Qu’est-ce que le soudage à l’arc submergé (SAW)

Soudage à l’arc submergé (SAW)

Le procédé de soudage à l’arc submergé ou communément appelé soudage SAW est un procédé de soudage automatique et à haute productivité. Par rapport au procédé de soudage à l’arc sur métal blindé, le flux destiné à assurer le blindage est déposé sous forme granulaire sur le joint non soudé devant l’électrode de métal nu. L’électrode est alimentée en continu à partir d’une bobine, évitant ainsi les interruptions inhérentes au processus SMAW pour changer d’électrode. Le flux est assez efficace pour empêcher l’atmosphère de contaminer le métal fondu et aucun gaz de protection externe n’est requis.

Principes de fonctionnement de SAW

L’arc est amorcé sous le flux entre l’électrode nue et la pièce, ce qui fait fondre une petite quantité du flux. Bien qu’il ne soit pas conducteur à froid, le flux devient hautement conducteur lorsqu’il est fondu (environ 1300°C) fournissant un chemin de courant pour maintenir l’arc entre l’électrode métallique alimentée en continu et la pièce. La chaleur générée par l’arc fait fondre l’extrémité de l’électrode, le flux et une partie du métal de base au niveau du cordon de soudure. L’arc transfère le métal en fusion de la pointe de l’électrode de fusion à la pièce, où il devient le métal déposé. Lorsque le flux fondu se
combine avec le métal fondu, certaines réactions chimiques se produisent qui éliminent certaines impuretés et/ou ajustent la composition chimique du métal fondu.
Encore en fusion, le fondant, plus léger que le métal fondu, remonte à la surface du bain de fusion et le protège de l’oxydation et de la contamination. Lors d’un refroidissement supplémentaire, le métal fondu se solidifie au bord de fuite du bain de fusion en mouvement, et le cordon de soudure a généralement une surface lisse en raison de la présence du laitier en fusion semblable à du verre (flux fondu résultant de toutes les réactions chimiques) au-dessus. .
Le laitier gèle ensuite et continue de protéger le métal fondu pendant qu’il refroidit. Les scories congelées ou solidifiées sont facilement éliminables, se détachant parfois spontanément du cordon. L’excès de flux non fondu peut être récupéré et réutilisé après un traitement approprié.

Équipements et types de courant en soudage SAW

La configuration de l’équipement pour le soudage à l’arc submergé à fil unique est illustrée dans la figure ci-dessous. En plus de l’alimentation électrique, un système de soudage à l’arc submergé nécessite un dévidoir pour maintenir une alimentation continue du fil électrode à travers la torche. Pour le soudage à l’arc submergé monofil, l’électrode positive à courant continu (DCEP) est utilisée pour la plupart des applications car elle offre un meilleur contrôle de la forme du cordon, une facilité d’amorçage de l’arc et des soudures à pénétration plus profonde avec une plus grande résistance à la porosité.

La polarité négative de l’électrode à courant continu (DCEN) est également parfois utilisée pour fournir un taux de dépôt plus élevé. Cependant, la pénétration est réduite et il existe un risque accru d’absence de défauts de type fusion. D’un point de vue pratique, le passage du DCEP au DCEN peut nécessiter une augmentation de tension d’environ 2 à 3 V si l’on veut conserver une forme de cordon similaire.
Des sources d’alimentation à tension constante et à courant constant (caractéristiques de tension retombante) peuvent être utilisées. Avec des sources d’alimentation à potentiel constant, utilisées conjointement avec des dévidoirs à vitesse constante, la longueur de l’arc s’ajuste automatiquement à une valeur presque constante en fonction de la tension, comme dans GMAW.
Des sources d’alimentation sont disponibles qui peuvent fournir jusqu’à 1500 A. Cependant, le courant continu est généralement maintenu en dessous de 1000 A car il peut y avoir un arc excessif. Le courant alternatif peut être utilisé pour réduire le soufflage d’arc dans les applications à courant élevé et dans d’autres situations sujettes au soufflage d’arc, par exemple, le soudage multifils et à espacement étroit. Les sources d’alimentation à courant alternatif sont généralement du type à courant constant avec une tension de sortie d’onde presque carrée pour aider à l’amorçage de l’arc à chaque inversion de polarité. Des sources d’alimentation à potentiel constant à onde carrée sont également devenues disponibles qui fournissent à la fois une tension et un courant sous forme d’onde carrée et ont donc moins de difficulté à rallumer l’arc lors des inversions de polarité. La pénétration du cordon de soudure obtenue en courant alternatif est intermédiaire entre celle du DCEP et du DCEN.

Avantages et applications du soudage à l’arc submergé

  1. soudure de haute qualité avec une bonne finition.
  2.  vitesse de soudage élevée et taux de dépôt de métal de soudure.
  3. soudure finie lisse et uniforme sans projections.
  4. peu ou pas de fumée.
  5. pas d’arc électrique, donc besoin minimal de vêtements de protection.
  6. utilisation élevée du fil électrode.
  7. facilité d’automatisation pour un facteur d’opérateur élevé.
  8.  Peu d’implication des compétences de manipulation du soudeur/opérateur.

