Soudage, coupage et procédés thermiques

Introduction au module

Ce chapitre couvre l'ensemble des procédés de soudage, de coupage et de traitement thermique que tout ferronnier généraliste doit maîtriser pour l'examen Sceau rouge. Au Canada, le soudage en chantier est régi par des normes nationales précises, notamment la CSA W59 (Soudage des aciers de construction) et la CSA W47.1 (Qualification des entreprises de soudage). Vous devez non seulement savoir exécuter ces procédés, mais aussi comprendre les principes métallurgiques, les paramètres de soudage, les calculs de dimensionnement des soudures et les exigences réglementaires applicables.

Principes métallurgiques fondamentaux

Structure de l'acier et effets de la chaleur

L'acier de construction (ASTM A36, CSA G40.20/G40.21) est un alliage fer-carbone contenant généralement 0,15 % à 0,30 % de carbone. Lorsqu'on chauffe l'acier au-delà de la température critique supérieure (environ 900 °C), la structure cristalline passe de la ferrite (cubique centrée) à l'austénite (cubique à faces centrées). La vitesse de refroidissement détermine la microstructure finale :

Refroidissement lent (dans l'air) : ferrite + perlite — structure ductile, bonne ténacité

Refroidissement rapide (trempe) : martensite — structure dure et fragile

Refroidissement modéré : bainite — compromis entre résistance et ductilité

La zone affectée thermiquement (ZAT) est la région de l'acier de base adjacente à la soudure qui n'a pas fondu mais dont la microstructure a été modifiée par la chaleur. La largeur de la ZAT dépend de l'apport thermique (kJ/mm) et de la conductivité thermique du matériau.

Pré-chauffe et température interpasses

La pré-chauffe ralentit le refroidissement de la soudure, permettant à l'hydrogène de diffuser hors du métal fondu avant solidification. Elle réduit le risque de fissuration à froid (fissuration différée par l'hydrogène). La température de pré-chauffe minimale est déterminée par :

14.L'épaisseur du matériau

15.La teneur en carbone équivalent (CE)

16.Le degré de retenue (contrainte)

17.La température ambiante

La formule du carbone équivalent selon la norme CSA W59 est :

CE = C + (Mn/6) + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15

Pour un acier avec CE > 0,45 %, une pré-chauffe est généralement requise. La température interpasses (entre deux passes successives) ne doit pas dépasser la température maximale spécifiée (souvent 250 °C pour les aciers de construction), sinon la ténacité de la ZAT se dégrade.

Apport thermique (heat input)

L'apport thermique se calcule comme suit :

Apport thermique (kJ/mm) = (Tension × Intensité × 60) / (Vitesse de déplacement en mm/min × 1000)

Exemple : soudage à 25 V, 200 A, vitesse de 300 mm/min :

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

Un apport thermique trop élevé produit une ZAT large et une perte de résistance. Un apport trop faible provoque un refroidissement rapide et un risque de fissuration. Les valeurs typiques pour le soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW) sont de 0,8 à 2,5 kJ/mm.

Procédés de soudage — SMAW (électrode enrobée)

Principe et équipement

Le soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW) — aussi appelé soudage à la baguette — est le procédé le plus utilisé en ferronnerie de chantier. Un arc électrique est établi entre l'électrode consommable et le métal de base. L'enrobage fond pour former un laitier protecteur qui isole le métal en fusion de l'atmosphère.

Classification des électrodes selon CSA W48

Le système de classification canadien suit le format EXXXX :

Désignation	Signification
E	Électrode
60 ou 70	Résistance minimale à la traction (ksi)
XX	Position et type d'enrobage
-XX	Type de courant et polarité

Exemple : E7018 — résistance de 70 ksi (490 MPa), utilisable dans toutes positions, enrobage basique à faible teneur en hydrogène, courant continu ou alternatif.

