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Qu’est-ce que le soudage?

Stagiaire en train de souder

Stagiaire en train de souder (BartCo, iStockphoto)

Stagiaire en train de souder

Stagiaire en train de souder (BartCo, iStockphoto)

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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Dans ce document de d’information, tu découvriras les bases scientifiques qui permettent d’amalgamer deux métaux par le soudage.

T’es-tu déjà demandé comment la carrosserie d’une voiture est fixée ensemble? Ou comment les constructeurs combinent d’énormes pièces de métal pour construire des gratte-ciel géants?

Ces prouesses d’ingénierie sont rendues possibles grâce au soudage. Le soudage est une méthode qui consiste à chauffer des pièces de métal jusqu’à ce qu’elles fondent et s’amalgament en une seule pièce.

La fabrication et la réparation de nombreux objets d’usage courant font appel au soudage. Sans soudage, il n’y aurait pas de navires, d’avions ni de voies ferrées. Même les tuyaux qui amènent l’eau jusqu’à ta douche ont probablement été soudés ensemble!

Car parts being welded together at a factory
Pièces d’automobile en train d’être soudées ensemble dans une usine (Source : RicAguiar via iStockphoto).
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Photographie en couleur d’une automobile sur une chaîne de montage. La carrosserie de métal nu de l’automobile occupe la majeure partie du châssis. Comme l’automobile n’a pas de hayon (porte du coffre arrière), nous voyons l’intérieur de toute la partie arrière de l’automobile. Un bras robotisé de soudage crée une gerbe d’étincelles qui jaillit du coffre sur le côté passager (à droite).

 

Aperçu historique du soudage

Les différentes techniques de soudage sont utilisées pour fabriquer de nombreuses technologies modernes. Mais les humains soudent depuis des milliers d’années. En fait, ils le font depuis le début de l’âge du bronze, soit environ 3300 ans avant notre ère. À cette époque, les Égyptiens utilisaient le charbon de bois pour chauffer et amalgamer des pièces de métal.

Pouring liquid bronze into a mold, similar to how it would have been done in the Bronze Age
Du bronze liquide est versé dans un moule, selon un procédé semblable à celui qui était utilisé pendant l’âge du bronze (Source : foolonthehill via iStockphoto).
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Photographie en couleur montrant du bronze en fusion en train d’être versé dans un moule. Le moule ressemble un peu à une brique comportant un trou cylindrique au centre. Rougi par la chaleur, un récipient en forme de tasse contient le métal liquide. Le récipient est maintenu par une paire de grosses pinces métalliques. Les deux parties du moule sont maintenues ensemble par deux bouts de bois robustes attachés ensemble par des courroies de cuir. Le fond du moule est dans un tonneau rempli de sable.

 

Le savais-tu?

Le bronze est un alliage composé de deux éléments chimiques : le cuivre et l’étain.

Depuis l’âge du bronze, les humains ont mis au point de nouvelles techniques de soudage. Le soudage par forgeage a été mis au point au Moyen-Âge. Cette technique consiste à chauffer des pièces de métal qui sont ensuite frappées à coups de marteau pour les amalgamer.

The Iron Pillar of Delhi is an early example of forge welding. It was constructed about 1600 years ago
Le pilier de fer de Delhi est l’un des premiers exemples de soudage par forgeage. Il a été érigé il y a environ 1600 ans (Source : Image du domaine public de Mark A. Wilson via Wikimedia Commons).
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Photographie en couleur du pilier de fer de Delhi. Mesurant 7,3 mètres de hauteur, le pilier de fer est d’un gris foncé tirant sur le roux. La majeure partie du pilier est cylindrique et sans ornement, mais le haut de la structure est orné d’éléments décoratifs sur une longueur d’environ un mètre. Le pilier s’élève seul dans une cour déserte. Une petite clôture métallique jaune pâle entoure la base ornementale du pilier.

