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1.1 INTRODUCTION
GENERALE
Le soudage
 Organisation mondiale
IIW
Comités
référentiel formation IWP
IWS
IWT
IWE
 Organisation française
AFS
Historique
 Pendant des millénaires , assemblage par forgeage
 Début 20°siécle: utilisation de l’électricité
 Soudage par résistance et arc
 1904: Brevet électrode enrobée (suédois Oskar Kjellberg)
 Même époque: flamme oxy-acétylènique
 Fin des années 30: nouveaux procèdés (AS)
 Même époque métier de soudeur (CAP…)
 Seconde guerre mondiale ( TIG)
 Debut années 50: MIG MAG
 1958 : soudage HDE FE
 Année 60-70 : évolutions des procedés
 Années 2000: Electronique de puissance
GENERALITES
l’opération de soudage
Les procèdes d’assemblages : soudage ; collage ; boulonnage
Le soudage a permis la rapidité
L’objectif du soudage : continuité physique, chimique, c’est à dire
avoir un matériau de même nature.
Homogénéité des propriétés mécaniques.
Soudage : opération d’assemblage
Soudure : résultat, cordon joint
Principe de réalisation du soudage
On parle de : la source de chaleur
: mode de protection du bain
( pour se prémunir des effets de l’air)
: présence ou non du métal d’apport
Le soudage homogène : pas de métal d’apport ou ne
fond que le métal de base ou bien le métal d’apport
est de composition voisine du métal de base
Le soudage hétérogène : le métal d’apport es
différent du métal de base
Rmq : si on ne protége pas le bain, il y a obligatoirement
fragilité du joint
Conséquences de l'opération de soudage.
Dilatation et retraits:
déformations et contraintes au niveau de la soudure
supérieure à la limite élastique
si faibles épaisseurs, déformations importantes
mais zone sous contrainte faible
si fortes épaisseurs, peu de déformations, mais
contraintes très importantes
TTAS
Modification de la structure métallurgique
Maintien physique du bain (préparation des bords)
Conclusion:
lors de l'opération de soudage, on cherche à ce que le
joint soudé et les bords présentent des
caractéristiques conformes à l'utilisation future de la
pièce. Ces caractéristiques sont généralement
données par le client sous forme de spécifications.
Ces spécifications ( cahier des charges) reposent sur
des codes de construction qui respectent eux même la
législation en vigueur ( là où l'appareil va être
implanté). En France aujourd'hui, ce code est le
CODAP
Enfin ce code impose des spécifications particulières
quant aux contrôles à effectuer sur les soudures (
Destructifs sur coupons témoins et Non Destructifs
END).
Terminologie
 ISO 857: procédes de soudage
 ISO 4063 : nomenclature des procédés
 ISO 2553: norme sur les dessins
 ISO15614-1 et 288 : QMOS et QS
Principaux procédés
 Soudage électrode enrobées: 111 SMAW
 Soudage fil fourré sans gaz: 114 FCAW
 Soudage arc submergé: 12 SAW
 Soudage MIG: 131 GMAW
 Soudage MAG 135 GMAW
 Soudage Mag fil fourré 136 GMAW
 Soudage TIG 141 GTAW
 Soudage plasma arc 15 PA
 Soudage Oxy-gaz 31
 Soudage résistance par point 21
Préparation des bords
Monopasse
ou
multi passes
La préparation des bords permet le logement du métal d’apport
et le soudage pleine pénétration
Aspect thermique de l'opération de soudage
Cycles thermiques
Loi de variation de la température en fonction du temps (en 1 point)
Pour la température, on utilise un thermocouple.
Relevé avec un thermocouple:
tr 800-500 : temps de
refroidissement entre 800
et 500 °
C
de maintien à θ
Supérieur à 900°
C
Temps
Intérêt: Ce relevé permet la prévision des structures dans le cas du soudage des
aciers non ou faiblement alliés
On caractérise le refroidissement du joint par le temps de refroidissement (TR) 800-
500 qui est pratiquement constant dans toute la ZAT. Il existe des abaques le
déterminant en fonction des conditions opératoires.
Courbe des températures maximales atteintes.
En coupe, on délimite ainsi la ZAT
Différentes zones
d’un joint soudé
ZF
5.Différentes zones d'un joint soudé:
Macrographie
Au centre la zone fondue qui contient du métal de base, et avec l'apport, les
métaux vont se mélanger.
ZAT (ou HAZ) zone affectée thermiquement : zone non fondue qui a subi des
transformations de structures, des transformations physico-chimiques,
etc…(modification de la nature , des propriétés mécaniques et de la grosseur des
grains.
