études et recherche variantes mig -mag à faible énergie et à forte

ÉTUDES ET RECHERCHE
VARIANTES MIG-MAG À FAIBLE ÉNERGIE
ET À FORTE PÉNÉTRATION :
PRINCIPES ET APPLICATIONS
FABRICE SCANDELLA,
JESSY HAOUAS1
INSTITUT DE SOUDURE
RECHERCHE ET ENSEIGNEMENT
LAURENT JUBIN,
ET OLIVIER CHEMINAT2
CETIM
Le procédé de soudage MIG-MAG a fait
l’objet de nombreuses évolutions ces
dix dernières années avec d’une part
l’apparition de « variantes » à faible
énergie et, d’autre part et relativement
récemment, des « variantes » à forte
pénétration. Ces variantes font appel à
la technologie des onduleurs, qui offrent
un contrôle très précis des formes
d’ondes (tension et intensité) ainsi que
leur asservissement dynamique.
Certains procédés de soudage
MIG-MAG à faible énergie permettent
de souder des pièces très fines
(à partir de 0,5 mm) ou d’atteindre des
vitesses de soudage de l’ordre de 5 m/
min, qui étaient auparavant le champ
d’applications de quelques procédés tels
que le soudage laser. Les variantes MAG
à forte pénétration permettent quant à
elles de réduire l’angle d’ouverture des
chanfreins, donc le nombre de passes,
le temps de soudage et les déformations
des pièces. Des assemblages MAG bout
à bout sur bords droits peuvent même
être obtenus en une seule passe jusqu’à
une épaisseur de 15 mm.
1. INTRODUCTION
Le procédé MIG a été initialement développé aux
États-Unis d’Amérique et a été commercialisé en
1948. Les premières applications du procédé ont été
le soudage de pièces en alliage d’aluminium, avec
un gaz inerte, d’où le terme « MIG » qui est toujours
utilisé de nos jours. Le terme MAG est apparu dans
les années 60, avec l’utilisation de gaz actifs (à l’origine, le CO2), qui ont permis de souder des aciers.
Les applications du procédé MIG-MAG sont très
vastes. Le procédé MIG-MAG a largement remplacé
le procédé de soudage à l’électrode enrobée dans
de nombreuses applications, notamment en atelier,
car il offre une productivité bien plus élevée, est
très polyvalent et peut être facilement automatisé.
De ce fait, de nos jours, on estime que plus de 75 %
des fils de soudage produits sont destinés au procédé MIG-MAG. Si l’on considère l’ensemble des
procédés de soudage, le procédé MIG-MAG est de
loin le plus utilisé dans l’industrie. Il est également
le procédé de soudage le plus robotisé (85 % des
applications) [1].
Etant donné la place prépondérante de ce procédé,
les fabricants d’équipements de soudage MIG-MAG
cherchent, au travers d’innovations technologiques
qu’offre l’électronique de puissance, à repousser
les limites du procédé pour se démarquer de leurs
concurrents. De ce fait, si l’on peut considérer le
procédé de soudage MIG-MAG comme une technologie mature, ses principes fondamentaux restants
inchangés, il reste en mutation constante avec
la mise sur le marché de nouveaux produits à un
rythme soutenu.
L’objectif de cette publication est de rappeler brièvement les principes du procédé MIG-MAG avec une
attention particulière aux modes de transfert, puis
de passer en revue les procédés à faible énergie
et à fort pouvoir pénétrant en s’intéressant à leurs
principes, à l’offre actuelle et à leurs avantages et
limites. Des exemples d’applications industrielles
et en laboratoire sont également présentées pour
illustrer les possibilités que peuvent offrir ces procédés. Ces procédés peuvent révolutionner la façon de
fabriquer des composants mécano-soudés ; certains
sont méconnus et méritent un éclairage.
1.1 LES FONDAMENTAUX DU PROCÉDÉ
DE SOUDAGE MIG-MAG
1.1.1 Principes du procédé
Le procédé MIG-MAG (Metal Inert Gas ou Metal
Active Gas, suivant que le gaz utilisé soit inerte
ou actif), également appelé GMAW (Gas Metal
Arc Welding) utilise la chaleur générée par un arc
électrique, entre une électrode fusible continue et
les pièces, pour établir une liaison soudée. Dans
les pays francophones, le procédé MIG-MAG est
souvent appelé « semi-automatique » par les soudeurs, car dans sa version manuelle, l’apport de fil
est mécanisé. Ce terme est ambigu, car par exemple
le procédé TIG peut lui aussi être opéré de façon
manuelle avec un dévidage mécanisé du fil. Une
distinction est faite si l’on met en œuvre le procédé
MIG-MAG avec un fil massif ou un fil fourré, ce dernier pouvant par ailleurs être uniquement à poudre
métallique ou pouvant contenir à la fois des poudres
métalliques et minérales permettant de former un
laitier, comme c’est le cas en soudage à l’électrode
enrobée. Cette distinction, qui ne transparait pas
dans l’emploi du vocable MIG-MAG, est par contre
nette dans les documents américains où l’utilisation
d’un fil fourré à fourrage partiellement ou totalement
minéral correspond à l’acronyme FCAW pour Flux
Cored Arc Welding.
Un équipement de soudage MIG-MAG se compose
au minimum d’un générateur, d’un dévidoir et d’une
torche. Le fil-électrode, conditionné généralement sur
une bobine, est entraîné avec une vitesse constante
de plusieurs mètres par minute par les galets du
dévidoir. Le fil, le courant électrique, le gaz de protection et le liquide de refroidissement de la torche
1. Institut de Soudure, Plate-forme Assemblage et Matériaux, 4, boulevard Henri Becquerel, 57970 Yutz (France),
Tél. : 03 82 88 79 42
2. CETIM, 74 Route de la Jonelière, 44000 Nantes, France, Tél. : 03 82 59 86 47
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sont acheminé dans une gaine reliant le dévidoir à
la torche. L’extrémité de la torche se compose d’un
tube contact qui a pour rôle principal de transférer le
courant électrique au fil fusible, ainsi que d’un diffuseur et d’une buse permettant de canaliser le gaz de
protection au-dessus de la zone fondue. Le procédé
MIG-MAG peut être manuel, automatisé ou robotisé.