Les électrodes courantes en ferronnerie :

Électrode	Enrobage	Positions	Courant	Usage typique
E6010	Cellulosique	Toutes	CC+	Pénétration profonde, racine
E6011	Cellulosique	Toutes	CA ou CC	Tôles, acier sale
E6013	Rutile	Toutes	CA ou CC	Soudure légère, tôles minces
E7018	Basique (faible H)	Toutes	CC+ ou CA	Acier de construction, charges élevées

Stockage et manipulation des électrodes

Les électrodes à faible teneur en hydrogène (E7018) sont hygroscopiques : elles absorbent l'humidité de l'air. Une électrode humide introduit de l'hydrogène dans le métal fondu, causant des fissurations. Règles de stockage :

Électrodes E7018 : conserver dans un four à 120 °C après ouverture de l'emballage

Durée maximale à l'air libre : 4 heures (selon les spécifications)

Électrodes réhumidifiées : re-cuisson à 350 °C pendant 1 heure (maximum 3 cycles)

Ne jamais re-cuire des électrodes dont l'enrobage est endommagé ou écaillé

Paramètres de soudage SMAW

Le courant de soudage dépend du diamètre de l'électrode :

Diamètre (mm)	Courant recommandé (A) — E7018
2,4	80 – 110
3,2	110 – 160
4,0	140 – 200
5,0	180 – 260

La longueur d'arc doit être approximativement égale au diamètre de l'âme de l'électrode. Un arc trop long produit des projections excessives et une mauvaise protection gazeuse. Un arc trop court provoque le collage de l'électrode.

Procédés de soudage — GMAW et FCAW

Soudage MIG/MAG (GMAW)

Le soudage à l'arc sous protection gazeuse (GMAW) utilise un fil-électrode continu et un gaz de protection. En ferronnerie, on utilise principalement :

MAG (gaz actif) : mélange CO₂ ou Ar/CO₂ (75 % Ar / 25 % CO₂) — pour l'acier de construction

MIG (gaz inerte) : argon pur ou Ar/He — pour l'aluminium et l'acier inoxydable

Les modes de transfert métallique :

Mode	Tension	Courant	Application
Court-circuit	15 – 22 V	50 – 200 A	Tôles minces, toutes positions
Globulaire	22 – 30 V	200 – 350 A	Position à plat uniquement
Pulvérisation axiale	24 – 35 V	250 – 450 A	À plat, métal épais

Soudage FCAW (fil fourré)

Le soudage avec fil fourré (FCAW) combine la productivité du GMAW avec la tolérance du SMAW. Le fil contient un flux interne qui génère une protection gazeuse et un laitier. Deux types :

FCAW-G : protection gazeuse externe requise (souvent CO₂ ou Ar/CO₂)

FCAW-S : auto-protégé, sans gaz externe — idéal pour le chantier extérieur venteux

Le FCAW-S (fil auto-protégé) est très utilisé en ferronnerie de chantier car il tolère le vent et les surfaces légèrement contaminées. Les fils courants : E71T-8 (toutes positions, faible hydrogène) et E71T-11 (toutes positions).

Paramètres GMAW/FCAW

La vitesse de dévidage du fil détermine l'intensité. Règle générale : pour un fil de 1,2 mm, chaque 25 mm/min de vitesse de dévidage correspond approximativement à 10 A. La tension contrôle la longueur d'arc et la largeur du cordon.

Angle de travail : maintenir l'angle de traînée (poussée) de 10° à 15° pour un bon dépôt. Le fil doit être dirigé vers le centre du bain de fusion.

Procédés de soudage — GTAW (TIG)

Principe

Le soudage TIG (GTAW) utilise une électrode de tungstène non consommable et une baguette d'apport séparée. L'argon ou un mélange Ar/He protège le bain de fusion. Ce procédé produit des soudures de haute qualité mais à faible productivité.

Applications en ferronnerie

Soudage de l'acier inoxydable (garde-corps, éléments architecturaux)

Soudage de l'aluminium (nécessite courant alternatif CA)

Soudage de racine sur tubes (passe racine de qualité)

Réparations délicates sur pièces moulées

Paramètres TIG

Matériau	Courant	Polarité	Gaz
Acier au carbone	CC-	DCEN	Argon
Acier inoxydable	CC-	DCEN	Argon
Aluminium	CA	AC	Argon pur

Le tungstène doit être affûté avec une pointe conique (angle de 30° à 60°) pour le courant continu. Pour l'aluminium en courant alternatif, on utilise une pointe arrondie (balle).

