Soudage

Souvent perçue comme étant quelque chose de complexe et d'inatteignable, le soudage est pourtant à la portée de tous. Cependant, il s'agit presque d'une activité de luxe compte tenu du matériel nécessaire, des consommables et de l'infrastructure qui doit être conforme aux exigences de sécurité.

Ce luxe peut toutefois être un investissement relativement amorti pour un atelier vélo. Cela permet en effet de réparer des pièces de vélo et permet également la création d'accessoires, d'outils (fouet à chaîne, potences, centreurs de roue bricolés, ...) et même de véhicules délirants ou utilitaires (tall bike, triporteurs, remorques).

Le soudage est un moyen d'assemblage permanent de pièces mécaniques. Il assure la continuité de la matière à assembler.

Le soudage électrique est une procédé de soudage où la source de chaleur qui permet de faire fondre le métal ainsi que le matériel d'apport provient d'un arc électrique entre deux électrodes. L'une d'elle est la pièce à souder qui doit être conductrice (exempte de peinture), l'autre est très souvent le matériel d'apport (exception faite pour la soudure TIG). La différence de potentiel entre les deux électrodes produit un arc un peu à la manière de la foudre. Il faut éviter d'y mettre les doigts, non pas en raison de risques élevés d'électrocution (le corps oppose une certaine résistance à une tension somme toute assez faible, quelques volts) mais en raison du risque de brûlure d'un courant très élevé (ampérage fort).

Les procédés de soudage autogènes électriques

Le Soudage à l'électrode enrobée

Un arc est établi entre une électrode et les pièces à souder et l'électrode fond au fur et à mesure. Cette électrode est enrobée avec un solide qui fond pour protéger le bain de soudage et forme un laitier qui devra être retiré (au marteau à piquer) après soudage. Souvent vulgarisé sous le terme de "soudage à l'arc", c'est le soudage électrique le plus rudimentaire et le plus accessible.

Poste à souder simple

Principe de fonctionnement

Il est constitué d'un transformateur type bobine faisant pont entre les pôles du secteur et l'électrode et la masse. L'appareil renvoi un courant alternatif, générant des arcs électriques entre la masse et l’électrode.

Avantage

• Coût bas du poste à souder (~50€)
• Facilité à changer de baguette selon l'usage et le métal à souder.
• Pas de coût lié au gaz

Désavantage

• Coût élevé des baguettes à la longue.
• Il faut avoir un certain tour de main, notamment pour maintenir un écart à peu près constant entre l'électrode (dont la longueur diminue en continu) et les pièces.
• Difficulté à souder des matériaux fins (un cadre de vélo est rarement très épais)
• Présence du "laitier" masquant souvent de piètres soudures (surtout quand il est difficile à ôter !)
• Impossibilité de souder de l'aluminium...

Poste à souder électronique

Principe de fonctionnement Il contient un circuit de conversion en haute fréquence, ce qui permet l'utilisation d'un transformateur de très petite taille et permet d'avoir des postes compacts et légers. Par ailleurs, le contrôle de l'intensité et la détection des contacts entre l'électrode et la pièce ('collage') facilite la réalisation de la soudure par des personnes inexpérimentées. L'appareil renvoi un courant continu, générant des arcs électriques entre la masse et l’électrode.

Avantage

• Coût abordable du poste à souder (~ 120 €)
• Facilité à changer de baguette selon l'usage et le métal à souder.
• Pas de coût lié au gaz.
• Possibilité de souder l'aluminium et l'acier inox (avec les électrodes adéquates et en respectant l'inversion de polarité)
• Possibilité de souder des matériaux très fin en sous calibrant l’intensité.

Désavantage

• Coût élevé des baguettes à la longue.
• Il faut avoir un certain tour de main, notamment pour maintenir un écart à peu près constant entre l'électrode (dont la longueur diminue en continu) et les pièces.
• Présence du "laitier" masquant souvent de piètres soudures (surtout quand il est difficile à ôter !)

Soudure MIG/MAG

(MIG: Metal Inert Gas / MAG: Metal Active Gas) Dit parfois 'semi-automatique' ou 'semi-auto'.

Le métal d'apport est livré sous forme de bobine de fil et un système d'entraînement à galets pousse le fil vers la torche dans un tube souple. Le fil arrive au milieu de la torche. L'arc s'établit entre le fil et les pièces et fait fondre le fil au fur et a mesure de son avancement. Un gaz inerte (pour le MIG) ou actif (pour le MAG, généralement du CO2) est distribué autour du fil et maintient la soudure sous ambiance.

