Soudage et brasage pour tuyauteurs

Introduction au chapitre

Le soudage et le brasage sont des procédés d'assemblage permanents essentiels au métier de tuyauteur. Pour l'examen Sceau rouge, vous devez maîtriser non seulement les techniques opératoires, mais aussi les normes canadiennes qui régissent ces procédés, les symboles de soudure, les essais de qualification, et les calculs de préparation des joints. Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises, avec une emphase sur les distinctions critiques entre les procédés, les paramètres de soudage, et les exigences réglementaires du Code canadien de l'électricité, Chapitre V pour les systèmes de tuyauterie sous pression.

Définitions fondamentales

Le soudage est un procédé d'assemblage par fusion où les pièces métalliques sont chauffées jusqu'à leur température de fusion, avec ou sans apport de métal d'apport, pour former un joint continu. Le brasage (ou brasage fort, brazing) est un procédé où le métal d'apport fond à une température supérieure à 450 °C mais inférieure au point de fusion du métal de base. Le soudobrasage (braze welding) est une variante où le métal d'apport est déposé dans un joint sans fusion du métal de base, mais par capillarité.

La distinction cruciale : en soudage, le métal de base fond ; en brasage, il ne fond jamais. Cette différence détermine les contraintes thermiques, les propriétés mécaniques du joint, et les applications admissibles.

Procédés de soudage pour tuyauteurs

Soudage à l'arc électrique avec électrode enrobée (SMAW)

Le SMAW (Shielded Metal Arc Welding), aussi appelé soudage à l'arc avec électrode enrobée, est le procédé le plus utilisé pour la tuyauterie de chantier. L'arc électrique est établi entre une électrode consommable enrobée et la pièce. L'enrobage fond pour former un laitier protecteur et un gaz de protection.

Paramètres critiques :

Courant : 60 à 250 A selon le diamètre de l'électrode

Polarité : DC+ (électrode positive) pour la plupart des électrodes, DC− ou AC pour certaines

Tension d'arc : 18 à 30 V

Vitesse de déplacement : 15 à 45 cm/min

Électrodes courantes (classification AWS A5.1/A5.5) :

E6010 : pénétration profonde, racine en descente, courant DC+

E7018 : faible hydrogène, haute qualité, courant DC+ ou AC

E7024 : haute productivité, dépôt rapide, courant AC ou DC+

Tableau 1 — Caractéristiques des électrodes courantes

Électrode	Position	Courant	Pénétration	Utilisation typique
E6010	Toutes	DC+	Profonde	Racine en tuyauterie
E6011	Toutes	AC/DC	Profonde	Racine sur acier peint
E7018	Toutes	DC+/AC	Moyenne	Remplissage, passe finale
E7024	À plat	AC/DC	Faible	Remplissage horizontal

Soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène (GTAW/TIG)

Le GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), ou soudage TIG, utilise une électrode de tungstène non consommable et un gaz inerte (argon ou hélium) pour protéger le bain de fusion. Ce procédé produit des soudures de haute qualité, sans laitier, idéal pour les racines en tuyauterie, les aciers inoxydables, et les alliages non ferreux.

Paramètres :

Courant : 50 à 350 A selon l'épaisseur

Gaz : argon pur (99,99 %) pour la plupart des métaux ; mélange argon-hélium pour les fortes épaisseurs

Électrode : tungstène pur (vert) pour AC, tungstène thorié (rouge) pour DC, tungstène cérité (gris) pour usage général

Métal d'apport : baguettes nues, souvent ER70S-6 pour acier au carbone

Avantages : contrôle précis du bain, aucune projection, soudure propre, adapté aux passes racines.

Inconvénients : vitesse lente, coût élevé, exige une grande dextérité.

Soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW)

Le FCAW (Flux Cored Arc Welding) utilise un fil tubulaire continu contenant un flux interne. Il peut être auto-protégé (sans gaz externe) ou avec gaz de protection externe (CO₂ ou mélange Ar-CO₂). Ce procédé offre une productivité élevée, particulièrement pour les grosses tuyauteries en atelier.

