Effectuer le soudage à l'arc sous gaz avec fil électrode (GMAW) et le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW)

Effectuer le soudage à l'arc sous gaz avec fil électrode (GMAW) et le soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW)

Introduction au procédé GMAW et FCAW

Le soudage GMAW (Gas Metal Arc Welding), aussi appelé soudage MIG/MAG, est un procédé de soudage à l'arc qui utilise un fil-électrode continu consommable et un gaz de protection externe. Le soudage FCAW (Flux-Cored Arc Welding) est un procédé similaire, mais le fil est tubulaire et contient un flux interne qui peut générer son propre gaz de protection ou nécessiter un gaz externe supplémentaire.

Ces deux procédés sont classés dans la catégorie des procédés de soudage à l'arc avec électrode fusible sous protection gazeuse. Selon le Code canadien de l'électricité, Chapitre V, et les normes CSA W47.1 et CSA W59, ces procédés sont désignés par les numéros de procédé 131 (GMAW) et 136 (FCAW) selon la norme ISO 4063, bien que la classification canadienne utilise fréquemment les désignations de l'AWS (American Welding Society).

Le candidat à l'examen Sceau rouge doit maîtriser les principes physiques, les paramètres de soudage, les équipements, les gaz de protection, les défauts typiques et les exigences réglementaires associés à ces procédés.

Principes fondamentaux du GMAW

Le circuit de soudage

Le GMAW fonctionne selon le principe de l'arc électrique établi entre le fil-électrode et la pièce à souder. Le circuit électrique comprend :

La polarité est un paramètre critique. En GMAW, la polarité inversée (DCEP — Direct Current Electrode Positive) est la plus courante pour l'acier au carbone. Dans ce mode, le fil est connecté au pôle positif (+) et la pièce au pôle négatif (−). Cette polarité procure une pénétration profonde et un transfert de métal stable. La polarité droite (DCEN — Direct Current Electrode Negative) est utilisée dans certains cas spécifiques, notamment pour le soudage de tôles minces avec fil fourré auto-protégé.

Le transfert de métal

Le mode de transfert du métal en fusion est déterminé par la tension, l'intensité, le diamètre du fil et le gaz de protection. Quatre modes principaux sont reconnus :

Le transfert par court-circuit se produit lorsque le fil entre en contact avec le bain de fusion, créant un court-circuit qui fait fondre le fil et détache une goutte. Ce mode est idéal pour les tôles minces et le soudage en position car l'apport de chaleur est faible.

Le transfert par pulvérisation (spray) nécessite un gaz contenant au moins 80 % d'argon. Les gouttelettes sont très fines et le transfert est axial et stable. Ce mode produit un arc intense et une pénétration profonde, mais il est limité à la position à plat et en soudage horizontal.

Le transfert pulsé combine les avantages du spray avec un contrôle précis de l'apport de chaleur. Le courant alterne entre un niveau de fond (faible) et un niveau de pic (élevé), permettant le transfert axial de gouttelettes à chaque impulsion.

Paramètres de soudage

Les paramètres principaux du GMAW sont :

La relation entre la vitesse de dévidage et l'intensité est approximativement linéaire pour un diamètre de fil donné. Par exemple, pour un fil de 1,2 mm en acier, une vitesse de dévidage de 5 m/min correspond environ à 150 A, tandis que 10 m/min correspond à environ 280 A.

La tension d'arc détermine la longueur de l'arc. Une tension trop élevée produit un arc long, des projections et un cordon large et plat. Une tension trop faible produit un arc court, un cordon étroit et bombé, avec risque de collage du fil.

Le procédé FCAW

FCAW avec gaz (FCAW-G)

Le FCAW-G (Gas-Shielded Flux-Cored Arc Welding) utilise un fil tubulaire contenant du flux et nécessite un gaz de protection externe. Le gaz le plus courant est le CO₂ pur ou un mélange Ar/CO₂ (75/25 ou 80/20). Ce procédé offre :

Le FCAW-G est désigné par le numéro de procédé 136 selon la norme ISO 4063. La polarité utilisée est généralement le DCEP.