A noter: on trouve de plus en plus souvent du métal d'apport dit 'fil fourré' ou le 'fil' est tubulaire avec un solide présent au milieu du fil. Ce solide est équivalent à l'enrobage d'une électrode et en fondant permet une protection du bain de soudure par un laitier qui vient s'ajouter au gaz. La combinaison de l'inertage par gaz et de la protection du bain par un laitier permet des soudures de meilleure qualité se rapprochant d'autres modes de soudage. (Le MIG avec du fil plein tend à créer des inclusions). Mais comme pour le soudage à l'électrode, il faut enlever mécaniquement le laitier au marteau à piquer.

Avantage

• Relative simplicité d'utilisation (ne dispensant pas d'une maîtrise des réglages de la machine pour autant ...)
• L'apport continu de métal facilite le contrôle de la distance entre le fil et les pièces.
• Protection de la soudure par l'argon (gaz inerte)
• Produit moins de lumière que la baguette, d'où un besoin de masque moins puissants pour une protection équivalente
• Coût réduit du matériel d'apport (bobines)
• Possibilité de souder du fin, voir du très fin, c'est utilisé en carrosserie.
• Possibilité de souder de l'aluminium pour certains postes

Désavantage

• Coût relativement élevé d'un poste
• Il y a deux réglages: intensité ET vitesse d'avance du fil
• Le gaz d'inertage (généralement de l'argon) coûte cher.
• On doit changer la buse de gaz de temps à autre.
• Il est peu pratique de changer le matériel d'apport (le remplacement de la bobine nécessite une intervention dans la machine)
• Le MAG (uniquement utilisé professionnellement) crée du CO par fracturation des molécules de CO2, et ce CO bloque l'hémoglobine du sang des opérateurs. Ceux-ci doivent faire des contrôles sanguins très régulièrement.

Soudure au fil fourré sans gaz

Nommé parfois abusivement 'MIG no Gas'.

Le principe est comparable au MIG avec du fil fourré, mais il n'y a pas d'apport de gaz, la protection de la soudure étant seulement assurée par le laitier du fil fourré.

L'avantage est que le poste de soudure est plus simple et qu'on ne consomme pas de gaz, ce qui fait une très importante économie de consommable. C'est uniquement utilisé pour du bricolage et il n'y a donc pas de retour sur la qualité métallurgique des soudures effectuées par ce procédé.

Soudure TIG

(TIG: Tungsten Inert Gas)

Un arc est établi entre une pointe (ou électrode) de tungstène au milieu de la torche avec un apport de gaz inerte (Argon) autour de l'électrode. Le métal d'apport en baguette est amené manuellement sous l'arc. Il faut donc utiliser ses deux mains pour souder. La pointe est en tungstène pour qu'elle ne fonde pas dans l'arc, mais ceci arrive lors d'erreurs (contact avec la pièce) et il faut alors la remplacer. C'est un procédé relativement lent mais qui donne des soudures de très haute qualité quand il est bien maitrisé. Lorsque l'on soude des tubes, il faut aussi apporter du gaz inerte à l'intérieur des tubes pour protéger la partie intérieure de la soudure.

Avantage

• Protection de la soudure par l'argon (gaz inerte)
• Simplicité d'utilisation (pas autant que le MIG mais toujours bien plus qu'à l'électrode !)
• Possibilité de souder de l'aluminium, le cuivre, l'inox, le zinc, ...
• Précisions d'ordre chirurgicale

Désavantage

• Coût élevé du poste et des consommables

Tutoriels (à l'arc)

La soudure à l’électrode apparaît comme la méthode la moins onéreuse en investissement mais se révèle comme particulièrement compliquée lorsque l'on débute... Est-ce une question de réglage de la machine, de baguettes mal choisies ou défectueuse, ou simplement parce que nous ne sommes pas doués et que cette activité n'est pas faite pour nous ? S'il y a peut-être des facilités pratiques selon l'individu, il y a surtout des méthodes qui permettent d'apprendre et de progresser rapidement et efficacement. Nous verrons, étape par étape, comment préparer, réaliser, et progresser dans son travail.

Préparation

Il faut bien entendu meuler les surfaces à souder ! Mais avant cela, il faut surtout visualiser la conception finale que l'on souhaite obtenir, prendre en considération toutes les étapes. Un papier et un crayon peuvent souvent servir. Il faut également penser aux choses pratique comme souder préalablement certains éléments avant que d'autres viennent compliquer l’exécution de certaines soudures qui aurait pu être anticipées. Bien entendu, certains éléments ne peuvent être souder qu’après le vélo quasiment monté, notamment des tendeurs de chaîne fixe où l'on ne peut anticiper sa position exacte avant de mettre la chaîne en place (à moins de faire quelques calculs pas si compliqués...) Lorsque les matériaux sont prêts à souder, on doit choisir le calibre de baguette à utiliser et régler l'intensité de soudure de la machine : La plupart des machines disposent d'une double graduation : intensité en Ampères, et diamètre de baguette en mm.

