Soudure TIG, régler son poste à souder

Suite du chapitre 5 de l’ouvrage de Jean MATON qui traite du soudage TIG

Vous pouvez aussi consulter le cours précédent qui traite du soudage TIG de manière générale ou le sommaire .

Dans cette nouvelle partie nous allons décrire le soudage TIG et plus particulièrement:

Sommaire du cours sur le soudage TIG 5.1.3 Le choix du courant de soudage 1) Alimentation en courant continu
  • a) Polarité directe
  • b) Polarité indirecte ( ou inverse )
2) Alimentation en courant alternatif
  • a) Stabilité de l’arc
  • b) Inconvénients de l’effet de redressement
  • c) Suppression du redressement

Le générateur haute fréquence

5.1.4 Technique opératoire
  • 1. Mode d’alimentation à adopter en fonction du métal de base
  • 2. Choix de l’électrode
  • 3. Choix du gaz de protection
  • 4. Métaux d’apport
  • 5. Utilisation du procédé TIG
5.1.5 Conditions de soudage barèmes de soudage et préparation
  • 1. Comment souder au TIG
  • – les aciers inoxydables :
  • – l’aluminium :
  • – le magnésium :
  • – le cuivre et ses alliages ( Fig 5-17 )
  • 2. Barèmes de soudage
  • 3. Préparations des bords à souder
5.1.6 Positions de soudage 5.1.7 Soudage par points en atmosphère Argon ( TIG )

5.1.3 Le choix du courant de soudage

L’arc électrique sera alimenté en courant continu ou en courant alternatif selon la nature des métaux à souder et des travaux à réaliser. Le courant continu, débité par un redresseur statique ou une génératrice de soudage, est utilisé pour le soudage des aciers non alliés à faiblement alliés, les aciers inoxydables, le cuivre, le laiton, le cupronickel, le nickel, le monel et l’inconel, etc….

Le courant alternatif, débité par un transformateur, est utilisé pour le soudage de l’aluminium et des alliages légers. Ce choix découle du comportement différent de l’arc TIG sous ces courants, comme nous l’expliquerons ci-après. En soudage TIG, on peut prédéterminer la tension de soudage au moyen de la relation suivante :

Us = 10 + ( 0,04 x Is ) = Volt ( V ) ou encore Is = (Us-10)/0.04 = Ampères ( A )
1. Alimentation en courant continu a) Polarité directe


Polarité directe en soudage TIG
Polarité directe en soudage TIG
Par convention, l’électrode de tungstène est ici reliée au pôle négatif ( cathode ) et la pièce au pôle positif ( anode ) Fig 5-5. Les électrons émis par la cathode ( électron de tungstène de faible diamètre ) sont dirigés sur une zone concentrée de l’anode ( métal de base ) en donnant un cordon de soudure étroit et bien pénétré. Cette polarité est donc utilisée pratiquement pour tous les métaux à l’exception de l’aluminium et alliages légers pour lesquels on ne constate, sous cette polarité, aucun effet de décapage de la couche d’oxyde réfractaire qui recouvre instantanément ces métaux au contact de l’air atmosphérique.

b) Polarité indirecte ( ou inverse )


Polarité inverse en soudage TIG
Polarité inverse en soudage TIG
Obtenue par convention en raccordant le pôle positif à l’électrode réfractaire qui devient anode et sur l’extrémité de laquelle se concentre le bombardement intensif des électrons émis par une zone relativement large du métal de base. Le cordon, ainsi obtenu, est étalé et peu pénétré, mais l’électrode de tungstène est rapidement détériorée par un échauffement excessif. C’est une des raisons pour laquelle cette polarité n’est plus utilisée malgré son action de décapage énergique constaté sur l’aluminium et ses alliages ( bombardement ionique disloquant la couche d’oxyde dans la zone attaquée par l’arc ) à l’exception du soudage en forte épaisseur des alliages légers où l’on utilise de l’hélium ou un mélange Argon – Hélium contenant plus de 70% d’Hélium. Dans ce cas précis on utilise ce décapage énergique constaté dans la zone attaquée par l’arc.

