le soudage à l`arc avec électrode enrobée smaw

LE
SOUDAGE À L ’ ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
CHAPITRE 2
LE SOUDAGE À L’ARC AVEC
ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
CHAPITRE
2
Parfois nous n’avons aucune idée de ce que peut provoquer l’ignorance. Un jour, Julien, un apprenti soudeur, décide de souder une pièce brisée dans une machine. Il démonte la pièce, puis il la
soude avec son poste de soudage à l’arc avec électrode enrobée SMAW. Une fois la pièce soudée,
Julien procède à son montage. Quelques heures plus tard, la pièce s’est rompue de nouveau, malgré le
fait que la soudure exécutée avait un bel aspect, ce qui a étonné Julien.
Il appartient au soudeur ou à la soudeuse, avant de souder une pièce quelconque, d’identifier la
nature de son métal et de choisir l’électrode en fonction du métal. De plus, le soudage de certains
métaux nécessite des précautions avant, durant et après leur soudage. Toutes ces exigences ont été
négligées par Julien.
Ce chapitre traite du soudage à l’arc avec électrode enrobée. Vous y apprendrez les techniques de
ce procédé et vous aurez l’occasion de souder des plaques, des tuyaux et des profilés en acier doux.
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2.1
GÉNÉRALITÉS
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hlkjgbj bbsg h hjkoop;y dpi
j jgbjgbj bbsghhhf hhjkoop;y
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Avant d’aborder la section qui traite de la
technique de soudage à l’arc avec électrode enrobée, il est nécessaire d’expliquer certaines
notions portant sur le principe, le champ d’application et les limites du « SMAW ».
Principe du soudage à l’arc avec électrode
enrobée
Le soudage à l’arc avec électrode enrobée
est un procédé de soudage autogène qui consiste à unir, avec une électrode de métal d’apport enrobée, deux pièces de métal de même
nature en fusionnant leurs bords. Cette fusion
est obtenue grâce à la chaleur dégagée par un
arc établi entre l’électrode enrobée et la pièce
de métal et dont la température est de 3500 °C
à l’anode, 2500 °C à la cathode et 5000 °C dans
l’arc. La fusion de l’électrode enrobée et du métal
de base forme le bain de fusion qui, en se solidifiant, forme le cordon de soudure. De plus, la
fusion de l’enrobage dégage un gaz qui protège
Module 9
le bain de fusion de l’air ambiant et forme un
laitier (dépôt vitreux) qui couvre le bain de fusion.
La figure 2.1 représente le principe de ce
procédé.
Figure 2.1
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;;
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;;
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;;
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Principe du procédé SMAW
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Gaz de
protection
dégagés par
l’enrobage
Métal
déposé
Laitier
Enrobage
Métal d’apport
en fusion
Âme métallique
Cratère
Arc
Bain de fusion
Pénétration
Métal de base
CEMEQ
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2.1
CHAPITRE 2
LE
Champ d’application
Le soudage à l’arc avec électrode enrobée
est utilisé pour souder une grande variété de
métaux et alliages, tels que l’acier doux et les
autres aciers au carbone, les aciers alliés, les
aciers fortement alliés, le cuivre et certains de
ses alliages, le nickel et ses alliages, l’aluminium et certains de ses alliages et les fontes. Il
est le procédé de soudage le plus employé pour
construire des ponts, des réservoirs sous pression, des camions, des trains et des bateaux. De
plus, il est utilisé pour recharger des pièces
métalliques usées ou rupturées.
Limites du soudage à l’arc avec électrode
enrobée
À l’instar des autres procédés de soudage,
le soudage à l’arc avec électrode enrobée a ses
limites.
– Il ne se prête pas à l’automatisation.
– Il n’est pas utilisé pour souder les métaux et
alliages qui possèdent une faible température
de fusion, tels que l’étain, le plomb et le zinc.
– Le soudage de métaux et des alliages non ferreux à l’aide de ce procédé donne des résultats inférieurs à ceux obtenus avec d’autres
procédés.
