Effectuer le soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW)

Introduction au procédé SMAW

Le soudage à l'arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding – SMAW), également appelé soudage à la baguette, est un procédé de soudage à l'arc électrique utilisant une électrode consommable constituée d'une âme métallique entourée d'un enrobage (flux). Ce procédé est l'un des plus polyvalents et des plus utilisés dans l'industrie canadienne, particulièrement pour les travaux de charpente métallique, les pipelines, la réparation d'équipements lourds et la construction navale.

Le principe fondamental repose sur la création d'un arc électrique entre l'électrode et la pièce à souder. La chaleur générée (température de l'arc : 3 500 °C à 6 000 °C) fait fondre simultanément l'électrode, l'enrobage et le métal de base, formant ainsi le bain de fusion. L'enrobage se décompose en gaz protecteurs (CO₂, H₂, etc.) qui forment un écran gazeux autour de l'arc, protégeant le bain de fusion de la contamination atmosphérique (oxygène, azote, hydrogène).

Avantages et limitations du SMAW

Avantages	Limitations
Équipement simple et portable	Vitesse de dépôt relativement faible
Fonctionne en toutes positions	Laitier à éliminer entre passes
Convient aux matériaux épais	Rendement opératoire limité (≈ 60-70 %)
Résiste aux courants d'air	Nécessite un opérateur qualifié
Aucun gaz de protection externe requis	Électrodes sensibles à l'humidité
Coût d'équipement initial faible	Longueur d'arc variable selon l'opérateur

Équipement et composants du poste de soudage

Source de courant

Le poste de soudage SMAW peut être alimenté par :

Transformateur : courant alternatif (CA) uniquement, économique, sans composantes électroniques.

Redresseur : courant continu (CC) avec réglage de polarité, meilleure stabilité d'arc.

Génératrice : portative, souvent entraînée par moteur diesel ou essence, idéale pour les chantiers éloignés.

Les caractéristiques essentielles d'une source de courant pour SMAW :

Tension en circuit ouvert (TCO) : 50 V à 80 V (CA), 50 V à 70 V (CC). Cette tension doit être suffisante pour amorcer l'arc mais respecter les normes de sécurité.

Courant de soudage : réglable de 20 A à 600 A selon l'application.

Caractéristique de chute (tension constante) : la tension diminue lorsque le courant augmente, ce qui permet une autorégulation de la longueur d'arc.

Polarité et son importance

La polarité détermine la direction du flux d'électrons et influence la pénétration, le taux de dépôt et la répartition de la chaleur.

Polarité	Désignation	Pénétration	Applications typiques
Électrode négative	CCEN (DCEN)	Profonde	Tôles minces, métaux d'apport à haute teneur en fer
Électrode positive	CCEP (DCEP)	Moyenne à profonde	La plupart des électrodes (E7018, E6010)
Courant alternatif	CA	Moyenne	Électrodes E6011, E7014, réduction du soufflage d'arc

Règle pratique : la majorité des électrodes rutiles et basiques fonctionnent en CCEP. Les électrodes cellulosiques (E6010) exigent le CCEP pour une pénétration profonde. Le CA est utilisé pour minimiser le soufflage d'arc (déviation de l'arc due aux champs magnétiques) sur les pièces magnétisées.

Câbles et connexions

Câble d'électrode (porte-électrode) : section minimale recommandée selon l'intensité (ex. : 35 mm² pour 200 A, 50 mm² pour 300 A).

Câble de retour (pince de masse) : doit être de même section que le câble d'électrode. Une connexion défectueuse du retour provoque une chute de tension et un arc instable.

Longueur totale des câbles : ne pas dépasser 30 m sans augmenter la section pour éviter les pertes en ligne (ΔV = R × I).

Classification des électrodes selon la norme CSA W48

La norme CSA W48 (Filler metals and allied materials for metal arc welding) est la référence canadienne pour la classification des électrodes enrobées. Le système de classification à quatre ou cinq chiffres suit le format de l'American Welding Society (AWS) A5.1.

