Effectuer le soudage à l'arc au tungstène sous gaz (GTAW)
Guide d'étude Red Seal Practice avec schémas.
Effectuer le soudage à l'arc au tungstène sous gaz (GTAW)
Introduction au procédé GTAW
Le soudage à l'arc au tungstène sous gaz (GTAW) , également désigné par le sigle anglais TIG (Tungsten Inert Gas), est un procédé de soudage à l'arc utilisant une électrode de tungstène non fusible. L'arc est établi entre cette électrode et la pièce à souder, tandis qu'un gaz inerte (argon, hélium ou mélange) protège la zone de fusion de toute contamination atmosphérique. Le métal d'apport, lorsqu'il est requis, est ajouté manuellement sous forme de baguette ou de fil.
Ce procédé est régi par la norme CSA W117.2 (Sécurité en soudage, coupage et procédés connexes) pour les aspects sécuritaires, et par les normes de qualification CSA W47.1 (soudage de l'acier) et CSA W47.2 (soudage de l'aluminium) pour la certification des entreprises et des soudeurs.
Caractéristiques distinctives du GTAW
Caractéristique
GTAW
Comparaison avec SMAW (électrode enrobée)
Électrode
Tungstène non fusible
Fusible, enrobée
Métal d'apport
Séparé, ajouté manuellement
Inclus dans l'enrobage
Gaz de protection
Argon, hélium, mélanges
Aucun (l'enrobage génère le gaz)
Contrôle de l'arc
Excellent
Modéré
Qualité du cordon
Supérieure, propre
Bonne, avec laitier
Positions
Toutes
Toutes
Applications typiques
Tubes, tôles minces, métaux non ferreux
Charpente, tuyauterie lourde
Le GTAW est le procédé de choix pour les matériaux exigeant une propreté métallurgique élevée : aciers inoxydables, aluminium, magnésium, titane, cuivre et alliages de nickel. Il permet un contrôle précis de l'apport thermique, ce qui minimise les distorsions et les déformations.
Principe de fonctionnement
L'arc électrique et sa stabilisation
L'arc GTAW est un arc électrique établi entre une électrode de tungstène (point de fusion ≈ 3 410 °C) et la pièce à souder. Le tungstène est choisi pour sa résistance exceptionnelle à la température. L'arc est maintenu dans une atmosphère de gaz inerte qui ne réagit pas chimiquement avec le bain de fusion.
La densité de courant dans l'arc GTAW est élevée, ce qui produit une température de plasma comprise entre 5 000 °C et 30 000 °C selon l'intensité et le gaz utilisé. Le transfert d'énergie à la pièce se fait principalement par conduction et convection du plasma.
Amorçage de l'arc
Trois méthodes d'amorçage sont employées :
15.Amorçage par contact (scratch start) : l'électrode touche brièvement la pièce puis est retirée. Cette méthode risque de contaminer l'électrode avec le métal de base. Elle est utilisée uniquement en dépannage ou sur des équipements simples.
16.Amorçage par haute fréquence (HF) : un générateur haute tension (2 000 à 10 000 V) et haute fréquence (250 kHz à 1 MHz) ionise l'espace entre l'électrode et la pièce sans contact. C'est la méthode la plus courante pour le courant alternatif (CA) et le courant continu (CC).
17.Amorçage par impulsion (lift arc) : l'électrode touche la pièce à faible intensité, puis est soulevée ; l'arc s'établit à basse tension. Cette méthode évite la contamination et réduit les interférences électromagnétiques.
Polarité et ses effets
Polarité
Pénétration
Nettoyage de surface
Application
**CCEN** (électrode négative)
Profonde
Aucun
Aciers, inox, titane, cuivre
**CCEP** (électrode positive)
Faible
Élevé
Tôles minces (rare)
**CA** (alternatif)
Moyenne
Élevé (alternance)
Aluminium, magnésium
En CCEN (courant continu, électrode négative), environ 70 % de la chaleur est générée à la pièce, ce qui donne une pénétration profonde. L'électrode reste relativement froide, ce qui permet d'utiliser des courants plus élevés.