 

Au cours des années 1800, de nouvelles techniques ont été mises au point avec l’électricité. On a commencé à utiliser des arcs électriques pour chauffer et fondre les métaux. Le soudage à l'arc utilise un arc électrique pour amalgamer les métaux. Une grande partie des techniques de soudage utilisées aujourd’hui font appel au soudage à l’arc.

Person doing Gas metal arc welding
Une personne est en train de souder à l’arc sous gaz (Source : Weldscientist [CC BY-SA 4.0] via Wikimedia Commons).
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Photographie en couleur d’une personne en train de souder à l’arc. La personne porte une combinaison de travail gris foncé et un masque de soudage décoré avec originalité. Des étincelles bleues et une lumière blanche sortent de la pièce de métal à l’endroit où l’électrode touche le métal de base.

 

Ces techniques se sont améliorées au cours du XXe siècle. Les techniques de soudage encore plus récentes font appel aux impulsions magnétiques, aux lasers, aux rayons X et aux robots automatisés.

La chimie du soudage

Comment ferais-tu pour attacher deux morceaux de papier ensemble? Tu pourrais utiliser du ruban adhésif, des agrafes ou de la colle. Une fois les morceaux de papier attachés ensemble, le papier est encore du papier et le ruban adhésif reste du ruban adhésif, même si le papier et le ruban adhésif semblent être devenus une seule chose. Mais avec quoi attacherais-tu deux barres métalliques ensemble? Utiliserais-tu du ruban métallique ou de la colle? Probablement pas, surtout si tu ne veux pas que les barres métalliques se séparent! C’est là que le soudage entre en jeu. Le soudage n’agit pas comme la colle. Il combine deux pièces de métal en une seule, créant une liaison très forte entre les pièces. Mais comment fonctionne le soudage? La chimie peut nous aider à comprendre ce processus.

Les métaux solides ont des structures organisées constituées d’atomes. Ces atomes sont maintenus ensemble par des liaisons métalliques. Les liaisons métalliques sont très fortes et maintiennent les atomes ensemble très fermement. Cela s’explique par le fait que les atomes partagent des électrons. Il faut beaucoup d’énergie pour rompre les liaisons métalliques.

Disposition des atomes dans une liaison métallique
Disposition des atomes dans une liaison métallique (Parlons sciences utilise une image du domaine public réalisée par JackFromReedsburg via Wikimedia Commons).
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Illustration en couleur montrant la disposition des noyaux et des électrons atomiques dans une liaison métallique. Les noyaux sont représentés par des cercles rouges. Un signe plus situé au centre de chaque cercle rouge indique que les noyaux ont une charge positive. Il y a 20 noyaux disposés en 4 rangées et 5 colonnes.
Les électrons sont représentés par des cercles bleus. Un signe moins situé au centre de chaque cercle bleu indique que les électrons ont une charge négative. Chaque noyau est entouré d’une zone rose translucide qui représente la zone où les électrons peuvent se trouver. Les électrons bleus sont dispersés en divers points de cette zone rose.

 

Ces fortes liaisons expliquent plusieurs propriétés des métaux. Les métaux ont généralement des points de fusion élevés. Ils sont également malléables et ductiles. Cela veut dire que les métaux peuvent être étirés et façonnés en différentes formes sans se briser. C’est grâce à ces propriétés que les métaux peuvent être soudés.

Le savais-tu?

Le tungstène a le point de fusion le plus élevé de tous les métaux purs. Son point de fusion est de 3422°C.

Chauffer un métal à une température très élevée le fait passer d’une forme solide à une forme liquide. Les liaisons métalliques ne sont pas complètement brisées, mais il y a plus d'espace entre les atomes. Sous l’effet du soudage, les métaux liquides se combinent. C’est un peu comme faire fondre du cheddar et du mozzarella dans un sandwich grillé au fromage.

Gooey melted cheese inside a grilled sandwich
Fromages fondus et coulants dans un sandwich grillé (Source : Colleen Michaels via iStockphoto).
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Photographie d’un sandwich grillé au fromage. Les tranches de pain sont grillées et même un peu noircies par la chaleur. Le sandwich est coupé en diagonale. Deux types de fromage, un blanc et un de couleur orange, s’écoulent du sandwich et se répandent sur la surface en dessous.