Paramètres :

Courant : 150 à 500 A

Débit de gaz : 15 à 25 L/min pour FCAW avec gaz

Diamètres de fil : 0,9 à 2,4 mm

Soudage à l'arc sous gaz avec électrode fusible (GMAW/MIG)

Le GMAW (Gas Metal Arc Welding) utilise un fil continu consommable et un gaz de protection (CO₂, Ar, ou mélanges). Moins utilisé en tuyauterie de procédé en raison de la difficulté à contrôler la racine, il est toutefois employé pour les tuyaux de gros diamètre et les tôles.

Modes de transfert :

Court-circuit : faible courant, minces épaisseurs

Gouttelettes : courant moyen, transfert axial

Pulvérisation : courant élevé, transfert fin, position à plat uniquement

Soudage oxyacétylénique (OAW)

Le OAW utilise la flamme d'un mélange oxygène-acétylène pour fondre le métal de base et le métal d'apport. Bien que moins utilisé pour la tuyauterie sous pression, il reste pertinent pour le brasage, le soudobrasage, et les travaux de réparation sur tôles minces.

Types de flamme :

Neutre : rapport O₂/C₂H₂ ≈ 1:1, utilisée pour la plupart des aciers

Carburante : excès d'acétylène, pour alliages à haute teneur en carbone

Oxydante : excès d'oxygène, pour le laiton et le bronze

Préparation des joints et symboles de soudure

Types de joints

Le choix du type de joint dépend de l'épaisseur du tuyau, de la position de soudage, et des exigences de service. Pour la tuyauterie, les joints bout à bout sont les plus courants.

Tableau 2 — Préparation des joints bout à bout selon l'épaisseur

Épaisseur (mm)	Type de préparation	Angle de chanfrein	Jeu à la racine (mm)
3 à 6	Simple V	60° ± 5°	1,5 à 2,5
6 à 12	Simple V	60° ± 5°	2 à 3
12 à 20	Double V	60° ± 5°	2 à 3
> 20	Double V ou U	60° ± 5°	2 à 3

Le chanfrein est l'angle formé par la préparation du bord. L'âme est l'épaisseur restante à la racine du joint. Le jeu à la racine est l'espace entre les deux pièces à la base du chanfrein.

Symboles de soudure (norme AWS A2.4)

Les symboles de soudure sont un langage graphique normalisé. La ligne de référence est la ligne horizontale sur laquelle s'inscrivent les symboles. La flèche pointe vers le joint. Le symbole de base est placé au-dessus ou en dessous de la ligne de référence selon que la soudure est de l'autre côté ou du même côté que la flèche.

Symboles de base :

V : soudure en V

∨ : soudure en V inversé (de l'autre côté)

⌒ : soudure en U

⌐ : soudure d'angle

● : soudure par points

Dimensions : la taille de la soudure est indiquée à gauche du symbole, la longueur à droite. Un symbole de contour (plat, convexe, concave) est placé au-dessus ou en dessous du symbole de base.

Exemple : un symbole ⌐ avec 6 à gauche et 50 à droite signifie une soudure d'angle de 6 mm de jambe sur 50 mm de longueur.

Essais de qualification et procédures

Qualification des procédés (WPS/PQR)

Le WPS (Welding Procedure Specification) est un document qui décrit les paramètres de soudage : procédé, métaux de base, métal d'apport, positions, préchauffage, traitement thermique, et paramètres électriques. Le PQR (Procedure Qualification Record) est le rapport des essais effectués pour valider le WPS.

Variables essentielles : ce sont les paramètres qui, s'ils sont modifiés, exigent une requalification. Par exemple :

Changement de procédé de soudage

Changement de groupe de métal de base

Réduction de l'épaisseur qualifiée

Changement de position de soudage au-delà des limites

Variables non essentielles : peuvent être modifiées sans requalification (ex. : marque commerciale de l'électrode, à condition que la classification AWS soit identique).

Qualification des soudeurs

Le soudeur doit être qualifié selon la norme CSA W47.1 (acier) ou CSA W47.2 (aluminium). La qualification consiste à souder une pièce d'essai dans une position donnée, puis à la soumettre à des essais destructifs (traction, pliage) ou non destructifs (radiographie).