En CCEP, 70 % de la chaleur est générée à l'électrode, ce qui la surchauffe. Cette polarité est rarement utilisée, sauf pour le soudage de tôles très minces où l'on recherche un faible apport thermique.
En CA, l'alternance des demi-cycles combine la pénétration de la CCEN et l'effet de nettoyage cathodique de la CCEP. Pendant la demi-période positive (électrode positive), les ions du gaz bombardent la surface de la pièce, brisant la couche d'oxyde d'aluminium (point de fusion ≈ 2 070 °C, alors que l'aluminium fond à 660 °C). Cet effet est essentiel pour souder l'aluminium.
Équilibrage CA (balance)
Les postes GTAW modernes permettent de régler l'équilibrage CA (balance control), exprimé en pourcentage de la demi-période négative (EN). Un réglage typique est de 65 à 75 % EN. Un pourcentage plus élevé donne plus de pénétration mais moins de nettoyage ; un pourcentage plus bas donne plus de nettoyage mais moins de pénétration et une électrode plus chaude.
Fréquence CA
La fréquence CA (60 Hz de base, jusqu'à 250 Hz sur les postes avancés) influence la forme de l'arc. Une fréquence plus élevée resserre l'arc, améliore la directionnalité et réduit la largeur du cordon. Elle est particulièrement utile pour le soudage de l'aluminium en position verticale ou en plafond.
Équipement et consommables
Poste de soudage
Le poste GTAW doit fournir un courant constant (caractéristique de chute ou pente). Les paramètres essentiels sont :
Courant de soudage (A) : réglage principal, détermine l'apport thermique.
Tension d'arc (V) : fonction de la longueur d'arc, généralement 10 à 15 V.
Pente montante (up-slope) : augmentation progressive du courant au démarrage pour éviter les chocs thermiques.
Pente descendante (down-slope) : diminution progressive du courant à l'arrêt pour éviter les cratères et les fissures à chaud.
Courant de cratère (crater fill) : courant réduit maintenu pendant 1 à 3 secondes pour remplir le cratère final.
Pré-débit et post-débit de gaz : le gaz doit commencer 0,5 à 1 seconde avant l'amorçage et continuer 5 à 15 secondes après l'extinction de l'arc pour protéger l'électrode et le bain en refroidissement.
Torche GTAW
La torche est refroidie par air (jusqu'à environ 200 A) ou par eau (au-delà). Ses composants :
Corps de torche : isolé électriquement, refroidi.
Collet (collet body) : maintient l'électrode, assure le contact électrique.
Pince d'électrode (collet) : serre l'électrode.
Buse (nozzle) : en céramique (standard), en métal ou en quartz (haute température). Le diamètre de la buse détermine la couverture de gaz.
Lentille à gaz (gas lens) : dispositif qui uniformise le flux de gaz, permettant d'éloigner la buse de la pièce (jusqu'à 20 mm) tout en maintenant une protection efficace.
Électrodes de tungstène
Les électrodes sont classées selon leur composition. Le code couleur est normalisé selon la norme AWS A5.12 :
Type
Désignation
Code couleur
Caractéristiques
Utilisation
Tungstène pur
EWP
Vert
Faible capacité de courant, stabilité limitée
CA, aluminium (rare)
Thoré (2 %)
EWTh-2
Rouge
Excellente émission d'électrons, longue durée de vie
CCEN, aciers, inox
Cérié (2 %)
EWCe-2
Gris
Bonne stabilité, faible radioactivité
CC et CA, polyvalent
Lanthané (1,5 %)
EWLa-1.5
Or
Excellente stabilité, allumage facile
CC et CA, polyvalent
Zirconié (1 %)
EWZr-1
Marron
Résiste à la contamination, bon en CA
CA, aluminium
Important : Le thorium est légèrement radioactif. Le meulage des électrodes thorées doit se faire sur une meule dédiée, avec aspiration, et le port de gants est obligatoire. Les électrodes cériées et lanthanées sont des alternatives sans radioactivité.
Affûtage des électrodes
L'affûtage se fait dans le sens longitudinal (parallèle à l'axe de l'électrode). Les stries de meulage doivent être parallèles à l'axe pour stabiliser l'arc. L'angle d'affûtage influence la pénétration :
Angle étroit (15 à 20°) : arc étroit, pénétration profonde, adapté aux tôles épaisses.
