et souder en 111 : joint, préchauffage, geste, positions, soudures bout à bout et d'angle

Un couturier ne coud jamais deux pièces de tissu posées au hasard. Il coupe les bords proprement, les épingle à intervalles réguliers pour qu'ils ne glissent pas, puis il coud. Le soudeur fait de même, en trois temps : il prépare les bords, il les accoste (il les présente l'un contre l'autre à la bonne distance), puis il les pointe par de courts cordons qui tiennent l'assemblage pendant le soudage.

Avant même de préparer (polycopié, § 12.1), on vérifie que tout est prêt : le DMOS a été lu ; le matériau, l'épaisseur et les électrodes sont ceux qu'il prévoit, et les électrodes sont sèches (cours 3) ; le poste est réglé et la prise de masse serrée sur du métal propre, près du joint (cours 1) ; le joint est propre et sec sur une bande de part et d'autre, sans rouille, calamine, peinture, graisse ni humidité, car tout cela se décompose dans l'arc en gaz et en hydrogène.

Pourquoi chanfreiner ? L'arc d'une électrode enrobée ne pénètre que de un à quelques millimètres dans l'acier (cours 2). Au-delà de quelques millimètres d'épaisseur, il ne peut plus atteindre le fond du joint : on taille les bords en biseau pour ouvrir un passage jusqu'à la racine, le fond du joint, et souder sur toute l'épaisseur. C'est la préparation des bords (polycopié, § 12.13). Les formes de base portent le nom de la lettre qu'elles dessinent : bords droits I, chanfrein en V, double V en X, et U aux flancs presque droits ; pour un assemblage en T, on chanfreine un seul bord, en demi-V ou en J.

Le pointage, que le polycopié appelle agrafage (§ 12.14), fixe la position des pièces et l'écartement de la racine. Une pointe est une vraie soudure : même électrode, même préchauffage que le reste du joint, et assez longue pour ne pas casser.

Les cotes d'une préparation

La norme ISO 9692-1 décrit, pour le procédé 111, les formes de chanfrein et leurs cotes de référence selon l'épaisseur ; le DMOS reprend la préparation choisie. Les repères suivants sont des ordres de grandeur couramment admis pour l'acier, pas les valeurs de la norme :

Exemple : t = 20 mm, α = 60°, b = 2 mm, c = 2 mm. En V : A₀ = 18² × 0,577 + 2 × 20 ≈ 227 mm². En X : A₀ = 18²/2 × 0,577 + 40 ≈ 134 mm², soit 41 % de métal en moins. En U (R = 6 mm, flancs à 10°), A₀ ≈ 266 mm² : à 20 mm, le U ne gagne rien sur le V ; à 40 mm, il en demande 23 % de moins (701 contre 914 mm²). La manipulation 1 le montre en faisant varier t.

Pointer sans fragiliser

Une pointe courte refroidit très vite : sa zone affectée trempe, et elle peut fissurer, surtout sur un acier à haute résistance ou épais. D'où les règles de pointage données par les recommandations de fabricants et de bonnes pratiques :

• longueur : au moins 30 mm pour une tôle de 6 mm ou moins, 40 mm au-delà (recommandation japonaise JASS 6, reprise par un fabricant d'électrodes) ;
• pas : environ 400 mm au plus entre deux pointes ;
• électrode et préchauffage : ceux du DMOS, avec des basiques pour les pièces épaisses ; sur les aciers à haute résistance, un fabricant conseille même de préchauffer les pointes de 40 à 50 °C de plus que le joint, car elles refroidissent plus vite ;
• soudeur et contrôle : une pointe qui reste dans la soudure est faite par un soudeur qualifié et contrôlée visuellement ; ses extrémités sont meulées en pente pour que la passe de racine les refonde sans défaut.