– Ce procédé est déconseillé pour souder des
tôles dont l’épaisseur est inférieure à 2,5 mm
à cause des risques d’effondrement du bain
de fusion.
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gbjg sg hhhf hjkoop;y
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h
hlkjgbj bbsg h hjkoop;y dpi
j jgbjgbj bbsghhhf hhjkoop;y
;aeslg
2.2
En résumé...
À la suite de cette section, vous devrez retenir plus particulièrement les points suivants.
– Le soudage à l’arc avec électrode enrobée est
un procédé de soudage autogène qui consiste
à unir, avec une électrode de métal d’apport
enrobée, deux pièces de métal de même nature en fusionnant leurs bords.
– Le soudage à l’arc avec électrode enrobée pour
souder une grande variété de métaux et alliages, tels que l’acier doux et les autres aciers
au carbone, les aciers alliés, les aciers fortement alliés, le cuivre et certains de ses alliages, le nickel et ses alliages, l’aluminium et
certains de ses alliages et les fontes.
– Le procédé SMAW est déconseillé pour le
soudage des tôles dont l’épaisseur est inférieure à 2,5 mm.
Dans cette section, on a exposé brièvement
le principe, le champ d’application et les limites du procédé de soudage à l’arc avec électrode
enrobée. La section suivante vous présentera la
technique du SMAW.
TECHNIQUE DU SOUDAGE À L’ARC AVEC ÉLECTRODE
ENROBÉE SMAW
La réussite d’un travail de qualité dépend
largement de la technique utilisée. La technique du soudage à l’arc avec électrode enrobée
SMAW consiste à réaliser correctement les gestes
suivants : choisir les électrodes, préparer les
2.2
SOUDAGE À L ’ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
pièces, souder des pièces en position à plat,
pointer des pièces en position horizontale, verticale et au plafond. De plus, elle consiste à
vérifier visuellement des cordons de soudure et
à recharger des surfaces planes et cylindrique.
Module 9
LE
SOUDAGE À L ’ ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
CHAPITRE 2
Ils peuvent être exécutés dans diverses
positions : à plat, horizontale, verticale et au
plafond. Ces positions sont représentées à la
figure 2.3.
Types et positions de joints soudés
Les principaux types de joints soudés sont
les suivants :
– le joint bout à bout;
– le joint à recouvrement;
– le joint à angle extérieur;
– le joint en T.
Figure 2.3
Principales positions de soudage
Ces joints sont montrés à la figure 2.2.
Figure 2.2
Principaux types de joints
Position à plat
Position horizontale
Position verticale
Position au plafond
CEMEQ
Joint bout à bout
Joint à recouvrement
Symboles de soudage
Les symboles de soudage qu’on trouve sur
les plans mécaniques représentent une multitude
de conventions. Ils ont été conçus de manière à
fournir toutes les informations nécessaires concernant la préparation des bords des pièces, le
type du joint à souder, le procédé de soudage à
utiliser, l’emplacement de la soudure, etc.
Joint en T
Module 9
CEMEQ
Joint en angle extérieur
2.3
CHAPITRE 2
LE
SOUDAGE À L ’ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
Le symbole de soudage est composé principalement d’une ligne de référence, d’une queue,
d’un symbole de soudure et d’une ligne de repère avec une flèche, comme à la figure 2.4.
La flèche pointe toujours au joint de soudure et elle intercepte la ligne de référence. Cette
dernière sert à accueillir le symbole de soudure
qui indique le type de soudure à exécuter et il
est souvent accompagné de certaines informations, telles que la préparation des
Figure 2.4
Symboles de soudages
bords du joint, la dimension de la souAngle d'ouverture
dure, l’espacement entre les pièces à soudu chanfrein
der, etc. Si le symbole de soudure est placé
Espacement entre
A
les bords du joint
en dessous de la ligne de référence, la
Emplacement du
Joint à souder
symbole de soudure R
soudure devra s’effectuer sur le côté du
sur le chantier
du côté opposé
joint montré par la flèche. D’autre part,
Soudure tout autour
si le symbole est dessiné au-dessus de
Ligne de repère
la ligne de référence, la soudure devra
s’exécuter sur le côté opposé à celui inLigne de
Emplacement du
référence
symbole de soudure
diqué par la flèche. Au point de rencondu côté flèche
tre de la flèche et de la ligne de référence,
on trouve parfois un petit cercle et un draSymbole
Soudure désirée
peau. Le cercle doit être dessiné quand
il s’agit d’une soudure en pourtour, alors
a)
que le drapeau indique que le joint doit
être soudé sur chantier.
