Soudage MIG-MAG

SOUDAGE À L'ARC À FIL CONTINU SOUS GAZ DE PROTECTION (G.M.A.W.) OU A FIL FOURRE SANS GAZ DE PROTECTION (FLUX OU SELF SHIELDED WIRE)

 

A. INTRODUCTION

Le soudage à fil continu en atmosphère protégée est souvent désigné par les abréviations M.I.G. (Metal Inert Gas) et M.A.G. (Metal Active Gas) ou, de façon générique, comme G.M.A.W. (Gas Metal Arc Welding). Le soudage à fil continu est un procédé dans lequel la chaleur nécessaire à l'exécution du soudage est fournie par un arc électrique maintenu entre la pièce à souder et le fil-électrode. La zone de soudage est constamment alimentée avec le matériau d'apport, le fil-électrode, grâce à la torche prévue permettant le débit de gaz ou de mélange de gaz pour protéger le fil-électrode, le bain de fusion, l'arc et les zones voisines du matériel de base de la contamination atmosphérique. La présence dans le circuit de soudage d'une bouteille de gaz (gaz inerte, actif ou mélanges), associée à l'utilisation de fils-électrodes pleins, caractérise le processus de soudage sous gaz de protection (M.I.G. ou M.A.G.).
L'absence de bouteille de gaz sur le circuit de soudage associée à l'utilisation de fils-électrodes fourrés, caractérise le procédé de soudage sans gaz de protection (SELF SHIELDED WIRE, NO GAS ou FLUX); dans ce cas, la protection gazeuse est obtenue par l'action de la poudre incorporée dans l'âme du fil.


B. CIRCUIT DE SOUDAGE

Le circuit de soudage est essentiellement composé des éléments suivants:

1. générateur

2. torche avec faisceau de câbles

3. dévidoir de fil

4. groupe de refroidissement par eau

5. bouteille de gaz avec système de réglage de pression

6. borne avec câble de masse

 

 

 

 

1. Générateur

Le générateur est un dispositif ayant pour fonction d'alimenter la zone de soudage en matériel d'apport au moyen d'une torche spécifique, ainsi que de maintenir allumé l'arc électrique se formant entre la pièce à souder et le fil-électrode fusible. À la différence des générateurs de soudage M.M.A. et T.I.G., lesquels comportent un seul paramètre de régulation (courant de soudage), les générateurs M.I.G.-M.A.G. comportent deux dispositifs de régulation, le premier régulant l'intensité de l'arc électrique (tension de soudage), et le second régulant la vitesse d'apport du fil de soudage (courant de soudage).

Les typologies de générateurs se divisent en deux catégories:

 

a) generatore in corrente continua DC (direct current)
Les générateurs en courant continu sont les plus répandus et se caractérisent par leur stabilité élevée, reposant sur le fait qu'un arc électrique alimenté à une tension constante et créé sur un fil alimenté à une vitesse constante tend à se stabiliser naturellement.
La flexibilité du procédé permet une certaine tolérance dans la sélection des paramètres de tension et de vitesse du fil. Il est ainsi possible d'obtenir le transfert des gouttes du matériel d'apport au métal à souder tant avec le procédé par immersion short-arc qu'avec le procédé par pulvérisation spray-arc.

b) générateur en courant pulsé
Ici, la plage régulée par le générateur n'est plus la tension mais le courant, lequel n'est plus maintenu constant, mais modulé avec un train d'impulsions (de là le nom de "pulsé"). Les impulsions ont pour objectif de forcer le détachement de la goutte du matériel d'apport; dans ce cas, l'arc ne se stabilise pas naturellement, et donc impulsions et vitesse du fil doivent être correctement synchronisées pour obtenir un soudage satisfaisant.
Dans les deux cas, la régulation est confiée à au moins deux manettes; des recherches récentes du secteur ont permis de développer et de commercialiser des soudeuses de type "synergique", permettant à l'opérateur d'utiliser une seule manette de contrôle.
En effet, le générateur contient en mémoire des paramètres optimaux de soudage pouvant être rappelés et/ou corrigés par l'opérateur en fonction des exigences de fonctionnement.