Verse de l'eau bouillante dans une théière froide : la porcelaine peut se fendre. Rince-la d'abord à l'eau chaude, et tout se passe bien. L'acier soudé connaît un drame voisin. Le cours 3 a posé le triangle de la fissuration à froid : de l'hydrogène diffusible, une zone affectée dure (la martensite, qui naît d'un refroidissement trop rapide) et des contraintes de retrait. Réunis, ils fissurent la zone affectée, parfois des heures après le soudage.

Le préchauffage consiste à chauffer la pièce autour du joint avant de souder, et à la garder chaude pendant le soudage (polycopié, § 14). Il agit sur deux côtés du triangle :

• il ralentit le refroidissement : le temps t_8/5 passé entre 800 et 500 °C s'allonge (cours 2), la zone affectée trempe moins et reste moins dure ;
• il laisse partir l'hydrogène : plus longtemps chaud, l'acier laisse l'hydrogène diffuser hors du joint avant qu'il ne se concentre.

Combien faut-il préchauffer ? Cela dépend de cinq facteurs, que la manipulation 2 fait jouer : la composition de l'acier (résumée par un carbone équivalent), son épaisseur (une pièce épaisse pompe la chaleur), l'hydrogène apporté par l'électrode, l'énergie de soudage (un gros bain refroidit plus lentement) et le bridage de l'assemblage.

Le carbone équivalent

Le carbone est le premier responsable de la trempe ; les autres éléments d'alliage y contribuent moins. On résume la composition par un carbone équivalent, une teneur en carbone fictive qui aurait le même effet sur la trempabilité. L'EN 1011-2 en utilise deux :

Exemple (analyse type d'un S355, à titre d'exemple : C 0,18 ; Mn 1,50 ; Cr 0,05 ; Mo 0,01 ; V 0,01 ; Ni 0,05 ; Cu 0,10) : CE = 0,18 + 0,25 + 0,014 + 0,010 ≈ 0,45 % et CET = 0,18 + 0,151 + 0,0075 + 0,0013 ≈ 0,34 %.

Les méthodes de l'EN 1011-2

La méthode A lit la température de préchauffage sur des graphiques, à partir du CE, d'une échelle d'hydrogène, de l'épaisseur combinée (la somme des épaisseurs par lesquelles la chaleur s'évacue autour du joint) et de l'énergie de soudage. Les échelles d'hydrogène classent l'électrode selon son hydrogène diffusible, en ml pour 100 g de métal déposé : A au-delà de 15, B de 10 à 15, C de 5 à 10, D de 3 à 5, E au plus 3. Une basique H5 bien conservée relève de l'échelle D.

La méthode B donne une formule :

Exemple : le S355 ci-dessus, d = 25 mm, électrode basique H5 (H_D = 5), Q = 1,2 kJ/mm : T_p = 697 × 0,34 + 160 × tanh(0,714) + 62 × 5^0,35 + (53 × 0,34 − 32) × 1,2 − 328 ≈ 99 °C. Avec une électrode à 15 ml/100 g, la même formule donne ≈ 150 °C : l'hydrogène coûte 50 °C de préchauffage. Un repère utile : 0,01 % de CET en plus demande environ 7,5 °C de plus.

L'abaque de Séférian

Très répandu dans la formation française, l'abaque de Séférian donne la température de préchauffage en fonction du carbone équivalent et de l'épaisseur e de la tôle la plus épaisse. Il se résume par une formule :

Pour le même S355 de 25 mm : [C] = 0,454 × 1,125 ≈ 0,51 et T_p = 350 × √0,26 ≈ 179 °C, contre 99 °C par la méthode B. Les méthodes ne coïncident pas : Séférian ignore l'hydrogène et l'énergie, et donne ici une valeur bien plus prudente. C'est le DMOS, qualifié par des essais, qui fixe la température à appliquer.

Mesurer et tenir la température

On chauffe au chalumeau, par résistances électriques ou par induction, sur une large bande autour du joint et dans toute l'épaisseur. L'ISO 13916 fixe où mesurer : sur la face de la pièce, à une distance du bord du chanfrein de l'ordre de quatre fois l'épaisseur (au plus 50 mm pour les épaisseurs courantes). On mesure avec des crayons thermosensibles, qui fondent à une température donnée, ou un thermomètre de contact. Le DMOS fixe aussi une température entre passes maximale, pour ne pas surchauffer le joint, et parfois un maintien en température après soudage (postchauffage) pour faire sortir l'hydrogène.