Décodage de la désignation EXXXX

Prenons l'exemple de l'électrode E7018 :

Position	Signification	Valeur pour E7018
E	Électrode	Électrode
70	Résistance minimale à la traction (ksi)	70 000 psi (490 MPa)
1	Position de soudage	Toutes positions
8	Type d'enrobage et polarité	Basique, faible hydrogène, CCEP ou CA

Positions de soudage (3e chiffre) :

1 : toutes positions (à plat, horizontale, verticale montante, au-dessus de la tête)

2 : positions à plat et horizontale uniquement

3 : position à plat uniquement

Types d'enrobage (4e chiffre) :

Chiffre	Type d'enrobage	Polarité	Caractéristiques
0	Cellulosique sodique	CCEP	Pénétration profonde, arc puissant
1	Cellulosique potassique	CCEN, CCEP, CA	Pénétration profonde, arc doux
2	Rutile sodique	CCEN, CA	Pénétration moyenne, laitier fluide
3	Rutile potassique	CCEN, CCEP, CA	Arc doux, bon aspect du cordon
4	Rutile à poudre de fer	CCEN, CCEP, CA	Taux de dépôt élevé
5	Basique sodique	CCEP	Faible hydrogène, haute résistance
6	Basique potassique	CCEP, CA	Faible hydrogène, arc stable en CA
7	Oxyde de fer à poudre de fer	CCEN, CCEP, CA	Taux de dépôt très élevé
8	Basique à poudre de fer	CCEP, CA	Faible hydrogène, taux de dépôt élevé

Électrodes courantes et leurs applications

Électrode	Enrobage	Positions	Courant	Applications typiques
E6010	Cellulosique sodique	Toutes	CCEP	Pipelines, racine en passe unique, acier non peint
E6011	Cellulosique potassique	Toutes	CA, CCEP	Travaux sur acier galvanisé ou peint, CA uniquement
E6013	Rutile potassique	Toutes	CA, CCEN, CCEP	Tôles minces, soudure décorative, faible pénétration
E7014	Rutile à poudre de fer	Toutes	CA, CCEN, CCEP	Assemblage rapide, angles, tôles moyennes
E7018	Basique à poudre de fer	Toutes	CCEP, CA	Charpente, chaudronnerie, aciers à moyenne résistance
E7024	Rutile à poudre de fer	À plat, horizontale	CA, CCEP, CCEN	Soudures d'angle à plat, forte productivité

Exigences de stockage et de séchage des électrodes

Les électrodes basiques (E7018, E8018, etc.) sont particulièrement sensibles à l'humidité. L'hydrogène absorbé par l'enrobage provoque la fissuration à froid (fissuration différée) dans le métal déposé.

Type d'électrode	Conditions de stockage	Séchage recommandé
Cellulosique (E6010, E6011)	Sec, température ambiante	Ne pas sécher (détruit l'enrobage)
Rutile (E6013, E7014)	Sec, température ambiante	1 h à 100-150 °C si humide
Basique (E7018)	Four à 40-50 °C, humidité relative < 60 %	1-2 h à 350-400 °C après exposition
Basique (E8018, E9018)	Four à 40-50 °C	2 h à 400 °C

Règle du Code canadien de l'électricité, Chapitre V : les électrodes basiques ne doivent pas être exposées à l'air libre plus de 4 heures avant utilisation. Après cette période, elles doivent être reséchées selon les spécifications du fabricant.

Paramètres de soudage et réglages

Intensité de courant (ampérage)

L'intensité est le paramètre le plus critique. Elle détermine la pénétration, le taux de dépôt et la stabilité de l'arc. La formule approximative pour les électrodes courantes :

I = D × k

Où :

I = intensité en ampères

D = diamètre de l'électrode en mm

k = constante dépendant du type d'électrode (30 à 50 A/mm)

Valeurs de référence par diamètre d'électrode :

Diamètre (mm)	E6010/E6011 (A)	E6013 (A)	E7018 (A)
2,4 (3/32")	40-80	40-90	60-110
3,2 (1/8")	75-120	80-130	90-150
4,0 (5/32")	110-160	120-180	140-200
5,0 (3/16")	150-210	170-240	200-275
6,3 (1/4")	200-280	230-320	260-350

Tension d'arc et longueur d'arc

La tension d'arc est directement proportionnelle à la longueur d'arc. Une longueur d'arc correcte correspond approximativement au diamètre de l'âme de l'électrode.

Arc trop long : tension élevée, projections excessives, porosité, mauvaise protection gazeuse.

Arc trop court : court-circuit fréquent, collage de l'électrode, cordon étroit et bombé.

Règle pratique : maintenir une longueur d'arc égale au diamètre de l'âme métallique. Pour une électrode de 3,2 mm, l'arc doit mesurer environ 3 mm.

Vitesse de déplacement

La vitesse de déplacement influence la géométrie du cordon :

Trop rapide : cordon étroit, pénétration insuffisante, risque de manque de fusion.

