Soudage au TIG
Le soudage à l’arc avec électrode infusible et protection de gaz inerte (communément appelé TIG, de l’appellation anglaise Tungsten Inert Gas) est un procédé de soudage autogène lors duquel la chaleur est produite par un arc qui se forme entre une électrode non consommable (dite infusible) et la pièce à souder.
L’électrode est faite de tungstène ou d’un alliage de tungstène. Ces matériaux ont une très haute température de fusion et d’excellentes propriétés d’émission thermoélectronique qui facilitent le fonctionnement de l’arc électrique.
Le soudage TIG s’effectue en faisant fondre les bords de la pièce à travailler. Des baguettes d’apport sont alors utilisées pour créer les joints. Pendant le procédé de soudage, la torche distribue un gaz inerte, lequel protège l’électrode, le bain de soudure, l’arc, le matériau d’apport et les zones adjacentes de la pièce contre la contamination par l’atmosphère.
Le soudage TIG convient à tous les types d’aciers au carbone, d’aciers faiblement alliés, d’aciers inoxydables alliés, d’alliages de nickel, de titane, de magnésium et d’alliages non-ferreux. Il convient également à l’aluminium et au cuivre ainsi qu’à leurs alliages.
Comme le soudage TIG fait appel à une électrode infusible, il est particulièrement efficace pour les pièces de métal dont l’épaisseur n’est que de quelques millimètres et peut être réalisé sans avoir recours au matériau d’apport. La bonne visibilité et l’absence de phénomène de transfert de métal dans l’arc permettent un excellent contrôle du bain de soudure. Le procédé peut être exécuté dans toutes les positions de travail et peut même être appliqué sur des tôles de quelques dixièmes de millimètre d’épaisseur.
La source de chaleur, intense et concentrée, permet une bonne vitesse de soudage et la fonte des bords de la pièce sans risque excessif de rupture. La possibilité de moduler le courant permet à l’opérateur d’adapter le procédé afin de satisfaire toute exigence particulière.
Le soudage TIG est largement utilisé pour obtenir des joints de haute qualité sur des matériaux qui ne résistent pas aux hautes températures nécessaires au soudage.
Ce procédé est rarement utilisé, voire inefficace, pour le soudage de métaux épais.
Soudage TIG des aciers inoxydables
Le procédé de soudage TIG est utilisé pour le soudage des aciers inoxydables austénitiques. Les techniques utilisées sont similaires à celles utilisées pour le soudage des aciers au carbone et des aciers faiblement alliés. Cela dit, il est possible d’observer de légères différences :
- Comme le bain de soudure est nettement plus fluide, l’opérateur doit augmenter la vitesse de soudage au besoin lorsqu’il travaille dans des positions autres que sur une surface plane;
- Comme ces aciers sont très enclins à la fissuration (à chaud) dans la zone fondue, le nettoyage des rebords est beaucoup plus important;
- Il est recommandé d’utiliser des filtres spéciaux et une protection antiretour sur la torche (figure 4) afin de réduire l’effet de coloration du cordon de soudure (oxydation superficielle);
- Une fois le soudage terminé, il est très important d’attendre quelques instants avant de retirer la torche pour éviter l’oxydation du cratère;
- Le nettoyage et l’usinage des aciers inoxydables doivent toujours être effectués à l’aide d’outils propres et non contaminés par des aciers faiblement alliés.
Paramètres et variables de soudage
Le choix des paramètres de soudage dépend du diamètre et du type de l’électrode (pure ou additivée), du type de gaz et du type d’alimentation de l’arc. L’inclinaison de la torche sera la même que pour le soudage MIG/MAG.
- 1) Torche près de la surface
- 2) Torche loin de la surface
- 3) Torche inclinée
- 4) Torche perpendiculaire
Le cordon de soudage paraît plus net et compact lorsque la torche est tenue près de la pièce métallique ou de façon inclinée. La zone affectée par la chaleur semble être plus grande lorsque la torche est éloignée de la pièce ou tenue de façon perpendiculaire.