La plupart des applications de soudage à l’arc submergé concernent les aciers au carbone et faiblement alliés. Le procédé est également utilisé pour l’assemblage d’aciers inoxydables et d’alliages à base de nickel. Cependant, les flux sont de nature exclusive et les fabricants de flux doivent être consultés pour une sélection de flux optimale.
En raison de la nature mécanisée du procédé, il est plus efficacement utilisé lorsque de nombreuses soudures similaires doivent être réalisées (raccordement de plaques et de panneaux dans les chantiers navals, formes structurelles fabriquées, soudage de joints longitudinaux ou en spirale de pipelines de pétrole et de gaz naturel de grand diamètre et lorsque l’épaisseur à souder est importante (joints circonférentiels et longitudinaux dans les récipients sous pression à paroi épaisse).
aciers au chrome-molybdène pour applications hydrogène haute température et haute pression) et la reconstruction et le rechargement dur.

Classification des électrodes de soudage à l’arc submergé (SAW)

Dans AWS A5.17, les fils sont divisés en trois groupes de
1. bas,
2. moyen et
3. haut manganèse.

Le premier chiffre, « E », identifie le consommable comme un fil-électrode nu. S’il est complété par « C », le fil est une électrode composite (fourrée). La composition du fil plein est obtenue à partir d’une analyse du fil. Cependant, la composition d’un fil fourré pouvant être différente de celle de son dépôt de soudure, la composition doit être déterminée à partir d’un dépôt de soudure à faible dilution réalisé à l’aide d’un fondant spécifique, nommé.

La lettre suivante, ‘L’, ‘M’ ou ‘H’ indique une teneur en manganèse faible (0,6% max), moyenne (1,4% max) ou élevée (2,2% max).
Ceci est suivi d’un ou deux chiffres qui donnent la composition spécifique. Une lettre facultative « K » indique un acier calmé au silicium.
Il y a deux ou trois derniers chiffres facultatifs identifiant l’hydrogène diffusible en ml/100g de métal fondu, H16, H8, H4 ou H2.

Une désignation complète pour une combinaison flux/fil d’acier au carbone pourrait donc être F6P5-EM12K-H8.
Cela l’identifie comme étant un fil solide avec une teneur nominale de 0,12% de carbone, 1% de manganèse et 0,1 à 0,35% de silicium capable d’atteindre une résistance à la traction ultime de 60 kpi (415MPa), une résistance aux chocs Charpy-V de 27J à -50 °F (-46°C) à l’état de traitement thermique post-soudage.

Soudage à l’arc submergé. SAW Flux / Compositions de métal d’apport. F7A2-EM12K. F indique le flux ksi UTS, limite d’élasticité minimale de 58 ksi, allongement de 22 %. A – tel que soudé ; P – traitement thermique post-soudage. 2 – propriétés d’impact minimales de 20 20°F. E indique l’électrode (EC – électrode composite) M – manganèse moyen selon les spécifications AWS % de teneur nominale en carbone dans l’électrode. K – produit à partir d’une chaleur d’acier calmé à l’aluminium. Pour SAW, l’American Welding Society spécifie à la fois le flux et le métal d’apport dans une seule spécification. La partie F de la spécification se rapporte au flux et la partie E à l’électrode. A noter qu’un A ou un P est spécifié pour indiquer si la résistance est obtenue lors du soudage ou après un traitement thermique post-soudage. Une spécification typique pour une combinaison flux-métal d’apport est décrite ci-dessus.Les niveaux de teneur en manganèse et en carbone sont importants à spécifier pour la dureté et les résistances requises et pour la résistance du matériau à la fissuration à froid.

Un autre exemple  F43A2-EM12K est une désignation complète pour une combinaison flux-électrode. Il se réfère à un flux qui produira du métal fondu qui, à l’état brut de soudage, aura une résistance à la traction de 430 à 560 MPa et une résistance aux chocs Charpy V-notch
d’au moins 27 J à -20 °C lorsqu’il est produit avec un Electrode EM12K dans les conditions prévues dans ce cahier des charges. L’absence de « S » en deuxième position indique que le flux à classer est un flux vierge.
F48P6-ECIest une désignation complète pour une combinaison flux-électrode composite lorsque le nom commercial de l’électrode utilisée dans la classification est également indiqué. Il fait référence à un flux vierge qui produira du métal de soudure avec cette électrode qui, dans l’état de traitement thermique post-soudage, aura une résistance à la traction de 480 à 660 MPa et une énergie d’entaille en V Charpy d’au moins 27 J à -60 °C sous les conditions demandées dans ce cahier des charges.

Variantes du soudage à l’arc submergé (SAW)

L’un des grands avantages du procédé de soudage à l’arc submergé est la possibilité d’utiliser plusieurs électrodes alimentées dans le même bain de soudure, augmentant ainsi considérablement le taux de dépôt. Certaines configurations pour le soudage à l’arc submergé à plusieurs fils sont :

1. Soudage à électrodes parallèles : Également appelé soudage à double fil, deux fils d’électrode sont connectés en parallèle à la même source d’alimentation. Les deux électrodes sont alimentées au moyen d’un seul dévidoir et à travers la même tête de soudage. Le courant de soudage est la somme des courants pour chaque électrode et un seul bain de soudure à pénétration profonde est obtenu.

