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

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - choisir et régler les paramètres de soudage à l’arc électrique adaptés aux positions verticale et au plafond ; - réaliser des cordons de soudure conformes aux normes camerounaises (NM 01‑02‑03) dans ces positions difficiles ; - détecter et corriger les défauts les plus fréquents (porosité, fissures, manque de pénétration) ; - appliquer les règles de sécurité spécifiques au soudage en hauteur ou en position inconfortable. **Prérequis** : - maîtrise du soudage à l’arc électrique en position plate (Leçon 21) ; - connaissance des types d’électrodes (rutile, basique, cellulosique) et de leurs caractéristiques ; - notions de lecture de plans mécaniques et de cotation des soudures ; - port obligatoire des EPI (casque à filtre automatique, gants, chaussures de sécurité, protection auditive). --- ## Introduction contextualisée Dans les ateliers de fabrication mécanique au Cameroun, les structures métalliques (charpentes de bâtiments, supports de machines agricoles, châssis de véhicules) sont souvent assemblées par soudage à l’arc électrique. Les contraintes de chantier imposent fréquemment de souder en position verticale (murs, poteaux) ou au plafond (poutres suspendues, ossatures de toiture). Maîtriser ces positions permet d’assurer la continuité de la chaîne de production sans devoir démonter ou repositionner les pièces, ce qui réduit les temps d’arrêt et les coûts de main‑d’œuvre. Le présent cours détaille les réglages, les gestes techniques et les contrôles qualité spécifiques à ces deux positions, puis propose une activité d’intégration où l’élève doit réaliser un assemblage complet conforme à un plan industriel camerounais. --- ## I. Application correcte des positions de soudage : à la verticale et au plafond (TP9) ### 1. Principes généraux du soudage en position inclinée Lorsque la gravité agit perpendiculairement ou opposé au cordon de soudure, le métal fondu a tendance à s’écouler, provoquant des défauts de forme (coulures, sous‑fusion) ou de pénétration. Il faut donc : - **Réduire l’apport de chaleur** (courant inférieur, arc plus court) pour limiter la taille du bain fondu ; - **Augmenter la vitesse de déplacement** de l’électrode pour éviter l’accumulation de métal ; - **Utiliser une électrode adaptée** (rutile pour une meilleure fluidité, basique pour une pénétration profonde quand l’épaisseur le permet) ; - **Incliner l’électrode** dans le sens opposé à la gravité (technique du « poussé » ou « tiré ») afin de diriger le métal fondu vers la zone déjà solidifiée. > **> Règle de base** : En position verticale ou au plafond, le courant de soudage doit être diminué de 10 à 20 % par rapport à la position plate pour une même épaisseur de tôle. ### 2. Soudage à la verticale #### 2.1. Positions de travail - **Verticale montante** : soudure réalisée de bas en haut (le métal fondu tombe vers la zone déjà soudée). - **Verticale descendante** : soudure réalisée de haut en bas (risque plus élevé de coulure, réservé aux électrodes celluloses et aux faibles épaisseurs). #### 2.2. Paramètres de réglage (exemple pour tôle d’acier S235 de 6 mm) | Épaisseur (mm) | Type d’électrode | Courant (A) | Tension (V) | Vitesse de déplacement (mm/min) | Angle d’inclinaison électrode | |----------------|------------------|------------|------------|----------------------------------|------------------------------| | 4 | Rutile 3,2 mm | 80‑90 | 22‑24 | 150‑180 | 10‑15° poussé | | 6 | Rutile 4,0 mm | 100‑115 | 23‑25 | 130‑150 | 12‑18° poussé | | 8 | Basique 3,2 mm | 130‑150 | 24‑26 | 110‑130 | 15‑20° poussé | > **> Astuce** : Pour la verticale montante, commencez l’amorçage à 5 mm du bord et remontez en faisant de petits mouvements de va‑et‑vient (technique du « pointillé ») afin de stabiliser le bain. #### 2.3. Défauts fréquents et corrections | Défaut | Cause probable | Action corrective | |--------|----------------|-------------------| | Sous‑fusion (manque de pénétration) | Courant trop faible ou vitesse trop élevée | Augmenter le courant de 5‑10 % ou réduire la vitesse | | Coulure (métal qui tombe) | Courant trop élevé ou angle trop fermé | Diminuer le courant, augmenter l’angle d’inclinaison | | Porosité | Humidité sur l’électrode ou contamination | Sécher les électrodes, nettoyer la zone de soudure | ### 3. Soudage au plafond #### 3.1. Particularités Le métal fondu tombe vers le sol, ce qui augmente le risque de projections et de manque de fusion si le bain est trop volumineux. La technique du « tiré » (électrode dirigée vers la zone déjà solidifiée) est privilégiée. #### 3.2. Paramètres de réglage (exemple même épaisseur 6 mm) | Épaisseur (mm) | Type d’électrode | Courant (A) | Tension (V) | Vitesse de déplacement (mm/min) | Angle d’inclinaison électrode | |----------------|------------------|------------|------------|----------------------------------|------------------------------| | 6 | Rutile 4,0 mm | 90‑105 | 22‑24 | 120‑140 | 10‑15° tiré | | 6 | Basique 3,2 mm | 115‑130 | 23‑25 | 100‑120 | 12‑18° tiré | > **> Règle de sécurité** : Toujours utiliser un écran facial avec filtre teinte 11‑13 et un masque anti‑projections lorsqu’on soude au plafond, car les éclats peuvent atteindre le visage et les voies respiratoires. #### 3.3. Procédure pas à pas 1. **Préparation** : nettoyer la zone (brosse métallique, dégraissant), positionner la pièce de façon à ce que le cordon soit horizontal par rapport au soudeur (éviter les torsions du poignet). 2. **Amorçage** : frapper l’arc à 5 mm du bord, maintenir l’arc court (2‑3 mm). 3. **Déplacement** : tirer l’électrode vers soi avec un angle de 10‑15°, avancer à vitesse régulière, surveiller la forme du cordon (largeur régulière, absence de gouttes). 4. **Refroidissement** : laisser refroidir à l’air libre, éviter le refroidissement brutal qui provoquerait des fissures de retrait. 5. **Contrôle visuel** : vérifier l’absence de sous‑fusion, de porosité et de projections excessives ; effectuer un test de pénétration au besoin (méthode du liquide pénétrant ou radiographie légère si disponible). ### 4. Exemple chiffré : détermination du courant optimal **Données** : tôle d’acier S235, épaisseur 8 mm, électrode basique 3,2 mm, position verticale montante. **Formule empirique (CSA‑W59)** : \[ I = 40 \times \sqrt{e} \quad (I \text{ en A}, e \text{ en mm}) \] Calcul : \[ I = 40 \times \sqrt{8} = 40 \times 2,828 \approx 113 \text{ A} \] Comme nous sommes en position verticale, on applique la réduction de 15 % : \[ I_{vert} = 113 \times (1 - 0,15) \approx 96 \text{ A} \] On choisira donc un réglage entre 95 A et 100 A, en vérifiant l’aspect du cordon lors d’un essai sur une chute de matière. --- ## II. Activités d’intégration ### 1. Cahier des charges de l’activité - **Objet** : Réaliser un assemblage en T (montant vertical + platine horizontale) simulant un poteau de soutien de charpente métallique, épaisseur 6 mm, acier S235. - **Positions requises** : soudure de la platine au montant en position verticale montante (côté intérieur) et soudure de renfort en angle au plafond (côté extérieur). - **Normes** : respecter la NM 01‑02‑03 (cordon de soudure filet, pénétration minimale 0,7 e, aspect lisse, sans défauts visibles). - **Livrables** : pièce assemblée, fiche de réglage (courant, tension, vitesse, type d’électrode), rapport de contrôle visuel et photographique. ### 2. Déroulement proposé (90 min) | Temps | Étape | Consignes | |-------|-------|-----------| | 0‑10 min | Briefing sécurité | Vérifier EPI, vérifier la mise à la terre du poste à souder, baliser la zone de travail. | | 10‑20 min | Préparation des pièces | Découper, ébavurer, nettoyer les surfaces de soudure, positionner les pièces avec serre-joints. | | 20‑35 min | Soudure verticale montante | Régler le poste selon le tableau de la section I.2, réaliser un cordon d’essai sur chute, puis souder la platine au montant. | | 35‑50 min | Soudure au plafond | Changer l’électrode si nécessaire, ajuster les paramètres (section I.3), réaliser le cordon de renfort en angle au plafond. | | 50‑65 min | Refroidissement et nettoyage | Laisser refroidir à l’air, éliminer les scories avec une brosse métallique. | | 65‑80 min | Contrôle qualité | Inspection visuelle (loupe 10×), mesure de la largeur du cordon, test de pénétration à l’aide d’un poinçon de 2 mm (pas de fissure visible). | | 80‑90 min | Débriefing | Remplir la fiche de relevé, discuter des difficultés rencontrées, proposer des améliorations. | ### 3. Grille d’évaluation (sur 20 points) | Critère | Points | Description | |---------|--------|-------------| | Respect des consignes de sécurité | 4 | EPI présents, zone balisée, mise à la terre vérifiée. | | Choix et réglage des paramètres | 4 | Courant, tension, vitesse adaptés aux positions et épaisseur. | | Qualité du cordon verticale | 4 | Aspect régulier, pénétration ≥0,7 e, absence de défauts majeurs. | | Qualité du cordon plafond | 4 | Même critères, contrôle des projections. | | Rapport et fiche de réglage | 2 | Complétude, clarté, relevé des valeurs réelles. | | **Total** | **20** | — | --- ## Synthèse du chapitre - **Positions de soudage** : verticale (montante/descendante) et plafond nécessitent une réduction du courant (10‑20 %) et une augmentation de la vitesse de déplacement comparées à la position plate. - **Paramètres clés** : type d’électrode (rutile pour fluidité, basique pour pénétration), courant, tension, vitesse, angle d’inclinaison de l’électrode (poussé pour verticale, tiré pour plafond). - **Défauts fréquents** : sous‑fusion, coulure, porosité ; corrigés par ajustement du courant, de la vitesse, de l’angle et de la propreté des pièces. - **Sécurité** : EPI obligatoires (casque teinte 11‑13, gants, chaussures, protection auditive), ventilation ou aspiration des fumées, vérification de la mise à la terre, zone de travail balisée. - **Contrôle qualité** : inspection visuelle (largeur, aspect, absence de défauts), test de pénétration (poinçon ou liquide pénétrant), respect de la NM 01‑02‑03 (pénétration ≥0,7 e). - **Activité d’intégration** : assemblage en T avec soudure verticale montante et soudure au plafond, évalué sur sécurité, réglage, qualité des cordons et documentation. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Courant de soudage** | Intensité électrique (ampères) qui détermine la quantité de chaleur générée dans l’arc. | | **Tension d’arc** | Différence de potentiel (volts) maintenue entre l’électrode et la pièce, influençant la forme de l’arc. | | **Électrode rutile** | Électrode revêtue d’oxyde de titane, offrant une bonne fluidité du métal fondu et un arc stable, idéale pour positions difficiles. | | **Électrode basique** | Électrode revêtue de fluorures de calcium, donnant une pénétration profonde et une bonne résistance mécanique, mais nécessitant un arc plus sec. | | **Position verticale montante** | Soudure réalisée de bas en haut, le métal fondu tombe vers la zone déjà solidifiée. | | **Position plafond** | Soudure réalisée au-dessus de la tête du soudeur, le métal fondu tombe vers le sol. | | **Poussé / tiré** | Technique d’inclinaison de l’électrode : poussé (électrode dirigée devant le bain) pour verticale, tiré (électrode dirigée vers le bain déjà solidifié) pour plafond. | | **Scorie** | Résidu non métallique formé par la réaction du revêtement de l’électrode avec l’air et les impuretés, à éliminer après soudure. | | **Penetration (e)** | Profondeur de fusion du métal de base dans le cordon, exprimée en mm ; la norme exige ≥0,7 × épaisseur pour un filet. | | **NM 01‑02‑03** | Norme camerounaise définissant les exigences de qualité des soudures à l’arc électrique en construction métallique. | | **EPI** | Équipements de Protection Individuelle (casque, gants, chaussures, protection auditive, masque). | | **Fumées de soudage** | Gaz et particules métalliques émises lors de l’arc, nécessitant une aspiration ou une ventilation adéquate. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Réglage du poste **Consigne** : Vous devez souder une tôle d’acier S235 de épaisseur 5 mm en position verticale montante avec une électrode rutile de 3,2 mm. Déterminez le courant de soudage à appliquer en utilisant la formule empirique \( I = 40 \sqrt{e} \) puis la réduction de 15 % pour la position verticale. **Corrigé** : - Calcul du courant de base : \( I = 40 \times \sqrt{5} = 40 \times 2,236 = 89,4 \text{ A} \approx 90 \text{ A} \). - Réduction verticale : \( I_{vert} = 90 \times (1 - 0,15) = 90 \times 0,85 = 76,5 \text{ A} \approx 77 \text{ A} \). - **Réponse** : Régler le poste à **77 A** (plage de réglage 75‑80 A), tension environ 22‑23 V, vitesse de déplacement 140‑160 mm/min, angle d’inclinaison 10‑15° poussé. ### Exercice 2 – Contrôle de pénétration **Consigne** : Après soudure d’un filet sur une tôle de 6 mm d’épaisseur, vous mesurez une largeur de cordon de 8 mm et une profondeur de fusion (pénétration) de 3,2 mm. Vérifiez si la soudure respecte la norme NM 01‑02‑03. **Corrigé** : - La norme exige une pénétration minimale de \(0,7 \times e = 0,7 \times 6 = 4,2 \text{ mm} \). - La pénétration mesurée est de 3,2 mm, donc **inférieure** au requis. - **Conclusion** : La soudure est **non conforme** ; il faut augmenter l’apport de chaleur (courant ou vitesse réduite) pour obtenir au moins 4,2 mm de pénétration. ### Exercice 3 – Choix de l’électrode **Consigne** : Vous devez réaliser une soudure en plafond sur une pièce d’acier de 8 mm d’épaisseur, soumis à une charge de traction importante. Quel type d’électrode choisiriez‑vous et pourquoi ? **Corrigé** : - En plafond, le risque de manque de fusion est élevé ; il faut privilégier une pénétration profonde. - L’électrode **basique** (ex. E7018) fournit une pénétration supérieure et une meilleure résistance mécanique que le rutile. - **Choix** : Électrode basique de diamètre 3,2 mm (ou 4,0 mm selon le courant disponible), avec un courant d’environ 130‑150 A, tension 24‑26 V, vitesse 100‑120 mm/min, angle tiré 12‑18°. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / correction | |----|------------------|-------------|-----------------------------------| | 1 | **Courant trop élevé en position verticale** | Coulure, projections excessives, sous‑fusion par refroidissement trop rapide du bain. | Toujours réduire le courant de 10‑20 % par rapport à la position plate ; vérifier avec un essai sur chute. | | 2 | **Électrode humide** (pas de séchage) | Porosité, fissures à froid, mauvaise adhérence du métal de base. | Stocker les électrodes dans un étuve à 120 °C ou utiliser un séchoir avant emploi ; contrôler l’aspect du revêtement (pas de traces d’humidité). | | 3 | **Angle d’inclinaison incorrect** (ex. électrode trop verticale en plafond) | Manque de pénétration, formation de gouttes qui tombent sur le sol, risque de brûlure. | Respecter l’angle recommandé (poussé 10‑15° pour verticale, tiré 10‑18° pour plafond) et contrôler visuellement pendant le soudage. | | 4 | **Absence de mise à la terre du poste** | Risque de choc électrique, mauvais fonctionnement de l’arc, détérioration de l’équipement. | Vérifier la connexion de la pince de masse à la pièce avant chaque amorçage ; utiliser un câble de section adaptée (≥16 mm² pour 200 A). | | 5 | **Ventilation insuffisante** lors de soudage en espace clos | Inhalation de fumées toxiques (oxydes d’azote, ozone, métaux lourds) pouvant entraîner des maladies respiratoires. | Installer un extracteur local ou travailler en extérieur avec un masque à filtre P3 ; respecter les temps de pause prescrits par la médecine du travail. | | 6 | **Nettoyage inadéquat des scories** avant la passe suivante | Inclusions de scories, points faibles, risque de fissuration sous charge. | Éliminer les scories à l’aide d’une brosse métallique ou d’un marteau à piquer immédiatement après chaque passe, avant de reprendre l’arc. | --- *Fin du cours.*