Angle large (30 à 60°) : arc plus large, pénétration moindre, adapté aux tôles minces.
Le diamètre de l'électrode doit correspondre au courant utilisé :
Diamètre (mm)
Courant CCEN (A)
Courant CA (A)
1,0
15 – 80
10 – 60
1,6
70 – 150
50 – 100
2,4
150 – 250
100 – 160
3,2
250 – 400
150 – 210
4,0
400 – 500
200 – 275
Gaz de protection
Le gaz doit être inerte (ne réagit pas avec le bain). Les choix courants :
Argon (Ar) : le plus courant. Densité 1,38 fois celle de l'air, ce qui assure une bonne couverture. Arc stable, nettoyage cathodique efficace en CA. Utilisé pour tous les métaux.
Hélium (He) : plus léger que l'air, nécessite un débit plus élevé (1,5 à 2 fois). Apport thermique plus élevé, pénétration plus profonde. Utilisé pour le cuivre épais et l'aluminium épais.
Mélanges Ar-He : combinent stabilité de l'argon et chaleur de l'hélium. Exemples : 75 % Ar / 25 % He, 50 % Ar / 50 % He.
Hydrogène (H₂) : ajouté à l'argon (jusqu'à 5 %) pour les aciers inoxydables austénitiques. Augmente la vitesse de soudage et la pénétration. Jamais sur les aciers ferritiques, martensitiques ou les métaux non ferreux (risque de fissuration à chaud).
Débits de gaz typiques : 8 à 15 L/min pour l'argon, selon le diamètre de la buse et les conditions de ventilation. Un débit excessif crée des turbulences qui aspirent l'air ambiant ; un débit insuffisant ne protège pas correctement.
Métal d'apport
Le métal d'apport doit être compatible avec le métal de base. Les baguettes sont généralement de 1,6 mm, 2,4 mm ou 3,2 mm de diamètre. Pour l'acier au carbone, on utilise des baguettes ER70S-2, ER70S-3 ou ER70S-6. Pour l'inox, ER308L (acier inoxydable 304), ER309L (métaux dissemblables), ER316L (acier inoxydable 316). Pour l'aluminium, ER4043 (alliage 4043, bonne fluidité) ou ER5356 (alliage 5356, meilleure résistance mécanique).
Préparation et procédures de soudage
Préparation des joints
La propreté est primordiale en GTAW. Toute contamination (huile, graisse, peinture, oxyde, humidité) provoque des défauts : porosité, inclusions, fissures.
Aciers et inox : dégraissage avec solvant, brossage avec brosse en acier inoxydable dédiée (jamais une brosse ayant servi sur de l'acier au carbone).
Aluminium : dégraissage, puis élimination de la couche d'oxyde par brossage avec une brosse en acier inoxydable ou par attaque chimique. Le brossage doit être effectué juste avant le soudage, car l'oxyde se reforme rapidement.
Titane : nettoyage rigoureux, dégraissage, et soudage sous protection gazeuse étendue (traînard, protection de la face arrière).
Géométrie des joints
Type de joint
Épaisseur (mm)
Préparation
Espacement (mm)
Bout à bout, tôle mince
≤ 3
Bord droit
0 – 1
Bout à bout, tôle moyenne
3 – 6
Chanfrein en V (60°)
1 – 2
Bout à bout, tôle épaisse
> 6
Chanfrein en V ou U, passe de pénétration
2 – 3
En T
Toutes
Bord droit ou chanfrein
0 – 2
Technique opératoire
72.Position de la torche : inclinaison de 70 à 80° par rapport à la pièce (légèrement poussée). La baguette d'apport est maintenue à 10 à 20° de l'horizontale, du côté opposé à la torche.
73.Longueur d'arc : maintenir une longueur d'arc égale au diamètre de l'électrode (environ 1,5 à 3 mm). Un arc trop long disperse la chaleur et réduit la protection gazeuse.
74.Ajout du métal d'apport : la baguette est trempée dans le bain de fusion, jamais au-dessus de l'arc. Retirer la baguette de la zone de protection gazeuse après chaque trempage pour éviter son oxydation.