Pour réduire les risques de défauts d’opération lors d’applications manuelles, la technique par poussée à un angle d’environ 15 ° est privilégiée. Pour le soudage TIG automatique, la torche est généralement tenue perpendiculairement à la pièce à usiner, ce qui donne des résultats moyens, mais facilite la gestion du métal d’apport.
Le courant continu et le courant alternatif peuvent tous deux être utilisés. Le soudage TIG avec polarité directe (figure 2) permet d’obtenir un bain de fusion très profond et étroit ainsi qu’une vitesse d’alimentation élevée. Cela entraîne la diminution des retraits et des distorsions ainsi que des conséquences minimes pour le métal de base. De plus, un apport de chaleur limite ralentit la consommation de l’électrode de tungstène et permet l’utilisation d’électrodes de diamètre plus modeste qui résistent à des courants assez élevés.
L’alimentation en courant continu est avantageuse lorsqu’on travaille des métaux comme l’aluminium recouvert d’une couche d’oxyde infusible. L’application du courant provoque le décapage ionique, ce qui rompt la liaison entre le revêtement et le métal.
Lorsque la polarité est inversée, l’extrémité de l’électrode tend à surchauffer jusqu’à fondre. Elle prend alors une forme arrondie et disperse de petites gouttes de tungstène dans le bain. L’électrode érodée provoque des défauts inacceptables dans la soudure et des éclaboussures d’inclusions de tungstène dans la brasure. Il est donc primordial d’utiliser un courant de 100 A ou moins.
Lorsque la polarité du courant continu est inversée, le soudage à haute intensité est impossible. L’électrode s’érode rapidement, ce qui entraîne l’élargissement du bain de soudure et une mauvaise pénétration du joint.
Lors du soudage de matériaux revêtus d’oxyde avec une intensité de courant supérieure à 100 A, la torche doit être alimentée avec du courant alternatif. La couche d’oxyde est peu à peu éliminée par décapage ionique à chaque demi-période de l’onde de tension au cours de laquelle l’électrode est positive. Pendant la demi-période au cours de laquelle l’électrode est négative, l’apport de chaleur est limité, ce qui complique le rallumage de l’arc.
Comparativement à la soudure TIG typique, la soudure TIG à l’arc modulé présente les avantages suivants :
- Une plus grande pénétration pour un même apport de chaleur;
- Une augmentation du rapport profondeur/largeur du cordon de soudure (des rapports de 2 sur 1 sont possibles pour l’acier inoxydable);
- Des apports de chaleur spécifique plus faibles réduisent les déformations et l’étendue de la zone affectée par la chaleur;
- Des courants élevés et des impulsions courtes permettent au bain de refroidir rapidement, ce qui limite l’effondrement de la soudure;
- La possibilité d’effectuer des soudures plus minces;
- Des apports de chaleur spécifique plus faibles limitent le risque de fissuration à chaud et de déformation;
- Une réduction des inclusions de gaz puisque le gaz emprisonné dans le bain s’échappe lorsque l’arc pulsé secoue ce dernier.
Comparativement au soudage TIG typique, le soudage à l’arc TIG modulé compte quelques désavantages comme le coût plus élevé du générateur à contrôle électronique et la difficulté à réguler les paramètres de la pulsation.
Soudage TIG sans matériau d’apport
Lorsque le soudage TIG est effectué sans matériau d’apport, les paramètres d’alimentation ont un impact sur les résultats.
- Une variation de la tension entraîne une variation de la largeur du bain. Une largeur régulière peut être obtenue en allongeant l’arc et en retirant la torche du bain.
- Parfois, une variation de la densité d’énergie qui peut conduire à une pénétration instable.
- Le type d’électrode et de gaz employé détermine la page idéale de valeurs de courant. Au-delà de la valeur de courant maximale, l’arc tend à devenir instable.
La vitesse d’alimentation, en plus d’influencer l’apport de chaleur, modifie également la taille du cordon de soudure. Si la vitesse de soudage est trop lente, le cordon aura tendance à gonfler. Sans entretien adéquat, ces soudures pourraient se rompre. Une vitesse excessive peut être causée par un manque de pénétration et de collage. Dans ce cas, il faut revoir la tension, le courant et le type de gaz utilisés.
