Soudage

Le soudage des alliages d'aluminium se fait à l'arc, dans une atmosphère inerte (argon, hélium ou un mélange des deux), selon une des deux techniques possibles :

1_SOUDAGE À L’ARC EN ATMOSPHÈRE INERTE AVEC ÉLECTRODE RÉFRACTAIRE OU PROCÉDÉ TIG (Tungsten Inert Gas). | Ce procédé consiste à créer un arc électrique entre une électrode réfractaire de tungstène et la pièce à souder, tandis qu’un flux de gaz inerte (généralement de l’argon) protège le bain de fusion contre l’oxydation en entourant l’électrode. Une baguette d’apport tenue dans la main alimente le bain de fusion. Ce procédé utilise une source alimentée par du courant alternatif stabilisé par HF, conçue spécialement pour le soudage des alliages d’aluminium. Il s’emploie sur des épaisseurs comprises entre 1 et 6 mm et peut être robotisé.

2_SOUDAGE À L’ARC EN ATMOSPHÈRE INERTE AVEC ÉLECTRODE CONSOMMABLE OU PROCÉDÉ MIG (Metal Inert Gas). | Dans ce procédé de soudage, l’aluminium ou l'alliage d’aluminium sert à la fois d’électrode et de métal d’apport. Il s'agit d’un fil préalablement enroulé autour d’une bobine, qui se déroule automatiquement jusqu’à l’outil de soudage, le pistolet, à mesure qu’il se consomme. L’énergie nécessaire au soudage est fournie par une source de courant continu. Le raccordement s’effectue avec la polarité inverse (-) sur la pièce pour assurer à la fois le décapage et la fusion du fil de l’électrode. Ce procédé, utilisable pour les produits d’une épaisseur supérieure à 2,5 mm, est aussi automatisable. La version manuelle du MIG est couramment appelée « soudage semi-automatique ». Depuis quelques années, les constructeurs de matériel de soudage proposent des sources de courant à impulsion. Cet équipement permet de souder très facilement des épaisseurs fines de 1,5 à 4 mm. Pour les grosses et moyennes épaisseurs, l’avantage par rapport aux sources classiques n’a pas été démontré.

Le soudage MIG requiert toujours des matériaux d’apport, tandis que pour le TIG, ces derniers ne sont pas obligatoires. Pour obtenir des propriétés optimales du joint soudé, en termes de résistance, corrosion et absence de fissures, les matériaux d’apport utilisés doivent être conformes au tableau présenté ci-après.

Il n'existe pas de règle générale pour le choix des matériaux d’apport, en fonction du type d’utilisation et du paramètre recherché dans chaque cas. Ceux à teneur élevée en magnésium AlMg5 (EN AW 5356-5556) offrent une plus grande résistance, tandis que celui de AlSi5 (EN AW 4043) résiste mieux à la fissuration et assure un meilleur écoulement du métal pendant le processus de fusion des alliages aptes à la trempe. Ce type d’alliages (AlCu - AlMgSi - AlZn) ne doit pas être soudé avec du matériau d’apport du même groupe d’alliage, en raison du processus de fissuration. S’il est prévu d'anodiser le matériau après le soudage, le matériau d’apport AlSi5 doit être évité, car il risque de foncer au niveau de la soudure. En vue de réduire le risque de corrosion sous tension et d’augmenter la résistance, du Cu a été ajouté aux alliages de AlZnMg, ce qui dégrade également l’aptitude au soudage. Selon différentes recherches, il est possible d’ajouter un maximum de 0,2 % de Cu, avant que le risque de fissuration à chaud augmente de façon considérable. Dans ce cas, il faudra choisir le AlSi5 (EN AW 4043).

Le nettoyage avant le soudage est essentiel pour obtenir de bons résultats. Les impuretés, l’huile, les restes de graisses, l’humidité et les oxydes doivent être préalablement éliminés par des moyens mécaniques ou chimiques. Pour les travaux normaux en atelier, la procédure suivante peut être adoptée : 
_1 Élimination des impuretés et dégraissage à froid à l'alcool ou à l'acétone. 
_2 Lavage à l’eau et séchage immédiat pour éviter le risque d’oxydation. 
_3 Élimination mécanique par : 
- Brossage avec brosse rotative inoxydable. 
- Ponçage au papier abrasif ou à la lime. 
- Sablage.