La différence de connexion des pôles de la source de soudage au matériel à souder identifie deux modes de fonctionnement:

i) courant continu en polarité directe
Avec la polarité directe, la torche est connectée au pôle négatif, et le matériel à souder au pôle positif de la source d'alimentation; ce type de connexion est utilisé uniquement pour le soudage avec fil fourré (FLUX).

ii) courant continu en polarité inverse
Ce mode de soudage peut être effectué en connectant la torche au pôle positif de la source, et la pièce à souder au pôle négatif de la machine de distribution; il s'agit de la connexion la plus fréquemment utilisée.

2. TORCHE AVEC FAISCEAU DE CÂBLES

La torche permet de transférer le métal d'apport à la zone de soudage et est isolée extérieurement; elle permet en outre le passage du fil-électrode, du gaz et du courant.

La poignée de la torche comporte une gachette de commande pour la mise en fonction du courant, la sortie du gaz et l'avancement du fil-électrode. Le faisceau de câbles se compose d'un conducteur de courant, de l'eau de refroidissement, ainsi que de la gaine guide-fil. Différents types de torches ou de pistolets de soudage sont disponibles dans le commerce.

Les torches refroidies à l'eau sont utilisées si les intensités de courant employées sont susceptibles d'engendrer une quantité sensible d'énergie thermique, et elles doivent être utilisées pour des courants de fonctionnement supérieurs à 300 A ou en cas de courant pulsé. Les torches à refroidissement intégré sont refroidies par le gaz de protection et utilisées en cas de courant de fonctionnement inférieur à 300 A; leur usage est assez fréquent.
Les torches à col de cygne sont refroidies par le gaz de protection et utilisées pour les applications à basse intensité de courant (transfert par immersion - short-arc).

3. Dévidoir de fil

Le dévidoir de fil est un appareil actionné par un moteur ayant pour fonction de pousser le fil-électrode, tout d'abord enroulé en bobine, vers la torche puis vers la zone de soudage. Le choix de la valeur de la vitesse d'avancement du fil est effectué au moyen du bouton de réglage du moteur; une vitesse d'avancement du fil donnée suppose une vitesse de fusion déterminée et donc une valeur définie du courant de soudage. L'élément distinctif du dévidoir de fil consiste dans le nombre de galets prévus pour l'avancement du fil; les appareils à 4 galets permettent une plus grande régularité d'avancement du fil par rapport aux appareils à 2 galets.

4. Groupe de refroidissement à l'eau

Le groupe de refroidissement à l'eau est un dispositif utilisé pour le refroidissement des torches de ce type pour éviter toute surchauffe en cas de courants de soudage élevés. Cet appareil permet, au moyen d'une pompe, une circulation constante de l'eau dans la torche et, au moyen d'un système de refroidissement, le contrôle des surchauffes.

 

5. Bouteille de gaz avec système de réglage

La bouteille contient le(s) gaz de protection, comme argon, hélium, anhydride carbonique, ou des mélanges de ces derniers, et est équipée d'un manomètre avec réducteur de pression utilisé pour signaler la quantité de gaz à l'intérieur de la bouteille, et d'une électrovanne commandée par un poussoir installé sur la torche pour l'ouverture et la fermeture du débit de gaz en fonction des besoins de soudage.

6. Borne avec câble de masse

La pince avec câble de masse permet la connexion électrique entre le générateur de courant et le matériel de base à souder. Le câble doit avoir une section et une longueur adaptées à l'ampérage maximal de la source de soudage.

 


C. GAZ DE PROTECTION

Les gaz de protection utilisés dans les procédés de soudage M.I.G.-M.A.G. appartiennent essentiellement à deux catégories: inertes et actifs. À la première catégorie appartiennent l'argon, l'hélium et les mélanges argon-hélium, tandis que les gaz actifs comprennent l'anhydride carbonique (CO2), les mélanges argon/oxygène ou argon/anhydride carbonique.

L'Argon (Ar) est un gaz inerte produit de la distillation fractionnée de l'atmosphère. Étant extrait de l'air, il peut donc contenir des traces d'impuretés, comme oxygène, azote ou vapeur d'eau; il s'adapte néanmoins à la quasi-totalité des applications de soudage.
L'utilisation de ce gaz dans les applications M.A.G. permet une bonne stabilité de l'arc et un amorçage facile. Étant donné sa basse conductivité thermique, la partie centrale de la colonne de l'arc se maintient à une température élevée et fluidifie les gouttes du matériel transitant dans la zone de l'arc.