c) Conclusion
  • Dans le premier cas, l’électrode de tungstène résiste à l’échauffement et ne fait pas éclater la couche d’oxyde et dans le second cas, le bain de fusion est décapé, mais l’électrode ne supporte pas le bombardement des électrodes.
  • La forme du bain de fusion varie fortement d’un cas à l’autre.
  • Pour les alliages légers, il faut recourir au courant alternatif.
  • Au vu des phénomènes décrits ci-avant, le soudage en courant continu avec électrode positif a été complètement délaissé.
  • Ces conditions intéressantes en théorie deviennent irréalisables en pratique, puisque pour souder des épaisseur faibles et vu la faible pénétration obtenue, il faut des intensités de courant élevées que l’électrode ne peut supporter.
2. Alimentation en courant alternatif


Courant alternatif en soudage TIG
Courant alternatif en soudage TIG
En courant alternatif, une alternative possible succédant à une alternance négative, l’arc TIG peut être assimilé comme travaillant successivement en polarité indirecte et directe, à raison de 1/100e de seconde par alternance ( fréquence = 50 Hz ). Il réalise donc un compromis intéressant entre ces deux polarités et assure notamment une pénétration suffisante du métal de base, une bonne tenue en service de l’électrode réfractaire et un décapage adéquat du film d’oxyde recouvrant l’aluminium.

a) Stabilité de l’arc

A chaque passage d’alternance, l’arc doit se réamorcer. Il le fait rapidement lorsque l’électrode de tungstène est au pôle positif, car la nature et la température de travail de cette cathode ( > à 3000°C ) lui confèrent une excellente thermo-émissivité. Par contre, lorsque le métal de base devient cathode ( – ), à l’alternance suivante, le réamorçage de l’arc est fortement tributaire de la tension à vide du transformateur. Pour des tensions à vide conventionnelles ( ≈ 70 V ), le réamorçage est difficile et ne se réalise éventuellement que pour une tension instantanée proche de la tension maximum de cette alternance; il en résulte que le courant de soudage ne passe au mieux que pendant une fraction de celle-ci, d’où déséquilibre entre les courants de 2 alternances successives. On peut assimiler cette dissymétrie à un courant alternatif sur lequel se greffe une composante de courant continu ( Ic ), circulant de l’électrode de tungstène vers la pièce. Il y a donc un effet de redressement partiel du courant alternatif ou éventuellement total si le réamorçage n’a pas lieu


Stabilité arc
Stabilité arc
b) Inconvénients de l’effet de redressement

  • Magnétisation supplémentaire du transformateur par la composante continue avec tendance à saturation du circuit magnétique et échauffement prématuré de la source de courant.
  • Effet de décapage de l’aluminium éliminé ou fortement atténué.
  • Instabilité de l’arc.

Ua = tension d’amorçage

c) Suppression du redressement

Um = tension de maintien

Les effets nuisibles du redressement peuvent être atténués ou éliminés par l’adjonction à la source de courant d’équipements appropriés, tels que :
Le générateur haute fréquence et la batterie de condensateurs.

– Le générateur haute fréquence
Il superpose un courant haute fréquence de très faible puissance au courant de soudage et assure une ionisation de l’atmosphère gazeuse facilitant le réamorçage de l’arc. Cet équipement réduit la formation de la composante continue en courant alternatif, sans toutefois l’éliminer complètement. De plus, il permet l’amorçage à distance, c’est-à-dire sans contact de l’ électrode de tungstène avec le métal de base, ce qui le rend utile également en courant continu, car il prolonge la vie de l’électrode et évite la présence de POINTS d’amorçage sur la pièce.


Haute fréquence
I = redressement en courant alternatif Uo = 60 V
II =  » partiel Uo = 60 V + superposition de HF
III = superposition du redressement par superposition de HF + condensateurs.

– La batterie de condensateurs
Cet équipement s’ajoute au générateur haute fréquence et ne s’utilise qu’en courant alternatif. La batterie est mise en série avec l’arc de manière à bloquer le passage de la composante continue et rétablir, ainsi, la symétrie entre les deux alternances. Sa capacité doit être appropriée à l’intensité maximum du courant de soudage. C’est la solution la plus rationnelle, car lorsque l’électrode est négative, les condensateurs se chargent et ils restituent l’énergie emmagasinée lorsque l’électrode devient positive.

Attention : Utilisé sur un poste prévu pour l’électrode enrobée, ce dispositif modifie l’étalonnage. La lecture de l’intensité sera supérieure de quelque 50% en ampères. Il faut donc éviter la surcharge.