Lorsque la préparation est soumise à des exigences plus strictes, il est possible de réaliser un nettoyage chimique selon le schéma suivant : 

_1 Élimination des impuretés. 
_2 Dégraissage au perchloréthylène à 121 °C. 
_3 Lavage à l’eau et séchage immédiat. 
_4 Élimination de l’oxyde d’aluminium comme suit : 
- Nettoyage alcalin avec, par ex. du NaOH. 
- Nettoyage acide avec, par ex. du HNO3 + HCl + HF. 
- Lavage à l'eau et séchage immédiat. 
- Neutralisation avec du HNO3 (après traitement au NaOH). 
- Bain dans de l’eau déionisée. 
- Séchage immédiat à l'air chaud. Les méthodes chimiques demandent des équipements coûteux pour le traitement superficiel et ne peuvent donc pas toujours être utilisées. Cependant, il ne faut jamais omettre l’étape d’élimination de l'oxyde ni le dégraissage dans la zone de soudage.

Les gaz de protection utilisés pour les soudages MIG et TIG sont toujours l’argon et l’hélium, des gaz inertes. Pendant le soudage, le gaz inerte refroidit la buse de soudage tout en protégeant également l’électrode et le bain de fusion. Le gaz prend aussi part au processus électrique de l'arc. Les gaz commerciaux les plus utilisés sont les suivants :

_Argon, pureté 99,95 %. 
_Argon + Hélium (30/70, 50/50) pour soudage MIG ; donne un bain de fusion plus vaste et plus chaud. 
_Hélium pour courant continu. En soudage TIG, il procure une fusion plus chaude et une vitesse de soudage plus élevée, mais il est plus cher et requiert une plus grande consommation.

L’argon pur est le gaz le plus fréquent et il doit s’utiliser dans le cadre du soudage normal d’atelier, car il est beaucoup plus économique et le volume nécessaire est inférieur. L’hélium s’utilise uniquement en cas de besoin d’une plus grande pénétration, par exemple pour le soudage en angle ou d’un matériau très épais.

Le soudage de l’aluminium dégage différents types de fumées et de gaz, comme pour le soudage de l’acier. En vue d’éviter la propagation de cette contamination, il est recommandé d’installer des extracteurs de fumées et de gaz. L’intensité de l'arc est largement supérieure à celle du soudage de l’acier et il ne faut sous aucune circonstance diriger le regard vers l’arc sans masque de protection adapté. Le rayonnement ultraviolet (UV) intense peut provoquer des lésions oculaires et cutanées. Par conséquent, le soudeur d’aluminium doit porter une tenue de protection qui lui recouvre tout le corps. La quantité de gaz dépend de la méthode de soudage, du matériau d'apport et du type d’alliage. Le soudage TIG génère considérablement moins de fumée que le soudage MIG, en raison de la moindre teneur en énergie de l'arc. Pour le soudage MIG, les alliages AlZnMg sont ceux qui produisent le plus de fumée lorsqu’ils sont soudés avec AlMg5 (EN AW 5356-5556) comme matériau d’apport. Pour cette raison, il est nécessaire de disposer d’une bonne ventilation générale associée à des mesures individuelles comme des masques à oxygène ou des dispositifs d’aspiration de fumées locale (in situ).

Le processus électrique de l'arc est très important pour comprendre le fonctionnement du soudage d’aluminium. En principe, il est possible de souder avec du courant continu (CC) ou du courant alternatif (CA). Du point de vue du CC, nous pouvons choisir entre deux cas de polarités différentes : polarité négative et polarité positive.

La polarité négative cède la majeure partie de son énergie à la pièce de travail (70 %), de sorte à obtenir un bain de fusion profond, avec un bon niveau de pénétration. La charge sur l’électrode est réduite, ce qui présente un avantage lors du soudage TIG. Le principal inconvénient de cette polarité est que l'arc brise la pellicule d’oxyde, de sorte qu’il est nécessaire de traiter préalablement le matériau, par exemple en préparant minutieusement les bords, en nettoyant très soigneusement et en biseautant les bords.

En association avec l’arc à impulsion, il est possible de souder des plaques fines à partir de 0,06 mm. Le courant continu à polarité positive (polarité inversée) s’utilise pour le soudage MIG. Généralement, 70 % de la distribution de chaleur en reviennent à l’électrode. Le bain de fusion est relativement large et peu profond, ce qui entraîne une faible pénétration.

L’avantage essentiel de l’utilisation de la polarité positive réside dans l'efficacité avec laquelle l’arc brise la pellicule d’oxyde, si bien que celle-ci ne constitue plus un obstacle à l'obtention d’une bonne qualité de soudure. Le mécanisme de cet effet de rupture de la pellicule d’oxyde n’est pas complètement connu, mais il peut notamment s'expliquer par le bombardement de la surface par des ions métalliques positifs, comparable au nettoyage de surface par sablage.

