Utilisation d'un poste de soudage à l'arc électrique, des accessoires et des électrodes spécifiques aux différents travaux de soudage.

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - Décrire le fonctionnement d’un poste de soudage à l’arc électrique et identifier ses principaux composants. - Sélectionner l’électrode appropriée selon le type de métal, l’épaisseur et la position de soudure. - Monter, régler et mettre en marche un poste de soudage à l’arc en respectant les consignes de sécurité. - Réaliser un cordon de soudure simple sur une pièce d’acier doux en utilisant les accessoires de base (pince de masse, porte‑électrode, masque, gants). - Évaluer la qualité d’un cordon de soudure (pénétration, aspect, absence de défauts) et proposer des corrections si nécessaire. **Prérequis** : - Notions de base en électricité (tension, courant, résistance, loi d’Ohm). - Connaissance des propriétés mécaniques des métaux ferreux (acier doux, acier carbone). - Maîtrise des règles d’hygiène et de sécurité en atelier (port des EPI, prévention des risques électriques et thermiques). - Savoir lire un schéma électrique simple et identifier les symboles normalisés (IEC). --- ## Introduction contextualisée Dans les ateliers de métallerie, de construction navale ou de maintenance industrielle au Cameroun, le soudage à l’arc électrique reste le procédé le plus répandu pour assembler des pièces métalliques. Il offre une bonne pénétration, une vitesse d’exécution élevée et un coût relativement faible comparé aux procédés à gaz ou au laser. Toutefois, son efficacité dépend directement du bon choix du poste, de l’électrode et des accessoires, ainsi que d’une mise en œuvre rigoureuse respectant les normes de sécurité (NF EN 60974‑1, décret n° 2005/123 du MINTESS). Ce chapitre propose une approche par compétences : l’élève apprend d’abord à connaître le matériel, puis à le mettre en service et enfin à réaliser une soudure de contrôle dans des conditions proches de la réalité professionnelle. --- ## I. Présentation du poste de soudage à l’arc électrique, des électrodes et des accessoires *(Leçon 12)* ### 1. Principe du soudage à l’arc électrique Le soudage à l’arc consiste à créer une décharge électrique entre une électrode conductrice et la pièce à souder. Cette décharge génère un plasma dont la température dépasse 6 000 °C, suffisante pour fondre le métal d’apport (électrode) et le métal de base. Le courant peut être alternatif (CA) ou continu (CC) ; en atelier camerounais, on utilise majoritairement des postes à courant continu avec polarité électrode négative (EN) pour les électrodes enrobées rutiles et basiques. > **>** La loi d’Ohm appliquée au circuit de soudage : \(U = I \times (R_{poste} + R_{câble} + R_{arc})\). Une chute de tension trop importante indique une résistance excessive (câble trop fin, connexions lâches). ### 2. Composants d’un poste de soudage à l’arc | Composant | Fonction | Caractéristiques techniques usuelles (CAM) | |-----------|----------|--------------------------------------------| | Transformateur/redresseur | Abaisse la tension réseau (220 V) à la tension de soudage (16‑30 V) et fournit le courant nécessaire | Puissance nominale 150‑300 A, facteur de marche 60 % | | Réglage du courant | Permet d’ajuster l’intensité selon l’électrode et l’épaisseur | Potentiomètre ou sélecteur pas à pas | | Borne de sortie (+) | Raccordement de la pince de masse | Filetage M10, isolation classe H | | Borne de sortie (‑) | Raccordement du porte‑électrode | Même spécification que la borne + | | Ventilateur de refroidissement | Évite la surchauffe du transformateur | Débit d’air ≥ 0,5 m³/min | | Protections (disjoncteur, fusible) | Coupure en cas de surintensité ou court‑circuit | Courant