75.Déplacement : mouvement continu et régulier. Pour les joints bout à bout, un léger mouvement de va-et-vient (oscillation) peut être nécessaire sur les tôles épaisses.
76.Fin de soudure : utiliser la pente descendante pour réduire progressivement le courant, puis maintenir le post-débit de gaz pendant 5 à 15 secondes.
Soudage en position
Le GTAW est utilisable dans toutes les positions. En position verticale (3G) et en plafond (4G), l'apport thermique doit être réduit (courant plus faible) et la vitesse de déplacement augmentée. Le métal d'apport est ajouté en plus petites quantités pour éviter le coulage.
Paramètres de soudage et calculs
Calcul de l'apport thermique
L'apport thermique (heat input) est un paramètre critique, particulièrement pour les aciers à haute résistance et les inox. Il se calcule :
Important : Pour l'acier, l'efficacité du transfert thermique est d'environ 60 à 70 % pour le GTAW (contre 80 à 90 % pour le GMAW). Certaines normes exigent de multiplier le résultat par le facteur d'efficacité (par exemple, 0,6 pour le GTAW selon l'API 1104).
Vitesse de soudage
La vitesse de déplacement est déterminée par la largeur du cordon souhaitée et l'épaisseur du métal. Une règle pratique : la largeur du cordon doit être de 2 à 3 fois le diamètre de l'électrode. La vitesse est ajustée pour obtenir une pénétration complète sans excès de renfort.
Nombre de passes
Pour une épaisseur donnée, le nombre de passes dépend de la capacité du procédé. En GTAW, une passe unique peut souder jusqu'à environ 3 mm sans métal d'apport (fusion autogène) et jusqu'à 6 mm avec apport. Au-delà, il faut des passes multiples.
Augmenter le débit, prolonger le post-débit, rapprocher la buse
**Surchauffe de l'électrode**
Courant trop élevé, polarité incorrecte (CCEP), électrode trop fine
Réduire le courant, vérifier la polarité, choisir un diamètre supérieur
Normes et codes applicables
CSA W117.2 — Sécurité en soudage
Cette norme définit les exigences de sécurité pour tous les procédés de soudage. Points clés pour le GTAW :
Ventilation : le GTAW produit de l'ozone et des oxydes d'azote. Une ventilation locale (aspiration à la source) est requise, particulièrement en espace confiné.
Protection oculaire : teinte de verre n° 10 à 12 pour le GTAW (l'arc est plus intense que celui du SMAW à courant équivalent). Les soudeurs à proximité doivent utiliser des écrans.
Électrodes thorées : manipulation avec gants, lavage des mains après manipulation, meulage sous aspiration.
Équipement électrique : vérification de la mise à la terre, câbles en bon état, porte-électrode isolé.
CSA W47.1 — Qualification des entreprises de soudage (acier)
Cette norme exige que les soudeurs soient qualifiés selon des procédures de soudage qualifiées (WPS) . Pour le GTAW, les variables essentielles comprennent :
Le procédé (GTAW)
Le type de courant et la polarité
Le métal de base et son épaisseur
Le métal d'apport (classification)
La position de soudage
Le gaz de protection (composition et débit)
Un soudeur qualifié en GTAW sur tôle mince (≤ 3 mm) n'est pas automatiquement qualifié pour la tôle épaisse. Les plages de qualification sont définies par la norme.
CSA W47.2 — Qualification des entreprises de soudage (aluminium)
Pour l'aluminium, la qualification exige une démonstration de maîtrise du procédé CA avec équilibrage et fréquence appropriés. Les défauts typiques en aluminium (porosité due à l'hydrogène, fissuration à chaud) sont spécifiquement évalués.
CSA B149.1 — Code canadien du gaz naturel et du propane
Pour le soudage de tuyauteries transportant du gaz naturel, les soudures doivent être réalisées selon des procédures qualifiées et par des soudeurs certifiés. Les exigences de contrôle (radiographie, essais destructifs) sont définies dans ce code.
Code canadien de l'électricité, Chapitre V
Ce code s'applique aux installations électriques des postes de soudage. Les exigences comprennent :
Règle 8-200 : capacité des conducteurs — les câbles de soudage doivent être dimensionnés pour le courant de sortie maximal.