Bien que l’arc possède cette propriété, il faut quand même procéder à l’élimination de l'oxyde avant de commencer à souder. Cet arc n’est pas capable de briser les pellicules d’oxyde épaisses formées pendant le laminage de plaques à chaud, mais plutôt les couches fines qui apparaissent après le nettoyage. Le soudage au courant alternatif (CA) implique un changement de polarité à raison d’environ 100 fois par seconde et, par conséquent, les propriétés du soudage au CA peuvent être considérées comme une moyenne entre les deux cas de soudage au courant continu. La distribution de la chaleur est pratiquement la même entre l’électrode et la pièce de travail ; la pénétration et la largeur du bain de fusion se trouvent entre les valeurs en vigueur pour les deux cas décrits précédemment. L’arc a toujours un effet de rupture de la pellicule d’oxyde. Le courant alternatif s’utilise pour le soudage TIG normal avec l’argon en guise de gaz protecteur. Le courant absorbé par l’équipement est altéré en raison de l’action de rectification de l'arc ; pour cette raison, une machine qui compense cet effet a été spécialement conçue pour le soudage TIG.

Pour le soudage MIG de l’aluminium, il est possible d’utiliser le même équipement que pour le soudage des aciers au CO₂. La capacité de la source d’énergie est choisie en fonction de la production prévue et elle est généralement comprise entre 250 et 300 A pour le soudage d’épaisseurs de jusqu’à 10 mm. De préférence, le système d’alimentation doit être du type « push-pull », autrement dit une combinaison d’effet « pousser-tirer », mais il est également possible d’en utiliser des types à effet de poussée uniquement pour les guides de fil court et les diamètres de fil de 1,6 mm. En raison de son niveau de résistance plus faible, l’aluminium permet les poussées sur de courtes distances. Toutefois, les alliages comme ceux du groupe AlMg5 (EN AW 5356-5556), beaucoup plus durs que ceux du groupe AlSi5 (EN AW 4043), et celui d’aluminium pur Al 99,5 (EN AW 1050) permettent une poussée sur des longueurs plus importantes. Quoi qu’il en soit, la longueur du conduit du fil doit toujours être la plus courte possible et, sur son parcours, les rayons de courbure doivent être larges, sans boucles ni virages prononcés.

L’état des buses et des conduits doit être vérifié régulièrement, et les copeaux ou autres restes de matériau s’y étant déposés doivent être nettoyés.

Le soudage MIG est toujours réalisé avec du courant continu (CC) et de l’argon pur en guise de gaz de protection, et il convient à toutes les positions de soudage, y compris au plafond. Le soudage en position verticale se fait toujours en position ascendante. La soudure est généralement de bonne qualité, mais le risque de porosité est toujours plus élevé qu'avec le soudage TIG, car comme l'arc est régulé automatiquement, il peut subir une certaine instabilité temporaire, qui risque de provoquer des interférences au niveau de l'apport de matériau. Cette méthode convient très bien pour le soudage manuel comme pour le soudage mécanisé, sur des épaisseurs de 3 mm ou plus. Les soudeurs professionnels peuvent souder des matériaux encore plus fins. Si les exigences en termes de qualité de soudure sont faibles, il est possible de souder des matériaux encore plus fins mais, dans ce cas, l'arc ne travaille pas dans la zone de « spray » pur, en raison de la faible tension, qui engendre une tendance d'arc court. La vitesse de soudage est de 0,3 à 0,75 m/min pour le soudage manuel et de 2 à 3 m/min pour le soudage robotisé. Cette vitesse relativement élevée rend cette méthode plus productive que le TIG et, en association avec la densité d’énergie élevée de l'arc, la zone affectée par la chaleur (FAISCEAU) est plus étroite qu'avec le TIG. Il s'agit là d’un facteur favorable, car la déformation due au soudage diminue avec la réduction de l’apport d’énergie calorifique. Les domaines d’application de la méthode MIG sont nombreux, ce qui a entraîné le développement et le perfectionnement de cette technique de soudage.