de déclenchement 1,2 × Inominal | ### 3. Les électrodes enrobées Les électrodes sont constituées d’un cœur métallique (fil d’apport) entouré d’un enrobage qui stabilise l’arc, protège le bain de fusion et ajoute des éléments d’alliage. | Type d’enrobage | Composition principale | Utilisation typique | Courant recommandé (A) pour électrode Ø 3,2 mm | |-----------------|------------------------|---------------------|-----------------------------------------------| | Rutile (R) | TiO₂, SiO₂, fluorures | Soudure en toutes positions, bonne amorce, faible projection | 70‑110 | | Basique (B) | CaCO₃, CaF₂, alliages de Mn | Soudure de haute résistance, faible hydrogène, positions plates et horizontales | 90‑130 | | Cellulosique (C) | Cellulose, matériaux organiques | Soudure en descente, pénétration profonde, chantiers de tuyauterie | 80‑120 | | Fonte (F) | Alliages de Ni, Cu | Soudure de fontes grises | 60‑100 | > **>** Le diamètre de l’électrode détermine le courant de soudage : \(I (A) ≈ 30 \times d (mm)\) pour les électrodes rutiles, \(I ≈ 35 \times d\) pour les basiques. ### 4. Accessoires indispensables - **Pince de masse** : pince crocodile en cuivre, section minimale 16 mm², reliée à la pièce par un câble de même section. - **Porte‑électrode** : manche isolé, pince à ressort, compatible avec le diamètre de l’électrode. - **Masque de soudure** : verre teinté (niveau DIN 10‑13 selon le courant), éventuellement à assombrissement automatique. - **Gants de soudure** : cuir pleine fleur, résistance à la chaleur > 350 °C, longueur couvrant l’avant‑bras. - **Brosse métallique et marteau** : pour éliminer la scorie après chaque passe. - **Porte‑pièces ou étaux** : maintien stable de la pièce pendant le soudage. > **>** Vérifier avant chaque utilisation : absence de fils dénudés, serrage des connexions, état du masque (pas de fissures), et conformité du câble de masse à la section recommandée. --- ## II. Activités d’intégration *(Mise en situation professionnelle)* Cette activité permet à l’élève de mettre en pratique les connaissances acquises en leçon 12 à travers un mini‑projet d’atelier : **fabrication d’un support d’étagère métallique** (dimensions 600 mm × 300 mm × 6 mm) destiné à un petit commerce de Yaoundé. ### Étape 1 – Analyse du cahier des charges - Matériau : acier doux S235JR, épaisseur 6 mm. - Type d’assemblage : soudure d’angle à 90° (coin) sur les quatre côtés. - Exigence de résistance : charge uniforme de 150 kg sur l’étagère (vérification par calcul de flexion simple). - Contraintes de sécurité : port obligatoire du masque, gants, chaussures de sécurité ; zone de travail dégagée, extincteur à proximité. ### Étape 2 – Préparation des pièces 1. Découpe des profilés en U (60 mm × 40 mm × 6 mm) à la scie à métaux. 2. Ébavurage et nettoyage des zones de soudure avec une meuleuse à disque fin (grain 80). 3. Positionnement des pièces sur l’étau, vérification de l’équerrage à l’aide d’un carré de menuisier (tolerance ± 0,5 mm). ### Étape 3 – Choix de l’électrode et réglage du poste - Épaisseur 6 mm → électrode Ø 3,2 mm rutile (bonne amorce, faible projection). - Courant de soudage estimé : \(I ≈ 30 \times 3,2 = 96 A\) → réglage du poste à 100 A, polarité EN. - Tension à vide du poste : 55 V (mesurée avec un voltmètre). ### Étape 4 – Réalisation des cordons - Amorcer l’arc en touchant légèrement l’électrode à la pièce, puis retirer à 2‑3 mm. - Maintenir un angle de 70‑80° entre la porte‑électrode et la pièce, déplacement régulier à environ 10‑12 mm/s. - Observer la formation d’un cordon convexe légèrement bombé, pénétration visible à travers l’épaisseur. - Après chaque passe de 150 mm, arrêter l’arc, laisser refroidir 10 s, éliminer la scorie à l’aide du marteau et de la brosse