Les paramètres du procédé MIG-MAG sont relativement nombreux, avec notamment la tension d’arc,
l’intensité (liée à la vitesse de dévidage du fil), la
vitesse de soudage, la distance tube-contact/pièces,
les angles de la torche par rapport aux pièces à
souder, la nature et le diamètre du fil ou encore la
nature et le débit du gaz de protection. Contrairement au soudage à l’électrode enrobée, le procédé
MIG-MAG peut être mis en œuvre avec une plage
étendue d’intensité de soudage, pour un diamètre de
fil donné. Il en résulte plusieurs modes de transfert
en régime libre (c’est-à-dire lorsque le régime est
uniquement imposé par la vitesse de dévidage du
fil et la tension d’arc) et ceux-ci ont une importance
fondamentale car ils déterminent notamment la stabilité de l’arc électrique. Les modes de transfert que
l’on peut qualifier de « classiques » sont, en ordre
croissant d’énergie de soudage, les modes court-circuit, globulaire, pulvérisation axiale et arc tournant,
cf. figure 1. Ces modes de transfert peuvent être
obtenus dans le cas du soudage MIG-MAG avec un
fil massif, si toutefois la composition du gaz de protection le permet.
Les modes de transfert ne seront pas détaillés ici,
mais on peut noter les points suivants :
• le mode court-circuit est particulièrement intéressant pour le soudage de pièces de faible épaisseur
ou pour réaliser des passes de pénétration compte
tenu des niveaux faibles de tension et d’intensité.
L’inconvénient principal de ce mode de transfert est
qu’il génère des projections, qui peuvent nécessiter
des opérations de parachèvement après soudage.
Cela est particulièrement vrai avec les générateurs
les plus anciens. Le risque d’obtenir des manques de
fusion est également à prendre en considération ;
• le mode globulaire génère de grosses gouttes
métalliques qui se déplacent de façon aléatoire,
parfois en-dehors du plan de joint, d’où la formation de projections adhérentes nécessitant souvent
une opération de parachèvement après soudage. Ce
mode de transfert est à éviter, d’autant plus qu’en
comparaison avec les autres modes, il engendre un
volume important de fumée de soudage rapporté à la
masse de métal déposé ;
• le mode pulvérisation axiale est très stable (il
génère très peu de projections) et offre une bonne
pénétration. Il est donc utilisé dès lors que l’épaisseur des pièces à souder est suffisante. Cependant,
le volume important du bain ne permet pas l’utilisation de ce mode de transfert dans toutes les positions de soudage ;
• le transfert par veine liquide tournante engendre
une pénétration importante et de forme arrondie,
Figure 1 : Représentation des modes de transfert « classiques » en fonction du niveau d’énergie.
Photographies issues de différentes vidéos rapides.
2
mais ce mode de transfert est peu utilisé et ne
convient pas au soudage MIG-MAG manuel étant
donné la chaleur dégagée par l’arc électrique. De
plus, l’instabilité de l’arc est une gêne même en
soudage automatique, ce qui a conduit les fabricants
de source à contrôler l’arc pour éviter ce mode de
transfert.
À ces modes de transfert s’ajoute le « mode pulsé »,
qui a été développé pour pouvoir souder des pièces
de faible épaisseur tout en limitant les projections.
Le procédé MIG pulsé a d’abord été mis au point
pour le soudage d’alliages d’aluminium et d’aciers
inoxydables. Il est aujourd’hui également utilisé
d’une certaine manière en dehors du domaine d’application pour lequel il a été conçu, pour le soudage
MAG pulsé de pièces épaisses en aciers, afin de
bénéficier d’un faible taux de projection. En toute
rigueur, il ne s’agit pas d’un mode de transfert, car
il ne résulte pas du seul réglage de la tension et de
l’intensité, mais nécessite en plus que le générateur impose une pulsation synchronisée du courant
et de la tension (avec des niveaux hauts et bas du
courant et de la tension). Les différents paramètres
définissant les ondes (fréquence, temps chaud et
froid, niveaux d’intensité et de tension hauts et bas)
dépendent entre-autres de la vitesse de dévidage du
fil et les lois de synergie sont indispensables pour
régler rapidement tous ces paramètres. L’objectif est
de provoquer le détachement de la goutte lorsque
les niveaux de courant et de tension sont hauts et
de garder l’arc électrique allumé sans faire fondre
le fil lorsque ces niveaux sont bas. Le soudage
MIG-MAG pulsé est une très bonne alternative aux
modes court-circuit et globulaire car il combine les
avantages du mode court-circuit et celles du mode
de transfert par pulvérisation axiale.
Les modes de transfert sont clairement établis dans
le cas du soudage en courant continu en régime libre
avec des fils massifs. Pour les fils fourrés, les modes
de transfert sont très fortement dépendants du type
de fourrage :
• les fils fourrés contenant très peu ou pas de
charges minérales (fils fourrés de poudre métallique)
se comportent de façon similaire aux fils massifs ;
• pour les fils rutiles, les paramètres de soudage
sont ajustés de façon à obtenir un transfert en mode
pulvérisation axiale ;
• les fils basiques ont un mode de transfert plutôt
globulaire ;
• les fils fourrés auto-protecteurs (fils fourrés
« sans gaz ») ont un mode de transfert semblable au
court-circuit.