Règle 10-204 : mise à la terre des équipements — le poste doit être mis à la terre conformément aux exigences.
Règle 14-100 : protection contre les surintensités — disjoncteurs ou fusibles dimensionnés selon la capacité du poste.
Applications spécifiques
Soudage de l'acier inoxydable
Le GTAW est le procédé de référence pour l'inox. Points critiques :
Utiliser une brosse dédiée (jamais d'acier au carbone).
Gaz : argon pur ou argon + 2 à 5 % d'hydrogène (austénitique uniquement).
Contrôler l'apport thermique pour éviter la sensibilisation (précipitation de carbures aux joints de grains entre 425 °C et 870 °C), qui réduit la résistance à la corrosion.
Pour les aciers inoxydables austénitiques, la température interpasses ne doit pas dépasser 150 °C.
Protection de la face arrière avec argon pour éviter l'oxydation (formation de "suie" ou "sugar").
Soudage de l'aluminium
Courant alternatif (CA) avec équilibrage de 65 à 75 % EN.
Électrode : zirconiée (EWZr-1) ou lanthanée (EWLa-1.5), diamètre 2,4 à 3,2 mm.
Nettoyage rigoureux de la surface (dégraissage + brossage).
Préchauffage pour les pièces épaisses (> 10 mm) à 100 – 150 °C (maximum 200 °C pour éviter la surchauffe locale).
Métal d'apport : ER4043 (fluidité) ou ER5356 (résistance).
Vitesse de soudage plus rapide que pour l'acier (l'aluminium conduit la chaleur 5 fois mieux).
Soudage du titane
Protection gazeuse étendue : traînard (trailing shield) et protection de la face arrière obligatoires.
Gaz : argon pur, débit plus élevé (15 – 25 L/min).
La température de la zone de soudage ne doit pas dépasser 250 °C en présence d'air (l'oxygène et l'azote fragilisent le titane au-delà de cette température).
Couleur du cordon : argenté (bonne protection), bleu pâle (protection marginale), bleu foncé ou gris (protection insuffisante — rejet).
Contrôle qualité et essais
Contrôle visuel
Le contrôle visuel est le premier niveau de vérification. Critères :
Cordon régulier, sans porosité visible.
Renfort conforme (généralement 1 à 3 mm au-dessus de la surface).
Pénétration complète visible à la racine (pour les joints bout à bout).
Absence de fissures, d'inclusions, de manque de fusion.
Couleur du cordon (pour titane et inox) : argenté à doré acceptable, bleu à gris = oxydation excessive.
Essais destructifs
Essai de pliage (bend test) : vérifie la ductilité et la fusion de la racine.
Essai de traction : vérifie la résistance mécanique.
Examen macrographique : vérifie la pénétration et l'absence de défauts internes.
Essais non destructifs
Radiographie : détecte les porosités, inclusions, fissures internes.
Ultrasons : détecte les manques de fusion et les fissures.
Ressuage : détecte les fissures superficielles.
Magnétoscopie : pour les matériaux ferromagnétiques uniquement.
Pièges à éviter
155.Confondre CCEN et CCEP : en GTAW, la polarité standard est CCEN (électrode négative). La CCEP surchauffe l'électrode et donne une pénétration faible. L'aluminium utilise le CA, pas le CCEN.
156.Négliger le post-débit de gaz : couper le gaz immédiatement après l'extinction de l'arc provoque l'oxydation de l'électrode et du cratère. Le post-débit doit être de 5 à 15 secondes.
157.Utiliser une électrode thorée sans précaution : le thorium est radioactif. Le meulage doit se faire sous aspiration, avec des gants, et les résidus doivent être éliminés comme déchets dangereux.
158.Souder l'aluminium en courant continu : sans l'effet de nettoyage cathodique du CA, la couche d'oxyde d'aluminium (point de fusion 2 070 °C) ne fond pas et reste en surface, provoquant des inclusions et un manque de fusion.
159.Confondre les gaz : le CO₂ n'est jamais utilisé en GTAW (il est actif et contamine le tungstène). L'hydrogène ne doit jamais être utilisé sur l'acier au carbone, l'aluminium ou le cuivre (fissuration à chaud).
