Soudage MMA
LE SOUDAGE À L'ARC AVEC ÉLECTRODES ENROBÉES (M.M.A. Manual Metal Arc)
A. PRÉAMBULE
Le soudage à l'arc avec électrodes enrobées est un procédé manuel dans lequel la source thermique consiste en l'arc électrique lequel, jaillissant entre l'électrode enrobée (supportée par la pince porte-électrode) et la pièce à souder (matériel de base) développe une chaleur provoquant la fusion rapide du matériel de base et de l'électrode (matériau d'apport).
B. CIRCUIT DE SOUDAGE
Le circuit de soudage est essentiellement composé des éléments suivants:
1. générateur de courant
2. pince porte-électrode
3. électrode enrobée
4. pince de masse
5. câbles de pince et de masse
1. Générateur de courant
Le générateur de courant a pour fonction d'alimenter l'arc électrique présent entre le matériel de base et l'électrode avec la sortie d'une quantité de courant suffisant à le maintenir allumé. Le soudage avec électrode se base sur le principe du courant constant, c'est-à-dire que le courant distribué par le générateur ne doit pas varier lorsque l'opérateur déplace l'électrode par rapport à la pièce. La caractéristique de construction de la source permet donc de maintenir un courant stable face à la variation de longueur de l'arc due au rapprochement ou à l'éloignement de l'électrode: plus le courant est constant, et plus l'arc est stable, ce qui facilite ainsi la tâche de l'opérateur. À l'intérieur du générateur est installé un dispositif de réglage du courant de soudagedu type mécanique (shunt magnétique ou réactance saturable), ou électronique (systèmes SCR ou systèmes à onduleur). Cette distinction permet de diviser les postes de soudure à électrode en trois familles différentes en fonction de leur technologie de construction: postes de soudure électromécaniques, postes de soudure électroniques (SCR), postes de soudure à onduleur.
La polarité du courant de sortie du générateur détermine également deux catégories supplémentaires:
a) générateur à courant alternatif CA (alternating current)
Le courant en sortie du générateur assume la forme type d'une onde sinusoïdale dont la polarité change à intervalles réguliers, avec une fréquence allant de 50 à 60 cycles par seconde (Hertz). Cette dernière est obtenue au moyen d'un transformateur permettant de transformer le courant secteur en un courant de soudage adéquat. Caractéristique des postes de soudure électromécaniques.
b) générateur à courant continu CC (direct current)
Le courant en sortie du générateur présente une forme d'onde continue obtenue au moyen d'un dispositif dit redresseur, installé en aval du transformateur, et permettant la conversion du courant/tension d'alternatif à continu. Cette sortie est caractéristique des générateurs à SCR et à onduleur.
Dans l'hypothèse où le circuit de soudage est composé d'un générateur de courant continu (CC), une classification supplémentaire peut être introduite en fonction du mode de connexion des pôles du courant de soudage au matériel à souder:
i) connexion en polarité directe
La connexion en polarité directe s'effectue en connectant le câble de pince (avec pince porte-électrode) au pôle négatif (-) de la source de soudage, et le câble de masse (avec pince de masse) au pôle positif (+) de la source. L'arc électrique concentre la chaleur produite sur la pièce et favorise la fusion. De cette façon, l'âme de l'électrode, en fondant, se dépose et pénètre dans la pièce à souder.
ii) connexion en polarité inverse
La connexion en polarité inverse s'effectue en connectant le câble de pince (avec pince porte-électrode) au pôle positif (+) de la source de soudage, et le câble de masse (avec pince de masse) au pôle négatif (-) de la source. L'arc électrique concentre essentiellement la chaleur produite sur l'extrémité de l'électrode. Chaque type d'électrode nécessite une progression de courant spécifique (CA ou CC) et, dans le cas du CC, une polarité spécifique: le choix de l'électrode dépend donc également du type de générateur utilisé. Une utilisation incorrecte entraîne des problèmes de stabilité de l'arc et compromet donc la qualité du soudage.
2. Pince porte-électrode
La pince porte-électrode a pour fonction essentielle de soutenir l'électrode afin de garantir le contact électrique nécessaire au passage du courant; elle doit également garantir une isolation électrique correcte pour le l'operateur.
