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 mécanique et citer leurs domaines d’application au Cameroun. - Expliquer le principe du soudage à l’arc électrique et distinguer les procédés SMAW, GMAW, GTAW et FCAW. - Justifier le choix d’un procédé d’assemblage en fonction des matériaux, de l’épaisseur, de la résistance requise et des contraintes de production. - Réaliser correctement un cordon de soudure en position à plat (1G/1F) et en position en corniche (2G/2F) en respectant les paramètres de courant, de tension et de vitesse de déplacement. - Appliquer les règles de sécurité et d’hygiène spécifiques au soudage à l’arc (port des EPI, ventilation, prévention des risques électriques et du rayonnement UV). **Prérequis :** - Notions de lecture de plans mécaniques (cotes, tolérances, symboles de soudure). - Connaissances de base en métallurgie (types d’aciers, limites d’élasticité, comportement à la chaleur). - Maîtrise des outils de mesure (pied à coulisse, micromètre, jauge d’épaisseur). - Règles générales de sécurité en atelier technique (port de chaussures de sécurité, interdiction de fumer près des postes de soudure). --- ## Introduction contextualisée Dans les entreprises camerounaises de construction métallique, de fabrication de matériel agricole ou de réparation d’engins lourds, le soudage à l’arc électrique reste le procédé d’assemblage le plus répandu grâce à sa polyvalence, son faible coût d’investissement et sa capacité à produire des joints résistants même sur des aciers à haute limite d’élasticité. Le programme officiel MINESEC/IGE pour la série MEM Terminale met l’accent sur deux compétences essentielles : (1) connaître les principaux types d’assemblage et savoir les sélectionner selon le cahier des charges, et (2) mettre en œuvre correctement les positions de soudage à plat et en corniche, qui constituent la base de toute opération de soudure en atelier ou sur chantier. Ce chapitre propose une approche par compétences : après une présentation théorique des familles d’assemblage, l’élève réalise une activité d’intégration qui le place en situation de technicien chargé de choisir un procédé, puis il passe à la pratique du soudage en deux positions fondamentales, en respectant les normes de sécurité en vigueur au Cameroun (arrêté n° 2005/001 du MINTP relatif à la prévention des risques liés au soudage). --- ## I. Présentation des principaux types d’assemblage ### A. Définition de l’assemblage mécanique > Un assemblage mécanique est l’union de deux ou plusieurs pièces afin de transmettre des efforts, de garantir l’étanchéité ou d’assurer une fonction spécifique, tout en permettant éventuellement un démontage ultérieur. ### B. Famille des procédés d’assemblage | Famille | Principe | Avantages principaux | Inconvénients / limites | Exemples d’application au Cameroun | |---------|----------|----------------------|--------------------------|-----------------------------------| | **Soudage** | Fusion locale des pièces avec ou sans apport de métal d’apport | Haute résistance, continuité de matière, adaptable à presque tous les métaux | Nécessite du matériel, compétences spécifiques, risques thermiques et électriques | Charpentes métalliques, réservoirs, réparations de engins TP | | **Boulonnage** | Assemblage par vis ou boulons avec écrous | Démontable, inspection facile, tolérance aux désalignements | Risque de desserrement, besoin de précontraintes, corrosion aux filets | Structures modulaires, équipements de levage | | **Rivetage** | Déformation d’un rivet pour créer une tête secondaire | Bonne résistance au cisaillement, insensible aux vibrations | Processus irréversible, accès limité aux deux côtés | Coques de bateaux, certaines carrosseries | | **Collage structural** | Adhésif polymère qui polymérise entre les surfaces | Répartition uniforme des charges, absence de points de concentration | Sensibilité à la température, préparation de surface critique | Panneaux sandwich, réparations de carrosseries en aluminium | | **Soudage par friction** | Génération de chaleur par frottement mécanique, puis forgeage | Aucun apport de métal d’apport, bonne qualité métallurgique | Équipement coûteux, limité aux formes symétriques | Arbres de transmission, pièces de moteurs | ### C. Principaux procédés de soudage à l’arc électrique 1. **SMAW (Shielded Metal Arc Welding) – électrode enrobée** - Principe : arc entre l’électrode métallique enrobée et la pièce ; le revêtement produit un gaz de protection et une scorie. - Domaines : travaux de réparation, chantiers de construction, épaisseurs > 2 mm. - Avantages : matériel peu coûteux, portabilité, bonne pénétration. - Inconvénients : taux de dépôt moyen, besoin de changer fréquemment l’électrode. 2. **GMAW (Gas Metal Arc Welding) – MIG/MAG** - Principe : fil électrode continu alimenté sous gaz de protection (argon, CO₂ ou mélange). - Domaines : tôlerie fine, fabrication de réservoirs, lignes de production. - Avantages : haut taux de dépôt, bonne qualité de cordons, automatisable. - Inconvénients : sensibilité aux courants d’air, besoin de source de gaz. 3. **GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) – TIG** - Principe : électrode tungstène non consommable, gaz de protection inerte (argon ou hélium), apport éventuel par fil d’apport séparé. - Domaines : aciers inoxydables, aluminium, pièces nécessitant une finition esthétique. - Avantages : contrôle précis, faible projection, excellente qualité métallurgique. - Inconvénients : faible vitesse de soudage, coût plus élevé. 4. **FCAW (Flux Cored Arc Welding) – fil fourré** - Principe : fil métallique contenant un flux qui génère gaz de protection et scorie en se décomposant sous l’arc. - Domaines : épaisseurs moyennes à élevées, travaux extérieurs où le vent peut perturber le gaz. - Avantages : bon taux de dépôt, moins sensible aux courants d’air que le MIG/MAG. - Inconvénients : production de scorie à enlever, coût du fil légèrement supérieur. ### D. Critères de choix d’un procédé d’assemblage - **Nature des matériaux** (acier carbone, inox, aluminium, alliages). - **Épaisseur et géométrie** des pièces (joint en bout, en T, en recouvrement). - **Exigences mécaniques** (résistance à la traction, limite d’élasticité, fatigue). - **Conditions de production** (atelier fermé, chantier extérieur, disponibilité de gaz, accès électrique). - **Coût global** (investissement, consommables, main‑d’œuvre, post‑traitement). - **Normes et réglementations** (ex. : ISO 9606 pour la qualification des soudeurs, NF EN 1090 pour les structures métalliques). > **Règle de sélection** : pour une épaisseur ≤ 6 mm d’acier S235 en intérieur, le procédé GMAW (MAG) avec mélange Ar/CO₂ (80/20) est généralement le plus productif ; pour des réparations extérieures ou des épaisseurs > 6 mm, le SMAW avec électrode E6013 reste privilégié au Cameroun pour sa robustesse et son faible besoin en gaz. --- ## II. Activités d’intégration ### A. Mise en situation professionnelle L’élève se voit confier le rôle de technicien d’atelier dans une PME de fabrication de remorques agricoles située à Yaoundé. Le cahier des charges prévoit la réalisation d’un châssis en tubes carrés de 50 × 50 mm, épaisseur 3 mm, assemblés par soudure d’angle en T. ### B. Analyse du cahier des charges 1. Identifier les contraintes mécaniques : charge utile 1500 kg, efforts de flexion principalement sur les longerons. 2. Déterminer la classe de résistance requise : S235 suffit (limite d’élasticité ≈ 235 MPa). 3. Vérifier les tolérances géométriques : écart d’alignement ≤ 0,5 mm, angle de soudure 90° ± 2°. 