Positions de soudage en tuyauterie :

1G : tuyau horizontal, rotation continue (soudage en atelier)

2G : tuyau vertical, axe horizontal

5G : tuyau horizontal, axe fixe (soudage sur site)

6G : tuyau incliné à 45°, axe fixe (la plus difficile, qualifie toutes les positions)

Portée de la qualification : un soudeur qualifié en 6G est qualifié pour toutes les positions. Un soudeur qualifié en 5G est qualifié pour 1G, 2G, et 5G, mais pas pour 6G.

Normes canadiennes applicables

CSA B51 — Chaudières et appareils sous pression

La norme CSA B51 régit la conception, la fabrication, et l'inspection des chaudières et appareils sous pression. Elle renvoie aux codes de construction comme l'ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX pour la qualification des procédures et des soudeurs.

Exigences clés :

Tout soudeur doit être qualifié selon une procédure validée

Les soudures doivent être identifiées par un poinçon ou une étiquette

Les essais non destructifs (END) sont requis selon la catégorie de service

CSA B149.1 — Code canadien du gaz naturel et du propane

La norme CSA B149.1 s'applique aux installations de gaz naturel et de propane. Elle contient des exigences spécifiques pour les joints soudés et brasés.

Règle 4.6.1 : Les joints de tuyauterie en acier doivent être soudés conformément à une procédure qualifiée selon l'ASME Section IX, ou brasés selon une procédure qualifiée.

Règle 4.6.2 : Les joints brasés doivent être effectués avec un métal d'apport ayant un point de fusion supérieur à 540 °C.

Règle 4.7.3 : Les soudures doivent être exemptes de défauts visibles : fissures, porosité, manque de fusion, piqûres, et cendrures.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V s'applique aux installations électriques dans les zones classées (emplacements dangereux). Pour le tuyauteur, cela concerne le soudage dans les zones où des gaz ou vapeurs inflammables peuvent être présents.

Règle 18-100 : Le soudage et le brasage sont interdits dans les zones classées, sauf si un permis de travail à chaud est émis et que des mesures de sécurité sont prises (détection de gaz, ventilation, éloignement des sources d'inflammation).

Règle 18-102 : Les équipements de soudage électriques doivent être mis à la terre conformément aux exigences de la Section 10 du Code.

Calculs de soudage

Calcul de la longueur de soudure d'angle

Pour une soudure d'angle, la jambe (l) est la distance entre le pied de la soudure et l'intersection des faces. La gorge (t) est la distance minimale entre la racine et la face de la soudure. Pour une soudure d'angle à gorge pleine :

t = l × sin(45°) = l × 0,707

Exemple : une soudure d'angle avec une jambe de 8 mm a une gorge de 8 × 0,707 = 5,66 mm.

Calcul de la section de la soudure

La section transversale d'une soudure d'angle (A) est :

A = (l² × tan(θ/2)) / 2

Pour un angle de 90° entre les pièces : A = l² / 2

Exemple : jambe de 10 mm, section = 10² / 2 = 50 mm².

Calcul de la masse de métal déposé

La masse de métal d'apport nécessaire (m) est :

m = A × L × ρ

Où :

A = section de la soudure (mm²)

L = longueur de la soudure (mm)

ρ = densité du métal (7,85 g/cm³ pour l'acier)

Exemple : soudure de 50 mm² de section sur 1 mètre de longueur :

m = 50 × 1000 × 7,85 × 10⁻⁶ = 0,3925 kg

En pratique, il faut ajouter 10 à 20 % pour les pertes (projections, fumées, laitier).

Calcul du préchauffage

Le préchauffage est requis pour éviter la fissuration à froid dans les aciers à plus forte teneur en carbone. 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

Règle empirique :

CE < 0,40 : pas de préchauffage requis

CE = 0,40 à 0,60 : préchauffage à 100 à 150 °C

CE > 0,60 : préchauffage à 150 à 250 °C

Brasage et soudobrasage

Principes du brasage

Le brasage repose sur la capillarité : le métal d'apport fondu est attiré dans le jeu entre les deux pièces par tension superficielle. Le jeu optimal est de 0,05 à 0,15 mm. Un jeu trop grand ou trop petit réduit la résistance du joint.