Coupage thermique

Oxycoupage (OFC)

Le coupage oxyacétylénique est le procédé de coupage thermique le plus répandu en ferronnerie. Il fonctionne par combustion du fer : le métal est chauffé à environ 870 °C (température d'inflammation), puis un jet d'oxygène pur provoque une oxydation exothermique rapide qui traverse l'épaisseur.

Conditions requises pour l'oxycoupage :

La température d'inflammation du métal doit être inférieure à sa température de fusion

L'oxyde formé doit avoir un point de fusion inférieur à celui du métal de base

La réaction doit être exothermique

L'acier au carbone satisfait ces conditions. L'acier inoxydable et l'aluminium ne peuvent pas être oxycoupés (l'oxyde de chrome et l'alumine ont des points de fusion très élevés).

Paramètres de coupage :

Épaisseur (mm)	Taille de buse (n°)	Pression O₂ (kPa)	Pression acétylène (kPa)	Vitesse (mm/min)
6	1	200 – 280	70 – 100	500 – 600
12	2	280 – 350	70 – 100	400 – 500
25	3	350 – 420	70 – 100	250 – 350
50	4	420 – 500	100 – 140	150 – 200

Règle de sécurité essentielle : l'acétylène ne doit jamais être utilisé à une pression supérieure à 103 kPa (15 psi) — au-delà, il devient instable et peut détoner spontanément.

Coupage plasma (PAC)

Le coupage plasma utilise un arc électrique constricté à travers une buse pour ioniser un gaz (air, azote, argon/H₂) en plasma à 20 000 °C à 30 000 °C. Ce procédé coupe tous les métaux conducteurs, y compris l'acier inoxydable et l'aluminium.

Épaisseur (mm)	Courant (A)	Vitesse typique (mm/min)
6	40 – 60	2000 – 3000
12	60 – 80	1000 – 1500
25	80 – 120	400 – 600
50	200 – 400	150 – 250

Le coupage plasma produit une ZAT plus étroite que l'oxycoupage et une coupe plus nette. Cependant, l'équipement est plus coûteux et nécessite une alimentation électrique et un compresseur d'air.

Coupage au chalumeau manuel — technique

Pour une coupe droite de qualité :

93.Marquer la ligne de coupe

94.Régler la flamme neutre (rapport acétylène/oxygène 1:1)

95.Chauffer le bord du métal jusqu'à l'apparition de la couleur rouge cerise (870 °C)

96.Ouvrir la valve d'oxygène de coupe

97.Déplacer le chalumeau à vitesse constante

98.Maintenir la distance buse-métal de 3 à 6 mm

Défauts de coupe courants :

Défaut	Cause	Correction
Coupe rugueuse	Vitesse trop lente	Augmenter la vitesse
Coupe en biseau	Vitesse trop rapide	Réduire la vitesse
Scories adhérentes	Pression O₂ insuffisante	Augmenter la pression
Coupe irrégulière	Buse obstruée	Nettoyer ou remplacer la buse

Symboles de soudage et dessins

Symboles de base selon CSA W59

Le symbole de soudure se compose d'une ligne de référence, d'une flèche et d'un symbole de base. La position du symbole par rapport à la ligne de référence indique le côté de la soudure :

Symbole sous la ligne : soudure du même côté que la flèche

Symbole au-dessus de la ligne : soudure du côté opposé à la flèche

Symbole des deux côtés : soudure des deux côtés

Symboles de soudure courants

Type de soudure	Symbole
Soudure d'angle	Triangle rectangle
Soudure en V	V
Soudure en U	U
Soudure en I (pleine pénétration)	I
Soudure par points	Cercle
Soudure en bouchon	Rectangle

Dimensions sur les symboles

Soudure d'angle : la dimension (gorge ou jambe) est indiquée à gauche du symbole. Exemple : 8 mm signifie une jambe de 8 mm.

Longueur : indiquée à droite du symbole. Exemple : 100 signifie une soudure continue de 100 mm.

