Prévention des risques liés aux fumées de soudage. Foire Internationale de Metz 02 Octobre 2015

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1 Prévention des risques liés aux fumées de soudage Foire Internationale de Metz 02 Octobre 2015

2 Réduction des fumées de soudage à la source Fabrice Scandella, Institut de Soudure et Laurent Jubin, CETIM Réunion d information «Fumées de soudage» Foire Internationale de Metz, 02/10/2015

3 Sommaire 1 Introduction 1.1 A quels procédés de soudage s intéresse t-on? 1.2 Pourquoi réduire le taux d émission de fumées à la source? 1.3 Les procédés de soudage à l arc électrique et les produits d apport 1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l arc électrique 1.5 Quelques précisions importantes concernant le procédé MIG-MAG 2 Synthèse de résultats d études CIS-FIM 2.1 Influence de l état de surface des pièces 2.2 Influence des revêtements des pièces 2.3 Influence de la composition du gaz de protection 2.4 Influence de la composition du produit d apport 2.5 Cas du Cr IV - facteurs principaux 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG 4. Les points essentiels à retenir 5. Remerciements 2

4 1.1 A quels procédés de soudage s intéresse t-on? Les procédés de soudage sont très nombreux (il y en a des dizaines), avec : - Des procédés de soudage à l état solide qui ne génèrent pas de fumées - Des procédés entièrement automatisés ou robotisés qui évitent d exposer les travailleurs aux fumées mais surtout des procédés de soudage par fusion qui génèrent des fumées et que l on ne peut automatiser ou robotiser car les applications industrielles ne s y prêtent pas. On s intéresse donc ici aux procédés de soudage à l électrode enrobée, MIG-MAG et TIG en version manuelle. Exemple de procédé de soudage à l état solide et robotisé : le soudage par friction-malaxage (FSW) : aucune exposition aux fumées de soudage, mais très peu adapté pour souder de l acier 3

5 1.2 Pourquoi réduire le taux d émission de fumées à la source? Quantité de poussière dans le masque d un soudeur par heure de soudage MAG (mg/h) : 1 0,43 0,005 Sans aspiration Avec aspiration sur bras articulé Avec torche aspirante Quantité de poussières divisée par : 2,5 200 Réduire le taux d émission à la source est un moyen bien plus efficace pour protéger à la fois les soudeurs et les autres personnes présentes dans un atelier. G. Mertuk et al., Comparaison de l efficacité de différents systèmes visant à réduire la quantité de fumée présente dans le masque du soudeur, RT CETIM 1G2870 / IS 37701, 2003 (non publié) 4

6 1.3 Les procédés de soudage à l arc électrique et les produits d apport En soudage manuel, les trois principaux procédés de soudage à l arc électrique sont : Nom du procédé Electrode enrobée MIG-MAG TIG Numéro ,135,136,137,(114) 141 Electrode Fusible Fusible Non fusible Produit d apport Electrode enrobée Fil-électrode continu Sans ou avec baguette Protection du bain Laitier Gaz ou laitier Gaz Nom commun «Baguette», «Arc» «Semi», «Semi-auto» TIG 5

7 1.3 Les procédés de soudage à l arc électrique et les produits d apport Les produits d apport associés sont : Electrode enrobée En soudage à l arc à l électrode enrobée En soudage MIG-MAG En soudage TIG Enrobage Fil massif Fil fourré 1. Electrode enrobée (massive) avec enrobage 1.1 Rutile 1.2 Basique 1.3 Rutilo-basique 1.4 Cellulosique 1. Fil massif 2. Fil fourré avec fourrage 2.1 Rutile 2.2 Basique 2.3 Rutilo-basique 2.4 Métallique 1. Baguette (massive) 2. Fil massif Fourrage 6

8 1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l arc électrique Soudage à l électrode enrobée : procédé n 111 Avantages Procédé fiable et robuste Soudage en toutes positions Large gamme de produits d apport (électrode synthétique) Procédé incontournable pour des travaux sur site Procédé ancien mais qualifié même pour des applications critiques (ex. nucléaire, pétrochimie) Limites Productivité limitée (0,5 à 4 kg/h 30 cm/min) Non automatisable La qualité métallurgique est fonction du type d enrobage choisi (fissuration, ténacité) Chantier de pose de tuyauteries : soudage en toutes positions 7