4. Noter les exigences de finition : aspect lisse, pas de projections excessives, possibilité de peinture anti‑corrosion. ### C. Sélection du procédé d’assemblage - **Matériau** : acier S235, épaisseur 3 mm → soudure par fusion adaptée. - **Épaisseur faible** → risque de brûlure avec apport excessif. - **Environnement** : atelier fermé, alimentation triphasé 380 V disponible, accès à gaz argon/CO₂. - **Choix** : procédé GMAW (MAG) avec fil plein Ø 0,8 mm, mélange Ar/CO₂ 80/20, courant 120 A, tension 20 V, vitesse de déplacement 30 cm/min. ### D. Réalisation d’un schéma de montage Le technicien dessine, à l’aide d’un logiciel de DAO (ex. : LibreCAD), le détail du joint en T : - Cote de pénétration souhaitée : 2 mm (≈ 2/3 de l’épaisseur). - Largeur de cordon : 6 mm. - Angle de préparation : aucun chanfrein nécessaire pour épaisseur ≤ 4 mm, mais un léger biseau de 10° peut améliorer la pénétration. ### É. Évaluation des coûts et délais | Poste | Quantité | Unitaire (FCFA) | Total (FCFA) | |-------|----------|-----------------|--------------| | Fil plein Ø 0,8 mm | 0,5 kg | 2500 | 1250 | | Gaz Ar/CO₂ (10 L) | 2 bouteilles | 8000 | 16000 | | Électricité (0,15 kWh/soudure) | 3 kWh | 100 | 300 | | Main‑d’œuvre (technicien) | 2 h | 5000/h | 10000 | | **Total estimé** | – | – | **27 550 FCFA** | Le délai prévu pour le soudage des 4 longerons (≈ 8 m de cordons) est de 2 heures, incluant préparation et nettoyage. > **À retenir** : l’activité d’intégration permet de passer du critère théorique (choix du procédé) à une quantification pratique (consommables, temps, coût) indispensable en milieu professionnel. --- ## III. Application correcte des positions de soudage : à plat et en corniche ### A. Définition des positions de soudage (norme EN ISO 6947) | Position | Symboles | Description | |----------|----------|-------------| | 1G | Soudure en bout, axe horizontal, soudure réalisée en position à plat (downhand). | | 1F | Soudure en filet, axe horizontal, soudure réalisée en position à plat (downhand). | | 2G | Soudure en bout, axe horizontal, soudure réalisée en position horizontale (corniche) – soudure réalisée de gauche à droite (ou droite à gauche) sur un joint vertical. | | 2F | Soudure en filet, axe horizontal, soudure réalisée en position horizontale (corniche) – soudure réalisée de gauche à droite (ou droite à gauche) sur un joint vertical. | | 3G/3F | Soudure en bout ou filet, axe vertical, soudure réalisée en position verticale (montée ou descente). | | 4G/4F | Soudure en bout ou filet, axe horizontal, soudure réalisée en position supérieure (overhead). | Dans ce chapitre, nous nous limitons aux deux positions de base : **à plat** (1G/1F) et **en corniche** (2G/2F). ### B. Position à plat (1G/1F) **Principe** : la gravité aide à maintenir le bain de fusion dans le joint ; le métal d’apport tombe naturellement dans la zone à souder. **Paramètres typiques pour acier S235, épaisseur 6 mm, procédé GMAW (MAG) fil Ø 0,9 mm, mélange Ar/CO₂ 80/20** : - Courant de soudage : 180 ± 10 A - Tension d’arc : 22 ± 1 V - Vitesse de fil : 8 m/min (≈ 133 mm/s) - Vitesse de déplacement du chalumeau : 30 cm/min **Procédé pas à pas** : 1. Préparer les bords : dégrossir à la meule, éliminer oxydes et peinture sur 20 mm de chaque côté. 2. Régler le poste : sélectionner le mode MIG/MAG, entrer les valeurs de courant et de tension. 3. Ajuster le débit de gaz : 12 L/min (vérifier avec un débitmètre). 4. Positionner la pièce : placer le joint horizontalement, soutenir avec des serre‑joints pour éviter toute déformation. 5. Amorcer l’arc : toucher légèrement la pièce avec la torche, puis reculer de 2‑3 mm pour établir l’arc stable. 6. Effectuer le cordon : maintenir un angle de torche de 10‑15° vers l’avant (angle de poussée) et une distance de 6‑8 mm entre la buse et le bain. 7. Surveiller le bain : aspect lisse, légèrement convexe, absence de projections excessives. 8. Arrêter l’arc : relâcher la gâchette, laisser le gaz de protection continuer 2 s pour éviter l’oxydation du bain chaud. 