métallique. ### Étape 5 – Contrôle qualité - Inspection visuelle : absence de fissures, de sous‑coupures, de projections excessives. - Test de flexion simple : appliquer une charge de 50 kg au milieu de l’étagère, vérifier qu’aucune déformation permanente n’apparaît (flèche < 2 mm). - Mesure de la hauteur du cordon avec un pied à coulisse : cible 1,2‑1,5 mm. > **>** En cas de défaut (porosité, manque de fusion), reprendre le réglage du courant (± 10 %) et vérifier la propreté de la surface (absence d’huile, de rouille). Cette activité d’intégration permet de valider les compétences suivantes : lecture de plan, choix du matériel, mise en poste, exécution d’une soudure d’angle, contrôle qualité et respect des règles de sécurité. --- ## III. Mise en marche d’un poste de soudage à l’arc électrique, montage et manipulation des accessoires *(Leçon 13 – TP5)* ### 1. Vérifications préalables à la mise sous tension | Action | Objectif | Méthode | |--------|----------|---------| | Contrôle du câble d’alimentation | Vérifier l’absence de coupure, de section insuffisante | Inspection visuelle, test de continuité avec un ohmmètre (< 0,5 Ω) | | Serrage des connexions (borne +, borne ‑, pince de masse) | Éviter les arcs parasites et les surtensions | Clé à molette, couple de serrage 5 Nm (vérifié avec dynamomètre) | | État du masque et des gants | S’assurer de la protection optique et thermique | Vérifier l’absence de rayures, de déchirures | | Niveau d’huile du ventilateur (si poste à refroidissement par huile) | Garantir le refroidissement du transformateur | Jauge de niveau, compléter si nécessaire | | Mise à la terre du poste | Protection contre les défauts d’isolement | Connecter la borne de terre à la prise de terre de l’atelier (résistance < 1 Ω) | > **>** Toute anomalie détectée lors de ces vérifications doit conduire à l’arrêt immédiat de la mise en service et à la signalisation au responsable d’atelier. ### 2. Branchement et mise sous tension 1. Brancher le câble d’alimentation sur la prise industrielle 220 V / 30 A (disjoncteur différentiel 30 mA). 2. Placer le sélecteur de courant sur la position « OFF ». 3. Actionner l’interrupteur général du poste ; le voyant d’alimentation doit s’allumer (vert). 4. Régler le courant à la valeur souhaitée à l’aide du potentiomètre (ex. 100 A). 5. Effectuer un test d’arc à vide : approcher légèrement la porte‑électrode de la pince de masse sans toucher la pièce ; un petit crépitement indique que le poste fonctionne. > **>** Ne jamais laisser le poste sous tension sans surveillance ; en cas d’odeur de brûlé ou de fumée, couper immédiatement l’alimentation et vérifier les connexions. ### 3. Montage des accessoires - **Pince de masse** : ouvrir la mâchoire, placer le câble de masse (section 16 mm²) dans le logement, serrer la vis de fixation. Connecter l’autre extrémité du câble à la pièce à l’aide d’un serre‑câble ou d’une cosse à sertir. - **Porte‑électrode** : insérer l’électrode dans la pince, ajuster la longueur de sortie (environ 20‑25 mm au-delà de la pince) pour garantir un bon contact électrique et une maniabilité suffisante. - **Masque** : ajuster le serre‑tête pour un maintien stable, abaisser le verre avant d’amorcer l’arc. - **Gants** : enfiler en s’assurant que le poignet recouvre le bord de la manche de la veste de soudure. ### 4. Procédure de soudage pas à pas (exemple : cordon droit sur tôle 6 mm) | Étape | Action | Détails techniques | |-------|--------|--------------------| | 1 | Pré‑chauffer la zone (optionnel) | Pour aciers > 10 mm, pré‑chauffer à 150 °C avec chalumeau ; ici non nécessaire. | | 2 | Positionner la pièce | Plaque posée sur table métallique, serre‑joints aux extrémités pour éviter le flambage. | | 3 | Amorcer