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Soudage à l’arc électrique : technologie InverterBBI N° 101 - Sept. 12
A pleine puissance sur tous les segments de marché

En matière de soudage à l’arc électrique, la technologie inverter est un véritable concentré d’avantages pour l’utilisateur : compacité, qualité de soudage, moindre consommation énergétique, productivité améliorée, simplicité d’utilisation, confort de travail… Apparue il y a plus de trente ans sur le marché du soudage, cette technologie basée sur le recours à l’électronique qui fait des générateurs de courant de soudage des machines intelligentes est désormais plébiscitée par toutes les catégories d’utilisateurs professionnels et les ventes des générateurs inverter dominent aujourd’hui celles des modèles traditionnels dans les procédés manuels de soudage à l’arc. Les avancées techniques dont font preuve certains onduleurs tout récemment lancés sur le marché laissent penser que la domination des générateurs inverter s’exercera bientôt également dans le domaine du soudage semi-automatique, peut-être même au point de rendre la technologie électromécanique totalement obsolète, du moins sur les marchés où les travaux de soudage témoignent d’une réelle valeur ajoutée.

Le soudage est une opération réalisée par les professionnels de l’industrie et les artisans dès lors qu’il s’agit d’assembler des pièces métalliques. De la flamme au laser, les techniques modernes de soudage développées à partir du début du vingtième siècle se sont multipliées dans toutes les applications du travail des métaux. Le soudage à l’arc, une technique pratiquée depuis le début du siècle dernier (le Suédois Kjellberg, fondateur de la société ESAB, dépose le brevet de l’électrode enrobée en 1904), consiste à assembler deux pièces métalliques de même nature par fusion du métal de base et d’un métal d’apport en utilisant l’énergie électrique. La chaleur nécessaire à la fusion du métal est produite par un arc électrique, générant une température d’environ 4 000°C. Le circuit de base du soudage à l’arc consiste en une source d’alimentation en courant alternatif ou continu reliant un câble de masse à la pièce à assembler et un câble dans lequel le courant passe vers l’électrode, fusible ou non. Lorsque l’électrode est approchée de la pièce à souder, un arc électrique se forme entre l’espace qui sépare le métal et l’électrode.

Un courant spécifique

Le soudage à l’arc électrique nécessite une transformation du courant d’alimentation primaire de 230 ou 400 volts en courant de soudage. Fourni par un générateur, le courant de soudage est obtenu par le passage du courant primaire dans un transformateur qui en abaisse la tension et en augmente l’intensité puis dans un redresseur. Calculée en ampères, l’intensité du courant de soudage est comprise dans une large fourchette de quelque cinq à un millier d’ampères, les ampérages les plus faibles étant réservés à la micro-soudure. En soudage manuel et semi-automatique, cette intensité atteint une valeur de l’ordre de 5 à 600 ampères, les valeurs supérieures concernant le soudage automatisé et robotisé pratiqué dans certaines applications de production industrielle. La chaleur de l’arc électrique déterminant la vitesse de fusion du métal et l’épaisseur de métal qui pourra être soudée est directement corrélée à l’intensité de courant. Plus cette dernière est forte, plus la chaleur de l’arc électrique est élevée.

Deux paramètres essentiels

Pour déterminer quel type de générateur de courant pour le soudage à l’arc électrique est le mieux adapté à une application donnée, il convient de tenir compte de nombreux paramètres qui ont notamment trait à la nature et l’épaisseur des pièces métalliques à souder, à l’environnement dans lequel sera réalisée la soudure (en atelier ou sur un chantier en extérieur) ou encore au savoir-faire de l’opérateur. Deux caractéristiques essentielles sont déterminantes dans le choix d’un matériel, toutes technologies et tous procédés de soudage à l’arc confondus. L’une concerne l’intensité du courant de soudage, laquelle a une incidence directe sur la vitesse de fusion du métal. L’ampérage de courant de soudage maximum que peut délivrer un générateur joue donc un rôle déterminant dans l’épaisseur de métal qui pourra être soudée. Le facteur de marche est un autre critère essentiel dans le choix d’un générateur. Il indique la capacité du générateur à délivrer sur une durée plus ou moins longue un courant de soudage à une puissance donnée et à une température de l’environnement de 40°C. Ce facteur de marche est fixé à l’issue de tests réalisés sur des séquences de dix minutes répétées un grand nombre de fois. Pour donner un exemple concret, un générateur possédant un facteur de marche à 100 ampères à 30% désigne un appareil délivrant une intensité de soudage de 100 ampères durant trois minutes sur une plage de temps de dix minutes. Le ‘‘bon’’ facteur de marche d’un générateur n’existe pas dans l’absolu mais sera établi en fonction de l’épaisseur du métal, du procédé de soudage à l’arc employé et de la productivité souhaitée. Ainsi, tandis qu’à un ampérage donné un facteur de marche à 35% sera adapté à la plupart des besoins des artisans du bâtiment, une application de production industrielle nécessitera un facteur de marche nettement plus élevé, pouvant atteindre 100% dans le cas d’un soudage robotisé où l’arc de soudage doit rester en permanence actif.