Espacement : indiqué après la longueur avec un tiret. Exemple : 100-200 signifie des soudures de 100 mm espacées de 200 mm (centre à centre).

Soudure tout autour : un cercle à la jonction de la flèche et de la ligne de référence.

Calculs de dimensionnement des soudures

Résistance d'une soudure d'angle

La résistance d'une soudure d'angle est calculée sur la base de la gorge effective (throat), qui est la distance minimale entre la racine et la face de la soudure. Pour une soudure d'angle à 45°, la gorge effective est :

Gorge = 0,707 × Jambe

La contrainte de cisaillement admissible dans une soudure d'angle selon la CSA S16 (Règles de calcul des charpentes en acier) est :

Fw = 0,67 × Fu × 0,707 × Jambe

Où Fu est la résistance ultime spécifiée de l'électrode (souvent 490 MPa pour E70XX).

Exemple de calcul : Soudure d'angle de 8 mm de jambe, électrode E70 (Fu = 490 MPa) :

Gorge = 0,707 × 8 = 5,66 mm

Résistance par mm de longueur = 0,67 × 490 × 5,66 = 1 858 N/mm

Taille minimale de soudure d'angle

Selon la CSA S16, la taille minimale de jambe d'une soudure d'angle dépend de l'épaisseur du matériau le plus mince :

Épaisseur du métal le plus mince (mm)	Jambe minimale (mm)
≤ 6	3
6 à 12	5
12 à 20	6
20 à 38	8
> 38	10

Longueur minimale de soudure

La longueur effective minimale d'une soudure d'angle est de 4 fois la dimension de la jambe. Si la longueur calculée est inférieure, on doit utiliser la longueur minimale de 40 mm.

Normes et codes applicables

CSA W59 — Soudage des aciers de construction

La CSA W59 est la norme de référence pour le soudage des charpentes en acier au Canada. Elle spécifie :

Les exigences de qualification des procédés (WPS/PQR)

Les critères d'acceptation des soudures (dimensions, porosité, fissures)

Les exigences de pré-chauffe et de température interpasses

Les méthodes d'essai (visuel, ultrason, radiographie, particules magnétiques)

CSA W47.1 — Qualification des entreprises de soudage

La CSA W47.1 exige que toute entreprise qui soude des charpentes en acier soit certifiée. Cette certification implique :

La qualification des procédés de soudage utilisés

La qualification des soudeurs (tests pratiques)

La nomination d'un ingénieur en soudage responsable

Des audits périodiques par l'organisme de certification

CSA W186 — Soudage des armatures d'acier

Pour le ferronnier généraliste travaillant sur des ouvrages en béton armé, la CSA W186 couvre le soudage des barres d'armature. Les soudures d'armature nécessitent des électrodes spécifiques (E7018 ou E8018 selon le grade de l'acier) et des précautions particulières concernant la température.

Code canadien de l'électricité, Chapitre V

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (C22.1-21) s'applique aux installations électriques temporaires sur les chantiers, y compris les postes de soudage. La règle 8-200 exige que les conducteurs d'alimentation des postes de soudage soient protégés par des fusibles ou disjoncteurs dimensionnés à 125 % du courant nominal primaire du poste.

CSA B149.1 — Code sur le gaz naturel et le propane

La CSA B149.1 régit l'installation des systèmes de gaz, y compris les bouteilles d'acétylène et d'oxygène sur les chantiers. Les exigences clés :

Les bouteilles doivent être entreposées debout et attachées

Distance minimale de 3 m entre les bouteilles d'oxygène et les bouteilles de gaz combustible

Les tuyaux doivent être en bon état, sans fuite

Un clapet anti-retour (flashback arrestor) est obligatoire sur chaque tuyau

Sécurité en soudage et coupage

Équipement de protection individuelle (EPI)

Casque de soudeur : teinte de verre selon l'intensité du courant (teinte 10 à 12 pour SMAW, 11 à 13 pour FCAW, 9 à 12 pour GMAW, 10 à 14 pour GTAW)

Gants de soudage : cuir, résistants à la chaleur et aux étincelles

Vêtements : coton ignifugé, manches longues, col fermé — jamais de fibres synthétiques