FCAW auto-protégé (FCAW-S)

Le FCAW-S (Self-Shielded Flux-Cored Arc Welding) utilise un fil tubulaire dont le flux génère des gaz de protection internes qui protègent le bain de fusion. Aucun gaz externe n'est requis. Ce procédé est désigné par le numéro 114 selon ISO 4063.

Les avantages du FCAW-S incluent :

Les désavantages comprennent :

Classification des fils FCAW

Les fils FCAW sont classifiés selon la norme AWS A5.20 pour l'acier au carbone et AWS A5.29 pour l'acier faiblement allié. La désignation suit le format suivant :

E71T-1C ou E71T-1M

Par exemple, un fil E71T-1C est un fil tubulaire de 490 MPa, toutes positions, avec flux rutile, nécessitant du CO₂ pur comme gaz de protection.

Équipement et accessoires

Source de courant

Les sources de courant pour GMAW et FCAW sont des sources à tension constante (CV — Constant Voltage) . Contrairement au SMAW qui utilise une source à courant constant, la source CV maintient une tension relativement stable pendant que l'intensité varie en fonction de la vitesse de dévidage. Cette caractéristique permet un auto-réglage de la longueur de l'arc : si le fil s'approche trop près de la pièce, l'intensité augmente, ce qui accélère la fusion et rétablit la longueur d'arc.

La source doit fournir une tension de circuit ouvert de 30 à 60 V et un courant nominal de 200 à 600 A selon l'application.

Système de dévidage

Le dévidoir doit être adapté au diamètre du fil et au type de gaine. Les composants critiques sont :

Le tube contact doit avoir un diamètre légèrement supérieur au fil (0,1 à 0,2 mm de plus). Un tube contact usé ou de mauvais diamètre provoque un arc instable et des défauts de soudage.

Gaz de protection

Le choix du gaz de protection dépend du matériau de base et du mode de transfert :

Le débit de gaz doit être réglé entre 15 et 25 L/min. Un débit trop faible provoque une protection insuffisante et de la porosité. Un débit trop élevé crée des turbulences qui aspirent l'air ambiant dans le bain de fusion.

Techniques opératoires

Préparation des joints

La préparation des joints pour GMAW et FCAW suit les exigences de la norme CSA W59 (Soudage des constructions en acier — Soudage à l'arc). Les angles de chanfrein, les jeux de racine et les talons doivent être conformes aux détails de soudure spécifiés.

Pour une tôle d'épaisseur supérieure à 6 mm, un chanfrein en V est généralement requis avec un angle de 60° et un jeu de racine de 2 à 3 mm. Le talon (face de racine) doit être de 1 à 2 mm pour éviter le brûlage.

Position du pistolet

L'angle du pistolet influence la forme du cordon et la pénétration :

L'angle de travail (angle latéral) doit être de 90° pour les soudures d'angle à plat, et ajusté selon la position pour les soudures en angle intérieur (45° pour une soudure d'angle symétrique).

Technique de déplacement

La technique de déplacement (oscillation) dépend de la largeur du cordon souhaitée :

La longueur de l'arc doit être maintenue constante. En GMAW, la longueur d'arc est contrôlée par la tension : une tension plus élevée produit un arc plus long. Le soudeur doit maintenir la distance entre le tube contact et la pièce (stick-out) constante, typiquement 10 à 20 mm.

Calculs et paramètres

Calcul de la vitesse de dévidage

La vitesse de dévidage du fil est directement liée à l'intensité de soudage. La relation approximative est :

I = k × Vd

Où :

Pour un fil de 0,9 mm, la constante est d'environ 25 ; pour un fil de 1,6 mm, elle est d'environ 35.