La gamme de fils utilisés en soudage MIG-MAG est
extrêmement vaste, avec des produits destinés au
soudage des aciers de construction, des aciers HLE
et THLE, des aciers inoxydables et de nombreux
alliages base Al, Ni, Co, Cu et même parfois du
titane. Les fils utilisés en soudage MIG-MAG ont un
diamètre compris entre 0,6 et 2,4 mm, les diamètres
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les plus couramment utilisés étant 1,0 et 1,2 mm et
sont soit des fils massifs ou des fils fourrés.
Les fils massifs, qui représentent la part la plus
importante en volume, garantissent une bonne
pénétration (à condition d’utiliser des paramètres de
soudage adéquats) et ne présentent intrinsèquement
aucun problème de reprise d’humidité : la teneur en
hydrogène diffusible d’un fil massif est inférieure
à 2 ml/100 g de métal déposé. Les fils fourrés se
déclinent en deux grandes familles, ceux possédant
un fourrage contenant des charges minérales (flux
cored) et ceux contenant presque uniquement des
poudres métalliques (metal cored). En fonction du
type de fourrage, les fils fourrés peuvent améliorer
la productivité car le taux de dépôt obtenu peut être
significativement supérieur à celui des fils massifs
à intensité égale. Les fils fourrés sont généralement utilisables avec une gamme d’intensité supérieure [2]. Certains fils fourrés sont également élaborés pour faciliter grandement le soudage en toutes
positions, parfois avec les mêmes paramètres électriques quelle que soit la position de soudage. En
outre, ils offrent de larges possibilités au niveau de
leur composition chimique. Ces produits nécessitent
généralement des précautions supplémentaires pour
leur stockage afin d’éviter la reprise d’humidité,
cf. figure 2 [3, 4].
Les gaz de protection utilisés en soudage MIG sont
l’argon et des mélanges Ar-He pour les alliages non
ferreux. Bien que le CO2 pur soit parfois utilisé dans
certains pays, le gaz de protection en soudage MAG
est souvent un mélange constitué d’Ar avec entre
8 et 18 % de CO2 et des additions d’autres gaz tels
que O2, H2 et He dont les proportions varient en fonction des applications. L’azote est également utilisé
(avec une teneur jusqu’à environ 2,5 %) pour le soudage des aciers inoxydables austéno-ferritiques.
1.1.2 Avantages et limites du procédé
En comparaison avec les procédés de soudage à
l’électrode enrobée et TIG manuel, le procédé MIGMAG manuel offre un facteur de marche et un taux
de dépôt bien plus élevés, donc un accroissement
substantiel de la productivité. Ce procédé est par
ailleurs très polyvalent et l’investissement reste
faible.
Si l’image du procédé MIG-MAG a parfois souffert par le passé du fait des difficultés rencontrées
pour obtenir une qualité constante des soudures,
les nombreux développements dans le domaine de
l’électronique de puissance ont permis un contrôle
relativement précis des paramètres électriques, pour
garantir des niveaux de qualité très satisfaisants.
Le soudage MIG des alliages d’aluminium reste problématique, du fait de l’apparition de défauts tels
que des manques de fusion en début de cordon et
surtout la présence sporadique de porosités, lesquelles ont des origines multiples et sont très difficiles voire impossible à éradiquer [5].
Figure 2 : Reprise en humidité de différents types de fils fourrés en fonction du temps d’exposition
à une atmosphère contrôlée (35 °C, 85 % d’humidité relative). La reprise en humidité est exprimée
en termes de taux d’hydrogène diffusible, par ml pour 100 g de métal fondu [3].
1.1.3 Soudabilité des matériaux
Les aciers de construction présentent généralement
une excellente soudabilité métallurgique ; les aciers
HLE et THLE nécessitent des précautions (choix des
produits d’apport, énergie de soudage, préchauffage/postchauffage) en fonction de leur formulation.
Comme évoqué précédemment, la teneur en hydrogène diffusible est faible dans les fils massifs. L’utilisation ce type de produit est donc plus sécurisant
vis-à-vis du risque de fissuration à froid pour le soudage d’aciers à forte teneur en carbone pour traitement thermique ou encore pour le soudage d’aciers
HLE ou THLE.
La soudabilité des alliages base nickel est variable
suivant les nuances, certaines d’entre-elles étant
sensibles à la fissuration à chaud. La plupart des
nuances d’alliage d’aluminium sont soudables avec
le procédé MIG en choisissant un produit d’apport
compatible du point de vue métallurgique. S’il n’est
pas couramment utilisé pour le soudage du titane
et ses alliages, le procédé MIG peut être utilisé à
condition de garantir une excellente protection
gazeuse, notamment en utilisant un traînard pour
éviter toute fragilisation de la zone soudée.
1.1.4 Applications
Les secteurs industriels utilisant le procédé MIGMAG sont extrêmement variés, les applications en
mécano-soudage étant très nombreuses. On peut
citer notamment le transport terrestre : l’industrie
automobile pour le soudage des éléments de caisse
jusqu’aux pots d’échappement, les applications dans
le transport routier pour la fabrication de remorques
et d’essieux et le transport ferroviaire pour la fabrication des boggies, des wagons et voitures ainsi
que des éléments de voie. D’autres applications
concernent la fabrication de réservoirs, de conduits
de chauffage et de ventilation, le secteur pétrolier
(éléments de structure, tuyauteries), les engins
mobiles pour le BTP et le secteur minier (fabrication
d’équipements de levage et de terrassement) ainsi
que le machinisme agricole, le mobilier métallique.
La facilité d’intégration du procédé MIG-MAG dans
les cellules robotisées le rend quasiment incontournable pour tous les fabricants d’équipements
en série (de l’automobile à l’électro-ménager). Les
technologies MIG-MAG ont acquis la maturité et un
retour d’expérience suffisant pour être utilisées dans
des secteurs très exigeants tels que le nucléaire
ou l’aéronautique. Le secteur aéronautique, après
avoir longtemps exclu le procédé dans ses gammes
de fabrication, l’intègre pour certaines applications
depuis quelques années.