9 1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l arc électrique Soudage MIG-MAG avec fil massif : 131, 135 Avantages Productivité élevée (2 à 8 kg/h 50 cm/min) Automatisation et robotisation possibles Très polyvalent (utilisable pour une large gamme de matériaux : acier, aluminium, base Ni, Co, Cu ) Produit d apport peu onéreux Limites Risque de manque de fusion Souvent interdit ou soumis à des dérogations strictes sur des appareils de haute sécurité Gamme de produits d apport limitée aux composition pouvant être tréfilées Soudage en toutes positions très difficile 8

10 1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l arc électrique Soudage MIG-MAG avec fil fourré : 136, 137, (114) Avantages Productivité élevée, parfois bien supérieure à celle des fils massifs (4 à 10 kg/h 50 cm/min) Automatisation et robotisation possibles Adapté au soudage en toutes positions (avec certains types de fourrages) Très large gamme de produits d apport Incontournable en rechargement dur Limites Risque de manques de fusion - Utilisation souvent soumise à dérogation par certains donneurs d ordre Produits contenant des flux hygroscopiques : quelques limites d utilisation Produits d apport relativement onéreux Exemple d application de rechargement dur : cylindres pour l industrie cimentière. Document Welding Alloys Ltd 9

11 1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l arc électrique Soudage TIG : 141 Avantages Qualité des soudures Arc électrique et produit d apport dissociés : grande souplesse, adapté aux travaux délicats Automatisation et robotisation possibles Procédé qualifié pour des applications critiques (ex. nucléaire, aéronautique) Limites Productivité très faible (0,5 à 2 kg/h 15 cm/min) Déformations importantes des pièces soudées Photographie montrant l aspect typique de soudures TIG. 10

12 1.5 Quelques précisions importantes concernant le procédé MIG-MAG Plusieurs modes de transfert sont possibles en soudage MIG- MAG avec fil massif. Ils dépendent notamment du réglage de la tension d arc et de l intensité. Le choix du mode de transfert se fait souvent en fonction de l épaisseur des pièces à souder ou de la position de soudage. Avec les générateurs modernes (onduleurs), de multiples modes de transfert spécifiques sont maintenant disponibles. Attention : en soudage MIG-MAG, de nombreux paramètres ou variables vont affecter le taux d émission de fumées! 11

13 2.1 Influence de l état de surface des pièces Les pièces en acier laminées ou étirées à froid sont souvent revêtues d une fine couche d huile pour les protéger de la corrosion. Des procédés de mise en forme avant soudage peuvent également huiler la surface des pièces. La propreté des pièces a une influence significative sur le taux d émission de fumées : Paramètres de soudage : - Tôles en acier C-Mn - Fil G3Si1 de diamètre 1,0 mm - I = 160 A, U = 24 V - Gaz de protection : 100% CO 2 Tôle nue : 15 à 17 mg/g MD(*) Tôle huilée : 20 à 23 mg/g MD(*) Pour limiter la quantité de poussières, il est toujours préférable de souder des pièces dégraissées, mais cela représente un surcoût. (*) Note : MD = métal déposé G. Mertuk et al., Evaluation de l influence des huiles évanescentes sur la soudabilité MAG Influence sur le volume et la toxicité des poussières émises, RT CETIM 1J4120 / IS 39973, 2003 (non publié) 12

14 2.2 Influence des revêtements des pièces Les pièces en acier possèdent souvent des revêtements anticorrosion qui sont localement dégradés lors de l opération de soudage. On distingue 3 types de revêtements : métalliques par dépôt électrolytique (par exemple l électrozinguage) métalliques par trempage à chaud (par exemple par galvanisation) organiques (par exemple de la peinture) Si l on soude des pièces revêtues sans enlever le revêtement aux abord du plan de joint : Le débit d émission de fumées va typiquement augmenter de 10 à 60% L épaisseur du revêtement sera le paramètre clé visà-vis du débit d émission Dans le cas des revêtement (épais) contenant du zinc, cet élément peut devenir prépondérant en termes de VLE, devant le manganèse Pour limiter la quantité de poussières, il faudrait idéalement enlever le revêtement aux abord des zones soudées mais cela représente un surcoût considérable... Acier galvanisé : la couche de zinc est dégradée par l opération de soudage. S. Debiez, Point sur l utilisation des peintures primaires en construction soudée, RT CETIM / IS 29001, 1994 (non publié) 13