b)
Tout détail concernant le type de
procédé, le type d’électrode, etc. doit être
mentionné dans la queue du symbole.
c)
90o
d)
e)
65o
65o
Pour concrétiser ce qu’on vient de
dire, il est nécessaire d’expliquer certains
symboles de soudage parmi ceux qui sont
montrés à la figure 2.4 et qui sont considérés comme les plus utilisés dans l’industrie.
90o
f)
À la partie a de la figure 2.4, le symbole de soudage signifie que :
–
la soudure est du côté de la flèche;
–
la soudure est une soudure bout à
bout sur bords droits;
–
l’espacement entre les bords des
plaques est égal à 2 mm;
g)
i)
2.4
CEMEQ
h)
Module 9
LE
SOUDAGE À L ’ ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
À la partie b de la figure 2.4, le symbole
de soudage signifie que :
– la soudure est du côté opposé à la flèche;
– la soudure est une soudure bout à bout sur
bords droits;
– l’espacement entre les bords des plaques est
égal à 1 mm;
– le procédé de soudage utilisé est le procédé
SMAW.
À la partie d de la figure 2.4, le symbole
de soudage indique que :
– la soudure est des deux côtés de la flèche;
– la soudure est une soudure bout à bout sur
bords chanfreinés;
– l’angle total du chanfrein du côté de la flèche
est de 65° et de 90° du côté opposé;
– l’espacement entre les bords des plaques est
égal à 1 mm.
À la partie e de la figure 2.4, le symbole
indique que :
– la soudure est du côté de la flèche;
– la soudure est une soudure d’angle.
À la partie h de la figure 2.4, le symbole
indique que la pièce doit être rechargée.
À la partie i de la figure 2.4, le symbole
indique que la soudure est une soudure d’angle
et qu’elle doit être exécutée tout autour de la
pièce numéro 1.
Finalement, il est à noter que, dans les pages précédentes, on a présenté une brève description des symboles de soudage. Ces symboles
sont présentés en détail dans le module 5 Plans
mécaniques.
Électrodes enrobées
Comme on l’a mentionné dans les pages
précédentes, l’électrode enrobée est constituée
d’une tige métallique, appelée « âme », recouverte d’un enrobage. Ces deux parties, l’enrobage
Module 9
CHAPITRE 2
et la tige métallique, jouent plusieurs rôles afin
d’assurer la formation de l’arc ainsi que
l’élaboration et la protection du bain de fusion,
tout en donnant au cordon de soudure un bel
aspect et des propriétés mécaniques intéressantes.
Rôles de l’âme métallique
L’âme métallique de l’électrode assure le
passage du courant et la création de l’arc. De
plus, elle sert de métal d’apport qui, en se fusionnant, apporte les éléments d’alliage nécessaires à l’élaboration du bain de fusion afin de
donner au joint soudé les propriétés mécaniques
désirées.
Rôles de l’enrobage
L’enrobage est constitué d’un mélange de
différentes substances chimiques qui jouent plusieurs rôles : rôle électrique, rôle métallurgique
et rôle opératoire.
• Rôle électrique
Les éléments chimiques de l’enrobage facilitent l’amorce, la stabilité et le maintien de
l’arc.