3. Électrode enrobée
L'électrode enrobée se compose d'une âme et d'un revêtement ayant des fonctions différentes mais complémentaires: l'âme fait principalement office de conducteur de courant pour l'alimentation de l'arc et d'apport de matériel nécessaire au remplissage du soudage, tandis que le revêtement a pour fonction première de protéger le bain de fusion par la création d'un gaz neutre et de stabiliser l'arc.
4.5. Pince de masse et câbles
La borne de masse est un dispositif assurant, au moyen du câble de masse, la refermeture de la connexion électrique entre source de soudage et câble à souder.
Le câble de pince permet la connexion entre la pince porte-électrode et le générateur.
C. DISPOSITIFS D'ARC FORCE, HOT START, ANTI-STICK
Pour faciliter l'utilisation des générateurs de soudage, ces derniers peuvent comporter des dispositifs spécifiques décrits ci-dessous.
Le dispositif d'arc force facilite le transfert des gouttes de matériel fondu de l'électrode à la pièce à souder, prévient l'extinction de l'arc lors du contact, s'effectuant au moyen des gouttes, entre l'électrode et le bain de fusion.
Le dispositif hot start facilite l'amorçage de l'arc électrique en fournissant une surintensité à chaque nouveau amorçage du soudage.
Le dispositif anti-stick éteint automatiquement le générateur de soudage en cas d'électrode collée au matériel à souder, permettant une intervention manuelle de retrait sans endommager la pince porte-électrode.
D. ÉLECTRODES ENROBÉES
1. 1 Caractéristiques
Une électrode enrobée se compose d'une âme et d'un revêtement:
L'âme se compose d'une baguette de métal conducteur ayant pour unique fonction d'apport de matériel à la pièce. Le matériel dont elle est composée dépend du matériel de base à souder: pour les aciers au carbone, principaux utilisateurs du soudage à électrode, l'âme est en acier doux. Durant le soudage, l'âme fond avec une légère avance par rapport au revêtement.
Le revêtement est la partie la plus importante de l'électrode et offre de nombreuses fonctions, la première étant de protéger le soudage de la contamination de l'air ambiant, soit en se volatilisant et donc en modifiant l'atmosphère autour du bain, soit en fondant avec un temps de retard et donc en protégeant l'âme avec le cratère se formant naturellement, soit en se liquéfiant et en flottant sur le bain. Il contient en outre des matériaux en mesure de dépurer le matériel de base, et des éléments pouvant contribuer à la création des alliages dans la fusion. Le choix du revêtement est donc extrêmement important et dépend des caractéristiques que doit présenter le soudage. Le revêtement peut également contenir des métaux d'apport en poudre pour augmenter la quantité du matériel déposé et donc la vitesse du soudage. On parle dans ce cas d'électrodes à haut rendement.
1. 2 Subdivision des électrodes
Différents types d'électrodes enrobées existent dans le commerce, et leur composition chimique exerce une forte influence sur la stabilité de l'arc électrique, la profondeur de pénétration, le dépôt du matériau et la pureté du bain, c'est-à-dire sur les champs d'application de ces dernières.
Si l'on considère le type de revêtement, les principales typologies d'électrodes sont les suivantes:
* électrodes à enrobage acide
Les enrobages de ces électrodes sont composés d'oxydes de fer, de ferro-alliages de manganèse et de silicium, et garantissent une bonne stabilité de l'arc; ils sont adaptés tant pour le courant alternatif (CA) que pour le courant continu (CC), et leur bain très fluide ne permet pas le soudage en position. En outre, ils ne possèdent pas de grand pouvoir de nettoyage sur le matériau de base, ce qui peut entraîner la formation de criques.
Ces enrobages ne supportent pas les températures de séchage élevées, ce qui comporte des risques d'humidité résiduelle et donc d'inclusion d'hydrogène dans la soudure.
* électrodes à enrobage rutile
Leur enrobage est principalement composé d'un minerai nommé rutile, composé à 95% de bioxyde de titane, composant extrêmement stable assurant une excellente stabilité de l'arc et une fluidité élevée du bain, avec un effet esthétique appréciable sur la soudure. La fonction de l'enrobage rutile est quoi qu'il en soit de garantir une fusion douce, facile à réaliser, facilitant la formation d'une scorie abondante et visqueuse permettant un soudage fluide, en particulier en position à plat. Le cordon offre un bel aspect visuel régulier. Malheureusement, ces enrobages n'offrent pas non plus un pouvoir nettoyant très efficace, et sont donc conseillés si le matériau de base ne contient que peu d'impuretés; leur séchage laisse également à désirer et ils développent une quantité importante d'hydrogène lors du soudage.