Technologie traditionnelle

La technologie traditionnelle des générateurs de courant de soudage met en œuvre un transformateur électrique et un redresseur de courant mécanique qui fournit un courant continu (certains modèles d’entrée de gamme sont dépourvus de redresseur et produisent uniquement du courant alternatif). Le courant de soudage délivré par les générateurs conçus selon cette technologie est réglable par paliers, via un ou plusieurs commutateurs.

L’apparition de redresseurs à thyristors marqua une évolution de cette technologie traditionnelle en permettant un réglage du courant de soudage en continu grâce à des diodes électroniques et via un potentiomètre. Bien que ces technologies traditionnelles soient toujours utilisées pour la fabrication des générateurs pour courant de soudage, elles sont toutefois largement supplantées aujourd’hui par la technologie inverter, également dite à onduleur.

La révolution de l’onduleur

Apparue dans le secteur du soudage à la fin des années 1970 mais véritablement démocratisée beaucoup plus tard, la technologie de l’onduleur repose sur l’utilisation d’un transformateur électronique et d’un redresseur à transistors. Le courant continu obtenu à partir du réseau primaire est retransformé en courant à haute fréquence (de l’ordre de 80 000 hertz), alternatif ou continu, puis redistribué par le générateur en courant lissé exempt de micro-coupures.

La taille du transformateur d’un onduleur étant inversement proportionnelle à la fréquence du courant délivré, la technologie inverter a mené à une miniaturisation des générateurs. L’une des raisons de l’apparition de cette technologie dans le domaine du soudage à l’arc tient d’ailleurs au fait que l’on cherchait à diminuer sensiblement le volume et le poids des équipements pour le soudage à l’électrode enrobée. Concernant les différentes technologies dont relèvent les générateurs de courant de soudage, il faut aussi citer l’existence de hacheurs, également appelés choppeurs. Ces appareils qui relèvent d’une technologie hybride associant un transformateur électrique et un microprocesseur électronique possèdent des dimensions et un poids qui les assimilent à des générateurs à commutateurs mais présentent les avantages des onduleurs quant à la stabilité de l’arc électrique.

Les plus de l’électronique

Outre des dimensions et un poids des générateurs qui les rendent facilement mobiles dans l’atelier et transportables sur les chantiers, l’électronique mise en œuvre dans la technologie inverter permet l’obtention d’un courant de soudage très stable qui autorise une plus grande précision dans le soudage. L’intelligence électronique des générateurs onduleurs les dote de fonctionnalités qui les rendent plus simples d’utilisation et plus performants. En permettant de faire varier, selon les besoins, les paramètres de soudage, la technologie de l’onduleur a également introduit une notion de polyvalence des produits. Le rendement électrique des générateurs inverter, supérieur à celui des postes de soudage traditionnels, qui entraîne une moindre consommation électrique (la diminution serait de l’ordre de 20% par rapport aux appareils à commutateurs) et le fait de pouvoir brancher les onduleurs monophasés sur une prise de courant domestique, un plus apprécié des artisans, constituent d’autres avantages à mettre à l’actif de la technologie inverter sur laquelle nous reviendrons après l’évocation des différents procédés de soudage à l’arc électrique.