9. Nettoyer : éliminer les éventuelles projections à l’aide d’une brosse métallique. **Avantages** : bonne pénétration, faible risque de défauts d’inclusion, facilité de visualisation du bain. **Limites** : nécessite un maintien précis de l’angle et de la distance ; toute inclinaison excessive provoque un défaut de sous‑fusion. > **À retenir** : en position à plat, l’angle de poussée (torche inclinée vers l’avant) favorise une pénétration profonde et un beau cordon. ### C. Position en corniche (2G/2F) **Principe** : la gravité tends à faire tomber le bain de fusion hors du joint ; il faut donc contrôler davantage l’apport de métal et la vitesse de déplacement pour éviter les débordements et les sous‑fusées. **Paramètres typiques pour le même acier S235, épaisseur 6 mm, procédé GMAW (MAG)** : - Courant de soudage : 160 ± 10 A (légèrement réduit pour limiter la taille du bain). - Tension d’arc : 20 ± 1 V. - Vitesse de fil : 6 m/min (≈ 100 mm/s). - Vitesse de déplacement : 20 cm/min (plus lente que en plat pour laisser le bain se solidifier). **Procédé pas à pas** : 1. Préparer les bords identiquement à la position à plat (désoxydation, dégrossissage). 2. Régler le poste avec les valeurs ci‑dessus ; vérifier le débit de gaz (10‑12 L/min). 3. Positionner la pièce verticalement, fixer solidement avec des étaux ou des serre‑joints afin d’éviter tout glissement. 4. Amorcer l’arc en pointant la torche légèrement au-dessus du joint (éviter d’enfoncer la buse dans le métal froid). 5. Incliner la torche de 5‑10° vers le haut (angle de recul) afin de pousser le métal d’apport vers le haut du joint et de contrer l’effet de la gravité. 6. Maintenir une distance buse‑bain de 4‑6 mm (plus courte qu’en plat pour garder le bain concentré). 7. Avancer lentement, en observant le bain : il doit rester légèrement convexe mais ne pas dépasser les bords du joint. 8. Si le bain commence à couler, réduire immédiatement le courant ou augmenter la vitesse de déplacement. 9. À la fin, relâcher la gâchette, poursuivre le flux de gaz 2 s, puis laisser refroidir à l’air libre. 10. Nettoyer le cordon (élimination éventuelle de projections). **Avantages** : permet de souder des joints verticaux sans avoir à retourner la pièce, indispensable pour les structures déjà en place (ex. : colonnes, longerons de charpente). **Limites** : risque accru de défauts de sous‑fusion, de sur‑épaisseur ou de projections ; nécessite plus d’expérience et une bonne maîtrise des paramètres. > **À retenir** : en position en corniche, on utilise un angle de recul (torche inclinée vers le haut) et une vitesse de déplacement réduite pour contrôler le bain de fusion contre la gravité. ### D. Exemple chiffré de réglage (acier S235, épaisseur 6 mm) Données : - Tension d’arc U ≈ 20 V (valeur typique pour GMAW MAG). - Courant choisi I = 170 A. Puissance d’arc approximative : \( P = U \times I = 20 \times 170 = 3400 W \). Cette puissance, répartie sur le bain de fusion, fournit suffisamment d’énergie pour fondre le métal d’apport et atteindre une pénétration d’environ 2‑3 mm, conforme aux exigences du joint en T de 6 mm. > **À retenir** : la puissance d’arc est proportionnelle au produit U·I ; une variation de ±10 % du courant ou de la tension modifie la puissance d’environ ±20 %, d’où l’importance de régler précisément le poste. ### E. Préparation, protection individuelle et règles de sécurité - **Protection des yeux** : casque de soudure à teinte variable (DIN 10‑13) ou masque passif DIN 11. - **Protection de la peau** : combinaison ignifuge, gants en cuir, bottes de sécurité à semelle épaisse. - **Protection respiratoire** : masque à filtration des fumées (P2) ou aspiration locale si l’atelier n’est pas équipé d’un système d’extraction. - **Sécurité électrique** : vérifier la mise à la terre du poste, utiliser des câbles sans isolation endommagée, couper l’alimentation avant toute intervention sur le poste. - **Sécurité incendie** : garder un extincteur à poudre ou CO₂ à proximité, éloigner les matériaux inflammables (solvants, papiers) d’au moins 3 m. - **Ventilation** : assurer un renouvellement d’air d’au moins 6 volumes/heure dans l’atelier ; utiliser