• Rôle métallurgique
En fondant, l’enrobage apporte des éléments
d’alliage indispensables à la formation d’une soudure saine et de qualité. De plus, après sa fusion, l’enrobage forme un liquide plus léger que
le métal en fusion; il surnage, formant ainsi une
couche protectrice qui isole le bain de fusion
de l’air ambiant, tout en donnant au cordon de
soudure un bel aspect. En se solidifiant, le liquide en question forme un dépôt vitreux et dur
à la surface du cordon. Ce dépôt, qu’on appelle
laitier, doit être enlevé à l’aide d’un marteau à
piquer une fois la soudure achevée.
• Rôle opératoire
L’épaisseur de l’enrobage influence la forme
du cordon de soudure, comme le montre la figure 2.5.
2.5
CHAPITRE 2
LE
Figure 2.5
SOUDAGE À L ’ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
Forme du cordon en fonction de l’épaisseur de l’enrobage
;;
;
;;
;
;;
;
;;
;;
;
;;
;
;;
;
;;
Électrode à
enrobage
très épais avec
de la poudre de fer
;;
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;
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Électrode à
enrobage
mince
Électrode à
enrobage
semi-épais
Électrode à
enrobage
épais
Métal
d’apport
en fusion
;;;;;
;;;;;
Dans le cas d’une électrode à enrobage très
épais, l’âme métallique fond plus rapidement
que l’enrobage, formant ainsi un cratère relativement profond, comme à la figure 2.5. La formation de ce cratère permet aux soudeurs et
soudeuses d’appuyer le bout de l’électrode sur
la pièce lors de l’exécution de la soudure et,
par conséquent, d’améliorer l’aspect du cordon.
Principaux types d’enrobages
Les enrobages des électrodes utilisées pour
souder l’acier doux sont classés selon la nature
chimique des substances constituant l’enrobage.
Les principaux types d’enrobages utilisés pour
souder l’acier doux sont les suivants : enrobage
cellulosique, enrobage au rutile, enrobage basique et enrobage à poudre de fer.
• Enrobage cellulosique
Les électrodes à enrobage cellulosique produisent, après leur fusion, une soudure dont les
propriétés mécaniques sont bonnes, un laitier
qui se détache facilement, un cordon d’aspect
grossier et une bonne pénétration. Ce type d’électrode est faiblement influencé par l’humidité.
2.6
CEMEQ
Cratère
• Enrobage au rutile
Les électrodes à enrobage au rutile offre
une soudure de bel aspect, ayant de bonnes propriétés mécaniques.
• Enrobage basique
Les électrodes à enrobage basique produisent, après leur fusion, une soudure dont les
propriétés mécaniques sont très bonnes, un laitier qui se détache facilement, un cordon de bel
aspect et une pénétration moyenne.
• Enrobage à poudre de fer
L’introduction de la poudre de fer dans l’enrobage des électrodes augmente la qualité du
métal déposé, facilite le détachement du laitier
et produit un arc plus stable.
Conservation des électrodes
En raison de la composition chimique de
l’enrobage et de sa structure poreuse, les enrobages d’électrodes absorbent plus ou moins l’humidité présente dans l’air ambiant. Cette
humidité, sous l’action de la chaleur de l’arc,
dégage des gaz causant des porosités dans le
cordon de soudure, ce qui affaiblit la résistance
Module 9
LE
SOUDAGE À L ’ ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
CHAPITRE 2
mécanique du cordon. De plus, l’humidité provoque la détérioration de l’enrobage.
Saviez-vous que...
Pour remédier à ce problème, les électrodes doivent être conservées dans un lieu sec ou
dans des fours spécialement conçus pour entreposer les électrodes. Voyez, à la figure 2.6, un
four à électrodes.
Four à électrodes
Air liquide - CEMEQ
Figure 2.6
En 1980, un grand réservoir de
pétrole brut s’est rupturé et a pris feu
en Saskatchewan. Après investigation,
on s’est aperçu que l’utilisation des électrodes basiques non séchées lors de la
construction de ce réservoir était la principale cause de cet accident, qui a causé
des dégâts évalués à 8 513 000 $.