Trop lente : cordon large, accumulation excessive de métal, risque de surchauffe et de distorsion.

La vitesse optimale produit un cordon dont la largeur est environ 2 à 3 fois le diamètre de l'électrode, avec une pénétration de 1,5 à 2 mm au-delà de la surface.

Angle de l'électrode

Position	Angle de traînée	Angle de travail
À plat	10-15° (poussée)	90°
Horizontale (angle)	10-15°	45° (bissectrice)
Verticale montante	0-10° (légèrement vers le haut)	90°
Au-dessus de la tête	5-10° (poussée)	90°

Techniques opératoires

Amorçage de l'arc

Deux méthodes principales :

69.Amorçage par grattage : frotter l'électrode sur la pièce comme une allumette. Recommandé pour les électrodes basiques.

70.Amorçage par tapotement : toucher la pièce puis soulever rapidement l'électrode. Risque de collage si la séparation est trop lente.

Attention : l'amorçage hors de la zone de soudure (sur la pièce) peut créer des marques d'arc qui constituent des points de concentration de contraintes. Sur les aciers à haute résistance, ces marques peuvent provoquer une fissuration.

Technique de soudage à plat

Positionner l'électrode perpendiculaire à la pièce avec un angle de traînée de 10-15°.

Maintenir une longueur d'arc constante.

Déplacer l'électrode à vitesse uniforme.

Observer le bain de fusion et le laitier en formation.

Soudage verticale montante

Utiliser des électrodes de petit diamètre (2,4 à 3,2 mm).

Adopter un mouvement en triangle ou en demi-lune pour contrôler le bain.

Réduire l'intensité de 15-20 % par rapport au soudage à plat.

Maintenir l'arc court pour éviter que le métal ne coule.

Soudage au-dessus de la tête

Utiliser des intensités réduites de 20-25 %.

Arc très court, déplacement rapide.

Angle de traînée de 5-10° pour diriger le bain vers l'arrière.

Éviter les mouvements de balancement excessifs.

Soudage en position horizontale (angle)

Angle de travail à 45° (bissectrice de l'angle).

Angle de traînée de 10-15°.

Pour les soudures d'angle, le cordon doit être légèrement convexe pour éviter le manque de fusion sur la semelle.

Préparation des joints et géométrie

Types de joints et de rainures

Type de joint	Épaisseur typique	Préparation	Angle inclus
À recouvrement	Toutes	Aucune	—
En T (angle)	Toutes	Aucune ou chanfrein	—
Bout à bout (I)	≤ 3 mm	Aucune	—
Bout à bout (V)	6-20 mm	Chanfrein simple	60°
Bout à bout (X)	> 20 mm	Chanfrein double	60° (total)
Bout à bout (U)	> 20 mm	Chanfrein en U	45°

Dimensions de la rainure selon le Code

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V et les normes CSA W59 (soudage des charpentes en acier) spécifient les dimensions minimales des rainures :

Jeu de racine : 1,5 à 3 mm selon l'épaisseur et le procédé.

Angle de chanfrein : 30° par côté (60° inclus) pour le SMAW.

Méplat (face de racine) : 1,5 à 2,5 mm.

Nettoyage et préparation des surfaces

Éliminer toute trace de rouille, calamine, huile, graisse ou peinture sur 25 mm minimum de chaque côté du joint.

Utiliser une meuleuse, une brosse métallique ou un dégraissant.

Les surfaces doivent être sèches avant le soudage (l'humidité provoque la porosité).

Défauts de soudage et remèdes

Porosité

Cause	Remède
Humidité dans l'enrobage	Sécher les électrodes selon les spécifications
Courant d'air	Installer des écrans anti-vent
Surface contaminée	Nettoyer soigneusement
Arc trop long	Réduire la longueur d'arc
Soufflage d'arc	Changer la position de la pince de masse

Fissuration à froid (fissuration différée)

Cette fissure apparaît plusieurs heures après le soudage. Elle est causée par la combinaison de :

Hydrogène diffusible dans le métal déposé

Contraintes résiduelles élevées

Microstructure dure (martensite) dans la zone affectée thermiquement (ZAT)

Prévention :

Utiliser des électrodes basiques à faible hydrogène correctement séchées.

Préchauffer la pièce selon les spécifications (généralement 100-200 °C pour les aciers au carbone).

Contrôler la température entre passes.

Effectuer un traitement thermique après soudage si requis.