MMA, pour la simplicité de mise en œuvre

Le soudage à l’électrode enrobée, également désigné sous le terme de MMA (Manuel Metal Arc) est réalisé à l’aide d’une électrode enrobée comprenant une âme métallique qui fond simultanément avec le métal de base pour former le cordon de soudure. La soudure est protégée de l’action oxydante de l’air par la fusion de l’enrobage de l’électrode (sa partie extérieure) qui génère la formation d’un laitier (lequel devra être retiré) sur le cordon de soudure. Dans ce procédé exclusivement manuel, l’électrode est tenue par un porte électrode actionné par le soudeur, l’arc électrique s’allumant lorsque la baguette touche la pièce à souder. Les électrodes existent dans six diamètres différents variant de 2 à 6,3 mm, l’intensité de soudage requise augmentant avec l’importance du diamètre de l’électrode (environ 85% des soudures sur aciers standards et inox sont réalisées avec des électrodes de 2,5 et 3,2 mm de diamètre) et dans différents types d’enrobage correspondant à des applications diverses. Les plus utilisées sont les électrodes rutiles, dont le composant principal est le bioxyde de titane, et les électrodes basiques, dont les principaux constituants sont le carbonate de chaux et les spath fluors, ces dernières étant préconisées pour les travaux de grande sécurité ainsi que sur les pièces de forte épaisseur et très sollicitées. Il existe aussi des électrodes à double enrobage qui cumulent la facilité d’emploi des rutiles et la résistance mécanique des basiques.

Adapté à la réalisation de nombreux types de soudures en maintenance, ferronnerie, chaudronnerie et tuyauterie, le soudage MMA est le procédé de soudage à l’arc électrique le plus rapide et le plus simple à mettre en œuvre. Excluant l’utilisation de gaz qui pourrait être chassé par le vent, il est notamment bien adapté à une utilisation sur les chantiers extérieurs. Ses restrictions d’utilisation concernent essentiellement les soudures sur aluminium (même si elles sont possibles dans certains cas) et les soudures des faibles épaisseurs de métal en raison du risque élevé de déformation du métal. En outre, le soudage MMA génère des projections et n’est de ce fait pas recommandé lorsque qu’une bonne finition des pièces est requise. Très couramment pratiqué pour les petits assemblages et d’innombrables opérations de maintenance, le soudage MMA est supplanté par les autres procédés de soudage à l’arc électrique en production industrielle.

TIG, pour une grande qualité de soudage

Le soudage TIG (Tungsten inert gas) est un procédé réalisé sous flux gazeux neutre (argon, hélium ou argon-hélium) avec une électrode non fusible en tungstène et une baguette de métal d’apport, le soudeur dirigeant d’une main la torche tenant l’électrode pour établir l’arc électrique avec la pièce à souder tandis qu’il manipule de l’autre main la baguette de métal d’apport pour former et alimenter le bain de fusion. Le système utilisé pour la réalisation du soudage TIG se complète souvent d’un système de refroidissement à air ou à eau afin que la torche ne s’endommage pas et offre un meilleur confort de soudage à l’opérateur.

Trois procédés d’amorçage de l’arc électrique existent en soudage TIG. Au gratter (ou scratch), l’arc s’allume en grattant le bout de l’électrode sur la pièce. Dans le procédé lift arc, le soudeur touche d’abord la pièce avec l’électrode, puis appuie sur la gâchette pour que l’arc s’amorce en soulevant l’électrode. Enfin, le procédé Haute Fréquence (HF) permet l’amorçage de l’arc électrique par l’envoi d’un courant de tension très élevée, sans même que l’électrode ne touche la pièce. Ce dernier procédé, le plus qualitatif car il évite que l’électrode de tungstène ne s’abîme au cours de l’amorçage de l’arc, ne peut toutefois être mis en oeuvre dans tous les environnements car il est susceptible de perturber la programmation électronique de machines environnant le poste de soudage. Le soudage TIG peut être pratiqué avec un courant continu (TIG DC) ou alternatif (TIG AC/DC), le premier étant bien adapté au soudage de l'ensemble des métaux ferreux et le second permettant en outre le soudage de l'aluminium, le courant alternatif cassant l'alumine se formant à l'air.

Le soudage TIG est un procédé peu productif, car la vitesse d’exécution du cordon de soudure est réduite, mais il s’avère le plus qualitatif pour le soudage des fines et moyennes épaisseurs (inférieures à 6 mm). Les soudures réalisées en TIG présentent en effet une excellente qualité visuelle et mécanique, l’opérateur déterminant lui-même la quantité de métal d’apport à délivrer en fonction des différentes étapes de la soudure, ce qui requiert un savoir-faire très élevé. La qualité du cordon de soudure qu’il permet d’obtenir fait du TIG un procédé très utilisé dans les industries chimiques, alimentaires, aéronautiques, nucléaires et spatiales et, de manière générale, dans tous les soudages impliquant l’acier inoxydable et les alliages légers. Il est également bien adapté au soudage des tuyauteries en inox et en aluminium.