Soudage et coupage thermique

Introduction au chapitre

Le soudage et le coupage thermique constituent des activités centrales du métier de ferronnier (charpentier-métallique et ornemental). L'examen Sceau rouge évalue votre capacité à interpréter les symboles de soudure, à sélectionner le procédé approprié, à préparer les joints, à appliquer les normes canadiennes et à exécuter des soudures de qualité structurale. Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances théoriques et pratiques requises, incluant les calculs de dimensionnement des soudures, les paramètres de soudage, les codes applicables et les pièges fréquents.

Procédés de soudage et leurs applications

Soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW)

Le soudage à l'arc avec électrode enrobée (Shielded Metal Arc Welding, SMAW), aussi appelé soudage à la baguette, est le procédé le plus utilisé en ferronnerie structurale. Il utilise un arc électrique établi entre une électrode consommable enrobée de flux et le métal de base. L'enrobage fond pour former un gaz protecteur et un laitier qui protège le bain de fusion contre l'oxydation.

Caractéristiques techniques :

Courant : continu (CC+) ou alternatif (CA), selon l'électrode

Tension d'arc : 18 à 36 volts

Intensité : 60 à 350 ampères selon le diamètre de l'électrode

Électrodes courantes : E7018 (basique, hydrogène contrôlé), E6010 (cellulosique, pénétration profonde), E6013 (rutile, usage général)

Tableau des électrodes E70XX (résistance minimale à la traction : 70 000 psi = 490 MPa)

Électrode	Position	Courant	Caractéristique principale
E7018	Toutes	CC+ ou CA	Faible hydrogène, haute qualité
E7024	À plat	CC+ ou CA	Dépôt rapide, fer en poudre
E7014	Toutes	CC+ ou CA	Rutile, fer en poudre
E7016	Toutes	CC+	Basique, faible hydrogène

Règle pratique : Pour les assemblages structuraux soumis à des charges dynamiques, utilisez exclusivement des électrodes à faible teneur en hydrogène (E7018). L'hydrogène provoque la fissuration à froid dans les aciers à haute résistance.

Soudage à l'arc sous gaz avec fil plein (GMAW/MIG)

Le soudage MIG (Metal Inert Gas) utilise un fil-électrode continu et un gaz de protection inerte ou actif. En ferronnerie structurale, on utilise principalement un mélange argon-CO₂ (75 % Ar / 25 % CO₂) pour l'acier au carbone.

Paramètres critiques :

Tension : 17 à 32 volts

Intensité : 100 à 400 ampères

Vitesse de dévidage du fil : 3 à 15 m/min

Débit de gaz : 12 à 20 L/min

Diamètres de fil : 0,8 mm, 0,9 mm, 1,2 mm, 1,6 mm

Mode de transfert :

Court-circuit : faible apport thermique, tôles minces, position verticale

Gouttelettes : moyen apport, semi-automatique

Pulvérisation axial : fort apport, uniquement à plat, fil ≥ 1,2 mm

Soudage à l'arc avec fil fourré (FCAW)

Le soudage FCAW (Flux-Cored Arc Welding) utilise un fil tubulaire contenant un flux. Deux variantes existent : avec gaz de protection (FCAW-G) et sans gaz (FCAW-S, auto-protégé). Le FCAW-S est particulièrement utile en chantier extérieur où le vent disperse les gaz de protection.

Avantages du FCAW-S :

Productivité élevée (taux de dépôt supérieur au SMAW)

Tolérance aux courants d'air

Pénétration profonde

Convient aux aciers structuraux jusqu'à 550 MPa de limite élastique

Soudage à l'arc submergé (SAW)

Le soudage à l'arc submergé est un procédé automatique où l'arc est noyé sous un lit de flux granulaire. Utilisé pour les soudures longitudinales et circulaires de forte épaisseur, notamment dans la fabrication de poutres reconstituées soudées (PRS).

Paramètres typiques :

Intensité : 300 à 2000 ampères

Tension : 25 à 45 volts

Vitesse d'avance : 30 à 150 cm/min

Nécessite une position à plat uniquement

Soudage par résistance

Le soudage par résistance (point, molette, étincelage) est utilisé pour les assemblages de tôles et les attaches. En ferronnerie ornementale, le soudage par point est courant pour les grilles et les garde-corps.

