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

## Objectifs et prérequis **À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de :** - Régler correctement une poste à souder à l’arc électrique pour les positions de soudure verticale (montée et descente) et plafond. - Réaliser des cordons de soudure continus et de bonne qualité sur des pièces simples (bout à bout, en T, en recouvrement) en respectant les paramètres de courant, de vitesse et d’angle d’électrode. - Identifier les défauts les plus fréquents liés à la position de soudure et appliquer les mesures correctives appropriées. - Appliquer les règles de sécurité spécifiques au soudage en hauteur et en position inconfortable. **Prérequis nécessaires :** - Connaissance des bases du soudage à l’arc électrode enrobée (types d’électrodes, polarité, intensité de base). - Maîtrise de la préparation des bords (chanfrein, dépouille, nettoyage). - Familiarité avec les équipements de protection individuelle (EPI) : masque, gants, tablier, chaussures de sécurité. - Notions de lecture de plans simples et de cotation mécanique. --- ## Introduction contextualisée Dans les ateliers de fabrication mécanique au Cameroun, le soudage à l’arc électrique reste le procédé d’assemblage le plus répandu pour les structures métalliques (châssis de véhicules, poutres de bâtiments, supports de machines). Les contraintes de chantier imposent souvent de souder dans des positions non horizontales : verticale (montée ou descente) et plafond (soudure « overhead »). Une mauvaise maîtrise de ces positions entraîne des défauts tels que la porosité, le manque de pénétration, les projections excessives ou les cordons irréguliers, compromettant la résistance mécanique et la sécurité des ouvrages. Ce chapitre vise donc à fournir aux élèves de Terminale MEM les gestes techniques, les réglages de poste et les contrôles qualité indispensables pour réaliser des soudures conformes aux normes camerounaises (NCM 015‑Soudage) et aux exigences du Baccalauréat professionnel. --- ## I. Leçon 18 (TP10) – Application correcte des positions de soudage : à la verticale et au plafond ### 1. Principes de la soudure à l’arc électrique en position verticale En position verticale, la gravité agit sur le métal fondu, tendant à le faire retomber. Deux modes de progression sont utilisés : - **Montée** : l’électrode avance du bas vers le haut, le métal fondu est soutenu par la tension superficielle et la technique du soudage (oscillation légère). - **Descente** : l’électrode avance du haut vers le bas, le métal fondu tombe sous son poids, ce qui nécessite une intensité plus élevée (ou une vitesse de déplacement plus grande) pour assurer une pénétration suffisante malgré la descente rapide du bain. > **Règle de base** : en soudure verticale montée, l’intensité est généralement diminuée de 10 à 15 % par rapport à la position plane afin de compenser la tendance du métal fondu à retomber sous l’effet de la gravité. En descente, on augmente l’intensité de 10 à 20 % pour obtenir une pénétration suffisante malgré la descente rapide du bain. ### 2. Technique du cordon en montée et en descente - **Montée** : incliner l’électrode de 10‑15° vers la direction de soudure (pointe légèrement en avant). Effectuer un mouvement de va-et-vient léger (oscillation) pour élargir le bain sans le laisser s’écouler. Maintenir une longueur d’arc constante (≈ 2‑3 mm). - **Descente** : incliner l’électrode de 5‑10° vers l’arrière (pointe légèrement en retrait). Réduire l’oscillation voire la supprimer ; laisser le métal s’écouler naturellement tout en surveillant la formation de sous‑coupes, en augmentant légèrement la vitesse de déplacement si nécessaire. ### 3. Soudure en position plafond (overhead) La soudure plafond présente la difficulté supplémentaire que le métal fondu tombe vers le soudeur. Les points clés sont : - Utiliser une électrode de petit diamètre (2,0‑2,5 mm) pour limiter le volume du bain. - Régler une intensité faible à modérée (souvent 60‑80 A pour une électrode 2,5 mm, selon l’épaisseur). - Incliner l’électrode de 0‑5° vers la direction de soudure (pointe légèrement en avant) afin de pousser le métal fondu contre la pièce. - Effectuer des cordons courts (20‑30 mm) avec des pauses de refroidissement pour éviter l’accumulation de chaleur et la formation de gouttes. > **Astuce de professionnel** : placer une petite plaque réfractaire ou une tôle derrière la zone de soudure plafond pour réfléchir la chaleur et stabiliser le bain. ### 4. Paramètres de réglage (intensité, vitesse, angle) | Position | Électrode (mm) | Intensité (A) | Vitesse de déplacement (mm/min) | Angle d’électrode (°) | |----------|----------------|---------------|----------------------------------|-----------------------| | Verticale montée | 3,2 | 90‑110 | 80‑120 | 10‑15 (avant) | | Verticale descente | 3,2 | 110‑130 | 100‑150 | 5‑10 (arrière) | | Plafond | 2,5 | 60‑80 | 50‑80 | 0‑5 (avant) | Les valeurs sont indicatives pour un acier doux (Fe E24) d’épaisseur 4‑6 mm, sous atmosphère de protection à l’argon‑CO₂ (80/20) ou électrode enrobée rutile. ### 5. Sécurité et équipements de protection - Masque de soudure à filtre automatique (shade 10‑13) obligatoire. - Gants en cuir résistant à la chaleur, manches longues, tablier ignifuge. - Chaussures de sécurité avec embout acier et semelle résistante aux chocs. - Ventilation locale ou extraction des fumées (particulièrement important en position plafond où les fumées remontent vers le visage). - Vérification de la mise à la terre de la pièce avant chaque amorçage. > **Règle de sécurité** : jamais souder en position plafond sans assurer un point d’ancrage solide pour éviter la chute de la pièce ou de l’électrode. ### 6. Exemple d’atelier : soudure d’un longeron de chassis Un longeron de 150 mm de long, épaisseur 5 mm, doit être assemblé à une entretoise en position verticale montée. 1. Préparer les bords : chanfrein en V à 45°, racines 1 mm. 2. Régler le poste : électrode 3,2 mm, intensité 100 A, polarity DCEN. 3. Effectuer le cordon en montée avec oscillation légère, vitesse environ 100 mm/min. 4. Laisser refroidir à l’air libre, puis inspecter visuellement (absence de sous‑coupes, bonne pénétration). ### 7. Tableau récapitulatif des paramètres recommandés *(voir tableau ci‑dessus)* ### 8. Exemple chiffré : calcul du débit de métal d’apport Le débit de métal d’apport (Q, en g/min) peut être estimé par : \[ Q = \frac{I \times 60 \times k}{U \times \rho} \] où : - I = intensité (A) - k = rendement de transfert (≈ 0,85 pour électrode enrobée) - U = tension d’arc (V) ≈ 20 V pour une électrode 3,2 mm - ρ = densité du métal d’apport (acier ≈ 7,85 g/cm³) Pour I = 120 A, k = 0,85, U = 20 V : \[ Q = \frac{120 \times 60 \times 0,85}{20 \times 7,85} \approx \frac{6120}{157} \approx 39 \text{ g/min} \] Ce débit permet de déposer environ 0,39 g de métal par mm de cordon à une vitesse de déplacement de 100 mm/min (en supposant une section de cordon de 2 mm²). --- ## II. Leçon 19 (TP11) – Application correcte des techniques d’assemblage sur des pièces simples ### 1. Préparation des bords (chanfrein, dépouille) - **Chanfrein en V** : angle 45‑60°, racine 0,5‑2 mm selon épaisseur. - **Chanfrein en J** : utilisé pour les épaisseurs > 8 mm afin de réduire le volume de métal d’apport. - **Dépouille** : léger biseau (≈ 2 mm) sur les faces internes pour faciliter l’écoulement du métal fondu et éviter les pièges à slag. > **Règle de préparation** : les surfaces doivent être exemptes de rouille, de peinture, de graisse et d’oxydes ; un nettoyage à la meule ou à la brosse métallique est obligatoire. ### 2. Types d’assemblages simples | Type d’assemblage | Description | Application typique | |-------------------|-------------|---------------------| | Bout à bout (butt joint) | Deux pièces alignées dans le même plan | Longerons, barres, tubes | | En T (T‑joint) | Une pièce perpendiculaire au milieu d’une autre | Renforts, platines | | En recouvrement (lap joint) | Chevauchement partiel des pièces | Tôles, plaques d’assemblage | ### 3. Sélection de l’électrode et du métal d’apport - Électrode rutile (E6013) pour soudures faciles, bon aspect, faible projection. - Électrode basique (E7018) pour forte pénétration et résistance mécanique élevée (structures soumises à charge). - Le diamètre de l’électrode doit être adapté à l’épaisseur : règle du 1 mm d’électrode pour chaque mm d’épaisseur (ex. : 3 mm d’électrode pour 3 mm d’épaisseur). ### 4. Procédé pas à pas 1. **Positionnement** : maintenir un jeu de 0,5‑1 mm entre les pièces (espace de racine). 2. **Amorçage** : frapper l’arc à l’extrémité du chanfrein, maintenir une longueur d’arc de 2‑3 mm. 3. **Passage du cordon** : avancer à vitesse régulière, osciller légèrement si nécessaire (bout à bout) ou garder une trajectoire droite (en T). 4. **Remplissage** : ajouter des passes successives si l’épaisseur dépasse 4 mm, en laissant chaque passe refroidir à < 150 °C avant la suivante. 5. **Refroidissement** : laisser refroidir à l’air libre, éviter le refroidissement brusque (eau) qui pourrait provoquer des fissures. ### 5. Contrôle visuel et essais non destructifs simples - **Contrôle visuel** : recherche de fissures, de sous‑coupes, de porosité, de mauvaise fusion. - **Essai au pénétrant** : application d’un liquide coloré, révélation des défauts de surface après révélateur. - **Essai magnétoscopique** : réservé aux matériaux ferromagnétiques, détecte les fissures proches de la surface. > **Point de contrôle** : la largeur du cordon doit être égale à 1,5‑2 fois le diamètre de l’électrode ; la hauteur ne doit pas dépasser 3 mm pour éviter les contraintes excessives. ### 6. Exemple d’atelier : assemblage d’un support de poulie Un support de poulie en acier de 6 mm d’épaisseur doit être fixé à une platine de 8 mm par un joint en T. 1. Préparer le chanfrein en V sur la platine (45°, racine 1 mm). 