un extracteur localisé au niveau du torchon lorsqu’on travaille en position en corniche où les fumées ont tendance à monter. > **À retenir** : le non‑respect du port du casque de soudure entraîne une kératite photique (œil de l’arc) pouvant provoquer une perte de vision temporaire ou définitive. --- ## Synthèse du chapitre - Les principaux types d’assemblage mécanique sont : soudage, boulonnage, rivetage, collage structural et soudage par friction. - Le soudage à l’arc électrique regroupe quatre procédés majeurs : SMAW (électrode enrobée), GMAW (MIG/MAG), GTAW (TIG) et FCAW (fil fourré). - Le choix du procédé dépend de l’épaisseur, du matériau, des contraintes mécaniques, des conditions de production et du coût global. - En position à plat (1G/1F) : courant élevé, vitesse de déplacement rapide, angle de poussée, bon pour les épaisseurs ≤ 8 mm. - En position en corniche (2G/2F) : courant légèrement réduit, vitesse de déplacement lente, angle de recul, nécessaire pour les joints verticaux. - Les paramètres de réglage (courant, tension, vitesse de fil, vitesse de déplacement) doivent être adaptés à l’épaisseur et au type de métal d’apport. - La sécurité en soudage exige le port d’EPI appropriés, une bonne ventilation, la mise à la terre du poste et la prévention des risques d’incendie et d’exposition aux rayonnements UV. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | **Soudage à l’arc électrique** | Procédé qui crée un arc électrique entre une électrode et la pièce à souder, produisant suffisamment de chaleur pour fondre les métaux d’apport et de base. | | **SMAW** | Soudage à l’arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding). | | **GMAW** | Soudage à l’arc avec fil métallique continu sous gaz de protection (Gas Metal Arc Welding). | | **GTAW** | Soudage à l’arc avec électrode tungstène non consommable sous gaz inerte (Gas Tungsten Arc Welding). | | **FCAW** | Soudage à l’arc avec fil fourré contenant un flux qui génère gaz de protection et scorie (Flux Cored Arc Welding). | | **Position de soudage** | Orientation du joint par rapport à la gravité, normalisée par les symboles 1G, 2G, 3G, 4G (bout) et 1F, 2F, 3F, 4F (filet). | | **Angle de poussée** | Inclinaison de la torche vers l’avant (dans le sens de déplacement) utilisée en position à plat pour favoriser la pénétration. | | **Angle de recul** | Inclinaison de la torche vers l’arrière (opposé au sens de déplacement) utilisée en position en corniche pour contrôler le bain de fusion. | | **Bain de fusion** | Zone liquide métallique créée par l’arc où se mélangent le métal d’apport et le métal de base. | | **Scorie** | Résidu solide formé par la décomposition du flux ou de l’enrobage de l’électrode, à éliminer après soudure. | | **Débit de gaz** | Volume de gaz de protection délivré par minute, exprimé en litres par minute (L/min). | | **Pénétration** | Profondeur à laquelle le métal d’apport se fonde dans le métal de base, mesurée depuis la surface du joint. | | **Kératite photique** | Inflammation de la cornée due aux rayonnements UV de l’arc, également appelée « œil de l’arc ». | | **Extraction locale** | Système d’aspiration placé près du point de soudage pour capturer les fumées et particules métalliques. | --- ## Exercices d’applications corrigés ### Exercice 1 – Choix du procédé **Énoncé** : Un atelier de fabrication de portails métalliques à Douala doit assembler des tubes carrés en acier S235 de 4 mm d’épaisseur, en intérieur, avec une exigence de résistance à la traction minimale de 400 MPa. Le poste disponible est un poste MIG/MAG triphasé 380 V. Quel procédé recommanderiez‑vous, quels seraient les paramètres de base (courant, tension, vitesse de fil) et pourquoi ? **Corrigé** : - Le matériau (acier S235) et l’épaisseur (4 mm) sont compatibles avec le procédé GMAW (MAG). - Le gaz de protection recommandé est un mélange Ar/CO₂ 75/25 (bon compromis entre pénétration et projection). - Pour une