Pour effectuer un soudage à l’arc sous gaz métallique, l’équipement de base nécessaire est un pistolet de soudage, une unité d’alimentation en fil, une alimentation électrique de soudage, un fil électrode de soudage et une alimentation en gaz de protection.
Pistolet de soudage et unité d’alimentation en filEdit
Le pistolet de soudage GMAW typique comporte un certain nombre de pièces clés – un interrupteur de commande, une pointe de contact, un câble d’alimentation, une buse à gaz, un conduit et un revêtement d’électrode, et un tuyau à gaz. L’interrupteur de commande ou la gâchette, lorsqu’il est actionné par l’opérateur, déclenche l’alimentation en fil, le courant électrique et le flux de gaz de protection, ce qui provoque l’amorçage d’un arc électrique. La pointe de contact, normalement en cuivre et parfois traitée chimiquement pour réduire les projections, est reliée à la source d’énergie de soudage par le câble d’alimentation et transmet l’énergie électrique à l’électrode tout en la dirigeant vers la zone à souder. Il doit être solidement fixé et correctement dimensionné, car il doit permettre le passage de l’électrode tout en maintenant le contact électrique. Sur le chemin de la pointe de contact, le fil est protégé et guidé par le conduit et la gaine de l’électrode, qui aident à prévenir le flambage et à maintenir une alimentation ininterrompue du fil. La buse de gaz dirige le gaz de protection de manière uniforme dans la zone de soudage. Un flux irrégulier peut ne pas protéger correctement la zone de soudage. Les buses plus grandes fournissent un plus grand débit de gaz de protection, ce qui est utile pour les opérations de soudage à courant élevé qui développent un plus grand bain de soudure fondu. Un tuyau de gaz provenant des réservoirs de gaz de protection fournit le gaz à la buse. Parfois, un tuyau d’eau est également intégré au pistolet de soudage, ce qui permet de refroidir le pistolet lors d’opérations à haute température.
Le dispositif d’alimentation en fil fournit l’électrode à l’ouvrage, en l’entraînant dans le conduit et sur la pointe de contact. La plupart des modèles fournissent le fil à une vitesse d’alimentation constante, mais les machines plus avancées peuvent varier la vitesse d’alimentation en fonction de la longueur de l’arc et de la tension. Certains dévidoirs de fil peuvent atteindre des vitesses d’alimentation aussi élevées que 30 m/min (1200 in/min), mais les vitesses d’alimentation pour le GMAW semi-automatique varient généralement de 2 à 10 m/min (75 – 400 in/min).
Style d’outilEdit
Le porte-électrode le plus courant est un porte-électrode semi-automatique refroidi par air. De l’air comprimé y circule pour maintenir des températures modérées. Il est utilisé avec des niveaux de courant plus faibles pour le soudage des joints à recouvrement ou bout à bout. Le deuxième type de porte-électrode le plus courant est le porte-électrode semi-automatique à refroidissement par eau, la seule différence étant que l’eau remplace l’air. Il utilise des niveaux de courant plus élevés pour le soudage des joints en T ou en angle. Le troisième type de porte-électrode typique est un porte-électrode automatique refroidi à l’eau – qui est généralement utilisé avec un équipement automatisé.
Alimentation électriqueEditer
La plupart des applications du soudage à l’arc avec électrode gazeuse utilisent une alimentation électrique à tension constante. Par conséquent, toute modification de la longueur de l’arc (qui est directement liée à la tension) entraîne un changement important de l’apport de chaleur et du courant. Une longueur d’arc plus courte entraîne un apport de chaleur beaucoup plus important, ce qui fait fondre le fil-électrode plus rapidement et rétablit ainsi la longueur d’arc initiale. Cela aide les opérateurs à conserver une longueur d’arc constante, même lorsqu’ils soudent manuellement avec des pistolets à main. Pour obtenir un effet similaire, il arrive qu’une source d’alimentation à courant constant soit utilisée en combinaison avec un dispositif d’alimentation en fil commandé par la tension de l’arc. Dans ce cas, un changement de la longueur de l’arc fait que la vitesse d’alimentation du fil s’ajuste pour maintenir une longueur d’arc relativement constante. Dans de rares cas, une source d’énergie à courant constant et une unité d’alimentation en fil à vitesse constante peuvent être couplées, notamment pour le soudage de métaux à haute conductivité thermique, comme l’aluminium. Cela accorde à l’opérateur un contrôle supplémentaire sur l’apport de chaleur dans la soudure, mais nécessite une compétence significative pour l’exécuter avec succès.
