Chapitre 4 Soudage à l arc sous gaz avec électrode de tungstène

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1 Chapitre 4 Soudage à l arc sous gaz avec électrode de tungstène Objectifs pédagogiques Après l étude de ce chapitre, vous pourrez : Différencier les effets des polarités CCDP, CCPI et c.a. sur le nettoyage des surfaces, la durée de vie de l électrode et les caractéristiques de soudage. Sélectionner la source de courant, polarité, gaz de protection, débit du gaz, type et diamètre de l électrode de tungstène, grosseur de la buse et métal d apport requis pour effectuer une opération de soudage GTAW. Ajuster les paramètres de soudage afin de produire un cordon de soudure GTAW acceptable. Préparer une électrode de tungstène en vue du soudage en courant alternatif (c.a.) ou continu (c.c.). Préparer les métaux à souder et effectuer le soudage sur tous les types de joints dans toutes les positions. Identifier les dangers potentiels pouvant survenir dans un environnement de soudage GTAW et décrire les moyens d éviter ces dangers. Réussir un test portant sur la sécurité lors du soudage avec le procédé GTAW. Pour plus de concision, nous avons retenu les termes suivants : SMAW : soudage à l arc avec électrode enrobée GTAW : soudage à l arc avec électrode de tungstène (TIG) GMAW : soudage à l arc sous gaz avec fil plein (MIG/MAG) FCAW : soudage à l arc avec fil fourré Le soudage avec électrode réfractaire sous protection gazeuse (GTAW ou TIG) est un procédé utilisé pour produire des soudures de qualité avec pratiquement tous les métaux soudables (figure 4-1). Le soudage peut être effectué manuellement, semi-automatiquement ou automatiquement. Le procédé utilise une électrode de tungstène qui ne fond pas lors du soudage, donc qui ne sera pas intégrée au bain de fusion. Le procédé de soudage GTAW peut être effectué dans toutes les positions de soudage et dans plusieurs applications, dont le soudage des tubes et des Figure 4-1. Liste des métaux selon leur soudabilité. tuyaux de faible épaisseur. Il est aussi fréquemment utilisé pour effectuer le premier cordon de soudure à la racine des tubes épais dans l industrie pétrolière, chimique ou de production d énergie. Un métal d apport peut être ajouté ou non au bain de fusion selon les besoins. Les joints de soudure sur chant, les joints à recouvrement et les joints d angle extérieur peuvent être soudés sans métal d apport avec le procédé GTAW. Les gaz inertes servent à protéger l électrode et le bain de fusion de la contamination par l oxygène ambiant. Le soudeur doit manipuler la torche de soudage GTAW de façon à contrôler la longueur d arc et la largeur du bain de fusion. Il doit aussi ajouter soigneusement le métal d apport au moment opportun lors de l exécution d un cordon de soudure. Le résultat donne une soudure de très haute qualité. Le soudage GTAW manuel exige du soudeur une habileté plus grande que pour tout autre procédé de soudage manuel. 85

2 86 Procédés de soudage à l arc 4.1 Principes du soudage à l arc sous gaz avec électrode de tungstène Le soudage sous gaz avec électrode de tungstène requiert l usage d une source à courant constant, un gaz ou un mélange de gaz inerte, un équipement de distribution du gaz, une torche et, au besoin, un métal d apport. On peut utiliser le courant continu (c.c.) ou le courant alternatif (c.a.). Les deux polarités du c.c., la polarité directe (CCPD) et la polarité inverse (CCPI), peuvent également être utilisées. Lors du soudage GTAW en polarité directe (CCPD), aussi connu sous l appellation courant continu en polarité normale (CCPN), environ 70 % de la chaleur générée se retrouve sur la pièce à souder, alors que 30 % de la chaleur demeure sur l électrode. En CCPI, pour courant continu en polarité inversée, approximativement 70 % de la chaleur produite se retrouve sur l électrode, tandis que 30 % de celle-ci atteint la pièce à souder. La figure 4-2 montre la circulation des électrons, la distribution de la chaleur et le profil de pénétration obtenus avec les polarités CCPD, CCPI et en c.a. La polarité directe (CCPD) produit la meilleure pénétration, tandis que la polarité inverse CCPI produit une pénétration plus réduite mais offre une meilleure action de nettoyage. Lorsque la polarité inverse (CCPI) est utilisée en soudage GTAW, il faut utiliser un diamètre d électrode plus grand qu en soudage en polarité directe (CCPD). La capacité de transport de courant d une électrode en polarité inversée est d environ 1/10 de sa capacité possible en polarité normale. Le métal d apport peut être ajouté au bain de fusion de façon manuelle ou automatique. Lors du soudage GTAW manuel avec addition de métal d apport, la baguette de métal est tenue dans une main et la torche dans l autre. L extrémité de la baguette d apport doit être constamment tenue à proximité de l arc pour deux raisons : Pour préchauffer le métal d apport. Pour garder l extrémité de la baguette sous la protection gazeuse de la torche. Un dévidoir automatique s avère parfois utile lors du soudage GTAW manuel. Cette technique est alors appelée soudage GTAW semi-automatique, à cause de la combinaison du procédé manuel et du procédé automatique. Le métal d apport utilisé pour le soudage semiautomatique et automatique vient sous forme de bobine. Le métal est dévidé dans le bain de fusion, comme l illustre la figure 4-3. Les métaux d une épaisseur inférieure à 0,5 mm peuvent être soudés sans ajouter de métal d apport, selon la configuration du joint. Citons les exemples des soudures sur chant, joints d angles extérieurs, joints bout à bout et à recouvrement. Le courant continu, polarité directe (CCPD) permet de souder les aciers au carbone et les aciers alliés, l acier inoxydable, le nickel, les alliages de nickel, le titane, le cuivre et les alliages de cuivre. La figure 4-2 montre que les électrons circulent de l électrode négative vers la pièce à souder. Figure 4-2. Distribution approximative de la chaleur lors du soudage GTAW selon les polarités CCPD, CCPI et c.a. Notez qu'une électrode de plus grand diamètre est requise pour le soudage en CCPI et que la profondeur de pénétration est supérieure avec la polarité CCPD.

