Techniques d'assemblage par soudage à l'arc électrique (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Définir les différents types d’assemblage mécaniques et justifier le choix d’un procédé selon les contraintes fonctionnelles (résistance, étanchéité, accès, coût, délai). - Identifier les principaux procédés de soudage à l’arc électrique (SMAW, GMAW, GTAW, FCAW) et leurs domaines d’application au Cameroun. - Appliquer correctement les positions de soudage **à plat (PA)** et **en corniche (PB)** en respectant les paramètres de poste, la technique du cordon et les règles de sécurité. - Réaliser un calcul simple d’apport thermique et interpréter son influence sur la qualité de la soudure. - Rédiger un rapport d’atelier comportant les étapes de préparation, de réglage, d’exécution et de contrôle d’une soudure en position donnée. **Prérequis :** - Notions de lecture de plans industriels (cotes, symboles de soudure). - Connaissances de base en métallurgie (types d’aciers, limites élastiques, effets de la chaleur). - Maîtrise des règles d’hygiène et de sécurité en atelier (port des EPI, ventilation, prévention des risques électriques). --- ## Introduction contextualisée Dans les ateliers de métallurgie du Cameroun, qu’il s’agisse de la fabrication de charpentes pour les bâtiments publics, de la réparation de châssis de véhicules ou de la construction d’équipements agricoles, le soudage à l’arc électrique reste le procédé d’assemblage le plus répandu. Sa polyvalence, son coût relativement faible et sa capacité à produire des joints résistants dans diverses positions en font un incontournable du programme **Fabrication des éléments mécaniques** (Première, séries MEM). Le présent cours aborde deux leçons essentielles du référentiel MINESEC/IGE : 1. **Leçon 20** – Présentation des principaux types d’assemblage, afin de permettre à l’élève de situer le soudage parmi les autres procédés (boulonnage, rivetage, collage, etc.) et de choisir le procédé le plus adapté à une situation donnée. 2. **Leçon 21 (TP8)** – Application correcte des positions de soudage **à plat** et **en corniche**, compétences pratiques indispensables pour réaliser des cordons de qualité conformes aux normes industrielles et aux exigences de l’examen probatoire. --- ## I. Leçon 20 – Présentation des principaux types d’assemblage ### A. Définition de l’assemblage Un **assemblage** est l’union de deux ou plusieurs pièces afin de constituer un élément mécanique capable de transmettre des efforts, de garantir l’étanchéité ou d’assurer une fonction spécifique. Selon la norme NF E 01‑005, on distingue les assemblages **permanents** (soudage, brasage, rivetage, collage) et les assemblages **démontables** (boulonnage, vissage, clavetage). > Un assemblage permanent ne permet pas la séparation des pièces sans endommager l’une d’elles. ### B. Classification des assemblages | Type d’assemblage | Caractéristique principale | Exemple d’application au Cameroun | |-------------------|----------------------------|-----------------------------------| | Soudage | Fusion locale des métaux d’apport et de base | Charpentes métalliques de bâtiments scolaires | | Boulonnage | Assemblage démontable par boulons et écrous | Montage de équipements de pompage | | Rivetage | Assemblage permanent par déformation du rivet | Réparation de réservoirs de carburant | | Collage (adhésif) | Liaison par adhésif structural | Fixation de panneaux isolants sur façades | | Brasage | Fusion d’un apport à basse température (< 450 °C) | Assemblage de tuyauterie en cuivre | ### C. Principaux procédés de soudage à l’arc électrique | Procédé | Sigle | Électrode / fil | Gaz de protection | Domaines d’usage fréquents | |---------|-------|----------------|-------------------|----------------------------| | Soudage à l’arc avec électrode enrobée | SMAW (Shielded Metal Arc Welding) | Électrode enrobée (rutile, basique) | Aucun (gaz provenant de l’enrobage) | Maintenance, chantiers de construction | | Soudage MIG/MAG | GMAW (Gas Metal Arc Welding) | Fil plein ou fourré | Argon, CO₂, mélanges | Fabrication série, carrosserie | | Soudage TIG | GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) | Électrode tungstène | Argon, hélium | Soudure fine, acier inoxydable, aluminium | | Soudage à fil fourré | FCAW (Flux Cored Arc Welding) | Fil fourré (avec ou sans gaz) | Gaz éventuel (CO₂/Argon) | Épais sections, travaux extérieurs | > Le choix du procédé dépend de l’épaisseur des pièces, de la position de soudure, de la disponibilité du gaz et du niveau de qualification du soudeur. ### D. Critères de choix d’un type d’assemblage 1. **Résistance mécanique requise** – effort de traction, cisaillement, fatigue. 