Manque de fusion et manque de pénétration

Manque de fusion : mauvaise liaison entre le métal déposé et le métal de base ou entre passes successives. Causes : intensité trop faible, angle incorrect, vitesse trop rapide, laitier non éliminé.

Manque de pénétration : la racine du joint n'est pas fusionnée. Causes : jeu de racine insuffisant, angle de chanfrein trop faible, intensité trop faible.

Inclusions de laitier

Laitier piégé dans le métal déposé entre les passes.

Causes : mauvais nettoyage entre passes, angle d'électrode incorrect, mouvement de balancement excessif.

Prévention : brosser et meuler soigneusement chaque passe avant la suivante.

Soufflage d'arc

Déviation de l'arc due aux champs magnétiques créés par le courant de soudage. Plus prononcé en courant continu.

Remèdes :

Utiliser le courant alternatif.

Rapprocher la pince de masse de la zone de soudage.

Enrouler le câble de masse autour de la pièce pour créer un champ opposé.

Incliner l'électrode dans la direction opposée à la déviation.

Calculs et paramètres essentiels

Calcul de la température de préchauffage

La température minimale de préchauffage peut être estimée par la méthode du carbone équivalent (CE) :

CE = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

Pour un acier avec CE > 0,40 %, un préchauffage est généralement requis.

Température de préchauffage approximative :

CE < 0,35 % : pas de préchauffage requis (sauf si épaisseur > 25 mm)

CE = 0,35-0,45 % : préchauffage à 50-100 °C

CE > 0,45 % : préchauffage à 100-200 °C

Calcul de l'apport de chaleur (heat input)

H = (V × I × 60) / (S × 1000)

Où :

H = apport de chaleur en kJ/mm

V = tension d'arc en volts

I = courant en ampères

S = vitesse de déplacement en mm/min

Exemple : V = 24 V, I = 150 A, S = 200 mm/min

H = (24 × 150 × 60) / (200 × 1000) = 216 000 / 200 000 = 1,08 kJ/mm

Calcul du taux de dépôt

Taux de dépôt (kg/h) = (I × E) / 1000

Où E est l'efficacité de dépôt de l'électrode (généralement 60-75 % pour SMAW).

Exemple : E7018, I = 150 A, efficacité = 70 %

Taux = (150 × 0,70) / 1000 = 0,105 kg/h (approximatif, dépend du fabricant)

Nombre de passes estimé

N = (A_totale) / (A_passe)

Où A_totale est la section transversale du joint (mm²) et A_passe la section déposée par passe (approximativement 10-15 mm² pour une électrode de 3,2 mm).

Normes et codes applicables

CSA W59 — Soudage des charpentes en acier

Cette norme spécifie :

Les qualifications des soudeurs (article 4.2)

Les procédures de soudage (WPS) requises

Les essais de qualification (article 5)

Les critères d'acceptation des soudures (article 6)

Les exigences de préchauffage et de température entre passes

CSA W47.1 — Qualification des compagnies de soudage

Cette norme exige que les compagnies effectuant du soudage sur des charpentes en acier soient certifiées selon ses exigences. Elle couvre :

La qualification des procédés de soudage

La qualification des soudeurs

Les responsabilités de l'ingénieur en soudage

Les essais de vérification

CSA B149.1 — Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Bien que principalement axé sur l'électricité, ce code contient des exigences relatives aux installations de soudage électrique :

Règle 8-200 : protection des conducteurs contre les surintensités

Règle 8-202 : calcul des charges des circuits de soudage

Règle 8-204 : facteur de demande pour les postes de soudage

Autres normes pertinentes

CSA W48 : classification des électrodes

CSA W186 : soudage des armatures d'acier pour béton

CSA Z662 : oléoducs et gazoducs (exigences spécifiques pour le SMAW en pipeline)

Contrôle qualité et inspection

Essais non destructifs (END)

Méthode	Détecte	Application
Visuel (VT)	Défauts de surface, dimensions	100 % des soudures
Magnétoscopie (MT)	Fissures de surface et sub-surface	Aciers ferromagnétiques
Ressuage (PT)	Fissures de surface	Tous matériaux
Ultrasons (UT)	Défauts internes	Épaisseurs > 8 mm
Radiographie (RT)	Défauts internes	Soudures critiques

Critères d'acceptation selon CSA W59

Porosité : la porosité visible en surface ne doit pas dépasser 1,5 mm de diamètre.