Un calligraphe sait que les défauts naissent quand la plume touche le papier, quand il la retrempe dans l'encre, et quand il la lève. Le soudeur à l'électrode enrobée vit les mêmes trois moments, et une électrode ne dure qu'une minute environ (cours 1) : il les répète donc des dizaines de fois par joint.

1. 1Amorcer

   On allume l'arc en grattant le bout de l'électrode comme une allumette, ou en touchant la pièce puis en relevant aussitôt (polycopié, § 12.3). Toujours dans le joint, jamais sur la tôle à côté : un amorçage hors du joint laisse un coup d'arc, une petite zone fondue et trempée qui peut amorcer une fissure. Avec une basique, on amorce un peu en avant du départ, puis on revient : le métal des premières gouttes, mal protégé, est refondu.

2. 2Reprendre

   L'électrode est usée : on pique et l'on brosse le laitier du cratère, on amorce un peu en avant du cratère, on revient dans le cratère, on marque un temps pour le refondre, puis on repart (polycopié, § 12.19). Repartir sur place laisse un creux ou un manque de fusion ; repartir sans décrasser emprisonne du laitier.

3. 3Finir

   En fin de cordon, on remplit le cratère par un temps d'arrêt ou un petit retour en arrière, puis on écarte l'électrode. Couper l'arc net laisse un cratère creux, où une fissure de cratère naît souvent au refroidissement.

Entre ces moments, le soudeur tient un arc court, une avance régulière et les angles du cours 2. Il dépose un cordon tiré, en avançant en ligne droite, ou un cordon balayé, en oscillant d'un bord à l'autre (zigzag, triangle, croissant). Le balayage élargit le cordon, mais ralentit l'avance : il chauffe davantage et use l'électrode sur une longueur plus courte, donc multiplie les reprises. Les passes de finition, en surface, se posent régulières, raccordées en douceur au métal de base et sans caniveau, chacune recouvrant en partie la précédente (polycopié, § 12.15).

Combien de reprises par mètre ?

Chaque électrode dépose un volume V_D de métal ; étalé sur un cordon de section A, il couvre une longueur L_e. Chaque électrode finie impose une reprise :

Exemple : une électrode de 3,2 × 350 mm dépose 18,6 g (cours 3), soit V_D = 18,6/7,85 × 10⁻³ ≈ 2 370 mm³. En cordon tiré de 12 mm², L_e ≈ 197 mm : 6 électrodes et 5 reprises pour un mètre. Balayé deux fois plus large (24 mm²), L_e ≈ 99 mm : 11 électrodes et 10 reprises.

Le balayage agit aussi sur l'énergie. L'électrode fond à débit constant pour une intensité donnée ; pour remplir une section deux fois plus grande, il faut avancer deux fois moins vite, et l'énergie E = U·I/v double : de 0,92 à 1,83 kJ/mm pour une 3,2 à 110 A. D'où les limites de balayage que fixent certains DMOS, en particulier sur les aciers sensibles à la ténacité.

Le soudeur

Le geste ne s'apprend pas dans un livre : il se répète en atelier (polycopié, § 12.16). Le soudeur est qualifié selon l'ISO 9606-1 par une épreuve qui fixe un procédé, un type de soudure (BW ou FW), un groupe de matériaux, une plage d'épaisseurs et de diamètres, et une ou plusieurs positions (chapitre 4). Un bon geste demande aussi une bonne installation : pièce à hauteur, corps stable, câble soulagé, vue dégagée sur le bain à travers un filtre adapté à l'intensité.