ZF zone fondue ( mdb fondu + m.a structure basaltique)
Mdb non affecté
MdB
ZAT
Energie de soudage
Cette énergie va nous permettre d'avoir des critères pour déterminer la
structure que l'on va obtenir
On parle d'énergie spécifique de soudage Es ou d'énergie nominale En
Définition ( procédés arc électriques)
C'est l'énergie dépensée globalement au niveau de l'arc pour former 1mm de joint
en 1 passe.
On mesure l'énergie dépensée au niveau de l'arc, puis celle dépensée au niveau du
joint
Formule dans le cas du soudage à l'arc:
Q = U*I . 10-3
/Va
U en volt
I en ampère
Va en mm/s
Es en KJ/mm de joint
Ancienne formule : 60 UI/Va (Va en cm /mn)
Ordre de grandeur:
Electrode enrobée : 0,8 kJ/mm
Arc Submergé : 1,6 kJ/mm
Energie absorbée par la pièce:
L'énergie dépensée au niveau de l'arc n'est pas intégralement
transmise à la pièce. Dans tous les cas elle sert également à :
- La fusion du métal de base
- La fusion du métal d'apport s'il existe
- Maintenir l'ionisation de la colonne de plasma
- Fondre le flux ou l'enrobage
- Energie par rayonnement
- Etc
On a donc E absorbée = η
η
η
η Es η
η
η
η est le rendement thermique du
procédé.
Es Energie spécifique de soudage
Quelques valeurs:
AS EE MIG MAG TIG
1 0.8 0.8 0 ,6
Pas de
rayonnement
car arc sous le
flux
rayonnement Plus de
rayonnement et
ionisation du
gaz
Electrode
réfractaire qui
ne fond pas
donc 50% de
l'énergie à la
pièce et 50 % à
l'électrode.
Paramètres influençant la vitesse de refroidissement d'une pièce.
2 origines: Les pièces
Les conditions opératoires
a) les pièces
Nature : caractérisées par la diffusivité thermique a
a = conductibilité thermique (λ)/la chaleur massique (ρ*C)
Géométrie : masse de la pièce qui participe à l'évacuation thermique.
Caractérisée par l'épaisseur de la pièce (e) et par le type de joint.
Vr1 Vr2
Si a ↑ ⇒ Vr ↑ Si e ↑ ⇒ Vr ↑ Si masse ↑ ⇒ Vr
↑
Si η↑ ⇒ Vr ↓ Si Es ↑ ⇒ Vr ↓ Si θini ↑ ⇒ Vr ↓
S
S = ma
Notion de dilution.
Définition:
Dans la zone fondue, on mélange du métal de base et du métal d'apport s'il existe.
La dilution, représente la quantité de métal de base que l'on introduit dans la soudure
(zone fondue)
Dépôt en pleine tôle: d% = (S/S+s) *100 s quantité de métal d'apport
s S quantité de métal de base
AS: d = 60%
EE: d = 30 % (3 unités de métal de base dans 10 unités)
S = mdb
S
S= ma
S=mdb fondu
MIG/MAG d = 50 à 70 %
TIG d = 50 à 100%
Résistance : d = 100 %
Brasage : d = 0% car pas de fusion du métal de base.
Exemple d'application:
Recherche du %age d'un élément chimique dans la ZF connaissant ceux du mdb et
du ma
Soit un mdb à 0,5% de Cr
Un ma à 18% de Cr
Soudage à l'EE avec d = 30%
100 gr de ZF et 30 g de mdb donc le mdb améne (0.5/100)*30 = 0.15 g de Cr
le ma (18/100)*70 = 12,6 g de Cr
Dans 100 g de ZF, on a 12,75g de Cr d'où le % de Cr dans la ZF = 12,75
Principaux procédés
 EE
 AS
 MIG-MAG
 Fil fourré sans gaz
 TIG
 Plasma
 HDE
 résistance
Énergie : arc entre électrode fusible et
pièces à assembler
L’enrobage
fond avec l’âme et produit un
gaz protecteur (laitier)
Il favorise la stabilité de l’arc
Procédé manuel:
Applications
Chantier
Bricolage
structures de sécurité
Acier, Inox
épaisseur  1,5 mm
Electrode enrobée
Arc submergé
Arc électrique entre un ou plusieurs
électrodes fil fusible et les pièces à
assembler
Fusion et volatilisation du flux en poudre
déversé en excès (et récupéré en partie)
Applications:
Soudage horizontal des tôles épaisses
Soudage et rechargement des aciers
Utilisé en automatique
Épaisseur supérieures à 5 mm
Fils ou feuillard
Chaudronnerie, pont, PRS,
construction navale, reservoir, etc…
Source de chaleur: Arc entre
électrode fil fusible dévidé
automatiquement et pièces à
assembler
Protection : Gaz inerte ou
réducteur
Métal d’apport: fil fusible
Applications
Procédés le plus répandu
Serrurerie, métallerie,
mécano-soudure, moyenne et
grosse chaudronnerie
industrie, transport, électrique,
..etc.