3 Chapitre 4 Soudage à l arc sous gaz avec électrode de tungstène 87 Figure 4-3. Soudage GTAW automatique. Le guide dirige le métal d apport vers le bain de fusion selon la position désirée et à la vitesse préétablie. La polarité CCPD produit des soudures avec une grande pénétration. Le c.a. ou le c.c., polarité inverse, sert lorsque l on doit percer la couche d oxyde qui se retrouve à la surface de certains métaux. Cette couche d oxyde se retrouve sur l aluminium, le magnésium et sur certains autres métaux non ferreux. Cet oxyde permet une température de fusion supérieure à celle du métal de base. Pour cette raison, il est difficile d atteindre le métal de base si la couche d oxyde n est pas enlevée. Les électrons circulent de la pièce à souder vers l électrode en polarité CCPI et durant la moitié du cycle c.a. Des ions positifs du gaz de protection circulent de la sortie de la buse vers la pièce chargée négativement (figure 4-2). Ces ions du gaz de protection frappent la pièce assez fort pour briser la couche d oxyde qui la recouvre. La polarité CCPI et le c.a. sont tous deux efficaces pour briser l oxyde de la surface des pièces d aluminium et de magnésium (figure 4-4). Le c.a. procure une meilleure pénétration que la polarité CCPI, puisque l électrode est négative pendant la moitié du cycle c.a., ce qui contribue à assurer une bonne pénétration. Le c.a. est également avantageux lors du soudage avec des électrodes de petit diamètre pour une même intensité de courant, car la chaleur est alors distribuée également entre l électrode et la pièce. Une électrode de diamètre plus grand est requise lorsqu on utilise la polarité CCPI, à cause de la grande quantité de chaleur qui se retrouve au bout de celle-ci (figure 4-2). La polarité CCPI sert rarement en industrie en raison de son potentiel de pénétration plutôt faible. Rappelons que la polarité CCEN contribue à produire une meilleure pénétration et que la polarité CCPI offre un meilleur effet de nettoyage des surfaces. Lors du soudage en c.c., on peut contrôler électroniquement le courant afin d'obtenir un courant plus faible sur de courtes périodes et ainsi permettre au métal de refroidir. L intensité du courant reprend peu après son niveau initial. À la figure 4-5, le courant le plus élevé correspond au courant de pointe et le courant le plus faible représente le courant de base. Cette variation de courant contrôlée est appréciée par les soudeurs lorsqu ils soudent en position autre qu à plat. En soudage à l arc avec électrode enrobée, un léger mouvement de fouettement de l électrode favorise une Figure 4-4. Exemples de la façon dont l oxyde de surface est brisé lors de l utilisation de la polarité CCPI ou du c.a. Les lourds ions gazeux qui frappent la surface produisent une brisure à proximité du bain de fusion. Par contre, en soudage avec la polarité CCPD, les ions gazeux voyagent de la pièce vers l électrode, ce qui n affecte pas la surface oxydée. La couche d oxyde de surface n est pas altérée lors du soudage en polarité CCPD.