Certaines applications associent au rutile un second composant, caractéristique d'autres enrobages, comme la cellulose (électrodes rutiles cellulosiques) ou la fluorite (électrodes rutiles basiques). L'objectif est généralement d'obtenir une électrode avec un arc stable mais offrant des caractéristiques mécaniques plus performantes.
La stabilité de l'arc est un avantage qui rend l'utilisation de ce type d'électrode possible en courant alternatif (CA) et en courant continu (CC) en polarité directe. L'application est surtout utilisée avec les épaisseurs réduites.
* électrodes à enrobage cellulosique
Leur enrobage est principalement composé de cellulose avec ferro-alliages incorporés (magnésium et silicium). L'enrobage se gazéifie presque complètement, et permet donc de souder également en position verticale descendante, ce que ne permettent pas les autres types d'électrodes; la gazéification élevée de la cellulose réduit la quantité de scorie présente dans le soudage. Le fort développement d'hydrogène (dû à la composition chimique particulière de l'enrobage) fait que le bain de soudage est "chaud", avec fusion d'une quantité notable de matériel de base; il est ainsi possible d'obtenir des soudures pénétrant en profondeur avec peu de scories dans le bain.
Les caractéristiques mécaniques de la soudure sont excellentes; le niveau esthétique est peu satisfaisant, l'absence quasi totale de la protection liquide offerte par l'enrobage empêchant de modeler le bain durant la solidification.
Le courant de soudage, étant donné le peu de stabilité de l'arc, est généralement en courant continu (CC) en polarité inverse.
* électrodes à enrobage basique
L'enrobage des électrodes basiques est composé d'oxydes de fer, de ferro-alliages et surtout de carbonate de calcium et de magnésium auxquels l'ajout du fluorure de calcium permet d'obtenir la fluorite, minerai en mesure de faciliter la fusion. Il offre une forte capacité de dépuration du matériau de base et permet des soudures de qualité et d'une résistance mécanique remarquable. Ces électrodes supportent en outre des températures de séchage élevées et ne contaminent donc pas le bain avec l'hydrogène. La fluorite rend l'arc extrêmement instable: le bain est moins fluide, et de fréquents courts-circuits sont provoqués par le transfert du matériau d'apport en grosses gouttes; l'arc doit être extrêmement court du fait du peu de volatilité de l'enrobage; toutes ces caractéristiques présupposent une bonne expérience du soudeur. La scorie est dure et difficile à retirer, et doit être entièrement éliminée en cas de second passage. Ces électrodes sont prévues pour des soudages en position, verticaux, au plafond, etc.
En ce qui concerne le courant à employer, il est conseillé d'utiliser des générateurs en courant continu (CC) en polarité inverse. Les électrodes basiques se distinguent par l'énorme quantité de matériau déposé, et s'adaptent remarquablement bien au rechargement de grandes épaisseurs. Fortement hygroscopiques, il est conseillé de stocker ces électrodes dans un endroit sec et dans des confections hermétiques; dans le cas contraire, procéder à un nouveau séchage de l'électrode avant son utilisation.
1. 3 Caractéristiques des différents types d'électrodes
| TYPE | AVANTAGES | INCONVÉNIENTS | APPLICATIONS |
|---|---|---|---|
| Acide |
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| Rutile |
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| Cellulosique |
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| Basique |
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1.4 Choix du courant en fonction de l'électrode
| Diamètre électrode (mm) | 1,60 | 2,00 | 2,50 | 3,25 | 4,00 | 5,00 | 6,00 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Électrode acide | - | - | - | 100-150 | 120-190 | 170-270 | 240-380 |
| Électrode rutile | 30-55 | 40-70 | 50-100 | 80-130 | 120-170 | 150-250 | 220-370 |
| Électrode cellulosique | 20-45 | 30-60 | 40-80 | 70-120 | 100-150 | 140-230 | 200-300 |
| Électrode basique | 50-75 | 60-100 | 70-120 | 110-150 | 140-200 | 190-260 | 250-320 |
2. Classification des électrodes
Les groupes d'électrodes enrobées sont classifiés dans le contexte de la norme EN 499 par type d'enrobage en fonction de leurs principales caractéristiques.
a) Selon les normes en vigueur, toute électrode peut être entièrement définie par un code figurant sur l'emballage de sa confection, comme sur l'exemple ci-dessous:
| E | 44 | T | 3 | C | 1 | 9 | R09 | KV20 |
Signification des différents éléments:
* E = électrode
* 44 = la résistance à la traction peut être la suivante:
00 = aucune valeur garantie
44 = minimum garanti 44 Joules
* T = les types d'applications peuvent être les suivants:
S = pour tôles minces (moins de 4 mm)
L = pour tôles moyennes et épaisses
T = pour conduites
* 3 = classes de qualité variant de 1 à 4 en fonction de preuves mécaniques spécifiques.