2. **Étanchéité** – présence de fluides sous pression (gaz, huile, eau). 3. **Accès à la zone de soudure** – géométrie de la pièce, contraintes d’encombrement. 4. **Coût et délai** – prix des consommables, temps de préparation, besoin de préchauffage. 5. **Normes et spécifications client** – exigences de la commande publique ou privée. ### E. Exemple d’atelier au Cameroun Dans un atelier de fabrication de poutres en I pour la construction de salles de classe à Yaoundé, le chef d’atelier choisit le **soudage FCAW (fil fourré)** avec gaz de protection CO₂/Argon 75/25 pour assembler les ailes à l’âme. Ce procédé permet : - Un dépôt métallique élevé (≈ 120 g/min) adapté aux épaisseurs de 6 mm. - Une bonne pénétration même en position légèrement inclinée. - Un nettoyage de laitier limité, réduisant le temps de post‑traitement. --- ## II. Leçon 21 (TP8) – Application correcte des positions de soudage : à plat et en corniche ### A. Positions de soudage selon la norme ISO 6947 La norme définit quatre positions de base pour le soudage à l’arc : | Code | Position | Description | |------|----------|-------------| | PA | À plat (flat) | Soudure réalisée sur une surface horizontale, axe de la torche perpendiculaire à la pièce. | | PB | En corniche (horizontal‑vertical) | Soudure sur un joint où l’axe de la torche forme un angle de 45° avec la surface horizontale (ex. joint en T). | | PC | Verticale (vertical) | Soudure sur une surface verticale, montée ou descendante. | | PD | En plafond (overhead) | Soudure réalisée sous la pièce, axe de la torche dirigé vers le haut. | > En position PA, la gravité aide à la formation du bain de fusion ; en PB, elle agit partiellement contre le bain, nécessitant une technique adaptée. ### B. Position à plat (PA) – caractéristiques et mise en œuvre 1. **Préparation de la pièce** - Découpage à la cote souhaitée, ébavurage, nettoyage (dégraissage, brossage). - Alésage ou chanfrein si épaisseur > 3 mm (angle de chanfrein 30‑35°, racine 1‑2 mm). 2. **Réglage du poste de soudage** (exemple SMAW, électrode rutiles Ø 3,2 mm) - Tension d’arc U ≈ 20 V. - Courant I ≈ 130‑150 A (fonction de l’épaisseur et du type d’électrode). - Polarité : électrode négative (EN) pour les électrodes rutiles, positive (EP) pour les basiques. 3. **Technique du cordon** - Mouvement linéaire régulier, vitesse de déplacement **v** ≈ 10‑15 cm/min. - Angle de la torche ≈ 10‑15° en poussée (drag) pour éviter l’entretien de scories. - Longueur d’arc constante ≈ 2‑3 mm. 4. **Contrôle visuel** - Cordon régulier, légèrement convexe, absence de fissures, de porosité ou de sous‑fusion. - Vérification de la pénétration par test de pliage ou radiographie si nécessaire. > En position PA, l’apport thermique maximal se situe au centre du cordon ; une vitesse trop basse provoque une surchauffe et une déformation. ### C. Position en corniche (PB) – caractéristiques et mise en œuvre 1. **Préparation de la pièce** - Même préparation que pour PA, mais attention à l’ajustement du jeu (0,5‑1 mm) pour permettre la pénétration du métal d’apport dans la racine. - Utilisation de cales ou de serre‑joints pour maintenir l’angle de 45° pendant le soudage. 2. **Réglage du poste** (exemple GMAW, fil fourré Ø 1,2 mm, gaz CO₂/Argon 75/25) - Tension U ≈ 22‑24 V. - Courant I ≈ 180‑200 A. - Vitesse de fil ≈ 6‑8 m/min. - Angle de travail de la torche ≈ 10‑15° en poussée, dirigé légèrement vers la pièce supérieure pour faciliter l’écoulement du métal fondu. 