1.2 LES ÉVOLUTIONS TECHNOLOGIQUES
Parmi toutes les évolutions du procédé MIG-MAG,
on peut citer deux familles de procédés qui visent à
améliorer la qualité des soudures et la productivité,
avec :
• d’une part des variantes MIG-MAG à faible
énergie : plusieurs technologies sont aujourd’hui
disponibles pour assembler des pièces de faible
épaisseur, dans certains cas jusqu’à 0,5 mm dans
des conditions industrielles, ce qui était impensable
il y a 10 ans. Chaque fabricant a développé sa propre
stratégie pour souder les pièces de faible épaisseur,
avec pour objectif d’améliorer la qualité des soudures en réduisant le nombre de projections adhérentes sur les pièces soudées (grâce à des alternatives au mode de transfert court-circuit « classique »)
et d’améliorer la productivité en augmentant la
vitesse de soudage ;
• d’autre part des variantes MAG à fort pouvoir
pénétrant : plusieurs technologies ont été développées ces dernières années pour augmenter
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la profondeur de pénétration, afin de pouvoir par
exemple souder des pièces d’épaisseur 10 mm avec
une pénétration totale sans chanfrein, grâce à une
pression d’arc très élevée. Là aussi, la qualité des
soudures peut être améliorée par exemple grâce au
pouvoir pénétrant de l’arc électrique (c’est un atout
pour éviter un manque de fusion en racine) et les
gains de productivité se traduisent par une réduction
du nombre de passes, donc du temps de soudage.
Les sections suivantes concerneront ces deux
familles de procédés.
2. LES VARIANTES
MIG-MAG
À FAIBLE ÉNÉRGIE
2.1 PRINCIPES
La technologie onduleur a révolutionné le soudage
MIG-MAG. En effet, l’électronique de puissance et
les microprocesseurs permettent un contrôle relativement précis des paramètres électriques (tension
d’arc et intensité de soudage) ainsi que leur synchronisation. Comme le montrent les figures 3(a) et
3(b), la durée d’une période en mode court-circuit
libre peut être relativement variable dans le cas d’un
générateur d’ancienne génération. Les fluctuations
d’intensité sont importantes car le générateur de
soudage ne régule pas suffisamment les paramètres
électriques et le transfert de métal de l’extrémité
du fil dans le bain de soudure s’opère de façon erratique. Les projections sont nombreuses.
Les figures 3(c) et 3(d) montrent au contraire qu’un
onduleur permet d’imposer des formes d’ondes
(intensité et tension) ainsi que la durée de la période
au sein de laquelle les valeurs instantanées d’intensité et de tension sont prédéfinies et synchronisées.
On notera de légères différences entre les signaux
électriques obtenus pour des périodes successives,
mais elles restent sans commune mesure avec
les fluctuations naturelles du mode court-circuit
« classique ». Il en résulte un transfert de métal bien
maîtrisé et peu de projections, ou des projections
très fines ne nécessitant pas d’opération de parachèvement.
Une étude datant de 1997 avait montré que la technologie onduleur et les modes court-circuit contrôlé
disponible à l’époque permettaient déjà d’obtenir un
taux de projection 6 à 8 fois inférieur à celui d’un
mode court-circuit « classique » [6]. La technologie
a bien évolué depuis : chaque constructeur a développé sa propre stratégie pour proposer une alternative au mode court-circuit « classique » à ses clients,
en définissant ses propres formes d’ondes, que l’on
peut sélectionner dans la liste des lois de synergie
proposées par l’onduleur. Ainsi, la plupart des onduleurs offrent aujourd’hui une ou plusieurs lois de
4
synergies correspondant à un mode de transfert de
type court-circuit contrôlé. Quelques fabricants proposent en plus un système mécanique de cadençage
à haute fréquence du fil-électrode, également synchronisé avec les paramètres électriques. Ce mouvement mécanique apporte plus de stabilité lors du
transfert de la goutte de métal de l’extrémité du fil
au bain. La figure 3 illustre le mouvement d’avance
puis de recul du fil pendant une période pour l’un de
ces procédés.
« Traditionnellement », le courant de soudage utilisé
pour le procédé MIG-MAG est continu (ou redressé).
Presque toutes les installations de soudage MIGMAG utilisées dans l’industrie fonctionnent avec
un générateur de courant continu. Dans un arc électrique alimenté en courant continu, les électrons
sont émis par la cathode (pôle –) et vont bombarder l’anode (pôle +). En soudage MIG-MAG avec
un fil massif, le fil-électrode est à la polarité + et
donc l’extrémité du fil subit le bombardement des
électrons permettant ainsi de favoriser sa fusion
sous l’effet de la chaleur produite, cf. figure 5(a).
Cette polarité positive assure une bonne stabilité
de l’arc, une bonne pénétration et un faible taux de
projections. À l’opposé, la polarité négative (– au filélectrode, cf. figure 5(b) ) permet d’obtenir un dépôt
large et moins pénétré (ce qui peut être intéressant
pour augmenter le taux de dépôt), mais tend à former des gouttes de métal de plus grande taille qui se
détachent plus difficilement, ce qui augmente le taux
de projections. Le soudage MIG-MAG en polarité
négative n’est donc pas utilisé si le produit d’apport
est un fil massif, mais il est possible de faire appel
à un courant alternatif pour combiner les avantages
qu’offrent des deux polarités.
Certains constructeurs ont donc intégré des lois de
synergie utilisant un courant alternatif dans leurs
onduleurs. Plus répandue au Japon, cette technologie est apparue en Europe à la fin des années 90. En
réglant la balance de polarité, il devient possible de
favoriser soit la pénétration ou le taux de dépôt. L’intérêt principal de cette technologie est le soudage
de pièces de faible épaisseur, car les tolérances
d’accostage sont plus importantes et les déformations moindres par rapport au soudage MIG-MAG en
courant continu.
