Qualité, défauts, cas particuliers et sécurité : le cordon contrôlé et le soudeur protégé

Une soudure ne se contrôle pas entièrement après coup : on ne peut pas scier chaque pièce pour regarder dedans. La qualité se construit donc avant et pendant le soudage, puis se vérifie après. C'est une chaîne :

1. 1Les exigences

   Le client et la norme d'application fixent le niveau de qualité (B, C ou D de l'ISO 5817) et les contrôles demandés.

2. 2Le mode opératoire

   Un DMOS (descriptif de mode opératoire de soudage) écrit la recette ; une QMOS (qualification du mode opératoire) prouve, par une éprouvette soudée puis contrôlée et essayée, qu'elle donne une soudure conforme.

3. 3Le soudeur

   Il est qualifié par une épreuve (ISO 9606-1) pour le procédé, le type de soudure, le matériau, les épaisseurs et les positions.

4. 4Les produits et la préparation

   Électrodes conformes et étuvées (cours 3), joint préparé, accosté et pointé (cours 4), préchauffage et paramètres respectés.

5. 5Le contrôle et la traçabilité

   Contrôle visuel, puis contrôles non destructifs ; chaque soudure se rattache à son soudeur, à son lot d'électrodes et à son mode opératoire. Un coordinateur en soudage tient l'ensemble.

À ces maillons généraux s'ajoutent les problèmes propres à l'électrode enrobée : électrode qui colle (intensité trop faible, électrode humide), électrode qui rougit (intensité trop forte, électrode trop longue pour son diamètre), arc instable (masse mal serrée, électrode humide), soufflage magnétique (cours 2), reprises nombreuses (une par électrode), laitier à enlever entre les passes, hydrogène des électrodes mal conservées, fumées abondantes, et une forte dépendance au geste du soudeur.

Le soudage, procédé spécial

On parle de procédé spécial quand le résultat ne peut pas être entièrement vérifié par un contrôle ultérieur. C'est le cas du soudage : d'où une qualité organisée en amont. L'ISO 3834 en fixe les exigences, à trois niveaux selon l'importance des assemblages : complètes (partie 2), normales (partie 3) et élémentaires (partie 4). Elle demande notamment des modes opératoires qualifiés, des soudeurs qualifiés, une coordination en soudage (ISO 14731), la maîtrise des produits d'apport, des contrôles et une traçabilité.

Le contrôleur regarde d'abord la surface. Chaque défaut porte un nom et un numéro de l'ISO 6520-1, qui permettent à tous de parler de la même chose. Les plus fréquents en soudage à l'électrode enrobée :

Un défaut n'est pas forcément inacceptable : il faut le mesurer et le comparer à la limite du niveau de qualité demandé. C'est le rôle de l'ISO 5817.

L'ISO 5817 donne, pour chaque défaut, une limite à trois niveaux : D (modéré), C (intermédiaire) et B (élevé, le plus exigeant). Les limites s'écrivent avec quelques lettres : t, épaisseur de la tôle ; s, épaisseur nominale de la soudure bout à bout ; a, gorge d'une soudure d'angle ; b, largeur de la surépaisseur ; h, taille du défaut ; l, sa longueur. Une imperfection courte totalise au plus 25 mm sur les 100 mm de soudure qui en contiennent le plus.

Exemple : tôle de 12 mm, caniveau de 0,8 mm. Niveau C : h ≤ 0,1 × 12 = 1,2 mm, mais au plus 0,5 mm : refusé. Niveau D : h ≤ 0,2 × 12 = 2,4 mm, mais au plus 1 mm : admis. La manipulation 2 donne le même verdict.

L'ISO 5817:2023 ajoute une annexe pour les soudures sollicitées en fatigue, avec des niveaux comme C63, B90 ou B125 qui renvoient aux classes de fatigue (la série Fatigue du wiki en donne le sens). Les défauts de surface y sont jugés plus sévèrement, car chacun est une entaille.

Comme le médecin voit l'os à travers la peau, le contrôleur voit l'intérieur de la soudure par radiographie : les rayons traversent mieux un vide que l'acier, et chaque cavité ou inclusion apparaît en sombre sur le film. Les ultrasons, eux, renvoient un écho sur les défauts plans. Les défauts internes de l'électrode enrobée :

On parle aussi de « manque d'interpénétration » : la classification française le range sous le numéro 402, avec le manque de pénétration, pour une soudure faite des deux faces.

Exemple : soudure bout à bout de 12 mm, soufflure isolée de 3 mm. Niveau C : d ≤ 0,3 × 12 = 3,6 mm, admise. Niveau B : d ≤ 0,2 × 12 = 2,4 mm, refusée. Une inclusion de laitier de 2 mm de haut mais de 20 mm de long est refusée en C comme en D, car sa longueur dépasse s = 12 mm.

Quel contrôle pour quel défaut ?

