Préparation au soudage et contrôle de la qualité

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des compétences requises pour préparer, exécuter et vérifier un assemblage soudé conforme aux exigences du Code canadien de l'électricité, Chapitre V et aux normes CSA applicables. Pour l'examen de Sceau rouge, vous devez maîtriser non seulement la technique de soudage, mais aussi les procédures de qualification, les critères d'acceptation des défauts, et les méthodes de contrôle non destructif (CND). Ce chapitre est structuré pour suivre la logique du processus de soudage : préparation, exécution, inspection, et documentation.

Préparation des joints soudés

Géométrie des joints et symboles de soudage

La préparation d'un joint commence par la sélection du type de joint et du biseau approprié. Les types de joints normalisés selon la norme CSA W59 (Soudage des structures en acier) sont :

Type de joint	Symbole de base	Application typique
Joint bout à bout	I	Tôles minces (< 3 mm)
Joint en T	T	Renforts, goussets
Joint d'angle	L	Cadres, châssis
Joint à recouvrement	—	Tôles minces, réparations
Joint en coin	—	Boîtes, caissons

Les symboles de soudage standard (norme CSA W59 et AWS A2.4) comprennent :

La ligne de référence (horizontale)

La flèche (indique le joint)

Le symbole de base (forme du cordon)

Les dimensions (taille de gorge, longueur, espacement)

Les symboles de finition (meulage, martelage)

Exemple de lecture : Un symbole avec un triangle au-dessus de la ligne de référence et la mention « 6 » indique un cordon d'angle de 6 mm de gorge. Un « 50-100 » sous la ligne indique une longueur de 50 mm espacée de 100 mm (centre à centre).

Angles de biseau et espacement

Les angles de biseau standard pour l'acier au carbone selon la CSA W59 :

Épaisseur (mm)	Type de biseau	Angle inclus	Espacement racine (mm)	Talon (mm)
3 – 6	Simple V	60°	1,5 – 2	1 – 1,5
6 – 12	Simple V	60°	2 – 3	1,5 – 2
12 – 20	Double V	60° (total)	2 – 3	2
20 – 40	Double V asymétrique	60° (total)	3 – 4	2 – 3
> 40	U ou J	45° – 50°	3 – 4	2 – 3

Règle pratique : L'angle inclus total de 60° est le plus courant pour le soudage SMAW (électrode enrobée) et GMAW (MIG). Un angle trop faible empêche l'accès de l'électrode à la racine ; un angle trop grand augmente le volume de métal déposé et les distorsions.

Nettoyage et préparation des surfaces

Avant le soudage, les surfaces doivent être exemptes de :

Calamine (oxyde de fer) — enlever par meulage ou brossage métallique

Huile, graisse, peinture — dégraissage avec solvant approprié

Humidité — préchauffage si nécessaire

Rouille profonde — meulage jusqu'au métal brillant

La norme CSA W59 exige un nettoyage sur une largeur minimale de 25 mm de chaque côté du joint. Pour les aciers à haute résistance (ex. : ASTM A514), le nettoyage doit être plus étendu (50 mm) pour éviter la fissuration à l'hydrogène.

Préchauffage et température interpasses

Le préchauffage ralentit le refroidissement, permettant à l'hydrogène de diffuser hors du métal fondu et réduisant le risque de fissuration à froid. Les températures minimales de préchauffage selon la CSA W59 :

Groupe d'acier	Épaisseur (mm)	Température minimale (°C)
Acier doux (G40.20 260W)	≤ 20	5
Acier doux (G40.20 260W)	20 – 38	50
Acier doux (G40.20 260W)	> 38	95
Acier HSLA (350W)	≤ 20	10
Acier HSLA (350W)	20 – 38	65
Acier HSLA (350W)	> 38	110
Acier trempé/revenu (A514)	Toute	50 – 150 selon épaisseur

Température interpasses : La température maximale entre passes est souvent limitée à 250 °C pour les aciers à haute résistance, afin d'éviter la dégradation des propriétés mécaniques. Pour l'acier doux, la limite est moins critique, mais une température excessive (> 300 °C) peut causer une microstructure grossière.