Protection respiratoire : selon les fumées générées (acier galvanisé, inox, peintures)

Protection auditive : le meulage et le gougeage dépassent souvent 85 dB

Ventilation et fumées

Les fumées de soudage contiennent des oxydes métalliques, des gaz (CO, NOx, ozone) et des composés organiques. La ventilation doit être :

Ventilation générale : pour les travaux en extérieur ou grands espaces

Ventilation locale : extracteur à la source pour les espaces confinés

Appareil respiratoire : obligatoire dans les espaces confinés ou lors du soudage de métaux toxiques (cadmium, plomb, béryllium)

Espaces confinés

Le soudage dans un espace confiné (réservoir, caisson, tunnel) exige :

170.Un permis d'entrée signé par le superviseur

171.Une ventilation forcée (débit minimal de 0,3 m³/min par m² de surface)

172.Un surveillant à l'extérieur en communication constante

173.Un détecteur de gaz (O₂, CO, H₂S) calibré

174.L'équipement de soudage (poste, câbles) à l'extérieur de l'espace

Risques spécifiques

Choc électrique : le soudage à l'arc utilise des tensions de 20 à 80 V en circuit ouvert. Ne jamais toucher la pièce et l'électrode simultanément. Porter des gants secs et des bottes isolantes.

Incendie : maintenir une zone de 6 m dégagée autour du poste de soudage. Avoir un extincteur ABC à portée de main.

Rayonnement UV : l'arc émet des UV intenses qui peuvent brûler la peau et les yeux (flash du soudeur). Protéger les personnes environnantes avec des écrans.

Bruit : le meulage et le gougeage à l'arc-air produisent des niveaux sonores de 90 à 115 dB.

Contrôle qualité et inspection des soudures

Inspection visuelle

L'inspection visuelle est la première étape du contrôle. Elle vérifie :

Dimensions : gorge, jambe, longueur, convexité (max 1,5 mm au-delà de la face)

Profil : concavité excessive (gorge réduite), recouvrement (chevauchement)

Défauts de surface : fissures, porosité visible, cratères, piqûres

Forme du cordon : largeur uniforme, aspect régulier

Critères d'acceptation selon CSA W59

Défaut	Critère d'acceptation
Fissures	Aucune fissure acceptée
Porosité de surface	Diamètre ≤ 1,5 mm, pas plus de 1 par 25 mm de soudure
Concavité	Gorge effective ≥ gorge spécifiée
Recouvrement	Aucun recouvrement accepté
Cratère	Aucun cratère non rempli
Soufflures	Diamètre ≤ 2 mm, pas plus de 4 par 100 mm

Essais non destructifs (END)

Ressuage (PT) : détecte les fissures de surface — utilisé sur tous les métaux

Particules magnétiques (MT) : détecte les fissures de surface et sous-cutanées — acier ferromagnétique uniquement

Ultrasons (UT) : détecte les défauts internes — utilisé pour les soudures pleine pénétration

Radiographie (RT) : détecte les défauts internes — utilisé pour les soudures critiques

Essais destructifs

Essai de pliage : vérifie la ductilité de la soudure

Essai de traction : vérifie la résistance mécanique

Essai de dureté : vérifie la microstructure (dureté excessive = fragilité)

Essai de fissuration : évalue la sensibilité à la fissuration à froid

Pièges à éviter

202.Confondre la jambe et la gorge d'une soudure d'angle : la gorge est toujours plus petite (0,707 × jambe pour un angle de 45°). Les calculs de résistance utilisent la gorge, jamais la jambe.

203.Oublier la règle des 103 kPa pour l'acétylène : c'est une question classique d'examen. L'acétylène au-delà de 103 kPa devient instable et peut exploser.

204.Négliger le stockage des électrodes E7018 : une électrode humide produit des soudures poreuses et fissurées. La règle des 4 heures à l'air libre est souvent testée.

205.Ignorer la différence entre FCAW-G et FCAW-S : le FCAW-S est auto-protégé (pas de gaz externe), le FCAW-G nécessite un gaz. En chantier extérieur venteux, on utilise le FCAW-S.