5.1.4 Technique opératoire

1. Mode d’alimentation à adopter en fonction du métal de base


Paramètres pour souder TIG
Paramètres pour souder TIG
Légende:

++ = mode d’alimentation donnant les meilleurs résultats
+ =  »  »  » de bons résultats
– =  »  » non recommandé
_ = soudage impossible
* = à utiliser si l’arc est stable en courant continu ou si l’on craint un effondrement du bain de fusion
** = à utiliser pour un travail en position
***=  » dans certains cas : petites pièces et minimum de dilution dans le métal de base

2. Choix de l’électrode

La nature, le diamètre, la forme des pointes et l’état de propreté de l’électrode ont une grande influence sur la qualité de la soudure et la stabilité de l’arc. L’électrode de carbone est abandonnée au profit de l’électrode de tungstène pur et tungstène thorié » ( contenant 1 à 2% d’oxyde de thorium ), cette dernière rend le réamorçage plus facile.

  • Les électrodes en tungstène pur ( extrémité verte ) : Obtenues par frittage de poudre de tungstène, leur température de fusion atteint 3380°C. Elles ne supportent pas des intensités élevées, mais sont moins chères et confèrent une grande douceur à l’arc. Elles sont principalement utilisées pour le courant alternatif ( alliages d’aluminium ).
  • Les électrode en tungstène thorié ( extrémité rouge ) : Emettent plus d’électrons et supportent des densités de courant plus élevées. Pour une même intensité, elles restent plus froides que celles en tungstène pur. Elles sont principalement utilisées pour les pièces de construction et les aciers inoxydables.
    N.B : L’oxyde de thorium augmente le pouvoir émissif de l’électrode infusible de tungstène en facilitant l’amorçage de l’arc tout en assurant sa stabilité. Mais le thorium est radioactif. Les poussières des électrodes affutées doivent être aspirées et traitées. Aujourd’hui, on peut remplacer ces électrodes nocives par des électrodes au lanthane, dont la fonction est identique.

    On trouve également :

  • Des électrodes en tungstène avec oxyde de zirconium utilisées en courant alternatif ( alliages d’aluminium ). Extrémité blanche ou brune.
  • Des électrodes en tungstène cérié mais qui sont moins utilisées. Pour le soudage en courant continu des aciers et inox. Extrémité grise.

Forme des électrodes : La forme des pointes des électrodes joue un rôle important sur la stabilité de l’arc et sur la pénétration de la soudure. Cette dernière étant plus élevée pour une électrode pointue que pour une électrode demi-ronde, l’arc se trouve dans ce cas concentré sur une surface plus faible de la pièce.


Affuter son électrode Tungstène
Affuter son électrode Tungstène

Influence paramètres sur le cordon de soudure
Influence paramètres sur le cordon de soudure
N.B : Baguette d’apport : Elle est utilisée pour le soudage de pièces épaisses. Pour les tôles minces, on peut souder un joint à bords relevés directement. On choisit généralement une baguette d’apport ayant une composition qui se rapproche le plus de celle du métal de base. Le diamètre de la baguette augmente en fonction des pièces à souder.


Régler l’intensité en TIG
Régler l’intensité en TIG
3. Choix du gaz de protection

Le gaz de protection sert essentiellement à protéger le bain de fusion et l’électrode de tungstène contre l’oxydation. Nous donnons ci-dessous la liste des principaux gaz de protection avec leurs principales caractéristiques.

  • Argon ( Ar ) : Densité 1,4, contenu à raison de 0,94% dans l’air, il possède un faible potentiel d’ionisation. Ses principales caractéristiques sont :

    Choisir son gaz en TIG
    Choisir son gaz en TIG
    Le tableau Fig 5-13 donne un aperçu des électrodes et des gaz de protection recommandés pour le soudage de différents métaux avec ce procédé.

    Basse tension de soudage ( d’arc ), soude surtout des pièces minces ( < 6 mm ). Bonne action nettoyante surtout pour les métaux s’oxydant en surface ( ex. l’aluminium ). Amorçage de l’arc facile. Arc stable. Le volume de gaz est restreint. Il est déconseillé pour le soudage automatique vu la grande vitesse de soudage.