3. **Technique du cordon** - Mouvement en **va-et-vient léger** (oscillation de 2‑3 mm) pour assurer une bonne répartition du métal d’apport de chaque côté du joint. - Vitesse de déplacement **v** ≈ 8‑12 cm/min (plus lente qu’en PA pour compenser l’effet de la gravité qui tends à faire retomber le bain). - Surveillance constante de la forme du bain : il doit rester légèrement convexe et ne pas présenter de gouttes. 4. **Contrôle visuel** - Cordon régulier, légèrement en forme de « cœur », bonne fusion des deux ailes. - Absence de sous‑fusion à la racine, de projections excessives ou de fissures à la pointe du cordon. > En position PB, la gravité agit contre le métal fondu du côté supérieur ; une technique de poussée légère et une vitesse réduite permettent de maintenir le bain en place. ### D. Procédure pas à pas (exemple atelier) | Étape | Action | Détails | |-------|--------|---------| | 1 | Lecture du plan | Identifier le type de joint (ex. joint en T, épaisseur 3 mm). | | 2 | Préparation | Découpage, ébavurage, nettoyage, mise en place de cales pour maintenir l’angle 45°. | | 3 | Réglage du poste | Sélection du procédé, réglage U, I, vitesse de fil, gaz. | | 4 | Soudure à blanc (test) | Réaliser un petit cordon sur une chute pour vérifier la pénétration et la forme. | | 5 | Soudure définitive | Exécuter le cordon en suivant la technique décrite (PA ou PB). | | 6 | Refroidissement contrôlé | Laisser refroidir à l’air libre ou avec un léger souffle d’air comprimé (éviter le choc thermique). | | 7 | Contrôle qualité | Inspection visuelle, test de pliage ou mesure de la largeur de pénétration si requis. | | 8 | Nettoyage | Élimination du laitier, brossage, application d’un apprêt anti‑corrosion si nécessaire. | ### E. Sécurité et hygiène - **Équipements de protection individuelle (EPI)** : masque de soudage à filtre automatique (teinte 10‑13), gants en cuir, tablier ignifuge, chaussures de sécurité, protection auditive. - **Ventilation** : extraction locale des fumées (aspirateur à filtre HEPA) ou travail en extérieur avec brise naturelle ; éviter l’inhalation de gaz d’ozone et de particules métalliques. - **Protection contre les rayonnements UV/IR** : écran facial, crème solaire indice > 30 sur les parties exposées. - **Prévention des risques électriques** : vérification de la mise à la terre du poste, utilisation de câbles isolés, arrêt d’urgence accessible. - **Gestion des gaz** : stockage des bouteilles d’argon/CO₂ en position verticale, éloigné des sources de chaleur, détendeur conforme, vérification des fuites avec solution savonneuse. > Le non‑respect du port du masque de soudage peut entraîner une conjonctivite aiguë (photokératite) en moins de 30 secondes d’exposition à l’arc. ### F. Exemple chiffré : calcul de l’apport thermique en position PA Formule de l’apport thermique linéaire **Q** (J/mm) pour un soudage à l’arc : \[ Q = \frac{U \times I \times 60}{v} \] où : - **U** = tension d’arc (V) - **I** = courant de soudage (A) - **v** = vitesse de déplacement (mm/min) - 60 = facteur de conversion min → s **Données** : U = 20 V, I = 150 A, v = 100 mm/min (soit 10 cm/min). \[ Q = \frac{20 \times 150 \times 60}{100} = \frac{180\,000}{100} = 1\,800\ \text{J/mm} \] **Interprétation** : Un apport de 1,8 kJ/mm est adapté à une tôle d’acier doux de 3 mm (apport typique 1,0‑2,5 kJ/mm). Si la vitesse était augmentée à 20 cm/min (v = 200 mm/min), Q retomberait à 0,9 kJ/mm, risquant une sous‑fusion. > Un apport thermique trop élevé provoque un grain grossier et une perte de résistance mécanique ; un apport trop faible entraîne un manque de pénétration et des défauts de cohésion. --- ## Synthèse du chapitre - **Types d’assemblage** : permanents (soudage, brasage, rivetage, collage) vs démontables (boulonnage, vissage, clavetage). - **Critères de choix** : résistance, étanchéité, accès, coût, délai, normes. - **Procédés de soudage à l’arc** : SMAW (électrode enrobée), GMAW (MIG/MAG), GTAW (TIG), FCAW (fil fourré). - **Positions de soudage** : PA (à plat) – gravité favorable ; PB (en corniche) – gravité partiellement défavorable. - **Réglage du poste** : fonction du procédé, épaisseur, type d’électrode/fil, gaz de protection. - **Technique du cordon** : vitesse d’avance, angle de torche, mouvement (linéaire ou oscillatoire), longueur d’arc constante. - **Apport thermique** : \( Q = \frac{U I 60}{v} \) (J/mm) ; doit être adapté à l’épaisseur et au matériau. - **Sécurité** : EPI, ventilation, protection UV/IR, mise à la terre, gestion des gaz. - **Contrôle qualité** : inspection visuelle, essais de pliage, radiographie si nécessaire. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Assemblage permanent** | Union de pièces qui ne peut être séparée sans endommager au moins une des pièces. | | **Assemblage démontable** | Union permettant la séparation des pièces sans dégradation significative. | | **Soudage à l’arc électrique** | Procédé qui crée une fusion locale par un arc électrique entre une électrode et la pièce à souder. | | **SMAW** | Soudage à l’arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding). | | **GMAW** | Soudage MIG/MAG avec fil plein ou fourré et gaz de protection (Gas Metal Arc Welding). | | **GTAW** | Soudage TIG avec électrode tungstène et gaz inerte (Gas Tungsten Arc Welding). | | **FCAW** | Soudage à fil fourré, avec ou sans gaz extérieur (Flux Cored Arc Welding). | | **Position PA** | Soudure à plat, axe de la torche perpendiculaire à la surface horizontale. | | **Position PB** | Soudure en corniche, angle de 45° entre l’axe de la torche et la surface horizontale. | | **Apport thermique (Q)** | Quantité d’énergie apportée par unité de longueur de soudure, exprimée en J/mm. | | **Laitier** | Résidu non métallique formé par l’enrobage de l’électrode ou le flux, à éliminer après soudure. | | **Penetration** | Profondeur de fusion du métal d’apport dans la pièce de base. | | **Porosité** | Présence de cavités gazeuses dans le métal de soudure, défaut pouvant réduire la résistance. | | **Choc thermique** | Refroidissement rapide pouvant provoquer des fissures par contraintes résiduelles. | | **ÉPI** | Équipements de Protection Individuelle (masque, gants, tablier, chaussures). | --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Choix du type d’assemblage **Situation** : Une entreprise de fabrication de réservoirs de carburant destinés à des générateurs électriques doit assembler deux tôles d’acier de 4 mm d’épaisseur formant un cylindre de diamètre 600 mm. Le réservoir devra contenir du carburant sous une pression de 0,5 bar et sera exposé à des variations de température de –10 °C à +45 °C. **Questions** : 1. Quel type d’assemblage serait le plus adapté et pourquoi ? 2. Quel procédé de soudage à l’arc serait recommandé pour réaliser les soudures longitudinales du cylindre ? Justifiez votre choix en termes de pénétration, de vitesse de dépôt et de sensibilité aux défauts. 3. Indiquez une précaution de sécurité particulière à observer lors du soudage de ce réservoir. **Corrigé** : 1. L’assemblage le plus adapté est le **soudage permanent** (soudage à l’arc) car il garantit l’étanchéité nécessaire à la rétention du carburant sous pression et résiste aux variations thermiques sans risque de desserrage. Un assemblage démontable (boulonnage) nécessiterait des joints d’étanchéité supplémentaires et serait moins fiable sous pression cyclique. 2. Le procédé **FCAW (fil fourré)** avec gaz de protection CO₂/Argon 75/25 est recommandé : - Il permet un dépôt métallique élevé (≈ 150 g/min) adapté à l’épaisseur de 4 mm. - La tension d’arc d’environ 22‑24 V et le courant de 180‑200 A donnent une pénétration suffisante pour assurer la continuité du métal d’apport à travers l’épaisseur. - Le procédé est peu sensible aux porosités lorsqu’on utilise un bon préchauffage (100‑150 °C) et un nettoyage soigné des bords. 