Soufflures : pas plus de 6 soufflures par 25 mm de longueur de soudure.

Manque de pénétration : non acceptable pour les soudures bout à bout sollicitées.

Fissures : aucune fissure n'est acceptable, quelle que soit sa taille.

Renflement (profil) : le renflement ne doit pas dépasser 1,5 mm au-dessus de la surface.

Sécurité en soudage SMAW

Risques électriques

Tension en circuit ouvert : 50-80 V — dangereuse dans des conditions humides.

Porter des gants secs et isolants.

Vérifier l'isolation des câbles avant chaque utilisation.

Ne jamais changer d'électrode avec les mains nues.

Utiliser des porte-électrodes isolés conformes à la norme CSA.

Risques liés aux fumées

Les fumées de soudage SMAW contiennent des oxydes métalliques, des fluorures (électrodes basiques) et des composés organiques. La ventilation doit être conforme au Règlement sur la santé et la sécurité au travail (partie II du Code canadien du travail).

Risques liés aux rayonnements

L'arc émet des rayonnements ultraviolets et infrarouges intenses.

Porter un casque avec verre filtrant de teinte appropriée (teinte 10 à 13 selon l'intensité).

Protéger la peau exposée avec des vêtements en coton ignifugé.

Pièges à éviter

202.Confondre les polarités : E6010 exige CCEP, jamais CCEN. Une polarité inversée produit un arc instable et une mauvaise pénétration.

203.Négliger le séchage des électrodes basiques : une électrode E7018 humide produit de la porosité et des fissures à froid. Vérifiez toujours l'historique de stockage.

204.Utiliser une longueur d'arc excessive : cela crée des projections et une protection gazeuse insuffisante. L'arc doit être court et contrôlé.

205.Oublier le nettoyage entre passes : le laitier résiduel provoque des inclusions. Brossez et inspectez chaque passe.

206.Confondre les positions de soudage : le chiffre 1 signifie toutes positions, le chiffre 2 signifie à plat et horizontale uniquement. Une électrode E7024 ne peut pas être utilisée en verticale.

207.Ignorer le préchauffage : sur les aciers épais ou à haute résistance, l'absence de préchauffage provoque une fissuration immédiate ou différée.

208.Calculer incorrectement l'apport de chaleur : vérifiez les unités (kJ/mm, pas kJ/cm) et la vitesse de déplacement en mm/min.

209.Utiliser un courant trop élevé : cela provoque des brûlures de l'enrobage, des projections excessives et une perte de contrôle du bain.

210.Ne pas respecter les exigences de qualification : chaque soudeur doit être qualifié selon CSA W47.1 pour le procédé, la position et le type de joint.

211.Oublier la protection contre le soufflage d'arc : sur les pièces magnétisées, utilisez le CA ou repositionnez la pince de masse.

Résumé

Le SMAW est un procédé à électrode consommable enrobée, utilisant l'arc électrique comme source de chaleur et l'enrobage comme protection gazeuse et générateur de laitier.

La classification des électrodes suit le format EXXXX : E = électrode, 2 premiers chiffres = résistance à la traction (ksi), 3e chiffre = position, 4e chiffre = type d'enrobage.

Les électrodes basiques (E7018) nécessitent un stockage au sec et un séchage à 350-400 °C si elles ont été exposées à l'humidité.

La polarité influence la pénétration : CCEP pour la plupart des électrodes, CCEN pour certaines applications spécifiques, CA pour réduire le soufflage d'arc.

Les paramètres critiques sont l'intensité (selon diamètre et type d'électrode), la longueur d'arc (égale au diamètre de l'âme), la vitesse de déplacement et l'angle d'électrode.

Les défauts courants (porosité, inclusions, manque de fusion, fissuration) sont évitables par un contrôle rigoureux des paramètres et une préparation adéquate.

Les normes canadiennes applicables sont CSA W59 (charpentes), CSA W47.1 (qualification des compagnies), CSA W48 (électrodes) et le Code canadien de l'électricité, Chapitre V.

Les calculs essentiels incluent le carbone équivalent (CE), l'apport de chaleur (H = V × I × 60 / S × 1000) et le taux de dépôt.

La sécurité exige des gants isolants, un casque avec verre filtrant adapté et une ventilation adéquate contre les fumées.

Ce chapitre couvre les connaissances essentielles pour l'examen interprovincial (Red Seal) du métier de soudeur. Maîtrisez les concepts, les calculs et les normes cités pour réussir votre certification.

Effectuer le soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW)