Soudage et coupage thermique pour armatures

Introduction au soudage des armatures

Le soudage des armatures d'acier d'armature est un procédé d'assemblage permanent qui doit être exécuté selon des règles strictes, car il affecte directement l'intégrité structurale du béton armé. Contrairement au soudage structural conventionnel, le soudage des armatures présente des défis particuliers : les aciers d'armature ont une composition chimique qui les rend sensibles à la fissuration à chaud et à la fragilisation, et les contraintes de service dans le béton armé sont cycliques et dynamiques.

Pour l'examen du Sceau rouge, vous devez maîtriser les procédés de soudage autorisés, les précautions à prendre, les essais de qualification, et les règles du Code canadien de l'électricité, Chapitre V ainsi que les normes CSA applicables, principalement la CSA W186 (Soudage des armatures d'acier dans le béton) et la CSA G30.18 (Barres d'armature en acier).

Définitions essentielles

Armature (rebar) : barre d'acier nervurée ou lisse utilisée pour renforcer le béton. Les désignations courantes sont 10M, 15M, 20M, 25M, 30M, 35M, 45M, 55M (diamètres nominaux en millimètres).

Soudage par fusion : procédé où les pièces à assembler sont fondues localement, avec ou sans métal d'apport.

Soudage par résistance : procédé où la chaleur est générée par la résistance électrique au passage du courant à travers les pièces.

Zone affectée thermiquement (ZAT) : région du métal de base adjacente à la soudure qui a subi des modifications microstructurales dues à la chaleur.

Préchauffage : élévation de la température du métal de base avant le soudage pour réduire la vitesse de refroidissement et prévenir la fissuration.

Apport thermique (heat input) : quantité d'énergie thermique transférée à la pièce par unité de longueur de soudure, exprimée en kJ/mm.

Propriétés des aciers d'armature et soudabilité

Classes d'acier selon la CSA G30.18

La norme CSA G30.18 définit les exigences pour les barres d'armature en acier au carbone. Les grades courants sont :

Grade	Résistance à la traction minimale (MPa)	Limite d'élasticité minimale (MPa)	Soudabilité
300R	500	300	Bonne (faible carbone)
400R	540	400	Bonne
500R	620	500	Moyenne (carbone plus élevé)
500W	620	500	Excellente (faible carbone équivalent)

Le suffixe W indique une barre à faible carbone équivalent (CE), spécialement conçue pour le soudage. Le carbone équivalent est calculé selon la formule :

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

Pour un soudage sans précautions particulières, le CE doit être inférieur à 0,45 %. Au-delà de 0,55 %, le soudage devient problématique et exige un préchauffage important.

Effets de la composition chimique

Carbone (C) : augmente la résistance mais diminue la soudabilité. Au-delà de 0,30 % C, risque de martensite dans la ZAT.

Manganèse (Mn) : améliore la résistance et la trempabilité, mais augmente le CE.

Soufre (S) et phosphore (P) : impuretés qui favorisent la fissuration à chaud. Limités à 0,05 % chacun.

Vanadium (V) et niobium (Nb) : ajoutés pour le durcissement par précipitation, mais peuvent réduire la ductilité de la ZAT.

Identification des barres soudables

Sur le chantier, les barres soudables de grade 500W sont identifiées par un marquage distinctif. Les barres non soudables (500R) ne doivent jamais être soudées sans autorisation écrite de l'ingénieur. Règle d'or : vérifiez toujours le marquage de la barre avant de souder.

Procédés de soudage autorisés pour les armatures

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

Le procédé SMAW (Shielded Metal Arc Welding) est le plus couramment utilisé sur les chantiers de construction. Pour les armatures, on utilise des électrodes de type E7018 (électrode basique à faible hydrogène) ou E7016. Ces électrodes produisent un hydrogène diffusible faible, ce qui réduit le risque de fissuration à froid.

Paramètres typiques pour SMAW sur armature :

Diamètre de barre	Électrode	Courant (A)	Tension (V)	Position
10M – 15M	E7018 Ø 3,2 mm	90 – 130	20 – 24	Toutes
20M – 25M	E7018 Ø 4,0 mm	130 – 180	22 – 26	Toutes
30M – 35M	E7018 Ø 5,0 mm	180 – 250	24 – 28	À plat uniquement

Soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW)

Le GMAW (procédé MIG/MAG) est utilisé pour les soudures en atelier, notamment pour les assemblages en croix ou en recouvrement. Le gaz de protection est généralement un mélange argon/CO₂ (75 % Ar / 25 % CO₂). Le fil d'apport doit être de type ER70S-6 ou E70C-6M (fil fourré).

Soudage par résistance par points

Ce procédé est utilisé pour fixer des armatures transversales sur des armatures longitudinales, notamment dans la fabrication de treillis soudés. Il ne nécessite pas de métal d'apport et produit une soudure par fusion locale des deux barres.

Soudage par étincelage (flash butt welding)

Utilisé en atelier pour assembler des barres bout à bout. Ce procédé produit des soudures de très haute qualité, mais nécessite un équipement spécialisé et des barres de même diamètre.

Procédés INTERDITS pour les armatures

Soudage oxyacétylénique : interdit pour les assemblages porteurs en raison de l'apport thermique excessif et du risque de décarburation.

Soudage à l'arc submergé (SAW) : réservé aux soudures en atelier sur des pièces épaisses, rarement utilisé pour les armatures.

Soudage par points sans qualification : tout procédé de soudage doit être qualifié selon la norme CSA W186.

Préparation des joints et techniques de soudage

Types de joints pour armatures

Type de joint	Description	Utilisation
Joint en recouvrement (lap joint)	Les barres se chevauchent et sont soudées sur les côtés	Le plus courant sur chantier
Joint bout à bout (butt joint)	Les barres sont alignées et soudées avec ou sans biseau	Nécessite un accès complet
Joint en croix (cross joint)	Une barre est soudée perpendiculairement à une autre	Pour les assemblages d'étriers
Joint par manchon (sleeve joint)	Un manchon tubulaire est soudé sur les deux barres	Pour les barres de gros diamètre

Préparation des surfaces

Avant le soudage, les surfaces doivent être exemptes de rouille, de calamine, d'huile, de graisse, de peinture ou de tout contaminant. La préparation se fait par :

46.Brossage métallique (brosse rotative en acier inoxydable)

47.Meulage pour éliminer les nervures sur les surfaces à souder (pour les joints bout à bout)

48.Nettoyage au solvant pour les contaminants organiques

Important : les nervures des barres d'armature doivent être meulées sur une longueur d'au moins 25 mm de chaque côté du joint pour les soudures bout à bout.

Technique de soudage en position

Position à plat (1G) : la plus facile, permet un meilleur contrôle du bain de fusion.

Position horizontale (2G) : utilisée pour les joints en croix.

Position verticale (3G) : nécessite une technique de montée (poussée) avec un angle d'électrode de 10° à 15° vers le haut.

Position au-dessus de la tête (4G) : la plus difficile, exige un courant plus faible et une vitesse de déplacement plus rapide.

Longueur et taille des soudures

Pour les joints en recouvrement, la longueur totale des soudures d'angle doit être au moins égale à 8 fois le diamètre de la barre pour les barres de 20M et moins, et 10 fois le diamètre pour les barres plus grosses. La gorge de la soudure doit être d'au moins 0,5 fois le diamètre de la barre (minimum 6 mm).

Exemple de calcul : Pour une barre 25M (diamètre 25 mm) soudée en recouvrement, la longueur totale de soudure doit être de 10 × 25 = 250 mm, répartie sur les deux côtés (125 mm de chaque côté).

Préchauffage et contrôle de la température

Pourquoi préchauffer ?

Le préchauffage ralentit la vitesse de refroidissement de la soudure et de la ZAT, ce qui permet à l'hydrogène de diffuser hors du métal et évite la formation de martensite fragile. Il réduit également les contraintes résiduelles.

Températures de préchauffage recommandées

Carbone équivalent (CE)	Diamètre de barre	Température minimale de préchauffage
< 0,45 %	Tous	5 °C (température ambiante)
0,45 – 0,55 %	≤ 20M	40 °C
0,45 – 0,55 %	> 20M	95 °C
> 0,55 %	Tous	150 °C (soudage non recommandé)

Règle pratique : si la température ambiante est inférieure à 5 °C, préchauffez toujours à 40 °C minimum, quelle que soit la classe d'acier.