Symboles de soudure et lecture de plans

Structure du symbole de soudure

Le symbole de soudure standardisé (norme CSA W59, basée sur AWS A2.4) comprend :

48.La ligne de référence (horizontale)

49.La flèche (pointe vers le joint)

50.Le symbole de base (indique le type de soudure)

51.Les dimensions (taille, longueur, pas)

52.Le contour (plat, convexe, concave)

53.La queue (informations supplémentaires, procédé)

Symboles de base essentiels :

Symbole	Signification
⌒	Soudure d'angle (filet)
V	Soudure en V
⌽	Soudure en U
⌾	Soudure en bouchon (trou)
═	Soudure en I (pleine pénétration)

Règle de lecture : Si le symbole est sous la ligne de référence, la soudure est du même côté que la flèche (côté flèche). S'il est au-dessus, la soudure est du côté opposé à la flèche (côté autre). Un symbole des deux côtés indique une soudure double.

Dimensions et indications

Taille de soudure d'angle : indiquée à gauche du symbole (ex. : 8 mm)

Longueur : indiquée à droite (ex. : 100 mm)

Pas : indiqué après la longueur avec un tiret (ex. : 100-200 signifie 100 mm de soudure tous les 200 mm)

Pleine pénétration : indiquée par un symbole de base avec une dimension nulle ou aucune dimension

Exemple de lecture : Un symbole ⌒ sous la ligne de référence avec « 8 × 150-300 » signifie : soudure d'angle de 8 mm de gorge, 150 mm de longueur, espacée de 300 mm centre à centre, du côté flèche.

Préparation des joints et tolérances

Types de joints

Type de joint	Application typique	Préparation
À recouvrement	Tôles minces, renforts	Aucune ou simple
En T	Poutres, colonnes, raidisseurs	Simple ou double biseau
Bout à bout	Continuité de poutres	V, U, X, double V
D'angle	Cadres, châssis	Simple ou double biseau
En coin	Assemblage de plaques	Simple biseau

Angles de chanfrein et jeu de racine

Tableau des préparations typiques (acier structural, CSA W59) :

Épaisseur (mm)	Type	Angle inclus	Jeu de racine (mm)	Talon (mm)
6 à 12	V simple	60°	2 à 3	1 à 2
12 à 25	V simple	60°	3 à 5	2 à 3
25 à 50	Double V	60° total	3 à 5	2 à 3
> 50	U ou double U	45° à 60°	3 à 5	2 à 3

Règle : L'angle inclus minimal pour le SMAW est de 60° afin de permettre l'accès de l'électrode. Pour le GMAW/FCAW, un angle de 45° à 60° suffit.

Nettoyage et conditions de surface

Éliminer la rouille, l'huile, la graisse, la peinture et l'humidité sur 25 mm minimum de chaque côté du joint

Les surfaces doivent être sèches (humidité = porosité)

Température minimale de préchauffage selon l'épaisseur et la nuance d'acier

Calculs de dimensionnement des soudures

Résistance d'une soudure d'angle

La résistance de calcul d'une soudure d'angle est déterminée selon la norme CSA S16 (Conception des charpentes en acier).

Formule fondamentale :

Résistance = 0,67 × φw × Au × Xu

Où :

φw = coefficient de résistance (0,67 pour les soudures)

Au = aire de la gorge effective (mm²)

Xu = résistance ultime de l'électrode (490 MPa pour E70XX)

Gorge effective :

Pour une soudure d'angle : gorge = 0,707 × dimension nominale (jambe)

Exemple : soudure de 10 mm de jambe → gorge = 0,707 × 10 = 7,07 mm

Calcul de la résistance linéaire (par mm de longueur) :

R = 0,67 × 0,67 × (0,707 × jambe) × 1 mm × 490 MPa

Pour une soudure de 8 mm : R = 0,67 × 0,67 × 5,66 × 490 = 1 244 N/mm

Exemple pratique : Une poutre transmet une charge de 250 kN par l'intermédiaire d'une plaque d'about soudée de chaque côté. Quelle longueur totale de soudure de 8 mm est requise ?