Les enrobages sont affectés par l’humidité
selon des degrés qui varient d’un type d’enrobage à l’autre, d’où la nécessité de les sécher
ou de les entreposer à des températures différentes.
Les électrodes à enrobage cellulosique sont
peu affectées par l’humidité et leur enrobage
doit être à un degré d’humidité bien déterminé
avant son utilisation. Elles ne doivent pas être
utilisées quand elles sont très sèches ou trop
humides. Dans ce dernier cas, il faut les sécher
dans un four à une température n’excédant pas
80 °C, parce qu’une température élevée de séchage risque de détruire l’enrobage.
Les électrodes à enrobage basique sont
fortement affectées par l’humidité parce que leur
enrobage absorbe facilement celle-ci. Elles doivent être séchées dans un four à une température de 300 à 400 °C pendant environ 2 heures,
puis entreposées à une température de 120 à
150 °C jusqu’à leur utilisation.
Module 9
Les électrodes à enrobage au rutile doivent
être entreposées dans un four à une température se situant entre 90 et 120 °C.
Les températures de séchage et d’entreposage mentionnées ci-dessus sont données à titre indicatif. Les températures exactes sont
spécifiées sur la boîte d’électrodes.
Toutes les électrodes ont été conditionnées
et livrées dans des boîtes à l’épreuve de l’humidité, elles peuvent donc être utilisées telles
qu’elles et n’ont pas besoin d’être séchées. Une
fois que la boîte d’électrodes est ouverte, l’enrobage des électrodes s’expose à l’humidité présente dans l’air ambiant. Le taux d’absorption
de l’humidité par l’enrobage varie en fonction
de la durée d’exposition, du degré d’humidité
de l’air ambiant et du type d’enrobage.
On peut construire un four pour
entreposer les électrodes. Il suffit
de fabriquer une boîte métallique
avec une porte sur le devant, dans
laquelle on place une lampe électrique de 100 watts. En gardant la
lampe allumée, on fait sécher les
électrodes.
2.7
CHAPITRE 2
Qualités et défauts des électrodes
Une électrode de qualité doit posséder les
qualités suivantes :
– diamètre uniforme de l’âme métallique et de
l’enrobage;
– composition chimique uniforme de l’âme
métallique et de l’enrobage;
– enrobage exempt d’humidité et de fissures.
Ces qualités permettent une fusion uniforme
et sans projection de l’électrode. De plus, elles
permettent la formation d’un cordon de soudure
exempt de porosités et dont les propriétés mécaniques sont homogènes.
Les défauts des électrodes se produisent soit
lors de leur fabrication, soit lors d’un stockage
mal conditionné. Les principaux défauts des
électrodes sont les suivants :
– diamètre irrégulier de l’âme métallique et de
l’enrobage;
– composition chimique irrégulière de l’enrobage;
– enrobage fissuré dû à un chauffage excessif
ou à une mauvaise manipulation des électrodes
ou des boîtes d’électrodes;
– enrobage humide.
Identification et classification des électrodes
Afin de donner les informations sur les
caractéristiques des électrodes et de permettre
leur identification, l’Association canadienne de
normalisation (Canadian Standards Association
« CSA ») et la Société américaine de soudage
(American Welding Society « AWS ») ont classé
les électrodes selon un numéro d’identification
codé. Ce numéro est imprimé sur l’enrobage. Il
permet l’identification des électrodes, même si
elles proviennent de différents fabricants.
2.8
LE
SOUDAGE À L ’ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
L’Association canadienne de normalisation
et la Société américaine de soudage utilisent un
système de classification basé sur quatre facteurs, à savoir : la résistance minimum de traction, la position de soudage, le type d’enrobage
ainsi que le type de courant et de polarité à utiliser.
Pour son identification, chaque classe
d’électrodes est désignée par la lettre « E » suivie
de cinq chiffres (EXXXXX) dans le système
canadien, et de quatre chiffres (EXXXX) dans
le système américain.
– La lettre « E » indique qu’il s’agit d’une électrode.