L'Hélium (He) est un gaz inerte et assez rare, peu présent dans l'atmosphère et extrait du sous-sol; il est par conséquent bien plus coûteux que l'argon.
Les caractéristiques de l'hélium, comparées à celles l'argon, comportent une stabilité de l'arc moindre mais une meilleure pénétration; il est surtout utilisé dans les cas de soudages sur grandes épaisseurs et pour les matériaux à conductibilité thermique élevée, comme le cuivre et l'aluminium.
L'hélium étant, à différence de l'argon, plus léger que l'air, et donc plus volatile, il est indispensable de l'utiliser en quantité supérieure à l'argon pour une protection adéquate de la zone de soudage.

L'Anhydride carbonique (CO2) est un gaz actif présent dans l'air et le sous-sol. Le problème le plus fréquent causé par ce type de protection est de provoquer la formation d'éclaboussures et un arc instable; le maintien d'un arc assez court et d'une longueur constante permet quoi qu'il en soit un bon contrôle de ce dernier. La protection en CO2 garantit généralement une bonne pénétration.

Mélanges actifs. Il est souvent possible d'exploiter les qualités individuelles des gaz en utilisant comme protection gazeuse un mélange de ces derniers, comme par exemple Argon-Oxygène, Argon-Oxygène-CO2, Argon-CO2.
Même si les gaz inertes à l'état pur sont en mesure de remplir leur fonction de protection à toutes températures, l'ajout de gaz actifs améliore la stabilité de l'arc et le transfert du métal du fil-électrode au bain sans pour autant compromettre l'action protectrice.


D. LES FILS DE SOUDAGE

On peut distinguer les fils en fonction de leur composition chimique et de la morphologie de leur section, laquelle peut être composée de métal uniquement (fils pleins) ou bien comporter une âme contenant des granulés (fils fourrés).
Il est nécessaire de prêter une attention particulière à la présence, sur la surface du fil-électrode, de graisse ou d'humidité, ce type de condition risquant de provoquer porosité, criques ou soufflures. En outre, le bobinage non homogène du fil-électrodepeut entraîner un avancement irrégulier de ce dernier et compromettre la stabilité de l'arc.

Les fils pleins ont généralement la même composition que le matériel de base, avec l'ajout d'éléments pouvant aider dans le nettoyage du matériau de base. Les diamètres les plus couramment utilisés sont 0,6 - 0,8 - 0,9 - 1 - 1,2 - 1,6 mm.

Les fils fourrés avec protection gazeuse ne sont pas composés de métal massif, mais se présentent à l'intérieur remplis de poudre granulée (flux) ayant la même fonction que le revêtement des électrodes enrobées.
La poudre granulaire ou flux peut être de type rutile, basique, ou d'un type spécifique.
Par rapport aux fils pleins, les fils fourrés offrent une plus grande stabilité de l'arc et une pénétration supérieure, ainsi qu'un meilleur aspect esthétique du raccord, ce qui permet d'éliminer dans la plupart des cas les interventions de finition (ex. meulage des éclaboussures) et réduit le danger de la formation de défauts comme la porosité; bien entendu, l'utilisation de fils fourrés exige l'élimination de la scorie (laitier), comme pour le soudage avec électrode M.M.A.
Les diamètres les plus courants sont 0,6 - 0,8 - 0,9 - 1,2 - 1,6 mm.


E. MÉTAL D'APPORT: MODE DE TRANSFERT

Dans le procédé de soudage M.I.G.-M.A.G., le mode de transfert du métal d'apport du fil-électrode (plein ou fourré) au bain de fusion dépend, outre les paramètres électriques de soudage, du diamètre du fil, du type de générateur utilisé et du gaz employé. En fonction de ces paramètres, le transfert des gouttes peut s'effectuer comme suit:

1. Transfert par immersion (short-arc, dip-transfer ou à court-circuit)
2. Transfert par pulvérisation axiale (spray-arc)
3. Transfert à impulsion ou à arc pulsé (pulsed-arc)

1. transfert par immersion (short-arc, dip-transfer ou à court-circuit)
Le métal d'apport se transfère dans le bain de fusion sous forme de gouttes s'immergeant dans le bain et créant des courts-circuits continuels.
Ce transfert short-arc se caractérise par la présence d'intensités de courant arrivant jusqu'à 200 A, par l'utilisation de fils pleins minces de 0,6 mm à 1,2 mm, rendant ainsi possible le soudage d'épaisseurs réduites et en toutes positions avec un générateur en courant continu.