15 2.3 Influence de la composition du gaz de protection En soudage TIG et MIG-MAG, la fonction principale du gaz de protection est de protéger la soudure de l oxydation par l air environnant. En soudage MAG, le gaz de protection peut également aider à stabiliser l arc et réduire l émission de fumées : - Fil fourré C-Mn de poudre métallique, diamètre 1,2 mm - Deux mélange gazeux : M21 : 82% Ar - 18% CO 2 M14 : 96% Ar - 1% O 2-3% CO 2 Généralement, en choisissant un gaz de protection moins oxydant, on réduit le taux d émission de fumées, mais au détriment de la pénétration. Attention, les résultats peuvent varier en fonction de la nature du fil-électrode. Taux d'émission de fumées (mg/s) FF Standard - Mélange M14 FF Standard - Mélange M Taux de dépôt (kg/h) A. Gutschmidt, Mesure du taux d émission de poussières et détermination de la VLE produits usuels et à bas taux d émission de fumées, RT CETIM / IS RGII1-V1], 2015 (non publié) 14

16 2.4 Influence de la composition du produit d apport La composition chimique du produit d apport a un effet marqué sur le taux d émission de fumées. Il ne faut pas seulement s intéresser aux éléments chimiques métalliques, mais aussi aux composés chimiques présents par exemple dans l enrobage des électrodes enrobées Taux d'émission de fumées (mg/s) 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1, Puissance U.I (kw) En soudage à l électrode enrobée (ou avec un fil fourré de flux), le taux d émission de fumées dépend aussi de la composition et de la quantité de charges minérales et autres composés (liants). Acier inox - Enrobage Basique Acier inox - Enrobage Rutilobasique Produit à basse émission de fumées A. Gutschmidt, Mesure du taux d émission de poussières et détermination de la VLE produits usuels et à bas taux démission de fumées, RT CETIM / IS RGII1-V1, 2015 (non publié) U. Riedinger et al, Etude des problèmes posés par l émission de fumées au cours du soudage à l arc avec des électrodes enrobées, RT CETIM 12Y210, IS 7989, 1978 (non publié) D. Beaufils et al, Etude des problèmes posées par l émission de fumées au cours du soudage, 1982, RT CETIM 12Y373 / IS (non publié). 15

17 2.5 Cas du Cr IV - facteurs principaux La teneur en chrome hexavalent est bien entendu fonction de la teneur en chrome dans les produits d apport, mais pas seulement Taux d'émission EE Enrobage Basique EE Enrobage Rutile EE Enrobage Rutile BF MAG Fil plein MAG fil fourré rutile TIG Teneur en chrome du produit d'apport (% massique) Le type de produit d apport choisi et le procédé utilisé ont encore plus d impact sur le taux d émission de Cr VI que la teneur en chrome du produit d apport. F. Maltrud et al., Comparaison technique entre fil fourré et fil plein en acier inoxydable, 2001, RT CETIM 1D1870 / IS A. Gutschmidt, Mesure du taux d émission de poussières et détermination de la VLE produits usuels et à bas taux démission de fumées, RT CETIM / IS RGII1-V1, 2015 (non publié) D. Beaufils et al, (1982) Etudes des problèmes posées par l émission de fumées au cours du soudage, 1982, RT CETIM 12Y373 / IS (non publié). 16

18 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Principe : Ces torches de soudage MIG-MAG manuel intègrent un conduit d aspiration dans la gaine, ainsi qu une buse avec plusieurs ouïes pour aspirer les fumées au plus près de l arc électrique Avantages : Aspiration des fumées au plus près de la source d émission Bonne efficacité de captage avec un débit d air modéré (environ 100 m 3 /h) Buses Ouïe d aspiration Limites : Maniabilité et confort d utilisation : torche plus lourde, gaine plus volumineuse et plus rigide Accessibilité réduite : buse plus volumineuse Nécessite un groupe d aspiration à haute dépression Risque de perturbation de la protection gazeuse (oxydation du cordon de soudure et formation de porosités) Exemple de torche aspirante avec différentes buses équipées d ouïes d aspiration. Document ESAB F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