Aciers, inox, alliages légers,
cuivreux, etc..
Facilement automatisable.
De 0,5 mm pour l’acier et 2 mm
pour l’alu à très fortes épaisseurs
en multipasses.
Pas de laitier à enlever
Attention industries de qualité
(collage)
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épaisseurs en multipasses.
Pas de laitier à enlever
Attention industries de qualité (collage)
Fil fourré sans Gaz
Protection solide dans le fil (équivalent
enrobage EE)
Soudage en extérieur
Accessibilité
Laitier à enlever
Maîtrise du geste
TIG : Tungsten Inert Gaz
Soudage sous gaz inerte avec électrode réfractaire
Arc entre électrode en tungsténe non fusible et les pièces à
assembler
Gaz inerte (Ar, Ar + He, Ar +He + H2)
Métal d’apport: amené séparement
Applications:
Soudage haute qualité
aéronautique, alimentaire, chimique, pétro-
chimique, etc
Aciers, inox, alu, cuivre, titane, à partir de 0,5
mm
Manuel ou automatique
Attention courants d’air
Soudage plasma
Arc plasma
Arc
TIGTIG
2 gaz : plasmagène et protection
Arc plus puissant et plus rigide
Key hole
Vitesses de soudage importantes
ZAT réduites
Inox, métaux nobles
Procédés Haute densité d’énergie
Laser
Faisceau d’électrons
Très forte énergie (plusieurs kW)
Faible taille tache focale
Forte pénétration
Déformations très faibles
Soudage par résistance
Par points
W=RI2t
R : résistance entre les tôles
I : courant en kA
t : en périodes
Recouvrement tôles
minces
Aciers, alus, Nickel, etc..
Automatisation
Automobile, ferroviaire,
eléctromenager,
mobilier, etc..

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  • 2. Le soudage Organisation mondiale IIW Comités référentiel formation IWP IWS IWT IWE Organisation française AFS
  • 3. Historique Pendant des millénaires , assemblage par forgeage Début 20°siécle: utilisation de l’électricité Soudage par résistance et arc 1904: Brevet électrode enrobée (suédois Oskar Kjellberg) Même époque: flamme oxy-acétylènique Fin des années 30: nouveaux procèdés (AS) Même époque métier de soudeur (CAP…) Seconde guerre mondiale ( TIG) Debut années 50: MIG MAG 1958 : soudage HDE FE Année 60-70 : évolutions des procedés Années 2000: Electronique de puissance
  • 4. GENERALITES l’opération de soudage Les procèdes d’assemblages : soudage ; collage ; boulonnage Le soudage a permis la rapidité L’objectif du soudage : continuité physique, chimique, c’est à dire avoir un matériau de même nature. Homogénéité des propriétés mécaniques. Soudage : opération d’assemblage Soudure : résultat, cordon joint
  • 5. Principe de réalisation du soudage On parle de : la source de chaleur : mode de protection du bain ( pour se prémunir des effets de l’air) : présence ou non du métal d’apport Le soudage homogène : pas de métal d’apport ou ne fond que le métal de base ou bien le métal d’apport est de composition voisine du métal de base Le soudage hétérogène : le métal d’apport es différent du métal de base Rmq : si on ne protége pas le bain, il y a obligatoirement fragilité du joint
  • 6. Conséquences de l'opération de soudage. Dilatation et retraits: déformations et contraintes au niveau de la soudure supérieure à la limite élastique si faibles épaisseurs, déformations importantes mais zone sous contrainte faible si fortes épaisseurs, peu de déformations, mais contraintes très importantes TTAS Modification de la structure métallurgique Maintien physique du bain (préparation des bords)
  • 7. Conclusion: lors de l'opération de soudage, on cherche à ce que le joint soudé et les bords présentent des caractéristiques conformes à l'utilisation future de la pièce. Ces caractéristiques sont généralement données par le client sous forme de spécifications. Ces spécifications ( cahier des charges) reposent sur des codes de construction qui respectent eux même la législation en vigueur ( là où l'appareil va être implanté). En France aujourd'hui, ce code est le CODAP Enfin ce code impose des spécifications particulières quant aux contrôles à effectuer sur les soudures ( Destructifs sur coupons témoins et Non Destructifs END).