Résistance par mm = 1 244 N/mm (calculé ci-dessus)

Longueur requise = 250 000 N ÷ 1 244 N/mm = 201 mm

Répartir sur deux côtés : 101 mm par côté minimum

Soudure pleine pénétration

La résistance d'une soudure pleine pénétration est égale à celle du métal de base adjacent. Aucun calcul de gorge n'est nécessaire, mais la qualité de la soudure doit être vérifiée par contrôle non destructif (CND).

Soudure d'angle minimale

Règle CSA S16 : La dimension minimale d'une soudure d'angle ne doit pas être inférieure à 3 mm, et ne doit pas dépasser l'épaisseur de la pièce la plus mince moins 1 mm, sauf indication contraire.

Tableau des dimensions minimales de soudure d'angle (CSA S16) :

Épaisseur de la pièce la plus épaisse (mm)	Dimension minimale de jambe (mm)
≤ 6	3
6 à 12	5
12 à 20	6
20 à 38	8
38 à 57	10
57 à 150	12
> 150	16

Normes canadiennes applicables

CSA W59 — Soudage des charpentes en acier (acier de construction)

La norme CSA W59 est la référence principale pour le soudage structural au Canada. Elle couvre :

Les qualifications des procédés (WPS/PQR)

Les qualifications des soudeurs (WPQ)

Les tolérances de fabrication

Les méthodes de contrôle non destructif

Les critères d'acceptation des soudures

Exigences clés :

Tout soudeur doit être qualifié selon la norme CSA W47.1 (qualification des entreprises de soudage) ou détenir un certificat de qualification individuelle

Les soudures pleine pénétration en bout à bout doivent être contrôlées par radiographie ou ultrasons

Les soudures d'angle de dimension supérieure à 8 mm doivent être contrôlées par magnétoscopie ou liquides pénétrants

CSA W47.1 — Qualification des entreprises de soudage

Cette norme certifie les entreprises selon leur capacité à produire des soudures conformes. Les divisions de certification comprennent :

Division 1 : tous les procédés, toutes les épaisseurs

Division 2 : procédés limités, épaisseurs ≤ 25 mm

Division 3 : soudures d'angle uniquement, épaisseurs ≤ 10 mm

CSA S16 — Conception des charpentes en acier

La norme S16 définit les critères de conception, y compris les règles de dimensionnement des soudures (chapitre 26). Les règles clés :

Article 26.3.2 : Résistance des soudures d'angle

Article 26.3.3 : Résistance des soudures pleine pénétration

Article 26.3.4 : Résistance des soudures partielle pénétration

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

Bien que principalement électrique, le CSA B149.1 (Code canadien de l'électricité, Chapitre V) s'applique aux installations de soudage au gaz. Les exigences incluent :

Règle 8-200 : Ventilation des locaux de soudage

Règle 8-202 : Stockage des bouteilles de gaz comprimé

Règle 8-204 : Distance minimale entre les bouteilles et les sources de chaleur

Coupage thermique

Oxycoupage (Oxy-fuel cutting)

Le coupage oxyacétylénique est le procédé de coupage thermique le plus répandu. Le principe repose sur l'oxydation du fer à haute température (environ 870 °C) suivie d'un jet d'oxygène qui souffle l'oxyde fondu.

Équipement :

Bouteille d'oxygène (pression de service : 0,2 à 0,7 MPa)

Bouteille d'acétylène (pression maximale : 0,103 MPa — ne jamais dépasser)

Chalumeau coupeur avec buses interchangeables

Détendeurs et manomètres

Sécurité :

Distance minimale entre bouteilles et source de chaleur : 3 mètres

Les bouteilles doivent être entreposées verticalement et attachées

Vérifier les fuites avec de l'eau savonneuse (jamais une flamme)

Porter des lunettes de protection teintées (teinte 4 à 6)

Paramètres de coupage :

Épaisseur d'acier (mm)	Taille de buse	Pression O₂ (MPa)	Pression C₂H₂ (MPa)	Vitesse (mm/min)
6 à 12	1	0,2 à 0,3	0,02 à 0,03	400 à 600
12 à 25	2	0,3 à 0,4	0,03 à 0,04	300 à 450
25 à 50	3	0,4 à 0,5	0,04 à 0,05	200 à 300
50 à 100	4	0,5 à 0,7	0,05 à 0,07	100 à 200

Coupage plasma

Le coupage plasma utilise un arc électrique constricté à travers une buse pour ioniser un gaz (air, azote, argon-hydrogène) et créer un plasma à très haute température (15 000 à 30 000 °C).