* C = les types d'enrobage sont les suivants:
R = rutile RC = rutile-cellulosique
B = basique RB = rutile-basique
C = cellulosique V = spécial
* 1 = les positions de soudage peuvent être les suivantes:
1 = toutes
2 = toutes sauf verticale descendante
3 = seulement à plat et à plat frontale (angle normal)
4 = seulement à plat et d'angle positionné
* 9 = les courants électriques utilisables sont les suivants:
* R09 = valeur minimale garantie du rendement exprimée en dixièmes
* KV20 = symbole supplémentaire pour caractéristiques de résilience à basse température
Sur l'exemple, l'électrode offre une valeur de résilience jusqu'à -20 °C.
b) selon la classification AWS (AMERICAN WELDING SOCIETY) ASTM (AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS), outre le code du constructeur, chaque électrode est représentée par un symbole, comme indiqué sur l'exemple ci-dessous:
| E | 60 | 1 | 1 |
La signification des termes est la suivante:
E = électrode
60 = résistance minimale à la traction exprimée en livres par pouce carré
1 = les positions de soudage peuvent être les suivantes:
1 = toutes
2 = à plat et angle positionné
1 = les courants de soudage peuvent être les suivants:
0 = continu en polarité positive pour électrodes cellulosiques
1 = alternatif et continu (pôle positif)
2 = alternatif et continu (pôle négatif)
3 = alternatif et continu pour électrodes rutiles
4 = alternatif et continu pour électrodes à haut rendement au rutile
5 = continu en polarité positive pour électrodes basiques
6 = alternatif et continu pour électrodes basiques
7 = alternatif et continu (tous pôles) pour électr. à haut rend. avec oxyde de fer
8 = alternatif et continu (pôle positif) pour électrodes basiques à haut rendement
E. SOUDAGE MMA DES MATÉRIAUX
Dans le cas d'aciers à la composition facilement identifiable, il est possible d'utiliser des électrodes rutiles pour leur plus grande facilité d'amorçage et de soudage, ainsi que pour l'aspect esthétique du cordon.
Dans la pratique, le soudage des aciers à teneur en carbone moyenne ou élevée (>0,25%) peut provoquer la formation de défauts de structure; il est conseillé d'utiliser le procédé à électrodes en particulier pour le soudage de raccords d'épaisseurs moyennes-grandes et avec des électrodes basiques, ce qui permettra d'obtenir une haute qualité de soudage et une bonne résistance à la rupture. Le soudage des tubes en acier s'effectue avec des électrodes cellulosiques lorsqu'une pénétration élevée et une bonne capacité d'usinage de l'électrode sont nécessaires. Le chanfreinage est toujours conseillé, et l'angle doit permettre l'introduction quasi-complète de l'électrode dans le chanfrein.
En ce qui concerne les matériaux spécifiques, comme les aciers inoxydables, l'aluminium et ses alliages et la fonte, des électrodes spécifiques sont utilisées.
Les aciers inoxydables se soudent en courant continu (CC) en polarité inverse; des électrodes spécifiques sont utilisées, se différenciant en fonction de la composition métallurgique du matériau à souder (taux variables de chrome (Cr) et de nickel (Ni)).
L'aluminium et les alliages légers se soudent en courant continu (CC) en polarité inverse. La machine doit être équipée d'une dynamique d'amorçage relativement élevée pour garantir l'allumage de l'électrode.
Des électrodes spécifiques sont ici aussi utilisées, se différenciant en fonction de la composition métallurgique du matériau à souder (taux variables de magnésium (Mg) et de silicium (Si)).
La fonte se soude en courant continu (DC) en polarité inverse; la majorité des structures et organes mécaniques en fonte sont obtenus par fusion, et le soudage est donc utilisé pour corriger si nécessaire les défauts de fusion et pour les réparations. Des électrodes spécifiques sont utilisées, et le matériel de base doit être correctement chauffé avant l'utilisation.