Un courant alternatif est rarement utilisé avec le GMAW ; au lieu de cela, un courant continu est employé et l’électrode est généralement chargée positivement. Comme l’anode a tendance à avoir une plus grande concentration de chaleur, cela entraîne une fusion plus rapide du fil d’alimentation, ce qui augmente la pénétration de la soudure et la vitesse de soudage. La polarité ne peut être inversée que lorsque des fils d’électrode spéciaux à revêtement émissif sont utilisés, mais comme ils ne sont pas populaires, une électrode chargée négativement est rarement employée.
ElectrodeEdit
L’électrode est un fil d’alliage métallique, appelé fil MIG, dont la sélection, l’alliage et la taille, est basée principalement sur la composition du métal à souder, la variation du processus utilisé, la conception du joint et les conditions de surface du matériau. Le choix de l’électrode influence grandement les propriétés mécaniques de la soudure et constitue un facteur clé de la qualité de la soudure. En général, le métal soudé fini doit avoir des propriétés mécaniques similaires à celles du matériau de base, sans défauts tels que des discontinuités, des contaminants entraînés ou des porosités dans la soudure. Pour atteindre ces objectifs, il existe une grande variété d’électrodes. Toutes les électrodes disponibles dans le commerce contiennent des métaux désoxydants tels que le silicium, le manganèse, le titane et l’aluminium en petits pourcentages pour aider à prévenir la porosité due à l’oxygène. Certaines contiennent des métaux dénitrurants tels que le titane et le zirconium pour éviter la porosité à l’azote. En fonction de la variation du procédé et du matériau de base à souder, le diamètre des électrodes utilisées dans le procédé GMAW varie généralement de 0,7 à 2,4 mm (0,028 – 0,095 in) mais peut atteindre 4 mm (0,16 in). Les plus petites électrodes, généralement jusqu’à 1,14 mm (0,045 in) sont associées au procédé de transfert de métal par court-circuitage, tandis que les électrodes les plus courantes en mode de procédé de transfert par pulvérisation sont généralement d’au moins 0,9 mm (0,035 in).
Gaz de protectionÉditer
Les gaz de protection sont nécessaires pour le soudage à l’arc avec électrode en métal gazeux afin de protéger la zone de soudage des gaz atmosphériques tels que l’azote et l’oxygène, qui peuvent provoquer des défauts de fusion, des porosités et une fragilisation du métal de soudure s’ils entrent en contact avec l’électrode, l’arc ou le métal de soudage. Ce problème est commun à tous les procédés de soudage à l’arc ; par exemple, dans l’ancien procédé de soudage à l’arc sous protection métallique (SMAW), l’électrode est enduite d’un flux solide qui dégage un nuage protecteur de dioxyde de carbone lorsqu’il est fondu par l’arc. Dans le procédé GMAW, en revanche, le fil d’électrode n’est pas recouvert d’un flux et un gaz de protection distinct est utilisé pour protéger la soudure. Cela élimine le laitier, le résidu dur du flux qui s’accumule après le soudage et qui doit être écaillé pour révéler la soudure terminée.
Le choix d’un gaz de protection dépend de plusieurs facteurs, le plus important étant le type de matériau à souder et la variation du processus utilisé. Les gaz inertes purs tels que l’argon et l’hélium ne sont utilisés que pour le soudage des non ferreux ; avec l’acier, ils ne permettent pas une pénétration adéquate de la soudure (argon) ou provoquent un arc erratique et favorisent les projections (avec l’hélium). Le dioxyde de carbone pur, quant à lui, permet de réaliser des soudures à pénétration profonde mais favorise la formation d’oxyde, ce qui affecte négativement les propriétés mécaniques de la soudure. Son faible coût en fait un choix intéressant, mais en raison de la réactivité du plasma d’arc, les projections sont inévitables et le soudage de matériaux fins est difficile. C’est pourquoi l’argon et le dioxyde de carbone sont souvent mélangés dans une proportion de 75 %/25 % à 90 %/10 %. En général, dans le GMAW à circuit court, une teneur plus élevée en dioxyde de carbone augmente la chaleur et l’énergie de soudage lorsque tous les autres paramètres de soudage (volts, courant, type et diamètre d’électrode) sont maintenus identiques. Lorsque la teneur en dioxyde de carbone dépasse 20 %, le GMAW à transfert par pulvérisation devient de plus en plus problématique, en particulier avec des diamètres d’électrode plus petits.