Calcul de l'apport de chaleur

L'apport de chaleur (heat input) est un paramètre critique pour le contrôle de la zone affectée thermiquement (ZAT) et la prévention des fissures :

H = (V × I × 60) / (S × 1000)

Où :

Exemple : V = 25 V, I = 200 A, S = 300 mm/min

H = (25 × 200 × 60) / (300 × 1000) = 300 000 / 300 000 = 1,0 kJ/mm

Calcul du taux de dépôt

Le taux de dépôt (deposition rate) pour le GMAW peut être estimé :

D = (Vd × ρ × A) / 1000

Où :

Pour un fil de 1,2 mm (section = π × 0,6² = 1,13 mm²) avec une vitesse de dévidage de 8 m/min :

D = (8 × 7,85 × 1,13) / 1000 = 0,071 kg/min = 4,26 kg/h

Défauts de soudage et remèdes

Porosité

La porosité est causée par une protection gazeuse insuffisante ou une contamination :

Projections excessives

Les projections sont souvent causées par :

Manque de fusion

Le manque de fusion est un défaut grave qui peut être causé par :

Fissures

Les fissures à chaud dans le métal déposé peuvent résulter de :

Exigences réglementaires et normes

CSA W47.1

La norme CSA W47.1 (Certification des entreprises de soudage — Soudage par fusion de l'acier) exige que les entreprises qui effectuent du soudage GMAW ou FCAW sur des constructions en acier soient certifiées. Cette certification implique :

CSA W59

La norme CSA W59 (Soudage des constructions en acier — Soudage à l'arc) spécifie les exigences pour :

Selon la CSA W59, les soudures GMAW et FCAW doivent être réalisées avec des fils conformes aux normes AWS A5.18 (fil plein) ou AWS A5.20 (fil fourré). Le soudeur doit être qualifié selon les exigences de la norme pour chaque procédé et chaque position.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1-21) s'applique aux installations électriques des postes de soudage. La règle 8-200 spécifie les exigences pour les circuits de soudage, notamment :

Le soudeur doit s'assurer que le câble de masse est correctement connecté et que le circuit de retour est dimensionné pour le courant de soudage.

CSA B149.1

La norme CSA B149.1 (Code canadien d'installation du gaz naturel et du propane) s'applique aux installations de gaz de protection lorsqu'elles utilisent des gaz combustibles ou des systèmes de distribution de gaz. Bien que les gaz de protection (argon, CO₂) ne soient pas combustibles, les exigences de la norme s'appliquent aux installations de stockage et de distribution de ces gaz sous pression.

Sécurité et santé au travail

Risques électriques

Le soudage GMAW et FCAW présente des risques électriques spécifiques :

Le soudeur doit porter des gants isolants secs, utiliser des pinces isolées et s'assurer que l'équipement est correctement mis à la terre.

Fumées et gaz

Les fumées de soudage GMAW et FCAW contiennent des oxydes métalliques, du monoxyde de carbone, de l'ozone et d'autres substances dangereuses. Les mesures de contrôle incluent :

Rayonnement

L'arc GMAW et FCAW produit un rayonnement ultraviolet (UV) intense qui peut causer des brûlures de la peau et des lésions oculaires (coup d'arc). La protection comprend :

Contrôle de la qualité

Inspection visuelle

L'inspection visuelle est la première étape du contrôle qualité. Selon la CSA W59, les critères d'acceptation incluent :

Essais non destructifs

Les essais non destructifs (END) couramment utilisés pour les soudures GMAW et FCAW incluent :

Qualification des soudeurs

La qualification des soudeurs selon la CSA W47.1 comprend :

La qualification est valide pour une période déterminée et doit être renouvelée si le soudeur n'a pas pratiqué le procédé pendant une période prolongée.

Pièges à éviter

Résumé

Le soudage GMAW et FCAW sont des procédés à fil continu qui offrent une productivité élevée et une grande polyvalence. Les points essentiels à retenir pour l'examen Sceau rouge :

Le candidat doit être capable d'identifier les paramètres corrects pour une application donnée, de calculer l'apport de chaleur et le taux de dépôt, et de reconnaître les défauts de soudage avec leurs causes et remèdes. La maîtrise des exigences réglementaires canadiennes est essentielle pour réussir l'examen et pour pratiquer le métier en toute conformité.