Températures de brasage :

Brasage tendre : < 450 °C (étain-plomb, pour plomberie)

Brasage fort : > 450 °C (cuivre-argent, pour tuyauterie de réfrigération)

Soudobrasage : > 450 °C, mais sans capillarité, avec dépôt direct

Métaux d'apport pour brasage

Tableau 3 — Métaux d'apport de brasage courants

Alliage	Composition	Température de fusion (°C)	Application
BCuP-5	Cu-Ag-P	645 à 815	Cuivre-cuivre, sans flux
BAg-1	Ag-Cu-Zn	605 à 720	Acier, laiton, cuivre
BAg-5	Ag-Cu-Zn	665 à 755	Acier inoxydable
BCu-1	Cuivre	1083	Acier, avec flux

Flux de brasage

Le flux dissout les oxydes métalliques et protège la surface pendant le chauffage. Le choix du flux dépend du métal de base et de la température de brasage.

Tableau 4 — Flux de brasage

Type de flux	Température d'utilisation (°C)	Métaux
Borax	600 à 900	Acier, cuivre, laiton
Acide borique + borax	800 à 1100	Acier, acier inoxydable
Fluorures	450 à 800	Aluminium et alliages

Procédure de brasage

146.Nettoyage : dégraisser et décaper les surfaces (brosse métallique, papier abrasif)

147.Application du flux : sur les deux surfaces à assembler

148.Chauffage : chauffer la zone autour du joint, pas directement sur le flux

149.Application du métal d'apport : lorsque la température est atteinte, toucher le joint avec la baguette

150.Refroidissement : laisser refroidir naturellement, ne pas tremper

Erreurs fréquentes :

Surchauffe du métal de base (brûlure du cuivre)

Chauffage direct sur le métal d'apport (il fond avant que la pièce soit à température)

Jeu trop grand ou trop petit

Flux insuffisant ou brûlé

Défauts de soudage et contrôle qualité

Défauts courants

Tableau 5 — Défauts de soudage, causes et remèdes

Défaut	Cause	Remède
Porosité	Gaz dissous, humidité, courant trop élevé	Sécher les électrodes, réduire le courant
Fissures	Contraintes, hydrogène, refroidissement rapide	Préchauffer, électrodes bas hydrogène
Manque de fusion	Courant trop faible, vitesse trop rapide	Augmenter le courant, réduire la vitesse
Manque de pénétration	Jeu trop petit, courant trop faible	Augmenter le jeu, augmenter le courant
Cendrures (laitier inclus)	Laitier non enlevé entre les passes	Nettoyer entre les passes
Caniveaux	Courant trop élevé, angle d'électrode incorrect	Réduire le courant, ajuster l'angle
Projections	Courant trop élevé, arc trop long	Réduire le courant, raccourcir l'arc

Essais non destructifs (END)

Radiographie (RT) : détecte les défauts internes (porosité, inclusions, fissures)

Ultrasons (UT) : détecte les défauts planaires (fissures, manque de fusion)

Ressuage (PT) : détecte les fissures superficielles

Magnétoscopie (MT) : détecte les fissures superficielles et sub-superficielles dans les matériaux ferromagnétiques

Contrôle visuel (VT) : inspection de surface, dimensions, profil

Essais destructifs

Traction : mesure la résistance à la rupture

Pliage : évalue la ductilité et la santé de la racine

Impact Charpy : mesure la ténacité à basse température

Macrographie : examen de la structure à l'œil nu ou à faible grossissement

Sécurité en soudage

Risques et protections

Risques électriques : l'arc électrique fonctionne à basse tension (20 à 30 V) mais à fort courant. Le circuit de soudage est sous tension à vide de 50 à 100 V. Toujours utiliser des gants isolants et des chaussures de sécurité.

Risques de rayonnement : l'arc émet des rayons ultraviolets et infrarouges intenses. Utiliser un casque de soudeur avec verre filtrant de teinte appropriée (teinte 10 à 13 pour SMAW, 9 à 12 pour GTAW).

Risques de fumées : les fumées de soudage contiennent des oxydes métalliques, du fluor, et des composés organiques. Ventiler la zone et utiliser un extracteur de fumées si nécessaire.