Méthodes de mesure : Crayon thermique, thermomètre infrarouge, thermocouple. Le préchauffage doit être vérifié sur une distance de 75 mm de chaque côté du joint.

Procédures de soudage et qualification

WPS et PQR

Une Procédure de Soudage (WPS) est un document formel décrivant tous les paramètres nécessaires pour exécuter un soudage conforme. Les éléments obligatoires d'une WPS selon la CSA W47.1 (Qualification des entreprises de soudage) :

Métal de base (type, épaisseur, diamètre)

Métal d'apport (classification, diamètre)

Position de soudage (1G, 2G, 3G, 4G, 5G, 6G)

Paramètres électriques (courant, tension, polarité)

Vitesse de déplacement

Préchauffage et température interpasses

Traitement thermique après soudage (si requis)

Gaz de protection (débit, composition)

Technique opératoire (coup d'arc, oscillation, nombre de passes)

Le PQR (Procédure de Qualification de la Soudure) est le rapport de l'essai de qualification qui valide la WPS. Il inclut les résultats des essais mécaniques (traction, pliage, impact Charpy) et les résultats des CND.

Qualification des soudeurs

Selon la CSA W47.1, chaque soudeur doit être qualifié pour :

Chaque procédé (SMAW, GMAW, FCAW, GTAW)

Chaque position (à plat, horizontale, verticale, au-dessus)

Chaque type de joint (bout à bout, en T, d'angle)

Chaque groupe de métal (acier doux, HSLA, inoxydable)

Durée de validité : La qualification est valide tant que le soudeur travaille régulièrement (au moins une fois tous les 6 mois) dans le procédé et la position qualifiés. Une interruption de plus de 6 mois exige une requalification.

Épreuves pratiques typiques :

Plaque bout à bout en position 3G (verticale) — essai de pliage racine et face

Tube en position 6G (incliné à 45°) — essai de pliage et examen radiographique

Cordon d'angle en position 4F (au-dessus) — macrographie et mesure de gorge

Variables essentielles et non essentielles

Les variables essentielles sont celles qui, si modifiées, exigent une requalification de la procédure :

Changement de procédé de soudage

Changement de groupe de métal de base

Changement de type de métal d'apport

Changement de position (de plat à vertical, etc.)

Changement d'épaisseur au-delà des limites (généralement ± 25 %)

Changement de diamètre de tube au-delà des limites

Les variables non essentielles (ex. : marque commerciale de l'électrode, type de courant) peuvent être modifiées sans requalification, mais doivent être documentées dans la WPS.

Défauts de soudage : identification et prévention

Classification des défauts selon la CSA W59

Type de défaut	Description	Cause principale	Prévention
Porosité	Bulles de gaz piégées	Humidité, courant trop élevé, gaz de protection insuffisant	Sécher les électrodes, réduire le courant, vérifier le débit de gaz
Soufflure	Porosité alignée à la racine	Contamination de la racine, hydrogène	Nettoyage rigoureux, préchauffage
Inclusion de laitier	Laitier piégé entre les passes	Nettoyage insuffisant entre passes, angle d'électrode incorrect	Brossage/meulage entre passes, angle correct
Manque de fusion	Absence de liaison entre métal déposé et métal de base	Courant trop faible, vitesse trop rapide, angle d'électrode incorrect	Augmenter le courant, ralentir, corriger l'angle
Manque de pénétration	Racine non fusionnée	Espacement racine insuffisant, courant trop faible	Augmenter l'espacement, courant plus élevé
Fissure longitudinale	Fissure dans le sens du cordon	Contraintes élevées, hydrogène, refroidissement rapide	Préchauffage, électrodes à bas hydrogène
Fissure transversale	Fissure perpendiculaire au cordon	Hydrogène, contraintes de traction	Préchauffage, traitement thermique après soudage
Caniveau (sous-couche)	Dépression le long du bord du cordon	Courant trop élevé, vitesse trop lente	Réduire le courant, augmenter la vitesse
Recouvrement	Métal déposé au-delà du bord sans fusion	Angle d'électrode incorrect, vitesse trop lente	Corriger l'angle, augmenter la vitesse
Projections	Gouttelettes de métal sur la surface	Courant trop élevé, arc trop long	Réduire le courant, raccourcir l'arc