L’argon est aussi couramment mélangé à d’autres gaz, l’oxygène, l’hélium, l’hydrogène et l’azote. L’ajout de jusqu’à 5% d’oxygène (comme les concentrations plus élevées de dioxyde de carbone mentionnées ci-dessus) peut être utile pour le soudage de l’acier inoxydable, cependant, dans la plupart des applications, le dioxyde de carbone est préféré. L’augmentation de l’oxygène fait que le gaz de protection oxyde l’électrode, ce qui peut entraîner une porosité du dépôt si l’électrode ne contient pas suffisamment de désoxydants. Un excès d’oxygène, surtout lorsqu’il est utilisé dans une application pour laquelle il n’est pas prescrit, peut entraîner une fragilité dans la zone affectée par la chaleur. Les mélanges argon-hélium sont extrêmement inertes et peuvent être utilisés sur des matériaux non ferreux. Une concentration d’hélium de 50 à 75% augmente la tension requise et la chaleur de l’arc, en raison de la température d’ionisation plus élevée de l’hélium. L’hydrogène est parfois ajouté à l’argon en petites concentrations (jusqu’à environ 5 %) pour le soudage du nickel et des pièces épaisses en acier inoxydable. À des concentrations plus élevées (jusqu’à 25 % d’hydrogène), il peut être utilisé pour le soudage de matériaux conducteurs tels que le cuivre. Cependant, il ne doit pas être utilisé sur l’acier, l’aluminium ou le magnésium car il peut provoquer des porosités et une fragilisation par l’hydrogène.
Des mélanges de gaz de protection composés de trois gaz ou plus sont également disponibles. Des mélanges d’argon, de dioxyde de carbone et d’oxygène sont commercialisés pour le soudage des aciers. D’autres mélanges ajoutent une petite quantité d’hélium aux combinaisons argon-oxygène. Ces mélanges sont censés permettre des tensions d’arc et des vitesses de soudage plus élevées. L’hélium sert aussi parfois de gaz de base, auquel on ajoute de petites quantités d’argon et de dioxyde de carbone. Cependant, comme il est moins dense que l’air, l’hélium est moins efficace pour protéger la soudure que l’argon, qui est plus dense que l’air. Il peut également entraîner des problèmes de stabilité et de pénétration de l’arc, ainsi qu’une augmentation des projections, en raison de son plasma d’arc beaucoup plus énergétique. L’hélium est également beaucoup plus cher que les autres gaz de protection. D’autres mélanges de gaz spécialisés et souvent propriétaires revendiquent des avantages encore plus importants pour des applications spécifiques.
Malgré son caractère toxique, des traces d’oxyde nitrique peuvent être utilisées pour empêcher l’ozone, encore plus gênant, de se former dans l’arc.
Le débit souhaitable de gaz de protection dépend principalement de la géométrie de la soudure, de la vitesse, du courant, du type de gaz et du mode de transfert du métal. Le soudage de surfaces planes nécessite un débit plus élevé que le soudage de matériaux rainurés, car le gaz se disperse plus rapidement. En général, une vitesse de soudage plus rapide signifie qu’il faut fournir davantage de gaz pour obtenir une couverture adéquate. En outre, un courant plus élevé nécessite un débit plus important et, en général, il faut plus d’hélium pour assurer une couverture adéquate que si l’on utilise de l’argon. Le plus important est peut-être que les quatre principales variantes du GMAW ont des exigences différentes en matière de débit de gaz de protection – pour les petits bassins de soudage des modes de court-circuitage et de pulvérisation pulsée, environ 10 L/min (20 ft3/h) conviennent généralement, alors que pour le transfert globulaire, environ 15 L/min (30 ft3/h) sont préférables. La variante de transfert par pulvérisation nécessite normalement un débit de gaz de protection plus important en raison de son apport de chaleur plus élevé et donc d’un bain de soudure plus grand. Les quantités typiques de flux de gaz sont d’environ 20-25 L/min (40-50 ft3/h).
Impression 3-D basée sur le GMAWEdit
Le GMAW a également été utilisé comme une méthode peu coûteuse pour imprimer en 3-D des objets métalliques. Diverses imprimantes 3-D open source ont été développées pour utiliser le GMAW. De tels composants fabriqués à partir d’aluminium rivalisent avec des composants fabriqués plus traditionnellement en matière de résistance mécanique. En formant une mauvaise soudure sur la première couche, les pièces imprimées en 3-D par GMAW peuvent être retirées du substrat avec un marteau.