• radiographie (RT) : excellente pour les défauts en volume (soufflures, inclusions) ; elle voit un défaut plan (manque de fusion, fissure) seulement s'il est à peu près parallèle aux rayons ;
• ultrasons (UT) : excellents pour les défauts plans, qui renvoient bien l'écho, et utilisables sur les fortes épaisseurs ;
• ressuage (PT) et magnétoscopie (MT) : défauts qui débouchent ou affleurent en surface, comme les fissures et les piqûres ; la magnétoscopie demande un acier ferromagnétique.

Les fontes sont des alliages de fer à 2 à 5 % de carbone et 1 à 3 % de silicium. Leur carbone, souvent sous forme de graphite, les rend fragiles comme un biscuit sec : chauffées localement puis refroidies vite, elles forment une zone très dure et se fissurent sous les contraintes de retrait. On les répare donc par petites touches : électrodes au nickel, petit diamètre, faible intensité, cordons courts de 20 à 30 mm, que l'on martèle aussitôt pour détendre le métal, en laissant la pièce redescendre sous 100 °C entre deux cordons. Les fontes grises, à graphite sphéroïdal (dites GS ou nodulaires) et malléables se soudent ainsi ; la fonte blanche, extrêmement fragile, ne se soude pas.

L'aluminium pose d'autres problèmes : une couche d'oxyde réfractaire, l'alumine, qui fond vers 2 050 °C quand le métal fond à 660 °C ; une grande conductivité thermique ; une forte sensibilité aux soufflures. Il existe des électrodes enrobées pour l'aluminium : leur enrobage dissout l'oxyde. Elles se soudent en courant continu, électrode au pôle +, fondent très vite et craignent l'humidité ; leur laitier, corrosif, s'enlève soigneusement. On les réserve surtout aux réparations : le TIG et le MIG font mieux en fabrication.

Le soudage sous l'eau existe en deux versions : mouillé, où le plongeur soude directement dans l'eau avec une électrode enrobée rendue étanche, et sec, dans une chambre étanche remplie de gaz (soudage hyperbare). En soudage mouillé, l'eau refroidit brutalement le joint et apporte beaucoup d'hydrogène : on le réserve aux aciers de faible carbone équivalent et aux réparations.

Les fontes

L'ISO 1071 classe les produits d'apport pour les fontes ; la classification américaine AWS A5.15 est très répandue sur les boîtes. La préparation compte autant que l'électrode : on ouvre la fissure en U aux bords arrondis, on perce un petit trou à chaque extrémité pour l'empêcher de progresser, et l'on élimine l'huile et le graphite qui imprègnent la fonte, par chauffage ou avec une électrode de gougeage. Le beurrage consiste à revêtir d'abord chaque bord d'une couche ductile, sur laquelle on soude ensuite.

À côté de ce soudage à froid, le plus courant en réparation, existe un soudage à chaud : toute la pièce est préchauffée lentement, soudée, puis refroidie très lentement, ce qui suppose un four et une pièce démontable.

Exemple : fissure de 150 mm, cordons de 25 mm, 100 °C entre cordons : 150/25 = 6 cordons. Chaque cordon échauffe la zone d'environ 30 °C dans le modèle : la température culmine à ≈ 130 °C, et il faut ≈ 5 min en tout, dont près de 4 d'attente. Avec un seul cordon de 150 mm, la zone monte à ≈ 200 °C d'un coup : c'est ce qui fissure la fonte.

L'aluminium

Un manuel de fabricant propose quatre électrodes, toutes en courant continu électrode au + : aluminium non allié Al99,5 (AWS E1100), AlMn1, AlSi5 et AlSi12, cette dernière pour réparer les pièces moulées en aluminium-silicium (culasses, carters). Ses règles : électrodes bien sèches, préchauffage de 100 à 150 °C des pièces épaisses ou complexes, cordons tirés, une seule passe si possible, et tout le laitier enlevé entre les passes.

Le soudage sous l'eau

En soudage mouillé, le plongeur utilise un courant continu de l'ordre de 300 à 400 A, avec un interrupteur de sécurité sur le câble, en surface, qui coupe le courant hors soudage. Le refroidissement brutal et l'hydrogène limitent le procédé aux aciers de faible carbone équivalent. Le soudage hyperbare, à sec dans une chambre, donne une bien meilleure qualité, au prix d'un équipement lourd.

Le gougeage arc-air (procédé 871 de l'ISO 4063) creuse une rigole dans le métal. Une électrode de carbone et de graphite, cuivrée, est tenue dans une pince spéciale qui souffle de l'air comprimé le long de l'électrode. L'arc entre l'électrode et la pièce fond le métal ; le jet d'air le chasse aussitôt hors de la rigole. L'électrode ne fond pas : elle s'use lentement.

Il sert à creuser l'envers d'une racine avant la reprise envers (cours 4), à éliminer un défaut avant réparation, à retirer une soudure ou des pointes, à chanfreiner, et même à couper en tenant l'électrode presque droite. Il marche sur les aciers, les inox, les fontes et de nombreux alliages, dans toutes les positions, avec un poste de soudage ordinaire de forte intensité et de l'air comprimé.

Ses risques sont à la mesure de son efficacité : un bruit très fort (protection auditive obligatoire), des fumées et des poussières abondantes, des projections de métal en fusion qui portent loin, le rayonnement de l'arc, et une rigole qui peut garder du métal carburé, enrichi en carbone, dur et fragile, qu'il faut meuler avant de souder.

Repères d'un guide de fabricant : courant continu électrode au + pour les aciers (le courant alternatif, avec des électrodes spéciales, est deux fois moins efficace) ; air de 5,5 à 6,9 bar à la pince, une pression plus forte n'enlevant pas plus de métal ; électrode sortie de 50 à 178 mm de la pince ; tension d'arc de 35 à 56 V, donc une tension à vide d'au moins 60 V ; angle d'environ 35° pour gouger, de 70 à 80° pour couper.

Exemple : électrode de 9,5 mm à 500 A, avance de 889 mm/min : w ≈ 12,7 mm et p ≈ 150 × 500/(12,7 × 889) ≈ 6,6 mm, à comparer aux 6,4 mm du tableau du fabricant. Le débit enlevé vaut 150 × 500 = 75 000 mm³/min, soit ≈ 35 kg/h. Au-delà d'une profondeur de 1,5 fois le diamètre de l'électrode, on gouge en plusieurs passes.

La surface obtenue

Une rigole bien faite est lisse et d'un bleu brillant. Une rigole gris-noir mat, avec de petites flaques ou perles sur les bords, garde du métal carburé : intensité trop faible, air insuffisant, avance irrégulière ou mauvais angle. Ce métal, qui peut contenir de l'ordre de 1 % de carbone, ne doit pas rester sous une soudure : on le meule. Et si l'acier demande un préchauffage pour être soudé, on le préchauffe aussi pour être gougé.

Le soudeur à l'électrode enrobée affronte cinq dangers, et chaque pièce de son équipement en arrête un :

• le courant électrique : la tension à vide du poste (cours 1) devient dangereuse dans un milieu humide, exigu ou conducteur, et quand la pince ou les câbles sont abîmés ;
• le rayonnement de l'arc : ultraviolets, infrarouges et lumière intense brûlent la peau et les yeux ; le « coup d'arc » aux yeux, une inflammation douloureuse de la cornée, frappe aussi les voisins non protégés ;
• les fumées : depuis 2017, le Centre international de recherche sur le cancer classe les fumées de soudage comme cancérogènes pour l'homme (groupe 1). Elles viennent à 95 % du produit d'apport : manganèse, chrome hexavalent des électrodes inox, nickel, fluorures des basiques ;
• le feu : projections, laitier et bouts d'électrodes brûlants enflamment ce qui traîne ; un récipient ayant contenu un produit inflammable peut exploser ;
• le bruit et les brûlures : le gougeage est très bruyant, le laitier saute aux yeux au piquage, les pièces restent brûlantes longtemps.

D'où l'armure : masque à filtre adapté à l'intensité, gants et veste en cuir ou ignifugés, guêtres, chaussures de sécurité, lunettes pour piquer et meuler, protection auditive pour le gougeage, et appareil de protection respiratoire quand le captage ne suffit pas. Mais l'armure vient en dernier : d'abord on supprime ou l'on capte le danger à la source.

Les fumées et leurs valeurs limites

La prévention suit un ordre : choisir un procédé et des produits moins émissifs, capter les fumées à la source (bras ou torche aspirante, table aspirante), ventiler l'atelier, et seulement ensuite protéger le soudeur par un appareil respiratoire (filtres P3). L'INRS rappelle les valeurs limites d'exposition professionnelle (VLEP, sur 8 h) des poussières sans effet spécifique : 4 mg/m³ pour la fraction inhalable et 0,9 mg/m³ pour la fraction alvéolaire depuis le 1^er juillet 2023. Certains constituants ont leurs propres limites, bien plus basses : 1 µg/m³ pour le chrome hexavalent en France, valeur contraignante depuis 2014 ; pour le manganèse, l'Union européenne retient 0,2 mg/m³ (fraction inhalable) et 0,05 mg/m³ (fraction alvéolaire).

Le courant et la lumière

Rappel du cours 1 : la tension à vide admise est de 113 V crête en courant continu ; en courant alternatif, 80 V efficaces en milieu normal, mais 48 V efficaces seulement dans un milieu à risque accru de choc électrique (humide, exigu, conducteur), où l'on préfère un poste à courant continu ou un réducteur de tension à vide. Pour les yeux, l'échelon du filtre croît avec l'intensité. À titre d'exemple, la réglementation américaine (OSHA) impose pour l'électrode enrobée au moins l'échelon 8 de 60 à 160 A, 10 de 160 à 250 A et 11 de 250 à 550 A, et en recommande 10, 12 et 14. En Europe, les filtres de soudage relèvent de l'EN ISO 16321-2 ; les anciens filtres portent encore le marquage de l'EN 169.

Cherche chaque question sur papier avant d'ouvrir la correction. Écris la limite littérale, puis sa valeur avec son plafond. Les manipulations 1 à 6 permettent de vérifier tes résultats ; le défi se rejoue dans les manipulations 2 et 3.