2. transfert par pulvérisation axiale (spray-arc)
Ce procédé prévoit le transfert des gouttes de matériau d'apport par effet du courant élevé, et non par contact avec le bain de fusion; les gouttes sont directement pulvérisées dans le bain, créant ainsi un flux continu de matériel.
Ce type de transfert s'effectue avec des générateurs en courant continu si les courants intéressés sont élevés (supérieurs à 200 A), et les fils de diamètre supérieur à 1 mm. Le bain de fusion créé est très fluide et de pénétration remarquable, adéquat pour un soudage à plat sur moyennes et grandes épaisseurs principalement.

3. transfert par impulsions ou à arc pulsé (pulsed-arc)
Ce procédé ne peut être obtenu qu'avec des générateurs en courant pulsé. En effet, les pulsations entraînent le détachement de gouttes de petites dimensions et permettent donc d'obtenir la caractéristique de l'arc par pulvérisation (spray arc), y compris avec des courants réduits. L'apport thermique, les dimensions du bain et la pénétration sont similaires au mode spray-arc. Ce procédé trouve ses principales applications avec des matériaux comme l'aluminium ou l'acier inoxydable, où le procédé short arc offre une qualité de soudage insuffisante.


F. SOUDAGE M.I.G.-M.A.G. des matériaux

1. Aciers doux au carbone
Les aciers au carbone se soudent en courant continu en polarité inverse (fil-électrode connecté au pôle positif) en appliquant exclusivement le procédé de soudage M.A.G. Les applications vont de l'utilisation exclusive du CO2 aux mélanges Ar-CO2 en différentes proportions (la plus courante est 80% argon, 20% CO2 ).
Plus le taux d'argon du mélange est élevé, et meilleures sont les caractéristiques et la stabilité de l'arc.
Les caractéristiques du soudage sont très satisfaisantes, en particulier en short-arc où l'on obtient des bains de soudage consistants permettant des applications en toutes positions.
L'utilisation de fils avec teneur en silicium et manganèse permet d'éliminer les impuretés du matériel de base et d'obtenir des soudures de bonne qualité.
Il est nécessaire de préparer les raccords avec un chanfrein d'une épaisseur supérieure à 3 mm

2. Aciers inoxydables
Les aciers inoxydables se soudent en courant continu ou en courant pulsé avec polarité inverse (fil-électrode connecté au pôle positif) en appliquant exclusivement le procédé de soudage M.A.G. Le gaz de protection utilisé doit être composé de mélanges Ar + CO2 ou Ar + O. Le pourcentage d'argon doit dans tous les cas ne pas être inférieur à 98% du mélange, pour éviter une forte oxydation du chrome présent dans le matériau de base. Les raccords supérieurs à 2,5 mm doivent être chanfreinés. Le matériau d'apport doit être particulièrement adapté à la qualité de l'acier inoxydable à souder.
Il est conseillé de procéder au meulage des points pour obtenir une soudure satisfaisante.

 

 

 

3. Aluminium et alliages d'aluminium
L'aluminium et les alliages d'aluminium se soudent en courant continu ou en courant pulsé en polarité inverse (fil-électrode connecté au pôle positif) en appliquant le procédé de soudage M.I.G.
Le gaz de protection utilisé est généralement l'argon pur. Il est également possible d'utiliser de l'hélium ou bien un mélange Ar + He.
Pour un soudage à plat, indépendamment de l'épaisseur, est utilisée la technique spray-arc ou/et pulsed-arc; la technique short-arc est par contre utilisée pour le soudage d'épaisseurs réduites en position verticale et à angle. Étant donné les caractéristique de l'aluminium, il est conseillé de procéder au fraisage, plutôt qu'au meulage, des points ou des cordons de soudure.

4. Autres matériaux
Le procédé de soudage M.I.G.-M.A.G. est également utilisé pour des matériaux comme le nickel et ses alliages, et le cuivre et ses alliages, en courant continu en polarité inverse.
Pour le soudage du cuivre sur des épaisseurs supérieures à 5 mm, il est conseillé d'utiliser le procédé M.I.G., en tenant toujours compte du fait que les intensités de courant doivent être régulées en fonction de la position de soudage et de l'épaisseur des raccords.