Le soudage par points constitue le moyen le plus courant d’assemblage à recouvrement de deux plaques pour des raisons de résistance. Cette méthode nécessite toutefois un investissement élevé en termes de machines et elle est limitée à des épaisseurs de 4 mm maximum. À la place, il est possible d’utiliser la méthode MIG pour soudage par points, qui peut être mise en œuvre avec certains des équipements MIG les plus courants, complétés par un relais à retardement et une buse à gaz. Le soudage se produit en appuyant le pistolet contre la plaque supérieure. Le temps de soudage est réglé au moyen d’un relais à retardement, qui assure une bonne reproductibilité. La pénétration peut être contrôlée pour faire en sorte que la partie fondue pénètre entre les deux plaques. La méthode à privilégier dépend de l’épaisseur de la plaque inférieure. Les avantages du point de vue de la construction résident dans le fait de pouvoir accepter de grandes différences d’épaisseur entre la plaque supérieure et la plaque inférieure. Quand il s’agit d’épaisseurs importantes, il est possible de percer la plaque supérieure pour faciliter le soudage.

En superposant un courant d’une fréquence de 16 - 100 Hz à un courant normal, il est possible d’obtenir une impulsion de courte durée, avec des propriétés permettant de souder des matériaux de moins de 3 mm d’épaisseur. Chaque impulsion maximale entraîne le détachement d’une goutte de matériaux d'apport. Avantages de cette méthode :

• Possibilité de souder des métaux plus fins : 1,5 mm
• Possibilité de souder différentes épaisseurs plus facilement
• Plus de facilité pour souder avec des ouvertures variables
• Possibilité d’utiliser des matériaux d'apport plus épais

L’utilisation récente d’aluminium épais, en particulier de l’alliage AlMg4,5Mn (EN AW 5083), a conduit au développement d’une technique spécialement adaptée à ces fins et basée sur la méthode MIG. En ce sens, nous pouvons mentionner la méthode NARROW GAP de Sciaky qui, avec des supports installés en diagonale l’un derrière l’autre, permet le soudage en bout sans préparation des bords et avec une ouverture de 6 à 9 mm pour les matériaux épais. Au Japon, la méthode NHA (NARROW GAP HORIZONTAL welding process for aluminium) a été mise au point pour les ouvertures horizontales. Un chalumeau oscillant à double enveloppe est guidé automatiquement tout au long du raccord. Les avantages de ces deux variantes de la méthode MIG consistent en une meilleure exploitation de la chaleur et un volume inférieur du joint, ce qui implique une augmentation de la productivité.

Tableau d’ampères recommandés pour le soudage MIG

Le soudage d’aluminium à l’arc de tungstène et gaz de protection inerte (TIG) utilise une source de courant alternatif de 50 Hz, un courant à haute fréquence superposé (CA). L’électrode est non fusible en tungstène pur ou tungstène allié au zirconium. Cette méthode de soudage peut être appliquée dans toutes les positions et, lorsqu’elle est utilisée de façon adéquate, elle permet d’obtenir une soudure de grande qualité. Le risque de porosité est moins élevé qu’avec le soudage MIG. L’arc brise la pellicule d’oxyde et, par conséquent, du fil en bobines est utilisé lors du procédé automatique. En règle générale, le soudage TIG s’emploie pour les épaisseurs d’entre 0,7 et 10 mm, mais il n’y a en fait pas de limite maximale. La vitesse de soudage est plus faible que pour le SOLIM.

Les bords doivent être soigneusement préparés pour qu'il n’y ait pas d’ouverture entre les plaques, car il est beaucoup plus facile de contrôler le bain de fusion si la séparation est minime. Pour les épaisseurs supérieures à 5 mm, les arêtes des raccords à souder doivent être biseautées. Pour le soudage de plaques fines, il est recommandé d’utiliser un gabarit pour éviter les déformations provoquées par la chaleur du soudage et les séparations entre les bords risquant d’en découler.

De nombreuses sources d’énergie pour TIG peuvent servir au soudage par impulsion. Pour d’autres types de soudage, il est possible de raccorder facilement une unité supplémentaire. Le principe est semblable à celui décrit pour le soudage MIG/impulsion, à la seule exception près que le soudage TIG est effectué avec une fréquence beaucoup plus faible, environ 10 Hz. De cette façon, les impulsions sont bien visibles et peuvent en venir à constituer une source d’imitation pour le soudeur. La technique peut être appliquée aussi bien au soudage sous CA que sous CC, selon deux niveaux de courant. Le plus faible est choisi pour que l'arc ne s’éteigne pas, tandis que le niveau le plus élevé est généralement supérieur au soudage TIG normal. Les périodes des différents niveaux peuvent varier. L'avantage réside dans le fait de pouvoir obtenir une soudure parfaite avec une intensité de courant moyenne inférieure au soudage normal. L’apport de chaleur est plus faible et il est possible de souder des matériaux plus fins : 0,3 à 0,4 mm. L’association de CC et impulsions permet de souder des épaisseurs de l'ordre de 0,05 mm.