160.Oublier la protection de la face arrière : pour l'inox et le titane, la face arrière du joint doit être protégée par un gaz inerte, sinon elle s'oxyde et perd sa résistance à la corrosion.
161.Calculer l'apport thermique sans le facteur d'efficacité : pour le GTAW, le facteur est d'environ 0,6. Un calcul sans ce facteur sous-estime l'apport réel.
162.Utiliser une brosse en acier au carbone sur l'inox : cela contamine la surface avec des particules de fer qui provoquent la corrosion.
163.Ignorer les exigences de qualification : chaque entreprise doit avoir des WPS qualifiés et des soudeurs certifiés selon CSA W47.1 ou W47.2. Un soudeur qualifié sur une procédure n'est pas qualifié pour toutes.
164.Négliger la ventilation : le GTAW produit de l'ozone, un gaz irritant et toxique. En espace confiné, la ventilation doit être forcée et un surveillant doit être présent.
Résumé
Le GTAW utilise une électrode de tungstène non fusible, un gaz inerte et un métal d'apport séparé. Il offre un contrôle supérieur de l'arc et une qualité de cordon excellente.
Les polarités : CCEN (aciers, inox, titane), CCEP (rare), CA (aluminium, magnésium). L'équilibrage CA et la fréquence sont des paramètres essentiels pour l'aluminium.
Les électrodes sont classées par composition (pur, thoré, cérié, lanthané, zirconié) avec des codes couleur normalisés. L'affûtage se fait longitudinalement.
Les gaz : argon (standard), hélium (pénétration), mélanges Ar-He, hydrogène (inox austénitique uniquement). Le débit typique est de 8 à 15 L/min.
La préparation est critique : propreté absolue, dégraissage, brossage adapté au matériau.
L'apport thermique se calcule : (V × A × 60) / (vitesse × 1000), avec un facteur d'efficacité de 0,6 pour le GTAW.
Les normes : CSA W117.2 (sécurité), CSA W47.1 (acier), CSA W47.2 (aluminium), CSA B149.1 (gaz), Code canadien de l'électricité Chapitre V.
Les défauts courants : porosité, fissuration à chaud, inclusion de tungstène, manque de pénétration, oxydation.
Les applications spécifiques : inox (contrôle thermique, protection arrière), aluminium (CA, nettoyage), titane (protection étendue, contrôle des couleurs).
Questions d'auto-évaluation (type examen)
176.Quel est le rôle principal du gaz de protection en GTAW ?
a) Refroidir l'électrode
b) Protéger le bain de fusion de l'atmosphère
c) Transporter le métal d'apport
d) Augmenter la vitesse de soudage
181.Pour souder de l'aluminium de 6 mm d'épaisseur, quelle polarité utilisez-vous ?
a) CCEN
b) CCEP
c) CA
d) CCEN avec hélium
186.Quelle est la plage de température de sensibilisation des aciers inoxydables austénitiques ?
a) 100 – 200 °C
b) 425 – 870 °C
c) 900 – 1 200 °C
d) 1 200 – 1 500 °C
191.Un soudeur utilise une électrode de 2,4 mm avec un courant de 300 A en CCEN. Que risque-t-il ?
a) Surchauffe de l'électrode
b) Manque de pénétration
c) Porosité
d) Aucun problème
196.Quel est le débit de gaz typique pour une buse de 10 mm avec de l'argon ?
a) 2 – 5 L/min
b) 8 – 15 L/min
c) 20 – 30 L/min
d) 35 – 50 L/min
201.L'apport thermique est de 1,2 kJ/mm calculé sans facteur d'efficacité. Quel est l'apport réel pour le GTAW ?
a) 0,72 kJ/mm
b) 1,2 kJ/mm
c) 1,8 kJ/mm
d) 2,0 kJ/mm
206.Quel type d'électrode est recommandé pour le soudage CA de l'aluminium ?
a) Thorée (rouge)
b) Zirconiée (marron)
c) Pure (vert)
d) Cériée (gris)
211.Quelle est la teinte de verre recommandée pour le GTAW ?