La tendance actuelle est de créer des lois de synergie combinant des périodes en mode court-circuit
contrôlé avec par exemple un courant pulsé ou
encore des périodes en mode court-circuit contrôlé
avec des phases positives et des phases négatives.
Si les technologies le permettent, un cadençage
du fil-électrode peut également y être associé. Les
formes d’ondes deviennent de ce fait extrêmement
complexes et il est quasiment impossible de les
développer sans l’utilisation de caméras rapides
couplées à des systèmes d’acquisition des paramètres. On comprend aisément que les lois de syner-
gies sont incontournables pour faciliter le réglage
des paramètres dans un environnement de production, c’est-à-dire pour que ces onduleurs se vendent.
2.2 L’OFFRE ACTUELLE
Chaque constructeur possède sa propre technologie.
Par ailleurs, les noms commerciaux de ces procédés
changent parfois lors de la commercialisation de la
génération suivante d’onduleurs. Les procédés de
soudage MIG-MAG à faible énergie disponibles à ce
jour sont (liste non exhaustive) :
• chez Air Liquide Welding : Speed Short Arc,
• chez Cloos Schweißtechnik : Coldweld,
• chez ESAB : Superpulse,
• chez EWM : coldArc, rootArc, pipeSolution,
• chez Fronius : CMT (Cold Metal Transfer), CMT
advanced, Transteel,
• chez Lincoln Electric : STT (Surface Tension Transfer), STTII,
• chez Panasonic : AWP (Active Wire feed Process),
HD-Pulse, SP-MAGII.
2.3 AVANTAGES ET LIMITES
Les avantages et limites de ces procédés sont considérés de manière générale (toutes technologies
confondues), cf. tableau 1.
Le Tableau 1 montre très clairement qu’il n’y a
presque que des avantages à choisir les nouveaux
onduleurs, plutôt que des générateurs d’ancienne
génération, qui sont de toute manière voués à disparaître progressivement. Leur prix d’achat est certes
un peu plus élevé, mais leurs avantages permettent
un retour sur investissement rapide (augmentation
de la productivité, élimination d’opérations de parachèvement, etc.). On peut aussi noter que certains
onduleurs sont capables de compenser en temps réel
des variations liées à la mise en œuvre du procédé,
par exemple des variations relativement importantes
de longueur de fil sorti.
Ce type d’autorégulation est généralement un avantage, notamment en soudage manuel, mais cela peut
aussi être un inconvénient par exemple en soudage
robotisé, le contrôle en temps réel des paramètres
électriques à des fins de suivi de la qualité en production ne pouvant plus être réalisé.
Le taux de projection est très bas avec la technologie onduleur et des réglages optimisés. Pour autant,
aucun produit du marché ne peut aujourd’hui garantir « zéro projections », cette caractéristique restant
inhérente au procédé MIG-MAG. Pour certaines
applications ne pouvant tolérer la moindre projection adhérente, la solution reste l’utilisation d’un
procédé tel que le TIG ou la protection des zones
adjacentes avec un produit anti-adhérent (à utiliser
avec beaucoup de précautions) ou mieux, avec un
« pare-feu ».
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Figure 3 : Signaux électriques enregistrée avec un oscilloscope lors du soudage MIG-MAG, dans le cas (a, b) de l’utilisation d’un générateur d’ancienne
génération avec un mode de transfert court-circuit « classique » (intensité uniquement) et (c, d) de l’utilisation d’un onduleur moderne proposant un mode
de transfert court-circuit contrôlé (intensité et tension). Données Institut de Soudure.
➤
Figure 4 : Séquence issue d’une vidéo rapide
montrant le mouvement de va et vient
du fil-électrode pendant une période
de soudage en mode court-circuit contrôlé
CMT (Cold Metal Transfer). Document Fronius.
➤
Figure 5 : Images extraites d’une vidéo
rapide montrant l’arc électrique dans le cas
du soudage MIG-MAG avec un fil massif
momentanément au pôle (a) positif et (b)
négatif. Issu d’un document Fronius.
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ÉTUDES ET RECHERCHE
Tableau 1 : Avantages et limites des procédés MIG-MAG à faible énergie.
Avantages
• Amélioration de la stabilité d’arc :
peu voire quasiment plus de projections
• Possibilité de souder des pièces fines
(à partir de 0,5 mm dans certains cas)
• Productivité élevée : vitesses de soudage
de plusieurs m/min
• Mise au point aisée des paramètres
(lois de synergie)
• Procédés polyvalents (matériaux, épaisseurs,
positions de soudage, …)
• Investissement faible (10 à 20 k€ pour l’ensemble
générateur, dévidoir, torche et faisceaux)
Une difficulté majeure subsiste : la mesure des énergies de soudage. Si le problème n’est pas nouveau,
les écarts moyens entre les valeurs mesurées et les
valeurs réelles étant parfois de plus de 25 % avec
certains modes de transfert délivrés par des générateurs plus anciens, le développement de lois de
synergie complexes avec des courants alternatifs et
des fréquences de pulsation relativement élevées
rendent les résultats plus incertains [7]. Les onduleurs avec wattmètre intégré peuvent cependant
apporter une certaine sécurité vis à vis des risques
métallurgiques pouvant découler de l’utilisation
d’une énergie de soudage trop faible ou trop élevée.
Les modes opératoires doivent être validés pour
chaque marque, référence et génération d’onduleur
sur un assemblage représentatif, surtout lorsque le
domaine d’application se situe en marge des applications courantes du soudage MIG-MAG.