  • 8. Terminologie ISO 857: procédes de soudage ISO 4063 : nomenclature des procédés ISO 2553: norme sur les dessins ISO15614-1 et 288 : QMOS et QS
  • 9. Principaux procédés Soudage électrode enrobées: 111 SMAW Soudage fil fourré sans gaz: 114 FCAW Soudage arc submergé: 12 SAW Soudage MIG: 131 GMAW Soudage MAG 135 GMAW Soudage Mag fil fourré 136 GMAW Soudage TIG 141 GTAW Soudage plasma arc 15 PA Soudage Oxy-gaz 31 Soudage résistance par point 21
  • 10.
  • 11. Préparation des bords Monopasse ou multi passes La préparation des bords permet le logement du métal d’apport et le soudage pleine pénétration
  • 12. Aspect thermique de l'opération de soudage Cycles thermiques Loi de variation de la température en fonction du temps (en 1 point) Pour la température, on utilise un thermocouple. Relevé avec un thermocouple:
  • 13. tr 800-500 : temps de refroidissement entre 800 et 500 ° C de maintien à θ Supérieur à 900° C Temps Intérêt: Ce relevé permet la prévision des structures dans le cas du soudage des aciers non ou faiblement alliés On caractérise le refroidissement du joint par le temps de refroidissement (TR) 800- 500 qui est pratiquement constant dans toute la ZAT. Il existe des abaques le déterminant en fonction des conditions opératoires.
  • 14. Courbe des températures maximales atteintes. En coupe, on délimite ainsi la ZAT
  • 16. ZF 5.Différentes zones d'un joint soudé: Macrographie Au centre la zone fondue qui contient du métal de base, et avec l'apport, les métaux vont se mélanger. ZAT (ou HAZ) zone affectée thermiquement : zone non fondue qui a subi des transformations de structures, des transformations physico-chimiques, etc…(modification de la nature , des propriétés mécaniques et de la grosseur des grains. ZF zone fondue ( mdb fondu + m.a structure basaltique) Mdb non affecté MdB ZAT
  • 17. Energie de soudage Cette énergie va nous permettre d'avoir des critères pour déterminer la structure que l'on va obtenir On parle d'énergie spécifique de soudage Es ou d'énergie nominale En Définition ( procédés arc électriques) C'est l'énergie dépensée globalement au niveau de l'arc pour former 1mm de joint en 1 passe. On mesure l'énergie dépensée au niveau de l'arc, puis celle dépensée au niveau du joint Formule dans le cas du soudage à l'arc: Q = U*I . 10-3 /Va U en volt I en ampère Va en mm/s Es en KJ/mm de joint Ancienne formule : 60 UI/Va (Va en cm /mn) Ordre de grandeur: Electrode enrobée : 0,8 kJ/mm Arc Submergé : 1,6 kJ/mm
  • 18. Energie absorbée par la pièce: L'énergie dépensée au niveau de l'arc n'est pas intégralement transmise à la pièce. Dans tous les cas elle sert également à : - La fusion du métal de base - La fusion du métal d'apport s'il existe - Maintenir l'ionisation de la colonne de plasma - Fondre le flux ou l'enrobage - Energie par rayonnement - Etc On a donc E absorbée = η η η η Es η η η η est le rendement thermique du procédé. Es Energie spécifique de soudage Quelques valeurs: AS EE MIG MAG TIG 1 0.8 0.8 0 ,6 Pas de rayonnement car arc sous le flux rayonnement Plus de rayonnement et ionisation du gaz Electrode réfractaire qui ne fond pas donc 50% de l'énergie à la pièce et 50 % à l'électrode.