Méthodes de préchauffage

Chalumeau oxyacétylénique : méthode la plus courante sur chantier, chauffer uniformément sur une zone d'au moins 75 mm de chaque côté du joint.

Résistances électriques : utilisées en atelier pour un contrôle précis.

Chauffage par induction : moderne et efficace, mais coûteux.

Contrôle de la température

La température de préchauffage doit être vérifiée à l'aide de :

Crayons thermiques (thermo-crayons) : fondent à une température précise.

Pyromètres infrarouges : mesure sans contact.

Thermocouples : pour un contrôle continu en atelier.

Piège d'examen : la température de préchauffage doit être maintenue pendant toute la durée du soudage, pas seulement avant de commencer. La température interpasses (entre deux passes) ne doit pas descendre sous la température minimale de préchauffage.

Apport thermique et son calcul

L'apport thermique (heat input) est un paramètre critique qui influence la microstructure de la ZAT. Il se calcule ainsi :

Apport thermique (kJ/mm) = (Tension (V) × Courant (A) × 60) / (Vitesse de déplacement (mm/min) × 1000)

Exemple : Soudage avec 24 V, 150 A, vitesse de déplacement de 200 mm/min :

Apport thermique = (24 × 150 × 60) / (200 × 1000) = 216 000 / 200 000 = 1,08 kJ/mm

Limites d'apport thermique

Pour les armatures de grade 500W, l'apport thermique maximal recommandé est de 2,0 kJ/mm. Au-delà, la ZAT devient trop large et la résistance mécanique diminue. Pour les barres de grade 400R, la limite est de 1,5 kJ/mm.

Conseil d'examen : si l'apport thermique est trop élevé, augmentez la vitesse de déplacement ou réduisez le courant. Ne réduisez jamais la tension en dessous des spécifications de l'électrode.

Qualification des soudeurs et des procédures

Norme CSA W186

La norme CSA W186 (Soudage des armatures d'acier dans le béton) est la référence canadienne pour la qualification des procédures de soudage (WPS) et des soudeurs. Elle s'applique à tous les travaux de soudage d'armatures dans les ouvrages en béton armé.

Exigences de qualification

86.Procédure de soudage (WPS) : doit être qualifiée par des essais de traction et de pliage selon la CSA W186.

87.Soudeur : doit être qualifié pour chaque procédé, position et type de joint.

88.Essais requis :

Essai de traction sur éprouvette soudée (résistance minimale = 100 % de la résistance spécifiée de la barre)

Essai de pliage à 180° (aucune fissure dans la soudure ou la ZAT)

Examen visuel (dimensions, porosité, manque de fusion)

Validité des qualifications

La qualification d'un soudeur est valide pour une période de 24 mois si le soudeur a soudé au moins une fois tous les 6 mois dans le procédé qualifié.

Tout changement de procédé, de position, de type d'électrode ou de diamètre de barre nécessite une nouvelle qualification.

Le soudeur doit être requalifié si une soudure est rejetée lors d'un contrôle.

Contrôle qualité et inspection des soudures

Contrôle visuel (VT)

Le contrôle visuel est obligatoire sur 100 % des soudures. Les critères d'acceptation selon la CSA W186 :

Défaut	Critère d'acceptation
Fissures	Aucune fissure permise
Porosité	Maximum 5 % de la surface de la soudure
Manque de fusion	Non permis
Sous-dépôt (undercut)	Maximum 1 mm de profondeur
Renforcement excessif	Maximum 3 mm au-dessus de la surface
Projections	Doivent être éliminées

Contrôles non destructifs (CND)

Magnétoscopie (MT) : utilisé pour détecter les fissures de surface et les fissures sous-cutanées dans les soudures d'armatures.

Ultrasons (UT) : utilisé pour les joints bout à bout de gros diamètre (≥ 25M).

Ressuage (PT) : pour détecter les fissures de surface sur les matériaux non ferromagnétiques (rare pour les armatures).

Contrôles destructifs

Essai de traction : sur des éprouvettes prélevées dans les soudures de qualification.

Essai de pliage : pour vérifier la ductilité de la soudure.

Essai de dureté : pour détecter une trempe excessive dans la ZAT (dureté maximale de 350 HV).