La plupart des emballages d’électrodes prescrivent une intensité. Ce sont de bonne référence de base. Quant au choix du calibre de la baguette, la théorie veut que l'on utilise une baguette de diamètre N - 0,5 mm pour des matériaux d'épaisseur N (±0,5 mm). Ce qui pose problème pour souder notre cadre d'1 mm d'épaisseur avec les plus petites baguettes courantes qui font 1,6 mm... Cependant, il n'est pas impossible de souder sans percer, simplement en diminuant généreusement l'intensité (par exemple 25 A au lieu des 40 A généralement préconisé pour les baguettes de 1,6 mm)

Réalisation

Il se présente deux cas de figures pour la soudure, soit on peut maintenir fermement les pièces à souder à l'aide d'outils spécifiques (table de cadreur, étaux, pince étaux, serre-joints, …) soit, …, on ne peut pas ! Dans un cas comme dans l'autre, on commence d'abord par solidariser la pièce à la structure en effectuant un seul point de soudure (en maintenant la pièce avec une pince multiprise par exemple pour le cas où l'on ne peut pas faire autrement). Pour ce faire, on procède en frottant l'électrode vers le point visé, ce qui évite souvent qu'elle se colle. Lorsque l'arc est généré, on cherche à le stabiliser en gardant sa taille petite et constante. Pour terminer le point ou le cordon de soudure, on éloigne rapidement et suffisamment l'électrode pour rompre l'arc. On s'assure premièrement que le point de soudure n'a pas bougé sous l'effet de la dilatation, généralement, elle se rétracte légèrement vers la soudure, auquel cas la remettre en place en la travaillent délicatement pour ne pas rompre le point, ensuite on peut effectuer deux autres points de soudure indépendants et coplanaires, ceci assurant l'indéformabilité de la réalisation. On retire les outils de maintien et on peut ensuite réaliser des cordons de soudure.

Exercices

Voici quelques exercices simples permettant, avec un œil critique, d'apprendre l’exécution du premier point de soudure jusqu'à la maîtrise des cordons les plus complexes.

La soudure

En positions

(encore quelques efforts de rédaction, mais promis, ça arrive !)

Observations

Afin de pouvoir observer d'un regard critique son propre travail, il faut déjà savoir ce qu'est un travail propre et correctement exécuté, de plus, il faut connaître, au moins grossièrement, toutes les caractéristiques de l’appareil que l'on utilise, des matériaux utilisées et des éléments mis en jeux (taux d'humidité de l'air, température ambiante et des matériaux, habileté de l'opérateur, disposition des matériaux, position de soudure, …). Voici donc, de manière vulgarisée la liste des paramètres mis en jeux pour une soudure à l’électrode et leurs valeurs requises en fonction des conditions d'utilisation désirées.

Poste à souder

L'appareil génère un courant continu ou alternatif produisant un arc électrique entre les pièces masse et l’électrode. Les paramètres de l'appareil sont: La tension, l'intensité, le type de courant (et sa polarité si continu), et la fréquence.

• La tension est un paramètre d'usine. sa valeur, ~50 V, modifiable ou pas, influe à l'amorçage et peu pour le soudage. Pensez à vérifier la compatibilité entre votre appareil et les électrodes que vous vous procurerez.

• L'intensité est la force de l'arc électrique, plus sa valeur est élevée, plus le métal chauffe et se liquéfie. On la règle en fonction des électrodes, matériaux, leurs dispositions et la position de soudure.

• Le type de courant influe surtout sur l'amorçage de l'arc électrique en fonction des électrodes utilisées.

Pensez à vérifier la compatibilité entre votre appareil et les électrodes que vous vous procurerez. En alternatif on a une chance sur deux pour que la baguette colle ; En continu, l'électrode se branche généralement sur le – et la masse sur le +. Dans le cas contraire, le cordon de soudure est peu profond mais présente un bel aspect en surface avec des baguettes compatibles.

• La fréquence, dépendant généralement du secteur, n'est pas variable. Il s'agit de la vitesse de génération des arcs électrique. Elle est de 25 Hz (impulsions par seconde) pour un poste à souder « classique » en courant alternatif (dépendant des 50Hz du secteur). Sa valeur diffère selon les poste à souder en courant continu ; se référer à la notice de l'appareil.

Électrodes

Les électrodes se liquéfient à l'extrémité sous l'arc électrique et la goutte en fusion se colle à la masse quelque part dans le champ électromagnétique de l'arc (plus l'arc est grand, plus le champ d'impact augmente, par conséquent les impulsions de soudure deviennent imprécises). Quelque soit le type et le calibre, toutes les baguettes pour soudure à l'électrode sont enrobé de matière carbonée, lorsque ces deux éléments se liquéfient, l'âme (plus dense) se dépose sur la masse visée quelque part dans le champ de l'arc par l'attraction, la matière carbonée (plus légère) se superpose tout autour du métal en fusion, elle sert de barrière entre l’oxygène de l'air et le métal en fusion (ce qui évite une oxydation instantanée..) Il existe trois types courant d'enrobages des baguettes, les Basiques, Rutiles et Cellulosiques.