  • 19. Paramètres influençant la vitesse de refroidissement d'une pièce. 2 origines: Les pièces Les conditions opératoires a) les pièces Nature : caractérisées par la diffusivité thermique a a = conductibilité thermique (λ)/la chaleur massique (ρ*C) Géométrie : masse de la pièce qui participe à l'évacuation thermique. Caractérisée par l'épaisseur de la pièce (e) et par le type de joint. Vr1 Vr2 Si a ↑ ⇒ Vr ↑ Si e ↑ ⇒ Vr ↑ Si masse ↑ ⇒ Vr ↑ Si η↑ ⇒ Vr ↓ Si Es ↑ ⇒ Vr ↓ Si θini ↑ ⇒ Vr ↓
  • 20. S S = ma Notion de dilution. Définition: Dans la zone fondue, on mélange du métal de base et du métal d'apport s'il existe. La dilution, représente la quantité de métal de base que l'on introduit dans la soudure (zone fondue) Dépôt en pleine tôle: d% = (S/S+s) *100 s quantité de métal d'apport s S quantité de métal de base AS: d = 60% EE: d = 30 % (3 unités de métal de base dans 10 unités) S = mdb S S= ma S=mdb fondu
  • 21. MIG/MAG d = 50 à 70 % TIG d = 50 à 100% Résistance : d = 100 % Brasage : d = 0% car pas de fusion du métal de base. Exemple d'application: Recherche du %age d'un élément chimique dans la ZF connaissant ceux du mdb et du ma Soit un mdb à 0,5% de Cr Un ma à 18% de Cr Soudage à l'EE avec d = 30% 100 gr de ZF et 30 g de mdb donc le mdb améne (0.5/100)*30 = 0.15 g de Cr le ma (18/100)*70 = 12,6 g de Cr Dans 100 g de ZF, on a 12,75g de Cr d'où le % de Cr dans la ZF = 12,75
  • 22.
  • 23.
  • 24. Principaux procédés EE AS MIG-MAG Fil fourré sans gaz TIG Plasma HDE résistance
  • 25. Énergie : arc entre électrode fusible et pièces à assembler L’enrobage fond avec l’âme et produit un gaz protecteur (laitier) Il favorise la stabilité de l’arc Procédé manuel: Applications Chantier Bricolage structures de sécurité Acier, Inox épaisseur 1,5 mm Electrode enrobée
  • 26. Arc submergé Arc électrique entre un ou plusieurs électrodes fil fusible et les pièces à assembler Fusion et volatilisation du flux en poudre déversé en excès (et récupéré en partie)
  • 27. Applications: Soudage horizontal des tôles épaisses Soudage et rechargement des aciers Utilisé en automatique Épaisseur supérieures à 5 mm Fils ou feuillard Chaudronnerie, pont, PRS, construction navale, reservoir, etc…
  • 28. Source de chaleur: Arc entre électrode fil fusible dévidé automatiquement et pièces à assembler Protection : Gaz inerte ou réducteur Métal d’apport: fil fusible Applications Procédés le plus répandu Serrurerie, métallerie, mécano-soudure, moyenne et grosse chaudronnerie industrie, transport, électrique, ..etc. Aciers, inox, alliages légers, cuivreux, etc.. Facilement automatisable. De 0,5 mm pour l’acier et 2 mm pour l’alu à très fortes épaisseurs en multipasses. Pas de laitier à enlever Attention industries de qualité (collage)
  • 29. Applications Procédés le plus répandu Serrurerie, métallerie, mécano-soudure, moyenne et grosse chaudronnerie industrie, transport, électrique, ..etc. Aciers, inox, alliages légers, cuivreux, etc.. Facilement automatisable. De 0,5 mm pour l’acier et 2 mm pour l’alu à très fortes épaisseurs en multipasses. Pas de laitier à enlever Attention industries de qualité (collage)
  • 30. Fil fourré sans Gaz Protection solide dans le fil (équivalent enrobage EE) Soudage en extérieur Accessibilité Laitier à enlever Maîtrise du geste
  • 31. TIG : Tungsten Inert Gaz Soudage sous gaz inerte avec électrode réfractaire Arc entre électrode en tungsténe non fusible et les pièces à assembler Gaz inerte (Ar, Ar + He, Ar +He + H2) Métal d’apport: amené séparement
  • 32. Applications: Soudage haute qualité aéronautique, alimentaire, chimique, pétro- chimique, etc Aciers, inox, alu, cuivre, titane, à partir de 0,5 mm Manuel ou automatique Attention courants d’air
  • 33. Soudage plasma Arc plasma Arc TIGTIG 2 gaz : plasmagène et protection Arc plus puissant et plus rigide Key hole Vitesses de soudage importantes ZAT réduites Inox, métaux nobles
  • 34. Procédés Haute densité d’énergie Laser Faisceau d’électrons Très forte énergie (plusieurs kW) Faible taille tache focale Forte pénétration Déformations très faibles
  • 35. Soudage par résistance Par points W=RI2t R : résistance entre les tôles I : courant en kA t : en périodes Recouvrement tôles minces Aciers, alus, Nickel, etc.. Automatisation Automobile, ferroviaire, eléctromenager, mobilier, etc..