  • Hélium( He ) : Il est extrait des gisements de gaz naturel, il a une faible densité ( 0,14 ) et a un fort potentiel d’ionisation. Ses principales caractéristiques sont :Haute tension de soudage, donc plus de chaleur permettant le soudage de pièces plus épaisses. La ZAT est plus petite donc moins de déformations. Le volume de gaz doit être élevé. Il est très sensible au courant d’air. Il est déconseillé avec du courant alternatif à cause de la difficulté d’amorçage d’arc.
  • Hydrogène ( H2 ) : Il entre dans la composition de l’eau, c’est un gaz diatomique réducteur. Sa densité et de 0,069. Il est toujours utilisé comme composant dans un mélange. Ses principales caractéristiques sont :Possède une très bonne conductibilité thermique, il favorise le mouillage, donne un cordon du plus bel aspect. Permet de grandes vitesses de soudage et un effet de pénétration, mais provoque des risques de fragilisation et de soufflures si son % est trop important. Il permet une grande tolérance de réglage.

    Remarque : On utilise une purge pour obtenir une protection supplémentaire au joint à souder, afin d’éviter l’oxydation du métal. La purge s’effectue en utilisant l’argon ou un autre gaz inerte pour souffler l’air hors du joint. On peut aussi placer la purge à l’envers du joint à souder.


Couleur ogives gaz soudage

Intensités et tensions soudage TIG
Intensités et tensions soudage TIG
4. Métaux d’apport

Ceux-ci sont définis comme devant être adéquats au métal de base. Les soudabilités relative et constructive seront soigneusement analysées. Dans le cas d’acier non alliés, non calmé, le métal d’apport doit comporter les éléments désoxydants. La teneur en soufre et en phosphore des métaux d’apport ne pourra excéder 0,03%.

5. Utilisation du procédé TIG

Ce procédé dont le prix de revient est supérieur à celui du procédé à l’arc avec électrodes enrobées est cependant largement utilisé dans des domaines où le procédé à l’arc ne donne pas de résultats satisfaisants. C’est notamment le cas dans les domaines suivants :

  • Soudage des métaux de faibles épaisseurs ( 4 mm avec ou sans métal d’apport ).
  • Les premières passes de soudures sans possibilité de reprise à l’envers
  • Le soudage de l’aluminium.
  • On l’utilise surtout dans les secteurs de la construction aéronautiques, pour le matériel de restauration, les blocs moteurs, les citernes, carrosseries, dans les industries alimentaires et chimiques, etc… Par ailleurs, le procédé TIG pulsé ( GTAW-P ) est particulièrement utilisé en aéronautique, en électronique et en pétrochimie ou pour le soudage de tubes minces en position fixe.

5.1.5 Conditions de soudage barèmes de soudage et préparation

1. Conditions de soudage
  • Durant le soudage, l’électrode ne peut toucher la pièce ou le métal d’apport, si ce dernier est utilisé.
  • Les bords à souder doivent être propre
  • La stabilité de l’atmosphère protectrice est vital ( courants d’air, …. )
  • Les gaz utilisés doivent être de grande pureté ( 99,99% )
  • La présence d’azote et d’oxygène est rapidement décelée car les abords prennent une teinte gris brun.
  • Le courant gazeux doit s’écouler quelques secondes avant l’amorçage et quelques secondes après l’extinction de l’arc => protection de l’électrode.
  • Préchauffer l’électrode en dehors de la pièce sur un morceau de cuivre ( jamais de carbone ) pour faciliter l’amorçage et éviter la dilution à l’amorçage.
  • Amorçage sans contact possible : courant alternatif => électrode chaude . Courant continu => électrode froide ou chaude + utilisation générateur H-F uniquement au départ.
  • Le mode opératoire se rapproche beaucoup de celui du chalumeau
  • Le pointage se fait par petits points pénétrés distants de +/- 20 x e. Les joints sont planés aussitôt après en évitant les écartements.
  • Ne jamais souder avec une électrode mal serrée
  • Les canalisations doivent être en bon état
  • Protection à l’envers au moyen d’un support pour faciliter le contrôle et empêcher l’action de l’air en faisant couler un faible courant gazeux pour éviter les soudures rocheuses.