Coupage thermique des armatures

Procédés de coupage

Le coupage thermique est utilisé pour tronçonner les barres d'armature à la longueur requise. Les procédés autorisés sont :

111.Coupage oxyacétylénique : le plus courant, utilise la combustion du fer dans l'oxygène. Convient aux barres de diamètre ≥ 15M.

112.Coupage au plasma : plus rapide et plus précis, mais nécessite un équipement électrique.

113.Meulage à tronçonner : méthode mécanique, pas thermique, préférée pour les petits diamètres.

Précautions pour le coupage oxyacétylénique

Préchauffage : la température de préchauffage doit être la même que pour le soudage.

Distance de coupe : la flamme doit être maintenue à 3 – 5 mm de la surface.

Vitesse de coupe : doit être uniforme ; une vitesse trop lente produit des bavures excessives, trop rapide produit une coupe irrégulière.

Après coupe : éliminer les scories et les bavures par meulage.

Effets du coupage thermique sur l'acier

Le coupage thermique produit une ZAT similaire au soudage. Les bords coupés doivent être inspectés pour détecter les fissures. Si la barre doit être soudée après coupage, la zone coupée doit être meulée pour éliminer la couche d'oxyde.

Sécurité en soudage et coupage

Équipement de protection individuelle (EPI)

Casque de soudeur avec verre filtrant de teinte appropriée (teinte 10 à 13 pour SMAW).

Gants de soudeur en cuir, résistants à la chaleur.

Vêtements de protection : veste en cuir ou en coton ignifugé, manches longues.

Protection respiratoire : si ventilation insuffisante, utiliser un masque avec cartouche pour fumées métalliques.

Protection auditive : lors du meulage ou du gougeage.

Sécurité incendie

Permis de travail à chaud : obligatoire sur les chantiers.

Zone de travail : dégager toute matière combustible dans un rayon de 10 m.

Extincteur : un extincteur ABC doit être disponible à moins de 10 m du poste de travail.

Veille : surveiller la zone pendant 30 minutes après la fin des travaux de soudage ou de coupage.

Ventilation et fumées

Les fumées de soudage des armatures contiennent des oxydes de fer, de manganèse et parfois des composés de zinc (si les barres sont galvanisées). Une ventilation locale par aspiration est requise en espace confiné. La norme CSA W117.2 (Sécurité en soudage, coupage et procédés connexes) définit les exigences de ventilation.

Sécurité électrique

Code canadien de l'électricité, Chapitre V : s'applique aux installations électriques temporaires sur les chantiers.

Règle 8-200 : les circuits de soudage doivent être protégés par des disjoncteurs de fuite à la terre (DDFT) de 30 mA maximum.

Mise à la terre : la pièce à souder doit être mise à la terre par le câble de retour.

Câbles : inspecter régulièrement les câbles de soudage pour détecter les coupures et les abrasions.

Tolérances et critères d'acceptation

Tolérances dimensionnelles des soudures

Paramètre	Tolérance
Gorge de soudure	± 1 mm
Longueur de soudure	± 10 mm
Position du joint	± 5 mm de l'emplacement prévu
Angle entre barres	± 5°

Critères de rejet des soudures

Une soudure est rejetée si :

145.Présence de fissures visibles à l'œil nu ou par magnétoscopie.

146.Porosité excessive (plus de 5 % de la surface).

147.Manque de fusion entre la soudure et le métal de base.

148.Sous-dépôt supérieur à 1 mm.

149.Renforcement insuffisant (gorge inférieure à la valeur minimale).

150.Déformation excessive de la barre (flèche supérieure à 2 % de la longueur).

Applications pratiques et calculs

Calcul de la longueur de soudure en recouvrement

Formule : L = k × d

L = longueur totale de soudure (mm)

k = 8 pour barres ≤ 20M, k = 10 pour barres > 20M

d = diamètre nominal de la barre (mm)

Exemple : Barre 30M (d = 30 mm) : L = 10 × 30 = 300 mm de soudure totale. Si soudure sur deux côtés, 150 mm par côté.

Calcul du nombre de soudures pour un assemblage

Pour un assemblage en croix (étrier sur barre longitudinale), la soudure doit avoir une longueur minimale de 4 fois le diamètre de la barre la plus petite, avec un minimum de 50 mm.