Limites
• Risque accru d’obtenir des manques de fusion
et des porosités lors du soudage d’alliages
d’aluminium
• Les fils fourrés ne peuvent parfois pas être
utilisés (mais cela dépend de la technologie
et du mode de transfert)
On notera également que tous ces procédés permettent de réaliser certains assemblages hétérogènes (par exemple des liaisons aluminium/acier)
par soudo-brasage, qui est un besoin croissant dans
de nombreux secteurs industriels. Les produits d’ap-
Figure 8 : Soudage d’une collerette
et d’un piquage sur un chauffe-eau, procédé
CMT. Vitesse de soudage de 90 cm/min,
absence de projections. Documents Fronius.
2.4 EXEMPLES D’APPLICATIONS
Les figures 6 à 10 illustrent quelques applications
industrielles de procédés de soudage MIG-MAG à
faible énergie.
2.5 LEQUEL DE CES PROCÉDÉS
FAUT-IL CHOISIR ?
Le choix du procédé dépend directement des applications et des critères d’acceptation des soudures :
par exemple, pour certains produits, l’aspect des
cordons peut être de première importance ; pour
d’autres, la vitesse de soudage sera le facteur prédominant. Il n’y a donc pas de procédé MIG-MAG à
faible énergie « universel », chacune des variantes
proposées par les constructeurs aura un champ
d’applications pour lesquelles les fonctionnalités de
l’onduleur seront particulièrement adaptées.
Avant d’investir, il est recommandé de réaliser des
essais sur des pièces représentatives d’une production avec plusieurs de ces procédés pour disposer
de données factuelles permettant ensuite de faire
le meilleur choix technico-économique. L’expérience
montre qu’il ne faut pas se fier aux a priori.
6
Figure 6 : Sous-ensembles d’une structure
de karting, procédé Superpulse (robotisé)
en régime mixte pulsé/court-circuit contrôlé.
Ce procédé permet d’obtenir des soudures
MAG avec l’aspect de soudure TIG,
quasiment sans projections adhérentes.
Documents ESAB.
Figure 7 : Assemblage en angle de plaques
en alliage d’aluminium, procédé Superpulse
(manuel). Document ESAB.
Figure 9 : Soudage en position plafond
de feuilles d’aluminium de série 6xxx et
d’épaisseur 0,8 mm (fuselage d’hélicoptère).
Procédé CMT, vitesse de soudage
de 1,8 m/min. Documents Fronius.
port classiques (Cu-Al, Cu-Si, Cu-Mn-Al) permettent
d’obtenir des assemblages avec des résistances
mécaniques adaptées aux matériaux en présence
(jusqu’à 750 MPa en sollicitation statique de traction-cisaillement). Des produits d’apport spécifiques
de soudo-brasage, par exemples de fils base Zn, ont
été développés pour être utilisés avec certains onduleurs (donc avec une loi de synergie ad hoc).
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VARIANTES MIG-MAG À FAIBLE ÉNERGIE ET À FORTE PÉNÉTRATION : PRINCIPES ET APPLICATIONS
3.4 AVANTAGES ET LIMITES
Figure 10 : Soudage de réservoirs en acier inoxydable ferritique d’épaisseur 1 mm avec un jeu variable
(0 à 1,5 mm). Procédé CMT advanced, vitesse de soudage de 76 cm/min. Documents Fronius.
3. LES VARIANTES MAG
À FORTE PÉNÉTRATION
3.1 INTRODUCTION
De nouveaux « modes de transfert » contrôlés sont
également apparus depuis quelques années pour
obtenir de fortes pénétrations, là aussi grâce à la
technologie onduleur. Ces procédés étant plus ou
moins nouveaux, l’un d’entre eux étant commercialisé depuis moins d’un an, très peu de documentation technique est disponible. C’est pourquoi plusieurs études ont été menées à l’Institut de Soudure
pour évaluer le potentiel de l’une ou l’autre de ces
technologies sur des applications pour des clients
(données confidentielles non publiables) et une
étude plus générique est en cours pour la Commission Interprofessionnelle Soudage de la FIM, en collaboration avec le CETIM.
Ces travaux visent à évaluer les avantages et limites
de l’ensemble des procédés disponibles sur le marché dans le cas du soudage en angle d’aciers de
construction (par exemple l’effet du jeu entre pièces
sur la valeur de gorge efficace obtenue) et bout à
bout en chanfrein, notamment pour connaître l’angle
minimal qu’il est possible d’utiliser sans risque
majeur de créer des manques de pénétration ou de
fusion. Des travaux à venir porteront également sur
le soudage d’aciers présentant une certaine sensibilité à la fissuration.
3.2 PRINCIPES
Étant donné le faible volume de données disponibles pour l’instant, on peut se référer en premier
lieu aux données fournies par les constructeurs.
D’après les documentations technico-commerciales,
les variantes MAG à forte pénétration permettent
de combiner la facilité opératoire du mode de transfert par court-circuit avec le pouvoir pénétrant du
mode de transfert par pulvérisation axiale. Ce type
de variante est également mise en avant pour souder à forte énergie tout en conservant un arc électrique court et étroit, ce qui permet de limiter les
risques de morsures, de caniveaux ou de porosités
et d’améliorer la pénétration en fond de chanfrein
tout en réduisant l’angle d’ouverture.
La figure 11 montre des enregistrements de tension
et d’intensités obtenus pour deux onduleurs réglés
sur leur loi de synergie respective permettant de
souder avec un « mode de transfert » MAG à forte
pénétration. Dans un cas, on peut observer que les
ondes ressemblent à un mode de transfert par pulvérisation axiale quelque peu instable et avec une tension d’arc moyenne de 31 V, cf. figure 11 (a,b), et que
dans le second cas, il s’agit d’un mode de transfert
avec un courant pulsé et une tension moyenne de
37 V, cf. figure 11 (c,d).
Les différences de valeur moyenne de tension ou
d’intensité présentent ici peu d’intérêt, le point
important étant que les constructeurs développent,
comme pour les variantes MIG-MAG à faible énergie, des lois de synergies différentes dans un même
but. Les résultats obtenus avec les procédés à forte
pénétration seront donc quelque peu différent d’un
onduleur à l’autre. Les travaux en cours permettront
de mettre en évidence ces différences.