2. Ajuster le support contre la platine, maintenir un jeu de 0,8 mm. 3. Utiliser électrode E7018 de 3,2 mm, intensité 110 A, polarity DCEN. 4. Réaliser la première passe en remontée (verticale) avec oscillation légère, puis deux passes de remplissage sans oscillation. 5. Refroidir, inspecter visuellement, puis réaliser un essai au pénétrant sur la zone de soudure. ### 7. Tableau des défauts courants et leurs causes | Défaut | Apparence | Cause principale | Action corrective | |--------|-----------|------------------|-------------------| | Porosité | Cavités rondes ou elliptiques | Humidité, huile, gaz de protection insuffisant | Sécher les électrodes, nettoyer les pièces, augmenter le débit de gaz | | Sous‑coupes | Creux le long du bord de la pièce | Vitesse trop élevée, angle d’électrode trop incliné | Réduire la vitesse, ajuster l’angle à 10‑15° | | Manque de pénétration | Joint superficiel, pas de fusion profonde | Intensité trop faible, écart de racine trop grand | Augmenter l’intensité, réduire le jeu de racine | | Projections excessives | Gouttes de métal autour du cordon | Tension d’arc trop élevée, électrode humide | Baisser la tension, utiliser électrodes sèches | | Fissure à chaud | Fissure longitudinale au centre du cordon | Refroidissement trop rapide, contraintes élevées | Pré‑chauffer légèrement (100‑150 °C), laisser refroidir lentement | ### 8. Exemple chiffré : détermination de la longueur de cordage nécessaire Pour assembler deux pièces de 120 mm de long en bout à bout avec un recouvrement de 10 mm de chaque côté, la longueur totale de cordon à déposer est : \[ L_{\text{cordon}} = 120 \text{ mm} + 2 \times 10 \text{ mm} = 140 \text{ mm} \] Si le débit de métal d’apport est de 39 g/min (voir leçon 18) et que la masse linéaire du cordon est de 0,39 g/mm à une vitesse de déplacement de 100 mm/min (section de cordon ≈ 2 mm²), le temps de soudure théorique est : \[ t = \frac{L_{\text{cordon}} \times 0,39}{39} = \frac{140 \times 0,39}{39} \approx \frac{54,6}{39} \approx 1,4 \text{ min} \] On ajoutera 20 % de temps pour les pauses de refroidissement et les réglages, soit environ 1,7 min en pratique. --- ## Synthèse du chapitre (mini‑fiche de révision) - **Positions de soudure** : verticale montée (↓ intensité, angle 10‑15° avant), verticale descente (↑ intensité, angle 5‑10° arrière), plafond (faible intensité, électrode 2‑2,5 mm, cordons courts). - **Paramètres clés** : intensité (A), vitesse de déplacement (mm/min), angle d’électrode (°), diamètre d’électrode (mm). - **Préparation des bords** : chanfrein V/J, dépouille, nettoyage obligatoire. - **Types d’assemblages** : bout à bout, en T, en recouvrement. - **Contrôle qualité** : inspection visuelle, essai au pénétrant, magnétoscopie (si ferromagnétique). - **Sécurité** : masque shade 10‑13, gants, tablier, ventilation, mise à la terre, ancrage des pièces en plafond. - **Formule de débit** : \( Q = \frac{I \times 60 \times k}{U \times \rho} \) (g/min). - **Exemple de calcul** : débit ≈ 39 g/min pour I = 120 A, k = 0,85, U = 20 V, ρ = 7,85 g/cm³. --- ## Glossaire (10 termes) > **Électrode enrobée** : baguette métallique revêtue de produits chimiques qui stabilisent l’arc et fournissent le gaz de protection. > **Polarité DCEN** : courant continu où l’électrode est négative et la pièce positive, favorisant une pénétration profonde. > **Chanfrein en V** : préparation du bord en forme de V permettant une meilleure pénétration du métal d’apport. > **Chanfrein en J** : préparation du bord en forme de J utilisée pour les épaisseurs importantes afin de réduire le volume de métal d’apport. > **Dépouille** : léger biseau sur les faces internes du chanfrein facilitant l’écoulement du métal fondu et évitant les pièges à scories. > **Polarité DCEP** : courant continu où l’électrode est positive et la pièce négative, produisant une pénétration superficielle et un beau cordon. > **Intensité de soudage** : valeur du courant de soudage exprimée en ampères, influençant la pénétration et la taille du bain de fusion. > **Vitesse de déplacement** : vitesse à laquelle l’électrode avance le long du joint, exprimée en mm/min, influençant l’apport de métal et la forme du cordon. > **Angle d’électrode** : inclinaison de l’électrode par rapport à la pièce, mesurée en degrés, affectant la direction du bain et la forme du cordon. > **Métal d’apport** : matériau fondu provenant de l’électrode qui vient remplir le joint, dont la composition détermine les propriétés mécaniques de la soudure.