Calcul du préchauffage en fonction de la température ambiante

Règle simplifiée : T_préchauffage = 40 °C si T_ambiante < 5 °C, sinon T_préchauffage = 0 °C (aucun préchauffage requis) pour les aciers à faible CE.

Pièges à éviter

163.Souder des barres non soudables (grade R) : vérifiez toujours le marquage. Les barres 500R ne doivent jamais être soudées sans autorisation écrite de l'ingénieur.

164.Négliger le préchauffage par temps froid : la température ambiante est mesurée à l'ombre, pas au soleil. Si la barre est à 4 °C, préchauffez à 40 °C.

165.Utiliser des électrodes humides : les électrodes E7018 doivent être stockées dans un four à 120 °C et utilisées dans les 4 heures après sortie du four. Des électrodes humides produisent de l'hydrogène et causent la fissuration.

166.Confondre apport thermique et courant : l'apport thermique dépend de la tension, du courant ET de la vitesse de déplacement. Une vitesse lente avec un courant faible peut produire un apport thermique élevé.

167.Oublier le contrôle visuel après soudage : le contrôle visuel doit être fait après refroidissement complet, pas immédiatement après soudage.

168.Souder sans qualification : toute soudure d'armature doit être exécutée selon une WPS qualifiée et par un soudeur qualifié. Les soudures non qualifiées doivent être démolies.

169.Ignorer la règle 8-200 du Code canadien de l'électricité : les postes de soudage doivent être protégés par DDFT de 30 mA.

170.Couper les barres au chalumeau sans préchauffage : le coupage thermique exige les mêmes précautions que le soudage.

171.Souder des barres galvanisées sans précautions : les fumées de zinc sont toxiques et la soudure est de mauvaise qualité. Meuler le revêtement de zinc sur 25 mm de chaque côté du joint.

172.Ne pas documenter les paramètres de soudage : les paramètres réels (courant, tension, vitesse) doivent être enregistrés et comparés à la WPS. Un écart de plus de 10 % nécessite une nouvelle qualification.

Résumé

Le soudage des armatures est régi par la CSA W186 et la CSA G30.18 au Canada.

Seuls les aciers à faible carbone équivalent (grade W) sont soudables sans précautions particulières.

Les procédés autorisés sont le SMAW (électrodes E7018), le GMAW, le soudage par résistance et le soudage par étincelage.

Le préchauffage est obligatoire si la température ambiante est inférieure à 5 °C ou si le CE est élevé.

L'apport thermique maximal est de 2,0 kJ/mm pour les barres 500W.

Les soudures en recouvrement doivent avoir une longueur totale de 8 à 10 fois le diamètre de la barre.

Le contrôle visuel est obligatoire sur 100 % des soudures ; la magnétoscopie est requise pour les joints critiques.

Les soudeurs doivent être qualifiés selon la CSA W186 et requalifiés tous les 24 mois.

La sécurité électrique est régie par le Code canadien de l'électricité, Chapitre V, règle 8-200 (DDFT 30 mA).

Le coupage thermique exige les mêmes précautions que le soudage (préchauffage, EPI, ventilation).

Les électrodes basiques doivent être stockées au sec et utilisées dans les 4 heures après ouverture du four.

Conseils finaux pour l'examen

186.Mémorisez les valeurs clés : CE = 0,45 % (limite), apport thermique = 2,0 kJ/mm, longueur de soudure = 8d/10d, préchauffage = 40 °C sous 5 °C ambiant.

187.Comprenez les formules : carbone équivalent et apport thermique sont des calculs fréquents à l'examen.

188.Connaissez les normes : CSA W186, CSA G30.18, CSA W117.2, Code canadien de l'électricité Chapitre V.

189.Identifiez les pièges : les questions sur les électrodes humides, les barres non soudables et les températures de préchauffage sont récurrentes.

190.Pratiquez les calculs : longueur de soudure, apport thermique, nombre de soudures nécessaires pour un assemblage donné.

191.Révisez les critères d'acceptation : porosité 5 %, sous-dépôt 1 mm, renforcement 3 mm, dureté 350 HV.

La maîtrise de ce chapitre vous permettra non seulement de réussir l'examen du Sceau rouge, mais aussi d'exécuter des soudures d'armature sûres et conformes sur les chantiers canadiens. Bonne préparation !

Soudage et coupage thermique pour armatures