3.3 L’OFFRE ACTUELLE
Quelques constructeurs proposent aujourd’hui un
onduleur et une loi de synergie permettant de réaliser du soudage MAG à forte pénétration :
• chez Air Liquide Welding : HPS (High Penetration
Speed),
• chez EWM : forceArc,
• chez Fronius : PCS (Pulse-Controlled Spray arc).
Les avantages et limites de ces procédés sont considérés de manière générale (toutes technologies
confondues), cf. tableau 2.
Ce tableau montre que ce type de procédé est intéressant si l’on souhaite réaliser des gains de productivité pour souder des pièces en acier C-Mn dans la
gamme d’épaisseurs 5 à 20 mm environ (voire beaucoup plus), non pas en augmentant la vitesse de soudage, mais en réduisant le volume de produit d’apport à déposer. La réduction des déformations est un
avantage induit non négligeable en fabrication.
La limite principale de ce type de procédé concerne
la soudabilité métallurgique et il est indispensable
de valider le mode opératoire de soudage (MOS) au
travers d’essais sur des coupons représentatifs puis
de respecter ce MOS, surtout dans le cas du soudage de matériaux sensibles à la fissuration à chaud.
Par ailleurs, le risque de fissuration à chaud de solidification devient important si l’on cherche à utiliser
des chanfreins très fermés (moins de 35°), car le
ratio hauteur sur largeur des cordons devient très
défavorable, comme le montre la figure 12. Certains
industriels utilisent néanmoins des chanfreins plus
fermés (30°) lorsque le procédé est parfaitement
sous contrôle. Les autres limites concernent les
matériaux soudables et la vitesse de soudage :
• L’effet pénétrant n’est obtenu que pour le soudage des aciers C-Mn, en tout cas pour le moment.
Les aciers C-Mn étant les matériaux métalliques les
plus fréquemment soudés, le potentiel de développement de ce type de technologie reste très important.
• La vitesse de soudage est faible au regard de
celle que l’on peut obtenir avec des procédés à
faible énergie automatisés ou robotisés (plusieurs
m/min). Néanmoins, elle reste compatible avec le
soudage manuel et le fait de réduire le nombre de
passe permet déjà d’optimiser les temps globaux de
soudage.
L’excellente nouvelle pour tout industriel souhaitant
investir dans des onduleurs MIG-MAG est que l’une
ou l’autre des lois de synergie nécessaire pour réaliser du soudage MAG à forte pénétration est parfois
déjà intégrée dans les onduleurs des constructeurs
Tableau 2 : Avantages et limites des procédés MIG-MAG à forte pénétration.
Avantages
• Réduction de la quantité de produit d’apport
• Réduction des déformations
(par la diminution du volume de la zone fondue
et/ou du nombre de passes)
• Réduction du temps de soudage.
• Plus d’opérations de chanfreinage
dans certains cas.
• Gains de productivité substantiels même
en soudage manuel
Limites
• Lois de synergie disponibles réservées
au soudage des aciers C-Mn
• Énergie de soudage relativement importante pour
bénéficier de l’effet pénétrant de l’arc électrique
• Géométrie des cordons peu favorable d’un point
de vue métallurgique : ratio hauteur sur largeur
élevé, ce qui provoque des ségrégations et
augmente le risque de fissuration à chaud
• Vitesse de soudage limitée à environ 50 cm/min.
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Figure 11 : Signaux électriques (intensité et cinq fois la valeur de la tension) enregistrée avec un oscilloscope lors du soudage MAG, dans le cas (a, b)
de l’utilisation d’un onduleur A réglé sur une loi de synergie MAG à forte pénétration et (c, d) de l’utilisation d’un onduleur B réglé sur une autre loi
de synergie MAG à forte pénétration.
cités dans la section 2.2. Dans ce cas, il n’est pas
nécessaire d’investir dans deux onduleurs distincts
pour souder dans des conditions optimales à la fois
des pièces très fines et des pièces épaisses.
Il conviendra cependant de vérifier que l’onduleur est
capable de délivrer un niveau d’intensité suffisant
pour bénéficier des lois de synergie MAG à forte
pénétration et que la torche est également adaptée.
Il est également possible de rajouter très facilement la loi de synergie MAG à forte pénétration à
un poste de soudage existant compatible (donc de la
même marque), au travers d’un port USB.
3.5 EXEMPLES D’APPLICATIONS
La figure 13 montre un exemple d’application industrielle avec l’un des procédés de soudage MAG à
8
forte pénétration. De nombreuses autres applications existent dans l’industrie, mais sont soumises
à des clauses de confidentialité. Les figures 14 et 15
sont issues de travaux menés par l’Institut de soudure et la figure 16 de travaux réalisés par TWI pour
le compte d’EWM.
3.6 LEQUEL DE CES PROCÉDÉS
FAUT-IL CHOISIR ?
Figure 12 : Macrographie d’une soudure
obtenue avec une variante MAG à forte
pénétration sur acier C-Mn avec un chanfrein
en demi V à 30°. On peut noter à la fois une
fissure à chaud de solidification dans l’axe
du cordon et un manque de fusion en racine.
Document issu d’une étude CIS-FIM en cours.
La figure 11 a montré que les formes d’ondes sont
différentes d’un constructeur à l’autre, comme cela
est le cas pour les variantes MIG-MAG à faible
énergie. On peut donc s’attendre à ce que les résultats diffèrent suivant la technologie choisie. Des
campagnes d’essais réalisés pour plusieurs clients
montent en effet des différences en termes de stabi-
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Figure 13 : Application industrielle utilisant le procédé
forceArc : divers sous-ensembles sont soudés avec ce
procédé pour la fabrication de grues mobiles.