2. Soudage à l’arc multiple (SAW en tandem) : Également appelé soudage en tandem, deux électrodes (ou plus) peuvent être connectées à des alimentations individuelles et alimentées par des rouleaux d’entraînement séparés via des pointes de contact séparées. L’électrode principale dans de tels cas est connectée à une source d’alimentation CC et l’électrode arrière à une source CA pour réduire l’interaction entre les champs magnétiques des deux arcs. Il est important de s’assurer que l’espacement entre les arcs n’est pas trop grand. L’arc de fuite est généralement positionné suffisamment près de l’arc d’attaque pour que la couverture de laitier ne se solidifie pas entre les dépôts. Le courant total dans le soudage à plusieurs fils peut atteindre 2000 A, bien que dans la plupart des applications, il ne dépasse pas 1200 A.

3. Soudage à l’arc en série : deux électrodes, alimentées par des tubes de guidage séparés, sont connectées en série. Des jeux séparés de rouleaux d’entraînement et de pointes de contact, isolés les uns des autres, doivent être utilisés. Le chemin du courant se fait d’une électrode à l’autre, à travers le bain de fusion. Le cordon de soudure a une pénétration relativement peu profonde, ce qui rend cet agencement utile pour le soudage par recouvrement.

Facteurs de taux de dilution en soudage SAW

Dans SAW, la configuration du joint est le principal facteur qui affecte le taux de dilution avec le courant de soudage. En général, la figure ci-dessous montre les effets du type de joint de soudure de la dilution de la soudure.

types de flux en soudage SAW

Les flux pour le soudage à l’arc submergé peuvent être classés par méthode de fabrication ou par effets sur la composition du métal fondu. Il existe deux types de flux : 

1. flux fondu et 

2. flux lié.

3. Flux actif

4. Flux neutre 

La fabrication de fondants fondus implique la fusion de divers ingrédients pour fournir un mélange homogène, qui est ensuite autorisé à se solidifier en le versant sur un grand bloc réfrigérant. Les particules solidifiées ressemblant à du verre sont broyées, tamisées pour le calibrage et ensuite emballées pour l’utilisation. Les principaux avantages des flux fondus sont leur uniformité chimique (quelle que soit la taille des particules du flux), leur résistance à l’absorption d’humidité et
leur recyclage facile sans modification de la taille ou de la composition des particules. L’inconvénient des fondants fondus est qu’il est difficile d’ajouter des désoxydants et des ferroalliages car ces composés ont tendance à s’oxyder lors du processus de fusion.

En comparaison, les flux liés sont fabriqués en broyant finement les composants individuels du flux, en les mélangeant dans des proportions appropriées, puis en ajoutant un liant, généralement du silicate de potassium et/ou de sodium. Le mélange humide est ensuite cuit à une température relativement basse et broyé à la bonne dimension pour l’emballage. Le principal avantage des flux liés est qu’il est plus facile d’ajouter des désoxydants et des ferroalliages.

Du côté négatif, ces flux sont sujets à la reprise d’humidité et à des changements locaux de composition dus à la ségrégation ou à l’élimination des particules à mailles fines. 

Les flux qui influencent de manière significative la composition du métal fondu par des réactions laitier/métal sont appelés flux actifs. Typiquement, ces flux ajoutent du manganèse, du silicium et du chrome au métal fondu.

L’étendue de cet ajout augmente avec la tension d’arc, car une tension d’arc plus élevée entraîne une consommation de flux accrue. Des flux très actifs peuvent être utilisés pour déposer des soudures à une ou deux passes uniquement, car l’augmentation de la teneur en Si et Mn des passes ultérieures peut être suffisamment importante pour altérer la ductilité du métal fondu et le rendre également plus sujet à la fissuration par l’hydrogène.

Les flux neutres participent également aux réactions laitier-métal, mais les changements dans le silicium et le manganèse sont plus faibles et ne dépendent pas de la tension de l’arc. Il y a peu d’accumulation d’éléments et de tels flux sont donc bien adaptés aux soudures multipasses.   

flux chimiquement basique, neutre ou acide Classification

Les flux sont également appelés chimiquement basiques, neutres ou acides. Les flux chimiquement basiques contiennent de l’oxyde de calcium (CaO) et de l’oxyde de magnésium (MgO) comme ingrédients principaux. Les flux chimiquement acides contiennent de l’oxyde de silicium (SiO2) comme ingrédient principal. 

Lorsque le rapport des oxydes basiques aux oxydes acides présents est supérieur à 1, le fondant est chimiquement basique et 

lorsqu’il est inférieur à 1, il est chimiquement acide. Des rapports proches de 1 impliquent un flux chimiquement neutre. Les flux basiques transfèrent de plus petites quantités de Si, de Mn et d’oxygène au métal fondu et sont donc préférés pour les applications critiques.