l’arc | Contact léger électrode‑pièce, puis retirer à 2‑3 mm ; maintenir l’arc stable. | | 4 | Déplacer la porte‑électrode | Angle 75°, vitesse 10‑12 mm/s, mouvement linéaire régulier. | | 5 | Surveiller le bain | Aspect brillant, bord légèrement convexes, pas de projections excessives. | | 6 | Arrêter l’arc | Lever légèrement l’électrode, couper le courant via la gâchette du porte‑électrode (si disponible) ou en éloignant l’électrode. | | 7 | Laisser refroidir | Attendre 10‑15 s avant de manipuler la pièce. | | 8 | Éliminer la scorie | Utiliser le marteau de soudeur puis la brosse métallique. | | 9 | Contrôler le cordon | Mesurer la largeur et la hauteur, vérifier l’absence de défauts visuels. | > **>** La vitesse de déplacement influence directement la largeur du cordon : \(L (mm) ≈ \frac{V (mm/s)}{k}\) où \(k\) dépend du courant et du type d’électrode (pour rutiles 3,2 mm à 100 A, \(k ≈ 8\)). ### 5. Arrêt du poste et entretien de fin de journée - Couper le courant au niveau du sélecteur, puis mettre l’interrupteur général sur OFF. - Débrancher le câble d’alimentation après vérification que le voyant est éteint. - Nettoyer la porte‑électrode et la pince de masse avec un chiffon légèrement huilé pour prévenir l’oxydation. - Ranger les accessoires dans leur logement dédié, vérifier l’état du masque (remplacer le verre si rayé). - Effectuer une vérification rapide du niveau d’huile du ventilateur et du serrage des vis de fixation. > **>** Un poste bien entretenu présente un facteur de marche supérieur à 80 % et une durée de vie supérieure à 5 ans en usage intensif. --- ## Synthèse du chapitre - **Principe du soudage à l’arc** : décharge électrique entre électrode et pièce, température > 6 000 °C, fusion du métal d’apport et de base. - **Poste de soudage** : transformateur/redresseur, réglage du courant, borniés de sortie, ventilateur, protections. - **Électrodes enrobées** : rutiles (R), basiques (B), cellulosiques (C), fonte (F) ; choix selon épaisseur, position, caractéristiques mécaniques recherchées. - **Règle de courant** : \(I ≈ 30 \times d\) (rutile) ou \(I ≈ 35 \times d\) (basique) avec d en mm. - **Accessoires essentiels** : pince de masse, porte‑électrode, masque DIN 10‑13, gants cuir, brosse métallique, marteau, étaux. - **Vérifications pré‑mise sous tension** : câble d’alimentation, connexions, masque/gants, mise à la terre, ventilateur. - **Mise en marche** : branchement, sélection du courant, test d’arc à vide, réglage. - **Montage des accessoires** : serrage correct, longueur de sortie de l’électrode, réglage du masque. - **Procédé de soudage** : amorçage, angle 75‑80°, vitesse 10‑12 mm/s, surveillance du bain, arrêt, retrait de scorie. - **Contrôle qualité** : inspection visuelle, test de flexion, mesure du cordon (hauteur 1,2‑1,5 mm). - **Sécurité** : port permanent des EPI, zone dégagée, extincteur à portée, arrêt immédiat en cas d’anomalie. - **Entretien** : nettoyage des connexions, vérification du serre‑câble, contrôle du masque, facteur de marche > 80 % pour un poste bien maintenu. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Arc électrique | Décharge de courant traversant un gaz ionisé, produisant une chaleur intense utilisée pour fondre les métaux. | | Électrode enrobée | Bâtonnet métallique entouré d’un enrobage chimique qui stabilise l’arc, protège le bain et ajoute des éléments d’alliage. | | Poste de soudage à l’arc | Appareil qui transforme la tension du réseau en basse tension élevée en courant adapté au soudage. | | Pince de masse | Dispositif de connexion électrique entre la pièce à souder et la borne négative du poste. | | Porte‑électrode | Manche isolé permettant de tenir et d’avancer l’électrode pendant le soudage. | | Masque de soudure | Protection oculaire avec verre teinté (DIN 10‑13) filtrant les rayonnements UV et IR de l’arc. | | Facteur de marche | Pourcentage de temps pendant lequel un poste peut délivrer son courant nominal sans surchauffe (ex. 60 %). | | Polarité EN (électrode négative) | Configuration où l’électrode est reliée à la borne négative du poste, favorisant une pénétration profonde. | | Scorie | Résidu solide formé par l’enrobage de l’électrode qui recouvre le cordon de soudure et doit être éliminé après chaque passe. | | Soudure d’angle | Assemblage de deux pièces formant un angle droit, généralement réalisé en une passe ou plusieurs passes selon l’épaisseur. | | Courant de soudage | Intensité du courant électrique traversant l’arc, exprimée en ampères (A), fonction du diamètre de l’électrode et du type d’enrobage. | | Pré‑chauffage | Élévation locale de la température de la pièce avant soudage pour réduire le risque de fissuration, surtout pour les aciers épais ou à haute teneur en carbone. | | Soudure en descente | Technique où la torche (ou porte‑électrode) se déplace du haut vers le bas, utilisée avec électrodes cellulosiques pour une pénétration profonde. | | Soudure à l’arc avec électrode rutiles | Type d’électrode offrant un amorçage facile, faible projection, adapté à toutes les positions. | --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Choix de l’électrode et réglage du courant **Consigne** : Vous devez souder une tôle d’acier doux S235JR de 8 mm d’épaisseur en position plate, à l’aide d’une électrode enrobée. Déterminez le diamètre d’électrode approprié, le type d’enrobage recommandé et le courant de soudage à régler sur le poste (en supposant une électrode rutiles). **Corrigé** 1. **Diamètre d’électrode** : Pour une épaisseur de 8 mm, on utilise généralement une électrode dont le diamètre est compris entre 1/4 et 1/3 de l’épaisseur. \[ d = \frac{8}{3} \approx 2,7\text{ mm} \;\rightarrow\; \text{on choisit la taille commerciale la plus proche : } \varnothing 3,2\text{ mm} \] 2. **Type d’enrobage** : En position plate, on privilégie une électrode rutiles (R) pour son bon amorçage et sa faible projection. 3. **Courant de soudage** : Avec la règle \(I ≈ 30 \times d\) (rutile) : \[ I ≈ 30 \times 3,2 = 96\text{ A} \] On règle le poste à **100 A** (valeur la plus proche disponible sur le sélecteur). **Vérification** : Un courant de 100 A avec une électrode Ø 3,2 mm rutiles donne une pénétration suffisante pour 8 mm d’épaisseur sans risque de brûlure traversante. --- ### Exercice 2 – Calcul de la longueur de câble de masse nécessaire **Consigne** : Dans un atelier, la pince de masse doit être reliée à une pièce située à 12 m du poste de soudage. Le câble de masse doit avoir une section minimale de 16 mm² pour supporter le courant de soudage de 150 A sans dépasser une chute de tension de 2 V. Vérifiez si cette section est suffisante sachant que la résistivité du cuivre à 20 °C est \(\rho = 1,68 \times 10^{-8}\ \Omega·m\). **Corrigé** La résistance d’un conducteur de longueur \(L\) et de section \(S\) est : \[ R = \rho \frac{L}{S} \] Avec \(L = 2 \times 12\text{ m} = 24\text{ m}\) (aller‑retour), \(S = 16\text{ mm}^2 = 16 \times 10^{-6}\text{ m}^2\) : \[ R = 1,68 \times 10^{-8} \times \frac{24}{16 \times 10^{-6}} = 1,68 \times 10^{-8} \times 1,5 \times 10^{6} = 0,0252\ \Omega \] Chute de tension : \(\Delta U = I \times R = 150 \times 0,0252 = 3,78\ \text{V}\) Cette chute dépasse la limite de 2 V imposée. **Solution** : Augmenter la section. On recherche \(S\) telle que \(\Delta U ≤ 2\ \text{V}\) : \[ S ≥ \rho \frac{L I}{\Delta U_{max}} = 1,68 \times 10^{-8} \times \frac{24 \times 150}{2} = 1,68 \times 10^{-8} \times 1800 = 3,024 \times 10^{-5}\ \text{m}^2 = 30,2\ \text{mm}^2 \] On