4 88 Procédés de soudage à l arc Figure 4-5. Variation de l intensité de courant dans une séquence de courant de soudage GTAW pulsé. période de refroidissement. En soudage GTAW pulsé, le soudeur n a pas besoin de bouger la torche pour obtenir une période de refroidissement. Lors du soudage en c.a., le sens du courant change, l électrode passant d une polarité inverse à directe à chaque cycle. Une forme d onde c.a. normale est dite sinusoïdale (figure 4-6 A). On peut contrôler le c.a. électroniquement pour obtenir un courant et une polarité désirée Figure 4-7. Deux vues d un cordon de soudure GTAW pulsé. Une série de points de soudure superposés produisent le cordon. Figure 4-6. Graphiques du courant alternatif. A Onde sinusoïdale régulière avec une période de temps égale de chaque côté de la position 0. B Onde sinusoïdale non équilibrée affichant une faible amplitude de la courbe en polarité inverse (électrode positive) pour le nettoyage de la surface et une haute amplitude en polarité directe (électrode négative) pour favoriser la pénétration. C Onde carrée avec une période plus courte en polarité inverse qu en polarité directe. sur une période plus longue ou plus courte qu avec une onde sinusoïdale normale (figures 4-6 B et C). Cette souplesse dans l ajustement de la courbe permet au soudeur d en adapter les paramètres selon les besoins. La variation de la forme d onde peut permettre, par exemple, de nettoyer une surface particulièrement oxydée ou de diminuer le courant sur de courtes périodes pour favoriser le soudage en position difficile. Quelques sources de courant GTAW et GMAW permettent de stopper et de redémarrer la circulation du courant à répétition sur une période de temps définie. Cette caractéristique est connue sous le nom de courant pulsé. La période de temps comprise entre les pulsations se mesure en fractions de seconde. Lorsque le temps entre les pulsations est suffisamment long, un cordon de soudure peut être formé par superposition de points de soudure. Chaque point de soudure vient recouvrir une partie du point précédent, comme le montre la figure 4-7. Les propriétés physiques et l apparence du cordon obtenu sont excellentes même si l énergie thermique apportée au métal de base est réduite. L option avantageuse du soudage pulsé ne se retrouve pas sur toutes les sources de courant pour GTAW. Certaines sources permettent d utiliser un courant croissant ou décroissant. Le courant croissant sert lors de l amorçage de l arc. L intensité du courant passe progressivement de zéro jusqu au courant de soudage préétabli. Le courant décroissant permet la réduction progressive du courant à la fin du cordon de soudure. Cette caractéristique permet

5 Chapitre 4 pente croissante Soudage à l arc sous gaz avec électrode de tungstène pente décroissante Courant de soudage courant pulsé courant de pointe de l impulsion courant de fond Temps Figure 4-8. Courbe de courant croissante, suivie d une courbe à courant pulsé et d une courbe de courant décroissante. Ces courbes sont souvent utilisées pour le soudage sur tubes. de remplir le cratère formé par le bain de fusion tout en le laissant refroidir progressivement. La figure 4-8 illustre un schéma de courant croissant, de courant décroissant et d un courant pulsé. Le courant pulsé donne d excellents résultats lors du soudage de joints mal ajustés et lors du soudage de pièces d épaisseurs différentes. Par contre, en soudage GTAW comme avec tous les procédés, on obtient toujours de meilleurs résultats avec des assemblages bien ajustés comprenant des pièces de même épaisseur. En soudage GTAW automatique, l opérateur doit ajuster la source de courant de façon à obtenir la tension d arc et le courant désiré. Il doit également ajuster la vitesse de dévidage du métal d apport et la vitesse d avance de la torche. 89 moment où le gaz doit circuler. Pour assurer une protection constante du bain de fusion et de l électrode, une légère circulation du gaz débute avant l amorçage de l arc. Cette caractéristique est connue sous le nom de preflow. Le gaz s échappe pendant tout le temps de soudage et continue généralement quelques temps après l extinction de l arc, afin de protéger le bain de fusion et l électrode pendant leur refroidissement. La période durant laquelle le gaz continue de circuler après l arrêt du soudage s appelle le postflow. La plupart des modèles de sources de courant pour le soudage GTAW contiennent un générateur à haute fréquence. La haute fréquence aide à réinitialiser l arc pendant la période du cycle où l électrode est positive. Les nouvelles sources de courant à ondes carrées ne requièrent pas de haute fréquence, car le courant à ondes carrées fournit suffisamment de courant et de tension pour maintenir l arc pendant les périodes où l électrode est positive. Même si l option de haute fréquence est inutile pour le soudage avec courant à ondes carrées, elle est quand même comprise dans l équipement. La haute fréquence peut servir pour faciliter l amorçage de l arc lors diagramme de connexions sur le couvercle prises c.a. câble de télécommande sortie du gaz entrée du gaz contrôle de la haute fréquence connexions pour câble de masse A connexion pour câble de l électrode 4.2 Sources de courant pour soudage GTAW Les sources de courant pour soudage GTAW doivent fournir un courant constant. Les modèles les plus connus sont les transformateurs redresseurs qui produisent du c.a. et du c.c. Ces machines sont souvent imposantes et lourdes. Les sources de courant qui utilisent une technologie d onduleur fournissent également un courant constant. Les onduleurs sont plus petits et plus légers que la plupart des sources de courant de type transformateur. L avantage des sources de type onduleur est qu elles permettent le soudage avec de multiples procédés. Les transformateurs utilisés pour le soudage GTAW sont conçus pour contrôler l intensité de courant fourni vers la torche. Habituellement, un bouton sur le panneau de contrôle sert à régler soit le courant utilisé, soit le courant maximal disponible. Les machines pour le soudage GTAW ne contrôlent pas le débit de gaz de protection, mais seulement le B Figure 4-9. Connexions des câbles et des tuyaux sous le panneau au bas de la machine. A Avant les connexions. B Une fois les connexions effectuées.

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