Critères d'acceptation selon la CSA W59

Pour les soudures de qualité « normale » (non radiographiées) :

Porosité : Diamètre maximal de 1,5 mm, pas plus de 4 porosités par 25 mm de longueur de soudure

Inclusions de laitier : Longueur maximale de 6 mm, pas plus de 2 par 50 mm

Manque de fusion : Non permis

Caniveau : Profondeur maximale de 0,5 mm pour une soudure d'angle, 0,8 mm pour une soudure bout à bout

Fissures : Aucune fissure permise, quelle que soit la taille

Pour les soudures radiographiées (qualité « radiographique »), les critères sont plus stricts :

Porosité : Indice de porosité maximal selon le tableau de la norme

Aucune inclusion allongée de plus de 6 mm

Aucune fissure, aucun manque de fusion

Calcul de la taille de gorge

Pour une soudure d'angle, la gorge théorique (throat) est calculée comme :

Gorge = 0,707 × jambe (leg) pour un angle de 90°

Gorge = 0,5 × jambe pour un angle de 60°

Exemple : Une soudure d'angle avec une jambe de 10 mm a une gorge de 0,707 × 10 = 7,07 mm. La résistance de la soudure est proportionnelle à la gorge, pas à la jambe.

Exigence minimale : La gorge minimale est souvent spécifiée comme étant égale à l'épaisseur de la pièce la plus mince (pour les tôles ≤ 6 mm) ou à 0,7 × l'épaisseur de la pièce la plus mince (pour les tôles plus épaisses).

Contrôle non destructif (CND)

Méthodes de CND et applications

Méthode	Principe	Détecte	Épaisseur applicable	Avantages	Limites
Visuel (VT)	Inspection à l'œil nu ou avec instruments	Défauts de surface, dimensions, déformations	Toute	Simple, économique	Surface uniquement
Magnétoscopie (MT)	Particules magnétiques attirées par les fuites de flux	Fissures de surface et sub-surface (≤ 6 mm)	Toute (matériaux ferromagnétiques)	Rapide, sensible aux fissures fines	Matériaux ferromagnétiques uniquement
Ressuage (PT)	Liquide pénétrant révélé par un révélateur	Fissures de surface ouvertes	Toute (matériaux non poreux)	Simple, portable	Surface uniquement, exige surface propre
Ultrasons (UT)	Ondes sonores réfléchies par les défauts	Défauts internes, mesures d'épaisseur	6 mm à 300 mm	Détecte les défauts plans, portable	Exige un opérateur qualifié, surface propre
Radiographie (RT)	Rayons X ou gamma absorbés différemment	Défauts volumiques (porosité, inclusions)	3 mm à 75 mm (X), jusqu'à 150 mm (gamma)	Document permanent, détecte les défauts internes	Coûteux, risques de radiation, ne détecte pas les fissures fines
Courants de Foucault (ET)	Courants induits perturbés par les défauts	Fissures de surface et sub-surface	Jusqu'à 5 mm	Rapide, automatisable	Matériaux conducteurs uniquement, surface lisse requise

Choix de la méthode selon le défaut recherché

Fissures de fatigue en surface : Magnétoscopie (MT) ou ressuage (PT)

Porosité interne : Radiographie (RT)

Manque de fusion : Ultrasons (UT) — meilleure détection des défauts plans

Mesure d'épaisseur après corrosion : Ultrasons (UT)

Inclusions de laitier : Radiographie (RT) ou ultrasons (UT)

Qualification des opérateurs CND

Selon la norme CSA W178.2 (Qualification des organismes d'inspection en soudage), les opérateurs CND doivent être certifiés selon la norme CAN/CGSB-48.9712 (ou équivalent) pour chaque méthode. Les niveaux de certification :