206.Calculer l'apport thermique avec les mauvaises unités : la vitesse doit être en mm/min, pas en mm/s. Vérifiez toujours vos unités.

207.Confondre les positions de soudage : 1G = à plat, 2G = horizontale, 3G = verticale, 4G = au-dessus. Pour les tubes : 5G = axe horizontal, 6G = axe incliné à 45°.

208.Oublier que l'acier inoxydable et l'aluminium ne s'oxycoupent pas : l'oxycoupage est réservé à l'acier au carbone. Pour l'inox et l'aluminium, il faut le plasma ou le laser.

209.Ne pas connaître les exigences de la CSA W47.1 : l'entreprise doit être certifiée, pas seulement le soudeur. Les soudeurs doivent être qualifiés selon les procédés qu'ils utilisent.

210.Sous-estimer l'importance de la pré-chauffe : la fissuration à froid est la principale cause de défaillance des soudures sur aciers à haute résistance. La pré-chauffe n'est pas optionnelle.

211.Utiliser le mauvais symbole de soudure : la position du symbole par rapport à la ligne de référence indique le côté de la soudure. Un symbole au-dessus de la ligne signifie une soudure du côté opposé à la flèche.

Résumé

Le soudage SMAW (E7018) est le procédé de référence en ferronnerie de chantier. Les électrodes à faible hydrogène doivent être stockées au sec et utilisées dans les 4 heures suivant leur sortie du four.

La pré-chauffe est déterminée par le carbone équivalent (CE) et l'épaisseur. Un CE > 0,45 % exige généralement une pré-chauffe.

L'apport thermique se calcule en kJ/mm et doit être contrôlé pour éviter une ZAT excessive ou une trempe martensitique.

L'oxycoupage est limité à l'acier au carbone. La pression d'acétylène ne doit jamais dépasser 103 kPa.

Le coupage plasma coupe tous les métaux conducteurs avec une ZAT plus étroite que l'oxycoupage.

Les symboles de soudure suivent la CSA W59 : la position du symbole par rapport à la ligne de référence indique le côté de la soudure.

La résistance d'une soudure d'angle se calcule sur la gorge effective (0,707 × jambe), avec une contrainte admissible de 0,67 × Fu.

Les normes clés : CSA W59 (soudage des charpentes), CSA W47.1 (certification des entreprises), CSA W186 (armatures), CSA B149.1 (gaz), Code canadien de l'électricité Chapitre V (installations électriques).

Les essais non destructifs (visuel, ressuage, magnétoscopie, ultrasons, radiographie) sont utilisés selon le niveau de criticité de la soudure.

La sécurité exige des EPI complets, une ventilation adaptée, et des procédures strictes pour les espaces confinés.

Questions d'auto-évaluation

226.Quelle est la température de pré-chauffe minimale pour un acier de 25 mm d'épaisseur avec un CE de 0,50 % ?

227.Calculez l'apport thermique pour un soudage à 28 V, 250 A, à une vitesse de 400 mm/min.

228.Quelle est la gorge effective d'une soudure d'angle de 10 mm de jambe ?

229.Quelle est la pression maximale d'utilisation de l'acétylène ?

230.Quel procédé de coupage utiliseriez-vous pour couper une tôle d'acier inoxydable de 12 mm ?

231.Quelle est la durée maximale à l'air libre pour des électrodes E7018 ?

232.Quel est le symbole pour une soudure tout autour ?

233.Quelle norme régit la certification des entreprises de soudage au Canada ?

234.Quelle est la taille minimale de jambe pour une soudure d'angle sur un métal de 15 mm d'épaisseur ?

235.Quel type de courant et de polarité utilise-t-on pour le soudage TIG de l'aluminium ?

(Réponses : 1. Consulter le tableau de pré-chauffe CSA W59 — généralement 100 °C pour CE 0,50 % et 25 mm ; 2. 1,05 kJ/mm ; 3. 7,07 mm ; 4. 103 kPa ; 5. Plasma ; 6. 4 heures ; 7. Cercle à la jonction flèche/ligne de référence ; 8. CSA W47.1 ; 9. 6 mm ; 10. Courant alternatif CA)

Soudage, coupage et procédés thermiques