Avantages :

Coupe tous les métaux conducteurs (y compris l'acier inoxydable et l'aluminium)

Vitesse de coupe supérieure à l'oxycoupage pour les tôles minces

Zone affectée thermiquement (ZAT) plus étroite

Précision supérieure

Limitations :

Coût d'équipement plus élevé

Consommables (électrode, buse, diffuseur) à remplacer régulièrement

Production de fumées et de bruit importants

Coupage au chalumeau : qualité et tolérances

Défauts de coupage courants :

Défaut	Cause probable	Correction
Laitier adhérent	Vitesse trop lente, pression O₂ insuffisante	Augmenter la vitesse ou la pression
Traînée (stries) excessives	Vitesse trop rapide	Réduire la vitesse
Arête supérieure fondue	Distance buse-pièce trop grande	Réduire la distance
Coupe non perpendiculaire	Buse inclinée	Aligner la buse perpendiculairement

Tolérances de coupage (CSA W59) :

Perpendicularité : ± 2° pour épaisseurs ≤ 25 mm

Rugosité de surface : ≤ 2,5 mm pour épaisseurs ≤ 25 mm

Défauts de surface : profondeur ≤ 1,5 mm, à réparer par meulage ou soudure

Contrôle qualité et inspection des soudures

Contrôles non destructifs (CND)

Méthode	Principe	Application	Détecte
Visuel (VT)	Inspection à l'œil	Toutes soudures	Défauts de surface, dimensions
Magnétoscopie (MT)	Particules magnétiques	Soudures d'angle, surfaces	Fissures superficielles et sub-superficielles
Liquides pénétrants (PT)	Capillarité	Matériaux non magnétiques	Fissures ouvertes en surface
Radiographie (RT)	Rayons X ou gamma	Pleine pénétration	Défauts internes (porosité, inclusions)
Ultrasons (UT)	Ondes sonores	Pleine pénétration, épaisseurs	Défauts internes, manque de fusion

Critères d'acceptation (CSA W59)

Défauts de surface :

Fissures : non acceptées, quel que soit le type

Porosité : diamètre ≤ 1,5 mm, pas plus de 3 par 25 mm de longueur

Soufflures : non acceptées en pleine pénétration

Manque de fusion : non accepté

Surépaisseur : 1 à 3 mm au-dessus du métal de base

Défauts dimensionnels :

Soudure d'angle : la dimension réelle doit être ≥ 90 % de la dimension nominale

Longueur de soudure : pas de réduction de plus de 10 %

Angle de raccordement : pas de sous-dépouille supérieure à 0,5 mm

Sécurité en soudage

Équipement de protection individuelle (EPI)

Casque de soudeur avec verre filtrant (teinte 10 à 13 pour SMAW, 11 à 14 pour FCAW)

Gants de soudage en cuir (manchettes longues)

Vêtements ignifuges (coton traité, laine, cuir)

Protection respiratoire si ventilation insuffisante

Protection auditive pour le coupage plasma et le meulage

Ventilation et fumées

Les fumées de soudage contiennent des oxydes métalliques (fer, manganèse, zinc, chrome). L'exposition prolongée peut causer la fièvre des métaux et des dommages pulmonaires.

Exigences de ventilation :

Soudage en atelier : ventilation générale + extraction locale

Soudage en espace confiné : ventilation forcée + surveillance continue

Limite d'exposition au manganèse : 0,2 mg/m³ (moyenne pondérée sur 8 heures)

Risques électriques

Tension à vide des postes SMAW : 50 à 80 volts (CC) — dangereux en milieu humide

Ne jamais changer d'électrode à mains nues

Vérifier l'isolation des câbles

Mettre le poste à la terre conformément au Code canadien de l'électricité

Pièges à éviter

199.Confondre la gorge et la jambe d'une soudure d'angle : la gorge est toujours 0,707 × jambe. Les calculs de résistance utilisent la gorge, jamais la jambe.