Ce procédé a permis de modifier le type de chanfrein
et de réduire l’angle d’ouverture : le chanfrein initial en K
à 45° nécessitait 32 passes de remplissage (de part et d’autre
du chanfrein) alors que le chanfrein en demi-V à 30°
n’en nécessite que 13, toutes déposées du même côté,
ce qui limite la manipulation des structures. [8]
Figure 15 : Macrographie d’une soudure bout
à bout de plaques en acier C-Mn d’épaisseur
15 mm, obtenue en une seule passe avec un
procédé MAG à forte pénétration.
Documents Institut de Soudure.
lité de l’arc électrique et du pouvoir pénétrant, ce qui
rend par ailleurs délicate la transposition de paramètres de soudage d’une technologie à une autre.
Toutefois, pour l’instant, ces différences restent
assez peu marquées, contrairement à celles que l’on
Figure 14 : (a) Assemblage d’angle interpénétré (acier C-Mn, épaisseur 10 mm) réalisé de façon conventionnelle, avec un chanfrein et 4 passes alternées ;
(b) le même assemblage réalisé avec un procédé MAG à forte pénétration, en seulement 2 passes et sans chanfreinage.
Document Institut de Soudure.
observe avec les procédés MIG-MAG à faible énergie. L’étude CIS-FIM en cours permettra de mieux
connaître le potentiel et les limite des procédés
actuellement sur le marché.
4. CONCLUSIONS
Figure 16 : Macrographies de soudures bout à bout sur latte support de plaques en acier S355
d’épaisseur 20 mm avec (a) le procédé MAG conventionnel, en 11 passes ; (b) le procédé forceArc,
avec un angle d’ouverture de chanfrein de 40°, en 5 passes ; (c) le procédé forceArc, avec un angle
d’ouverture de chanfrein de 30°, en 5 passes et une réduction du temps de soudage de 50 %
par rapport au procédé MAG conventionnel.
Document EWM/TWI [9].
Ce rapide tour d’horizon des variantes MIG-MAG
mono-fil et mono-procédé a permis de cerner les
bénéfices substantiels que l’on pouvait tirer de ces
technologies.
Bien entendu, d’autres procédés MIG-MAG à forte
productivité existent, tels que :
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ÉTUDES ET RECHERCHE
• les procédés tandems, bi-fil, twin arc ou plus simplement le soudage MIG-MAG avec fil-électrode de
fort diamètre ;
• plusieurs procédés hybrides tels que laser/MIGMAG ou le moins bien connu plasma/MIG-MAG et
les nombreuses autres combinaisons qui ont vu le
jour en laboratoire depuis des décennies.
Les points communs des variantes considérée ici
sont que leur mise en œuvre peut aussi bien être
manuelle, automatisée ou robotisée, avec très peu
de contraintes supplémentaires par rapport au soudage MIG-MAG « classique » et avec un surcoût
minimal.
Bien entendu, la robotisation de ces variantes permet de bénéficier pleinement de leurs possibilités et
le couple robot/variante MIG-MAG est sans aucun
doute un atout pour la compétitivité des ateliers de
mécano-soudage.
[3] F. Maltrud et F. Decaesteker, « Étude des conséquences de
[6] P. Couderc, « Étude des possibilités de réduction des projec-
l’exposition des fils fourrés à l’humidité atmosphérique sur
tions en soudage MAG sur tôle mince », Rapport technique
leur teneur en hydrogène diffusible », Rapport technique IS
IS no 31878 / CETIM réf. 1A7210 (non publié), 1997.
n° 28715 / CETIM n° 180710 (non publié), 1993.
[4] F. Maltrud et F. Decaesteker, « Évaluation de l’efficacité d’un
traitement de séchage d’une bobine de fil fourré dégradée
par une exposition à l’humidité », Rapport technique IS
no 30014 / CETIM no 195350 (non publié), 1993.
[5] S. Cretin, « Influence des caractéristiques des fils sur l’apparition des soufflures en soudage MIG des alliages légers »,
Rapport technique IS no 33528 / CETIM no 1D1880 (non
publié), 2000.
[7] J. Haouas, « Évaluation des appareils de mesure de type
wattmètres », Rapport technique IS réf. 4237-VPEIE-V1/
CETIM no 060311 (non publié), 2014.
[8] « Un nouveau procédé de soudage révolutionne la
production chez Manitowoc », Soudage et Techniques
Connexes, Institut de Soudure, Septembre-Octobre 2011,
p. 16-18.
[9] Documentation commerciale EWM Hightec Welding GmbH
réf. WM.0739.02, 02/2002.
5. REMERCIEMENTS
Les auteurs tiennent à remercier les sociétés ESAB,
Fronius, et Sodec/EWM pour la fourniture d’illustration.
6. RÉFÉRENCES
[1] « Robotisation – Mode d’emploi », Publication du SYMOP et
des Techniques de l’Ingénieur, 2011, p. 13.
[2] F. Maltrud et F. Decaesteker, « Étude des vitesses de dépôt
des fils fourrés avec gaz - Détermination de données pour
le calcul des temps de soudage », Rapport technique IS
ABSTRACT
The MIG-MAG welding process has benefited from many improvements over the last ten years, with on
one hand the development of low heat input variants and, on the other hand and more recently, highly
penetrating variants. Both make use of the inverter power supply technology, which enables a very precise
current and voltage wave control, as well as their dynamic synchronisation.
Some low heat input variants enable welding of very thin parts (0.5 mm and above) or, in some cases,
welding speeds up to 5 m/min, which has for long only been possible with a few processes such as laser
welding. Highly penetrating variants enable the reduction of bevel opening angles, hence the number of
weld passes, reduced arc time and less workpiece deformation. C-Mn steel plates up to 15 mm – thick
may be butt welded without bevel in just one pass.
no 30210 / CETIM no 187470 (non publié), 1995.
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