Risques d'incendie : les projections et les étincelles peuvent enflammer les matériaux combustibles. Maintenir une zone de travail dégagée de 10 mètres et avoir un extincteur à portée de main.

Risques de brûlures : les pièces soudées restent chaudes après le soudage. Utiliser des gants, des manches longues, et un tablier de cuir.

Pièges à éviter

182.Confondre brasage et soudobrasage : le brasage utilise la capillarité, le soudobrasage non. Cette distinction est une question d'examen classique.

183.Oublier que le métal de base ne fond pas en brasage : si le métal de base fond, c'est du soudage, pas du brasage.

184.Confondre les positions de soudage : 5G est tuyau horizontal axe fixe, 6G est tuyau incliné à 45°. La qualification 6G couvre toutes les positions, mais la 5G ne couvre pas la 6G.

185.Mélanger les classifications d'électrodes : E6010 est une électrode cellulosique à pénétration profonde, E7018 est une électrode bas hydrogène. Le chiffre du milieu (60 vs 70) indique la résistance à la traction en ksi (60 000 vs 70 000 psi).

186.Négliger le préchauffage : pour les aciers à CE élevé, le préchauffage est obligatoire. L'oublier provoque des fissures à froid.

187.Ignorer les exigences de qualification : un soudeur non qualifié selon CSA W47.1 ne peut pas souder de la tuyauterie sous pression. Vérifiez toujours la validité des qualifications.

188.Utiliser un flux inapproprié : le flux doit correspondre au métal de base et à la température de brasage. Un flux brûlé ne protège plus.

189.Confondre les normes : CSA B51 s'applique aux chaudières et appareils sous pression, CSA B149.1 au gaz naturel et propane. Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V s'applique aux zones classées.

190.Oublier les variables essentielles : modifier une variable essentielle (procédé, métal de base, position) sans requalification invalide la procédure.

191.Calculer la gorge avec le mauvais facteur : gorge = jambe × 0,707 pour un angle de 90°. Ne pas utiliser 0,5 ou 1.

Résumé

Le soudage implique la fusion du métal de base ; le brasage non. Le brasage utilise la capillarité avec un jeu de 0,05 à 0,15 mm.

Les procédés principaux pour le tuyauteur sont le SMAW (électrode enrobée), le GTAW (TIG), le FCAW (fil fourré), et le GMAW (MIG).

Les électrodes E6010 (pénétration profonde) et E7018 (bas hydrogène) sont les plus courantes en tuyauterie.

Les positions de soudage en tuyauterie sont 1G, 2G, 5G, et 6G. La qualification 6G couvre toutes les positions.

Les normes clés sont CSA B51 (chaudières), CSA B149.1 (gaz), et le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (zones classées).

La qualification des procédures (WPS/PQR) et des soudeurs est obligatoire selon l'ASME Section IX et CSA W47.1.

Les calculs essentiels : gorge = jambe × 0,707, section = l²/2, masse = section × longueur × densité.

Le préchauffage est déterminé par le carbone équivalent (CE) : CE > 0,40 exige un préchauffage.

Les défauts courants (porosité, fissures, manque de fusion) sont détectés par END (radiographie, ultrasons, ressuage).

La sécurité exige une protection contre les risques électriques, le rayonnement, les fumées, et l'incendie.

Conseils finaux pour l'examen

Mémorisez les classifications d'électrodes et leurs applications : E6010 pour la racine, E7018 pour le remplissage.

Apprenez les symboles de soudure de base : V, ⌒, ●, et la signification de la ligne de référence et de la flèche.

Maîtrisez les calculs de gorge et de section : ils reviennent fréquemment.

Comprenez la différence entre variables essentielles et non essentielles dans un WPS.

Révisez les exigences de CSA B149.1 pour les joints soudés et brasés dans les installations de gaz.

Pour les questions de sécurité, retenez les teintes de verre filtrant et les distances de sécurité.

En cas de doute sur une question de procédé, demandez-vous si le métal de base fond ou non : c'est la distinction fondamentale entre soudage et brasage.

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances théoriques requises pour l'examen Sceau rouge en soudage et brasage. La pratique en atelier et la lecture des normes complètes restent essentielles pour une préparation complète.

Soudage et brasage pour tuyauteurs