Niveau 1 : Exécute les essais sous supervision, ne peut pas interpréter

Niveau 2 : Exécute, interprète et évalue selon les critères

Niveau 3 : Établit les procédures, supervise, approuve les techniques

Procédure d'inspection visuelle

L'inspection visuelle est la première et la plus importante méthode de CND. Elle doit être effectuée :

104.Avant le soudage (vérification de la préparation)

105.Pendant le soudage (entre les passes)

106.Après le soudage (inspection finale)

Outils d'inspection visuelle :

Jauge de gorge (pour mesurer la gorge des soudures d'angle)

Jauge de caniveau (pour mesurer la profondeur des sous-couches)

Pied à coulisse (pour les dimensions)

Loupe (grossissement 5× à 10×)

Règle et équerre (pour l'alignement)

Jauge de porosité (pour comparer la taille des porosités)

Traitement thermique après soudage (TTAS)

Objectifs du TTAS

Le traitement thermique après soudage (appelé aussi détensionnement) vise à :

Réduire les contraintes résiduelles

Améliorer la ténacité (en affinant la microstructure)

Permettre la diffusion de l'hydrogène

Restaurer les propriétés mécaniques dans la zone affectée thermiquement (ZAT)

Paramètres du TTAS

Selon la CSA W59 et les codes de tuyauterie (ex. : CSA B51 pour les appareils sous pression) :

Matériau	Température de TTAS (°C)	Temps de maintien (min/mm d'épaisseur)	Temps minimal
Acier doux (≤ 350 MPa)	600 – 650	2,4	60
Acier HSLA (350 – 450 MPa)	550 – 620	2,4	60
Acier au chrome-molybdène	650 – 700	2,4	60
Acier inoxydable austénitique	Aucun (sauf si requis)	—	—

Règle pratique : La vitesse de chauffage ne doit pas dépasser 200 °C/h pour les épaisseurs ≤ 25 mm, et 100 °C/h pour les épaisseurs > 25 mm. La vitesse de refroidissement doit être contrôlée (généralement ≤ 250 °C/h jusqu'à 400 °C).

Méthodes de chauffage

Chauffage par résistance (résistances électriques) — le plus courant

Chauffage par induction — rapide, précis

Chauffage au gaz — pour les grandes pièces

Four — pour les petites pièces

La température doit être mesurée par thermocouples fixés sur la pièce, à une distance maximale de 150 mm du cordon de soudure.

Documentation et traçabilité

Documents requis sur un chantier

WPS (Procédure de soudage) — approuvée et datée

PQR (Rapport de qualification de la procédure) — référencé dans la WPS

Certificats de qualification des soudeurs — valides et à jour

Registres de soudage — numéro de soudeur, date, paramètres réels

Rapports CND — méthode, résultats, interprétation

Certificats de matériaux — mill sheets pour le métal de base et les électrodes

Marquage des soudures

Chaque soudeur doit apposer son numéro de poinçon (stamp) à proximité de ses soudures, selon les exigences du contrat ou du code. Le marquage doit être :

Lisible et permanent

À une distance de 25 à 50 mm de la soudure

Effectué avec un poinçon à lettres ou un marqueur indélébile (selon le code)

Traçabilité des matériaux

La norme CSA W47.1 exige que les matériaux soient identifiés et traçables depuis la réception jusqu'à l'assemblage final. Les informations minimales :

Nuance d'acier (ex. : G40.20 350W)

Numéro de coulée (heat number)

Certificat de conformité du fournisseur

Résultats des essais mécaniques (si requis)

Pièges à éviter

154.Confondre gorge et jambe : La gorge est la distance perpendiculaire de la racine à la face du cordon ; la jambe est la distance du pied à l'extrémité. Pour un angle de 90°, gorge = 0,707 × jambe. Ne jamais utiliser la jambe pour calculer la résistance.

155.Oublier la température interpasses maximale : Pour les aciers à haute résistance, une température interpasses trop élevée réduit la résistance et la ténacité. Vérifiez toujours la WPS.

156.Négliger le nettoyage entre passes : Le laitier laissé entre les passes cause des inclusions. Chaque passe doit être brossée ou meulée avant la suivante.