– Les trois premiers chiffres représentent la résistance minimum de traction du métal déposé
en mégapascals (MPa). Dans le système américain, on trouve deux chiffres au lieu de trois
et la résistance minimum de traction est donnée en Ksi (1 Ksi = 1000 psi = 1000 lb/po 2 ).
– Le 4 e chiffre indique la position de soudage
dans laquelle l’électrode peut être utilisée, soit :
0 : soudage en toutes positions;
1 : soudage en toutes positions, sauf verticale descendante;
2 : soudage à plat et à l’horizontale;
3 : soudage à plat seulement;
4 : soudage vertical descendant.
Dans le système américain, la position de
soudage est indiquée par le 3 e chiffre.
– Le dernier chiffre indique le type de courant
à utiliser, le type d’enrobage et le type de
polarité, soit :
0 : utilisation du courant continu, l’électrode doit être reliée à la borne positive de la
machine de soudage (polarité inversée) et enrobage de type cellulosique;
1 : courant alternatif ou continu; en courant continu, l’électrode doit être reliée à la borne
positive de la machine (polarité inversée); enrobage de type cellulosique;
Module 9
LE
SOUDAGE À L ’ ARC AVEC ÉLECTRODE ENROBÉE SMAW
CHAPITRE 2
– la résistance minimum de traction du métal
déposé est égale à 410 MPa;
– l’électrode peut être utilisée pour souder en
toutes positions;
– le courant continu doit être utilisé;
– l’enrobage de l’électrode est de type cellulosique;
– la polarité inversée doit être utilisée, ce qui
signifie que l’électrode doit être reliée à la
borne positive de la machine de soudage.
2 : courant alternatif ou continu avec polarité directe; enrobage au rutile;
3 : courant alternatif ou continu avec polarité directe; enrobage au rutile;
4 : courant alternatif ou continu avec polarité directe; enrobage au rutile contenant de
la poudre de fer;
5 : courant alternatif ou continu avec polarité inversée; enrobage de type basique;
6 : courant alternatif ou continu avec polarité inversée; enrobage de type basique;
7 : courant alternatif ou continu avec polarité directe; enrobage de type oxydant;
8 : courant alternatif ou continu avec polarité inversée; enrobage de type basique contenant de la poudre de fer.
Dans le système américain, cette électrode
porte le numéro d’identification E6010. Ici la
résistance minimum de traction est égale à
60 000 lb/po2, ce qui équivaut à 410 mégapascals
dans le système canadien.
Ainsi, le numéro d’identification de l’électrode E41010 indiquerait que :
Voyez à la figure 2.7, un tableau récapitulatif de la classification des électrodes.
Figure 2.7
Classification des électrodes enrobées
E
X
X
X
E ⴝ Électrode
XXX ⴝ Résistance minimum
de traction en MPa
(XX pour l’AWS, c’est la
résistance minimum de traction
en Ksi. 1 Ksi ⫽ 1000 lb/po2)
X
X
(E X X X X pour l’AWS)
Type d’enrobage et type de courant
0
1
2
3
4
5
6
7
8
⫽
⫽
⫽
⫽
⫽
⫽
⫽
⫽
⫽
Type cellulosique, CC, DCRP
Type cellulosique, CA ou CC, DCRP
Type au rutile, CA ou CC, DCSP
Type au rutile, CA ou CC
Type au rutile ⫹ fer, CA ou CC, DCSP
Type basique, CC ou CA, DCRP
Type basique, CA ou CC, DCRP
Type oxydant (oxyde de fer – fer CA ou CC)
Type basique ⫹ fer, CA ou CC
CC : Courant continu
CA : Courant alternatif
0 ⫽ Toutes positions
1 ⫽ Toutes positions sauf verticale descendante
2 ⫽ Soudures à plat et soudures d’angle en
position horizontale
3 ⫽ Seulement à plat
4 ⫽ Verticale descendante
Module 9
CEMEQ
Positions de soudage
2.9