3. **Précaution de sécurité** : effectuer le soudage dans une zone bien ventilée ou sous une hotte d’aspiration afin d’éviter l’inhalation des fumées contenant du monoxyde de carbone et des oxydes d’azote provenant du gaz CO₂. Le port d’un masque de soudage à teinte automatique (10‑13) et d’un respirateur à filtre adapté est obligatoire. --- ### Exercice 2 – Réglage du poste et calcul de l’apport thermique en position PB **Situation** : Un technicien doit réaliser une soudure en joint en T (position PB) sur deux profilés en acier de section carrée 50 × 50 mm, épaisseur 3 mm, à l’aide d’un poste GMAW avec fil plein Ø 0,8 mm, gaz argon pur. La vitesse de déplacement souhaitée est de 10 cm/min. **Questions** : 1. Déterminez le courant de soudage approprié (en A) sachant que la relation empirique pour le fil plein Ø 0,8 mm en argon est : \( I (A) = 20 \times d (mm) \). 2. Calculez l’apport thermique linéaire Q (J/mm) pour cette soudure. 3. Si le technicien constate une sous‑fusion à la racine, quelle modification de réglage proposerait‑vous pour améliorer la pénétration sans augmenter sensiblement l’apport thermique total ? **Corrigé** : 1. Pour un fil plein Ø 0,8 mm en argon, les tables de réglage préconisent un courant de **130‑150 A** pour une épaisseur de 3 mm. On adoptera donc \( I = 140 \) A. 2. Conversion de la vitesse : \( v = 10 \) cm/min = 100 mm/min. En utilisant \( Q = \frac{U I 60}{v} \) avec \( U = 22 \) V (tension d’arc typique du GMAW en argon) : \[ Q = \frac{22 \times 140 \times 60}{100} = \frac{184\,800}{100} = 1\,848\ \text{J/mm} \approx 1,85\ \text{kJ/mm} \] Cet apport se situe dans la fourchette recommandée pour l’acier doux de 3 mm (1,0‑2,5 kJ/mm). 3. Pour améliorer la pénétration sans augmenter sensiblement l’apport thermique total, on peut réduire légèrement la vitesse de déplacement tout en diminuant la tension d’arc pour garder \( Q \) presque constant, ou augmenter l’angle de la torche afin de diriger davantage d’énergie vers la racine. Par exemple : - Réduire la vitesse de 10 cm/min à 8 cm/min (\( v = 80 \) mm/min) et baisser la tension de 22 V à 18 V, en maintenant \( I = 140 \) A donne : \[ Q' = \frac{18 \times 140 \times 60}{80} = \frac{151\,200}{80} = 1\,890\ \text{J/mm} \] soit une valeur très proche de celle initiale, mais le temps d’interaction plus long et l’angle de torche légèrement accru favorisent une meilleure pénétration de la racine. - Une autre possibilité consiste à augmenter l’angle de la torche de 10° à 15‑20° en poussée, ce qui améliore le transfert de chaleur vers la racine sans modifier significativement \( Q \). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Mauvaise préparation des bords** (présence de rouille, peinture, graisse) | Porosité, manque de fusion, fissures à chaud | Décaper, dégraisser et brosser les surfaces avant soudure ; appliquer un apprêt anti‑rouille uniquement après soudure si nécessaire. | | 2 | **Courant trop faible** pour l’épaisseur donnée | Sous‑fusion, pénétration insuffisante, risque de rupture sous charge | Se référer aux tables de réglage du fabricant ; effectuer un essai de pénétration sur une chute avant la pièce définitive. | | 3 | **Vitesse de déplacement trop élevée** en position PB | Gouttes de métal, sous‑fusion, aspect irrégulier du cordon | Réduire la vitesse d’avance de 10‑20 % et surveiller la forme du bain ; utiliser un régleur de vitesse si disponible. | | 4 | **Oublier le port du masque de soudage** ou utiliser un filtre inadapté | Conjonctivite aiguë (photokératite), brûlures de la rétine | Vérifier la teinte du filtre avant chaque soudure (minimum 10 pour l’arc à électrode enrobée, 13 pour le TIG à haut courant) ; porter le masque en permanence pendant l’opération. | | 5 | **Mauvaise manipulation des bouteilles de gaz** (stockage horizontal, choc) | Fuites, risque d’explosion ou d’asphyxie | Stocker les bouteilles en position verticale, les fixer avec des chaînes ou des supports, vérifier l’étanchéité du détendeur avec une solution savonneuse avant chaque utilisation. | | 6 | **Refroidissement brutal** (eau ou air comprimé directement sur la soudure chaude) | Fissures par choc thermique, contraintes résiduelles élevées | Laisser refroidir à l’air libre ou utiliser un souffle d’air ambiant doux ; si un refroidissement accéléré est nécessaire, préchauffer la pièce à 150‑200 °C puis laisser descendre progressivement. | --- *Fin du cours.*