Le bain de fusion est un liquide, et la pesanteur ne le lâche jamais. À plat, il repose tranquillement dans le chanfrein ; au plafond, il pend au-dessus du soudeur ; à la verticale, il voudrait couler vers le bas. C'est pourquoi une même soudure ne se fait pas de la même façon dans toutes les positions.

L'ISO 6947 (polycopié, § 12.18) repère une position par deux angles : la pente de l'axe du cordon et la rotation de sa face, c'est-à-dire la direction vers laquelle regarde la surface du cordon. Imagine une boussole dressée à la verticale. Quand l'axe du cordon est horizontal, la face tourne du ciel vers le sol, et les lettres suivent l'alphabet :

Pour les tubes fixes à axe horizontal, l'ISO 6947 ajoute PH (on soude en montant autour du tube), PJ (en descendant) et PK (soudage orbital). Les positions PB et PD ne concernent que les soudures d'angle : un bout à bout se soude en PA, PC, PE, PF ou PG.

Où s'arrête une position ?

Pour une éprouvette de qualification, la position réelle ne doit pas s'écarter de plus de ± 5° en pente et ± 10° en rotation de la position principale. En production, les tableaux 1 et 2 de l'ISO 6947 donnent des plages bien plus larges. Pour un axe horizontal (pente nulle), elles découpent la boussole en secteurs jointifs :

La norme donne aussi les pentes admises ; une position hors de ces plages se désigne par sa pente et sa rotation en trois chiffres, par exemple PB 015-010. Sa correspondance américaine (annexe B) : 1G, 2G, 3G, 4G pour les bout à bout PA, PC, PF ou PG, PE ; 1F, 2F, 3F, 4F pour les angles PA, PB, PF ou PG, PD.

Choisir l'électrode, le diamètre et l'intensité

Trois réglages suivent la position :

• l'électrode : son symbole de position dans l'ISO 2560-A doit couvrir la position (1 toutes ; 2 toutes sauf PG ; 3 PA et PB ; 4 PA ; 5 PA, PB et PG). Deux fiches de fabricant l'illustrent : une rutile-cellulosique E 42 0 RC 11 se soude dans toutes les positions, la verticale descendante comprise ; une basique E 42 4 B 32 H5, dans toutes sauf la verticale descendante. Les électrodes à haut rendement, symboles 3 et 4, restent à plat ;
• le diamètre : en position, on choisit un diamètre plus petit, le plus souvent 3,2 mm, rarement plus de 4 mm, pour garder un bain petit que le laitier et la tension superficielle retiennent ;
• l'intensité : on se place plus bas dans la plage du fabricant. Un repère de formateur pour la verticale montante : 5 à 10 % de moins qu'en angle à plat.

Exemple : ⌀ 3,2 mm, repère I = 50·(d − 1) = 110 A à plat ; en PF, le modèle de la manipulation retient 10 % de moins, soit ≈ 99 A, avec une basique de symbole 1 ou 2.

Les techniques : en PF, on monte en balayant en triangle ou en zigzag, avec un temps d'arrêt sur chaque bord pour éviter les caniveaux ; en PG, on descend vite, avec une électrode prévue pour (cellulosique ou rutile de symbole 1 ou 5), sur tôle mince ou en racine de tube ; en PC, on empile des cordons tirés de bas en haut, électrode légèrement relevée ; en PE, on garde un arc très court et de petits cordons.

Une soudure bout à bout épaisse se monte comme une pile de crêpes. La première, la passe de racine, est la plus délicate : elle doit fondre les deux talons et former un petit bourrelet régulier à l'envers, sans trou ni manque de pénétration. Viennent ensuite les passes de remplissage, puis les passes de finition en surface. Entre deux passes, on décrasse : on pique et l'on brosse le laitier, sinon il reste emprisonné.

La racine sort souvent bombée, avec deux petits sillons le long des bords, où le laitier de la passe suivante se coince. On meule le profil de la première passe pour l'aplanir (polycopié, § 12.20), et l'on en profite pour supprimer les défauts de départ et de reprise.