Protection envers
Protection envers
Pour les aciers inoxydables :

  • Tout préchauffage est, en principe, à proscrire
  • Utiliser des intensités minimales
  • Sur des tôles minces, il est préférable d’exécuter une passe unique
  • Rejeter l’emploi de passes larges
  • Il est préférable d’augmenter le nombre de passes
  • Métal d’apport de même nuance que le métal de base

Pour l’aluminium :

  • Procédé idéal => la couche d’alumine est craquée par l’effet du courant
  • Joints propres, homogènes, sans nettoyage ne décapage après soudage
  • Bords dégraissés et décapés soigneusement
  • Pointage l = 2 x e
  • Ne jamais amorcer sur la pièce

Pour le magnésium :

  • Excellents résultats ( Fig 5-17 ):
  • Suppression du flux décapant
  • Grandes vitesses de soudage ( 15 à 30 cm/min )
  • Soudures saines, sans porosités
  • Déformations minimales
  • Grande propreté ( idem que pour l’alu )
  • Protection à l’envers nécessaire
  • Enlever l’oxyde restant après soudage

Pour le cuivre et ses alliages ( Fig 5-17 )

  • Doit être désoxydé
  • Préchauffage nécessaire =>grande conductibilité du Cu
  • Martelage de la soudure et de ses abords toujours favorable


Souder le cuivre au TIG
Souder le cuivre au TIG
2. Barèmes de soudage

Nous donnons ci-après quelques éléments pour le réglage en soudage TIG de quelques métaux courants et pour prédéterminer le prix de revient ( Fig 5-17 et 5-18 ). Ce sont évidemment des valeurs moyennes => il faut toujours s’informer auprès des fournisseurs pour avoir les dernières données.
En TIG on peut adopter une vitesse de soudage moyenne de 10 à 20 cm/min. Energie de soudage Es = (60 x Us x Is)/(1000xVs)= kJ/cm Us = tension de soudage Volt ( V ), Is = intensité de soudage Ampères ( A ), Vs = vitesse de soudage cm/min


Barème de réglage pour Soudage TIG
Barème de réglage pour Soudage TIG
Légende de la Fig 5-17

e = épaisseur de la pièce à souder ( mm )
Øélec = diamètre de l’électrode ( mm )
Is = intensité de soudage ( A )
Øma = diamètre du métal d’apport ( mm )

Gaz = débit de gaz ( l/min )
Va = vitesse d’avancement ( m/h )
Vd = volume métal déposé ( cm3/m de soudure )
Pa = masse de baguette d’apport utilisé ( g/m de soudure )
T = temps de soudage ( min/m de soudure )
G = Volume de gaz consommé ( l/min et par m de soudure )
kWh = quantité d’énergie consommées ( kWh/m de soudure )

3. Préparations des bords à souder


Préparation du bord à souder
Préparation du bord à souder

  • a) Joints pour le soudage TIG ( soudage à plat ) Fig 5-19
  • b) Joints pour soudage en angle extérieur ( Fig 5-20 et 5-21 )
  • c) Soudage avec  » Slip-joint  » Fig 5-22


Soudage angle extérieur
Soudage angle extérieur

Soudage slip joint
Soudage slip joint

5.1.6 Positions de soudage

  • a) Soudage d’un joint bout à bout en position à plat : Fig 5-23. Les angles nécessaires pour le soudage d’un joint bout à bout en position à plat. La torche et la baguette sont placées l’une face à l’autre sur un même plan.
  • b) Soudage d’un joint d’angle intérieur en position horizontale : Les angles à maintenir lors de l’exécution d’une soudure d’angle intérieur sont donnés à la Fig 5-24.
  • c) Soudage de joints en position verticale : Voir Fig 5-25
  • d) Soudage de joints en  » corniche  » :Voir Fig 5-26


Positions de soudage
Positions de soudage

5.1.7 Soudage par points en atmosphère Argon ( TIG )

C’est une application particulière, mais peu fréquente du procédé TIG habituel que nous venons d’étudier. Il permet la liaison sous forme d’un point de soudure entre deux pièces superposées en utilisant le courant continu à polarité directe ( pénétration profonde ).


Soudage par point avec atmosphère gazeuse
Soudage par point avec atmosphère gazeuse
Procédé néanmoins intéressant lorsqu’une seule face de l’assemblage est accessible. En outre, il permet l’assemblage des tôles d’épaisseurs différentes ( panneaux sur membrures ). Il est toutefois moins rapide que le soudage par résistance. Les pièces doivent être bien en contact, seule la force de l’opérateur peut maintenir ces tôles. Les pièces doivent être nettoyées au droit des points de soudure. Pour des épaisseurs différentes, il est nécessaire de présenter la torche sur la tôle la plus mince Fig 5-27.

Vous pouvez aussi consulter le cours précédent qui traite du soudage TIG de manière générale , le suivant qui décrit les défauts en soudage TIG ou le sommaire .