épaisseur de 4 mm, un fil Ø 0,8 mm donne un bon taux de dépôt sans risque de brûlure. - Paramètres de départ (à affiner par essai) : - Courant : 130 A - Tension : 19 V - Vitesse de fil : 5 m/min (≈ 83 mm/s) - Justification : le courant relativement modéré évite la surchauffe du métal fin, la tension assure un arc stable, la vitesse de fil fournit suffisamment de métal d’apport pour obtenir une pénétration d’environ 2 mm (≈ ½ épaisseur), suffisante pour atteindre la résistance requise après refroidissement. - Après soudure, effectuer un essai de traction sur un échantillon selon ISO 6892‑1 ; la valeur obtenue doit être ≥ 400 MPa. ### Exercice 2 – Soudure en position en corniche **Énoncé** : Vous devez réaliser une soudure en bout (2G) sur un profilé en acier S235 de épaisseur 8 mm, en position verticale, utilisant le procédé SMAW avec électrode E6013 Ø 3,2 mm. Déterminez le courant de soudage approprié, la longueur d’arc recommandée et la vitesse de déplacement approximative pour obtenir un cordon de 6 mm de large avec une pénétration d’environ 4 mm. **Corrigé** : - Pour l’électrode E6013 Ø 3,2 mm sur acier S235, la plage de courant recommandée par le fabricant est 90‑130 A. - En position verticale (2G), on réduit légèrement le courant pour éviter un bain trop fluide : choisir **110 A**. - Longueur d’arc : maintenir une distance de 2‑3 mm entre la pointe de l’électrode et le métal de base (arc court) pour stabiliser le bain et contrôler la pénétration. - Vitesse de déplacement : empiriquement, pour une électrode de 3,2 mm à 110 A, une vitesse de 12‑15 cm/min donne un cordon d’environ 6 mm de large. On adoptera **13 cm/min**. - Vérification par essai : réaliser un cordon de 100 mm, mesurer la largeur au pied à coulisse et la profondeur de pénétration à la loupe ou à la micrographie ; ajuster le courant de ±5 A ou la vitesse de ±2 cm/min si nécessaire. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de prévention / bonne pratique | |----|------------------|-------------|--------------------------------------| | 1 | **Oublier de porter le casque de soudure** (ou utiliser un verre de teinte insuffisante) | Kératite photique, brûlures de la rétine, perte de vision temporaire ou définitive. | Toujours vérifier la teinte du filtre avant de commencer ; utiliser un casque à teinte variable réglé sur DIN 10‑13 pour l’arc MIG/MAG/TIG. | | 2 | **Mauvaise préparation des bords** (présence de peinture, rouille, huile) | Porosité, inclusions de scorie, manque de fusion, fissures à froid. | Nettoyer mécaniquement (meule, brosse métallique) puis dégraisser avec un solvant adapté (acétone ou dégraissant industriel) sur au moins 20 mm de chaque côté du joint. | | 3 | **Réglage du courant trop élevé** pour une tôle fine | Brûlure, pénétration excessive, déformation, gouttelettes de métal projetées. | Commencer avec le bas de la plage de courant recommandée pour l’électrode/fil et augmenter progressivement jusqu’à obtenir un beau cordon sans surchauffe. | | 4 | **Débit de gaz insuffisant ou turbulent** (buse obstruée, vent fort) | Porosité d’oxydation, absorption d’humidité, défauts de soudure. | Vérifier le débitmètre avant chaque séance ; utiliser un écran anti‑vent ou travailler à l’abri des courants d’air lorsqu’on utilise le procédé MIG/MAG/TIG. | | 5 | **Mauvaise manipulation de l’électrode en position verticale** (angle trop fermé) | Sous‑fusion, coulée de métal, aspect irrégulier. | Maintenir un angle de recul de 5‑10° (torche inclinée vers le haut) et une vitesse de déplacement lente pour contrôler le bain en position 2G/2F. | | 6 | **Ne pas laisser le gaz de protection poursuivre après relâchement de la gâchette** (coupe prématurée du flux) | Oxidation du bain chaud, formation de nitrures, fragilisation du joint. | Après relâchement de la gâchette, maintenir le débit de gaz 2‑3  secondes pour protéger le métal encore chaud avant de laisser refroidir à l’air libre. | --- *Fin du cours.*