choisira donc un câble de **35 mm²** (section commerciale supérieure) pour garantir une chute de tension < 2 V. --- ### Exercice 3 – Détection et correction d’un défaut de soudure **Consigne** : Lors du contrôle visuel d’un cordon de soudure réalisé sur une tôle de 6 mm, vous observez des porosités réparties le long du cordon et une légère sous‑coupure aux bords. Proposez deux causes probables pour chaque défaut et les actions correctives associées. **Corrigé** | Défaut | Causes probables | Actions correctives | |--------|------------------|---------------------| | Porosités | 1. Présence d’humidité ou de contaminants (huile, peinture) sur la surface de la pièce avant soudage.<br>2. Débit de gaz de protection insuffisant (si électrode à âme fluide) ou électrode humide. | 1. Nettoyer soigneusement la zone à souder avec un dégraissant puis une brosse métallique ; s’assurer que la pièce est sèche.<br>2. Utiliser des électrodes stockées dans un endroit sec, les préchauffer à 100‑120 °C pendant 1 h si nécessaire ; vérifier le débit de gaz (si applicable) et ajuster à la valeur recommandée (10‑15 L/min). | | Sous‑coupure | 1. Courant de soudage trop faible pour assurer une bonne fusion aux bords du bain.<br>2. Angle de la porte‑électrode trop fermé (< 60°) entraînant un apport de métal insuffisant sur les côtés. | 1. Augmenter le courant de 10‑15 % (ex. passer de 100 A à 115 A) tout en surveillant la pénétration.<br>2. Ouvrir l’angle de la porte‑électrode à 70‑80° et maintenir une vitesse de déplacement régulière ; éventuellement réduire légèrement la vitesse pour augmenter l’apport de métal. | Après application des corrections, réaliser un nouveau cordon de même longueur et le contrôler à nouveau visuellement et par essai de flexion. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Ne pas vérifier l’état du masque** (verre rayé, fissuré) | Exposition aux rayonnements UV/IR → conjonctivite, cataracte précoce. | Avant chaque utilisation, inspecter le masque ; remplacer le verre dès la première rayure visible. | | 2 | **Souder avec des câbles d’alimentation ou de masse endommagés** (coupures, sections réduites) | Surchauffe, risque d’incendie, chute de tension importante → mauvais amorçage de l’arc. | Effectuer un test de continuité et mesurer la résistance du câble ; remplacer tout câble présentant une résistance > 0,1 Ω ou des signes d’usure. | | 3 | **Ne pas nettoyer la pièce avant soudage** (présence de rouille, peinture, huile) | Porosité, manque de fusion, adhérence faible du cordon. | Dégraisser avec un solvant adapté, puis brosser à la métallique ; s’assurer que la surface est métalliquement propre avant d’amorcer l’arc. | | 4 | **Utiliser une électrode humide ou stockée dans un endroit humide** | Porosité importante, éclaboussures, instabilité de l’arc. | Stocker les électrodes dans un étuve à 100‑120 °C ou dans un sachet déshydratant ; les préchauffer si l’humidité est suspectée. | | 5 | **Souder sans protection auditive** dans un environnement bruyant (meuleuse, tronçonneuse) | Surdité progressive, stress. | Porter des bouchons d’oreille ou un casque antibruit lorsque le niveau sonore dépasse 85 dB(A). | | 6 | **Laisser le poste sous tension sans surveillance** | Risque d’arc parasite, brûlure, détérioration du matériel. | Toujours couper le courant au sélecteur et mettre l’interrupteur général sur OFF lorsqu’on quitte le poste, même pour une courte pause. | > **>** En cas d’incendie électrique, utiliser un extincteur à poudre ABC ou CO₂ ; ne jamais utiliser d’eau sur un feu d’origine électrique. > **>** La formation aux gestes de premiers secours (compression thoracique, traitement des brûlures) est obligatoire pour tout personnel d’atelier de soudage. --- *Fin du cours.*