Souder d'un seul côté pose un problème : la racine se forme à l'aveugle. Trois solutions :

• la reprise envers : après les premières passes, on retourne la pièce, on creuse l'envers de la racine par meulage ou gougeage (cours 5) jusqu'au métal sain, puis on soude une passe envers ;
• un support envers provisoire : une latte de cuivre serrée sous la racine (polycopié, § 12.26) ou un support céramique collé ; le cuivre, très conducteur, refroidit le bain sans fondre et moule le bourrelet envers ; on retire le support ensuite ;
• une latte d'acier conservée : soudée avec la racine, elle reste dans l'assemblage.

La position change l'empilement (polycopié, § 12.21 à 12.25) : à plat, de larges passes au gros diamètre ; en verticale montante, une passe balayée par couche ; en corniche et au plafond, de nombreux cordons tirés, empilés côte à côte.

Le nombre de passes découle de la section A et de la section déposée par passe, qui dépend de la position :

Exemple : V à 60° de 12 mm, b = 2 mm, c = 1,5 mm, soit A ≈ 104,8 mm² (cours 3). À plat sur latte de cuivre : N = 1 + ⌈92,8/20⌉ = 6 passes et ≈ 38 min d'arc par mètre. En PF, racine ouverte au ⌀ 2,5 puis reprise envers : N = 1 + ⌈96,8/18⌉ + 1 = 8 passes et ≈ 64 min d'arc. En corniche sur latte : N = 1 + ⌈92,8/10⌉ = 11 passes. La position coûte du temps : sur latte de cuivre, ≈ 38 min d'arc à plat et ≈ 55 min en PF, près de moitié plus.

Une soudure d'angle (FW) assemble deux pièces qui se rencontrent en angle, le plus souvent à angle droit : un T, un angle extérieur, un recouvrement (polycopié, § 12.27). Sa coupe ressemble à un triangle. On la décrit par deux grandeurs :

• le côté z, la longueur sur laquelle le cordon s'appuie sur chaque pièce ;
• la gorge a, la hauteur du plus grand triangle isocèle qu'on peut dessiner dans la coupe, mesurée de la racine jusqu'à la face. C'est elle qui porte les efforts : le bureau d'études la calcule et la note sur le plan.

Pour un triangle isocèle rectangle, a = z/√2 ≈ 0,7·z : un cordon de côté 7 mm a une gorge de 5 mm. Une face bombée (convexe) ajoute du métal sans augmenter la gorge ; une face creuse (concave) la diminue. On contrôle la gorge et les côtés au calibre de soudure (polycopié, § 12.28), une petite jauge qu'on pose sur les deux pièces.

La position compte aussi : en gouttière (PA, § 12.29), les pièces inclinées à 45° forment une gouttière où le bain repose, et les côtés sortent égaux ; en angle à plat (PB), le bain glisse vers la tôle horizontale et le côté vertical a tendance à rester court ; en verticale montante (PF, § 12.30), on dépose une gorge plus forte en une passe, en balayant.

Exemple : une soudure a5 demande z = 5 × √2 ≈ 7,1 mm, une section A = 5² = 25 mm² et m = 7,85 × 10⁻³ × 25 × 1 000 ≈ 196 g par mètre, soit environ 6 électrodes de 4 × 450 mm (38,4 g chacune, cours 3). Avec 1 mm de convexité, la section monte à ≈ 31,7 mm², 27 % de métal en plus pour la même gorge ; avec 1 mm de concavité, la gorge tombe à 4,0 mm : la soudure n'est plus conforme. Avec des côtés de 6 et 9 mm, la gorge vaut 6/√2 ≈ 4,2 mm seulement.

La gorge croît comme z, mais la section comme z² : une gorge de 8 mm demande 64 mm², plus de deux fois et demie la section d'une a5. Au-delà de quelques millimètres de gorge, on soude en plusieurs passes. Une pénétration profonde à la racine n'est comptée dans la gorge que si le plan le prévoit et que le mode opératoire l'a démontrée.

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 1, 2, 4 et 5.