Soudure de revers sous protection de gaz
Certains matériaux produisent une couche de surface lorsqu’ils sont exposés à l’oxygène. Celle-ci réagit différemment du matériau de base à la chaleur générée pendant le soudage. Lors du soudage de ces matériaux, il est important de protéger l’envers de la soudure jusqu’à ce que la chaleur causée par le soudage n’affecte plus l’envers de la soudure. Si le matériau n’est pas protégé, la soudure pourrait produire du carbure de chrome et ainsi dépourvoir l’acier de chrome élémentaire. Une seconde passivation pourrait être également nécessaire à la suite du décapage.
Lors du soudage de métaux extrêmement réactifs comme les alliages de titane, il faut également protéger la pièce d’accouplement située à l’arrière de la torche jusqu’à ce que la pièce ait suffisamment refroidi.
Les gaz de protection utilisés pour le soudage TIG peuvent être classés comme suit :
- Gaz inertes à haute température : l’argon (Ar) et l’hélium (He). D’autres gaz inertes, comme le krypton, le xénon et le néon, ne sont pas utilisés en raison de leur rareté et de leur coût élevé. Monoatomiques, l’argon et l’hélium ne réagissent avec aucun autre élément (vapeurs et gouttelettes métalliques) présent dans le plasma de l’arc électrique.
- Gaz protecteur : dissociable et chimiquement inerte, l’azote est un gaz utilisé en faible quantité pour obtenir des résultats particuliers. Il est le plus souvent utilisé pour protéger l’envers des joints.
- Gaz réducteurs : l’hydrogène est le gaz réducteur par l’excellence. Comme il a la capacité de se dissocier de la température de l’arc et de s’y réassocier, de l’énergie thermique se produit à la surface du bain. L’hydrogène peut être utilisé avec un gaz inerte pour protéger le bain de soudure. Il peut également être utilisé avec un gaz protecteur (mélange azote-hydrogène) pour protéger l’envers de la soudure. Un taux typique d’hydrogène varie de 1 à 8 %. Des valeurs plus élevées peuvent provoquer de la porosité et requièrent un contrôle très précis des paramètres de soudage pour assurer la stabilité de l’arc.
Soudage des alliages d’aluminium
Le soudage de l’aluminium et de ses alliages est possible avec un courant alternatif ou un courant de haute fréquence superposé modulé par onde carrée. Le courant alternatif rompt la couche d’oxyde superficielle, réduit les temps d’arrêt de l’arc et minimise l’élimination de la chaleur par le gaz protecteur. Le courant modulé par onde carrée permet de gérer la conductivité thermique élevée de ces alliages au moyen d’un arc à déclenchement à maximum de courant pour préchauffer le bain.
Le soudage d’alliages d’aluminium est difficile. Un bain de soudure très fluide peut entraîner l’effondrement des jonctions. La conductivité thermique élevée des alliages augmente le risque de coller les rebords. L’extrême sensibilité à la fissuration dans la zone fondue (chaud) et la porosité du matériau requièrent le nettoyage adéquat des rebords et entre les passes à l’aide de petites fraises et des produits chimiques.
Les résultats du nettoyage suivant le décapage électrochimique varient en fonction de la composition chimique des électrodes utilisées. Le silicium provoque le blanchiment du cordon de soudure. Le magnésium empêche le blanchiment, mais la combustion est plus stable.
Le soudage TIG de l’alliage d’aluminium produit un halo clair et visible autour du cordon de soudure (figure 5A). Le halo se forme pendant le processus de décapage ionique. Pendant le soudage, le gaz inerte (argon) est ionisé et les ions entrent violemment en collision avec la surface du métal de base, ce qui a pour effet d’éroder une mince couche à la surface de la pièce. Le soudage MIG peut empêcher la formation du halo en modifiant les paramètres électriques, mais le cordon de soudure sera saillant, entraînant des inclusions et des éclaboussures (Figure 5B).
Le halo résiduel résiste au procédé de décapage puisque le décapage ionique provoque une importante déformation plastique du métal de base, ce qui modifie complètement sa structure.