200.Utiliser une électrode E6010 pour une application structurale : les électrodes cellulosiques produisent de l'hydrogène et ne conviennent pas aux aciers à haute résistance. Utilisez E7018.

201.Négliger le préchauffage : pour les aciers de plus de 25 mm d'épaisseur ou les nuances à haute résistance, le préchauffage est obligatoire pour éviter la fissuration à froid.

202.Ignorer la règle de la pression d'acétylène : ne jamais dépasser 0,103 MPa (15 psi) de pression d'acétylène — l'acétylène devient instable au-delà.

203.Oublier le sens de la flèche dans les symboles : un symbole sous la ligne de référence = côté flèche ; au-dessus = côté opposé. Une erreur d'interprétation peut entraîner une soudure du mauvais côté.

204.Confondre les divisions de certification CSA W47.1 : Division 1 = tous procédés, Division 2 = limité, Division 3 = angles seulement. Vérifiez la portée de la certification de votre entreprise.

205.Ne pas calculer la longueur totale de soudure : la longueur requise doit être répartie sur les deux côtés du joint, pas concentrée d'un seul côté.

206.Souder sur une surface humide ou rouillée : la porosité et le manque de fusion en résultent. Le nettoyage est obligatoire.

207.Utiliser des paramètres de soudage hors spécification : chaque WPS (procédure de soudage) définit une fenêtre de paramètres. Sortir de cette fenêtre invalide la soudure.

208.Oublier les tolérances de coupage : une coupe trop inclinée ou trop rugueuse peut nécessiter un meulage coûteux ou le rejet de la pièce.

Résumé

Le SMAW (électrode enrobée) est le procédé de base du ferronnier ; l'électrode E7018 est obligatoire pour les assemblages structuraux soumis à des charges dynamiques.

Le FCAW-S (fil fourré auto-protégé) est idéal en chantier extérieur car il résiste aux courants d'air.

Les symboles de soudure se lisent selon la norme CSA W59 : position par rapport à la ligne de référence, dimensions à gauche (taille) et à droite (longueur/pas).

La résistance d'une soudure d'angle se calcule avec la formule R = 0,67 × φw × Au × Xu, où la gorge effective = 0,707 × jambe.

Les dimensions minimales de soudure d'angle sont données par le tableau de la norme CSA S16, selon l'épaisseur de la pièce la plus épaisse.

Les normes clés sont : CSA W59 (soudage structural), CSA W47.1 (qualification des entreprises), CSA S16 (conception), CSA B149.1 (sécurité électrique).

Le coupage oxyacétylénique exige une pression d'acétylène maximale de 0,103 MPa ; le coupage plasma est plus rapide et plus précis pour les tôles minces.

Les contrôles non destructifs (visuel, magnétoscopie, radiographie, ultrasons) sont obligatoires selon le type et la dimension des soudures.

La sécurité repose sur les EPI, la ventilation, et le respect strict des règles électriques et de manutention des bouteilles de gaz.

Conseils finaux pour l'examen

Mémorisez le tableau des dimensions minimales de soudure d'angle (CSA S16) — c'est une question fréquente.

Entraînez-vous à lire des symboles de soudure complexes : notez la position (flèche/autre), la taille, la longueur, le pas, et le contour.

Refaites les calculs de résistance de soudure avec des valeurs différentes jusqu'à ce que la méthode soit automatique.

Révisez les différences entre les électrodes (E6010, E7018, E7024) : type d'enrobage, positions, courant, applications.

Pour les questions de sécurité, appliquez toujours le principe de précaution maximal : EPI complet, ventilation, vérification des équipements.

La maîtrise de ce chapitre représente environ 15 à 20 % des questions de l'examen Sceau rouge pour le métier de ferronnier. Une préparation solide sur les normes, les calculs et les symboles vous donnera un avantage décisif.

Soudage et coupage thermique