• Les 'basiques' sont destinées pour le courant continu, parfois en polarité inverse et nécessitent des postes de soudage professionnels. Le laitier est facile à détacher et permet une soudure ayant une bonne résistance mécanique lorsque le travail est correctement exécuté. Ce sont les seules utilisées par les professionnels lorsque l'on a besoin d'une bonne résistance. L'aspect visuel de la soudure est moins bon qu'avec un enrobage 'rutile'.
• Les rutiles fonctionnent en alternatif et en continu. Elles servent à l'exécution de tout types de travaux. Leur pénétration est moyenne et par conséquent l'utilisation peut s'avérer plus difficile. C'est typiquement des enrobages d'électrodes 'de bricoleur' pour des travaux n'exigeant pas une bonne qualité métallurgique et pouvant être utilisés sur des postes de soudage très simples. Le bel aspect des soudures est un peu trompeur par rapport à leur qualité réelle.
• Les cellulosiques offrent un arc relativement instable. Cependant elles procurent une forte pénétration.
• Les autres types d'enrobage sont pour des conditions d'utilisation plus précises. D'autres caractéristiques sur les alliages de l'âme existent, comme les baguettes pour fonte, acier inox, … avec des enrobages spécifiques.

Le paramétrage de l'intensité de l'appareil reste grossièrement inchangé en fonction du type, on régule l'intensité en fonction du calibre de la baguette, se référer à une double graduation pour une valeur grossière de base et aux caractéristiques de soudage préconisé par le fabricant des électrodes (polarité, tension d'amorçage, intensité de base et position de soudure).

Environnement

Les autres éléments mis en jeux sont principalement les matériaux utilisés, leurs dispositions entres elles et la position de soudure.

• La température ambiante et des matériaux influe légèrement sur le soudage, lorsque les matériaux ainsi que l'environnement sont froid, la dilatation résultante de la soudure seras plus grande qui par conséquent fragilisera un peu plus la soudure et ne facilitera pas forcément son exécution.

On conseille de laisser préalablement les matériaux à souder à température ambiante ou même de les préchauffer (~Modèle:Tmp). De la même manière on déconseille de brutaliser le refroidissement d'une soudure, ce n'est pas comme ça que l'on fait de l'acier trempé ! (Le protocole est beaucoup plus rigoureux !)

• La disposition des matériaux à souder demande une adaptation de l'intensité de soudage de la même manière que la position de soudure. On augmentera généreusement l'intensité pour une soudure intérieure d'un angle ouvert et on réduira de la même manière pour l’extérieur d'un angle ouvert. (généreux : +-30 %)

On diminuera également l'intensité pour l’exécution d'une soudure en position montante, et inversement. D'une manière générale, plus on fait une soudure simple et à plat, plus on s'approche des paramètres recommandés.

• Le taux d’humidité de l'air ainsi que le taux de carbone de l'acier n'influe que très peu, une humidité élevée facilitera l'amorçage mais gênera quelque peu la soudure (impuretés...)
• Les conditions physiques et mentales de l'individu sont à gérer par lui-même, nous déconseillons les stimulants de même que les relaxants (caféine, alcool, …) pour les débutants et pour toute phase d'apprentissage ! L'usage des drogues (légales !) peut s'avérer intéressant pour la créativité à partir du moment où la maîtrise est acquise.

Risques et précautions

Nous ne nous attarderons pas plus sur les consignes obligatoires de sécurité, à savoir, travailler dans un local sec et aéré et au mieux ventilé, porter une tenue adaptée (éviter le survêtement synthétique...), des gants, cagoules et tablier de protections en cuir épais, et, accessoirement, un masque de soudure adapté ! Les gants protègent des éventuelles chocs électriques/thermique et, avec le masque, protègent des rayonnements UV.

Bras brûlé aux UV créés lors d'un soudage prolongé. On voit nettement la marque des gants portés, qui a arrêté efficacement le rayonnement ultraviolet. D'où la nécessité de porter des manches longues en coton lors d'un soudage a l'arc.

Privilégier les masque automatiques lorsque l'on débute, afin de voir la position de la baguette avant et pendant la soudure tout en maintenant l’électrode à deux mains et, dans la mesure du possible, en appui sur le plan de travail, offrant ainsi une meilleure dextérité. (compléments d'informations à venir..)

Voir aussi

• Brasage