157.Utiliser une électrode humide : Les électrodes bas hydrogène (E7018) doivent être conservées dans un four à 120 – 150 °C. Une électrode humide cause la porosité et la fissuration à l'hydrogène.

158.Ignorer les limites de qualification des soudeurs : Un soudeur qualifié en position 1G (à plat) ne peut pas souder en position 3G (verticale) sans qualification supplémentaire.

159.Confondre les critères d'acceptation : Les critères pour les soudures radiographiées sont plus stricts que pour les soudures visuelles. Vérifiez toujours le niveau de qualité exigé par le contrat.

160.Oublier le préchauffage pour les aciers à haute résistance : Même par temps chaud, le préchauffage est obligatoire pour les épaisseurs > 20 mm en acier HSLA.

161.Utiliser un mauvais gaz de protection : Pour le GMAW, le CO₂ pur donne une pénétration plus profonde mais plus de projections ; un mélange Ar/CO₂ (75/25) donne un arc plus stable. Vérifiez la WPS.

162.Ne pas vérifier l'alignement des pièces : Un mauvais alignement (désalignement > 10 % de l'épaisseur) cause des concentrations de contraintes et peut être refusé à l'inspection.

163.Oublier les exigences de marquage : Une soudure non marquée est considérée comme non traçable et peut être rejetée, même si elle est techniquement conforme.

Résumé

La préparation des joints comprend le choix du biseau, l'angle, l'espacement racine, et le nettoyage des surfaces. L'angle inclus de 60° est le plus courant.

Le préchauffage est obligatoire pour les épaisseurs importantes et les aciers à haute résistance. La température interpasses maximale est souvent limitée à 250 °C.

Une WPS est un document obligatoire qui décrit tous les paramètres de soudage. Elle doit être validée par un PQR.

Les soudeurs doivent être qualifiés pour chaque procédé, position, et type de joint. La qualification expire après 6 mois d'inactivité.

Les défauts courants sont la porosité, les inclusions de laitier, le manque de fusion, le manque de pénétration, les fissures, et le caniveau. Chacun a des causes et des préventions spécifiques.

Les méthodes CND comprennent l'inspection visuelle, la magnétoscopie, le ressuage, les ultrasons, et la radiographie. Le choix de la méthode dépend du type de défaut recherché.

Le TTAS réduit les contraintes résiduelles et améliore la ténacité. Les températures typiques sont de 600 – 650 °C pour l'acier doux.

La documentation complète (WPS, PQR, qualifications, registres, rapports CND) est essentielle pour la conformité et la traçabilité.

Les critères d'acceptation de la CSA W59 définissent les limites de taille et de fréquence des défauts. Aucune fissure n'est permise.

Questions d'auto-évaluation

177.Quelle est la gorge théorique d'une soudure d'angle avec une jambe de 12 mm ?

Réponse : 0,707 × 12 = 8,48 mm

179.Quelle est la température minimale de préchauffage pour un acier G40.20 260W de 25 mm d'épaisseur ?

Réponse : 50 °C (selon le tableau de la CSA W59)

181.Quel défaut est le mieux détecté par la radiographie ?

Réponse : La porosité (défauts volumiques)

183.Quelle est la durée maximale d'inactivité avant qu'un soudeur doive être requalifié ?

Réponse : 6 mois

185.Quel est l'objectif principal du traitement thermique après soudage ?

Réponse : Réduire les contraintes résiduelles et améliorer la ténacité

187.Quelle méthode CND est la plus adaptée pour détecter une fissure de fatigue en surface sur un acier au carbone ?

Réponse : La magnétoscopie (MT)

189.Quelle est la largeur minimale de nettoyage de chaque côté du joint selon la CSA W59 ?

Réponse : 25 mm

191.Quel est le symbole de base pour un joint bout à bout ?

Réponse : La lettre « I » (ou une simple ligne verticale)

193.Quelle est la température de conservation des électrodes bas hydrogène ?

Réponse : 120 – 150 °C

195.Quel est le rapport qui valide une procédure de soudage ?

Réponse : Le PQR (Procédure de Qualification de la Soudure)

Préparation au soudage et contrôle de la qualité