19 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Travaux menés par l INRS (Nancy) : Le département Ingénierie des Procédés réalise depuis plusieurs années une évaluation des torches aspirantes MIG-MAG pour voir l influence : - de la conception des torches - du débit d aspiration - de l angle d inclinaison de la torche - de la position de soudage - des paramètres électriques, etc.. sur l efficacité de captage des fumées. Travaux de simulation numérique Banc d essai MIG-MAG de l INRS F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

20 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Exemples de résultats concernant le débit d émission de fumées Cas du soudage d aciers C-Mn avec un fil massif : Effet du mode de transfert sur le débit d émission Effet de l inclinaison de la torche sur le débit d émission Le mode de transfert a un effet très marqué sur le débit d émission. Le débit d émission peut aussi être jusqu à 3 fois supérieur en soudage manuel par rapport au soudage automatisé uniquement du fait de l inclinaison de la torche. F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

21 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Exemples de résultats concernant l efficacité de captage des fumées Cas du soudage d aciers C-Mn avec un fil massif : Effet de l inclinaison de la torche sur l efficacité de captage des fumées L efficacité de l aspiration est maximale à 0, mais en soudage manuel, l angle d inclinaison est plus proche de 30 : les ouïes s écartent du trajet des fumées et l efficacité de captage diminue. F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

22 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Exemples de résultats concernant la conception des torches En termes d efficacité de captation des fumées, la performance des torches aspirantes dépend de plusieurs paramètres : - de l étanchéité de l ensemble - de la perte de charge - de la distance ouïes - arc électrique Efficacité de captage en fonction de la vitesse d aspiration induite avec une inclinaison de torche de 30 Avec un même groupe d extraction, le volume d extraction peut varier de 55 à 109 m 3 /h en fonction de la torche considérée. La vitesse induite à l extrémité de la torche doit être suffisante pour obtenir une bonne efficacité de captage. F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

23 3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG Exemples de résultats montrant l effet du débit d aspiration sur la qualité des cordons L une des grandes interrogations est l effet de l utilisation d une torche aspirante sur la qualité des soudures. - les configurations de soudage en angle sont plus pénalisantes (le risque d aspirer une partie du gaz de protection est plus élevé) - en réduisant la distance ouïes - arc électrique, l efficacité de captage augmente, mais le risque de former des porosités aussi. Dans le cas du soudage «en coin», des porosités peuvent apparaître dès que le débit extrait est supérieur à 50 m 3 /h. Elles sont systématiquement observées au-delà de 100 m 3 /h. Fraction d air dans le plasma F. Bonthoux, Présentation «Torches de soudage aspirantes - efficacité de captage», INRS, 06/

24 4. Les points essentiels à retenir Des moyens de réduction des fumées de soudage à la source sont disponibles : - Souder des pièces propres et exemptes de revêtements dans la zone à souder - Utiliser des modes de transfert stables générant moins de fumée - Préférer les produits d apport à basse émission de fumées, s ils sont disponibles - Utiliser des torches aspirantes pour le soudage MIG-MAG Mais, sans même considérer les aspect purement économiques, il y a aussi des impossibilités techniques à substituer un procédé de soudage, un produit d apport ou un gaz de protection par un autre. Chaque cas doit donc être étudié en prenant en compte tous les aspects - La prévention du travailleur - La typologie des produits à souder - Les impositions des cahiers des charges et des codes de construction 23

25 Les auteurs tiennent à remercier : 5. Remerciements Guy Cromer, Président de la Commission Interprofessionnelle Soudage de la Fédération des Industries Mécaniques (CIS-FIM), pour avoir autorisé la publication de données techniques et scientifiques appartenant aux membres de la commission Francis Bonthoux, chercheur au Département Ingénierie des Procédés de l INRS, pour la fourniture de données concernant l évaluation de la performance de torches aspirantes 24

26 Merci pour votre attention Avez vous des questions? Fabrice Scandella Institut de Soudure 4 boulevard Henri Becquerel Yutz f.scandella@isgroupe.com Laurent Jubin CETIM 74, route de la Jonelière - CS Nantes Cedex 34 boulevard Laurent.Jubin@cetim.fr 25