 

 

Sous leur forme liquide, les atomes des deux pièces de métal se déplacent et leurs électrons se chevauchent. Lorsque le métal refroidit, il redevient solide.

Des atomes d’un métal peuvent remplacer des atomes de l’autre métal (image du haut) ou ils peuvent s’insérer autour des atomes de l’autre métal (image du bas).

Des atomes d’un métal peuvent remplacer des atomes de l’autre métal dans la structure
Des atomes d’un métal peuvent remplacer des atomes de l’autre métal dans la structure (Parlons sciences utilise une image du domaine public réalisée par JackFromReedsburg via Wikimedia Commons).
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Illustration en couleur montrant la disposition des noyaux atomiques quand deux métaux sont fondus ensemble. Les noyaux d’un métal sont représentés par des cercles rouges. Un signe plus situé au centre de chacun d’eux indique leur charge positive. Les noyaux de l’autre métal sont représentés par des cercles jaunes. Un signe plus situé au centre de chacun d’eux indique leur charge positive.
Il y a 20 noyaux disposés en 4 rangées et 5 colonnes. Il y a 15 noyaux rouges et 5 noyaux jaunes. Les noyaux jaunes sont disposés au hasard dans la structure.

 

Des atomes d’un métal peuvent s’insérer entre des atomes de l’autre métal dans la structure
Des atomes d’un métal peuvent s’insérer entre des atomes de l’autre métal dans la structure (Parlons sciences utilise une image du domaine public réalisée par JackFromReedsburg via Wikimedia Commons).
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Illustration en couleur montrant la disposition des noyaux atomiques quand deux métaux sont fondus ensemble. Les noyaux d’un métal sont représentés par des cercles rouges. Un signe plus situé au centre de chacun d’eux indique leur charge positive. Les noyaux de l’autre métal sont représentés par des cercles jaunes. Un signe plus situé au centre de chacun d’eux indique leur charge positive.
Il y a 20 noyaux disposés en 4 rangées et 5 colonnes. Il y a cinq noyaux jaunes disposés au hasard dans les espaces situés entre les noyaux rouges.

 

Types de soudage

Pour faire fondre des métaux, il faut des températures élevées. Pour obtenir une température suffisamment élevée, on peut utiliser les sources d’énergie suivantes :

  • l’électricité,
  • le gaz,
  • les lasers,
  • le son (les ultrasons),
  • la friction.

Le soudage à l’arc

Le soudage à l’arc est un type de soudage très courant. Dans ce type de soudage, le métal est chauffé par un courant électrique. Ce type de soudage est généralement peu coûteux et facile à réaliser, même pour les débutants. Il a de plus l’avantage de pouvoir être effectué à l’intérieur et à l’extérieur, ainsi que dans des espaces clos, puisqu’il ne dégage pas d’émanations. Comme pour d’autres types de soudage, le métal devient très chaud et une lumière très vive est produite. C’est pourquoi il est très important de porter un équipement de protection!

Arc welder wearing protective equipment
Soudeur à l’arc portant un équipement de protection. (Source : Phonix_a via iStockphoto).
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Photographie en couleur d’une personne en train de souder à l’arc un long tuyau en métal. La personne qui soude se trouve au premier plan de la photo. La personne porte une combinaison rouge, un masque à souder noir et des gants de soudage bleus. Une lumière vive se dégage du tuyau à l’endroit où l’électrode le touche. Une fumée bleuâtre tourbillonne dans l’air au-dessus de la zone de soudage. À l’arrière-plan de la photo, l’atelier apparaît avec un effet de flou.

 

Soudage à l’arc
Soudage à l’arc (Parlons sciences utilise une image de Dmytro Bosnak via iStockphoto).
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Illustration en couleur d’une personne en train de souder.

À gauche de l’image se trouve la source d’énergie, représentée par une forme rectangulaire sur laquelle on voit des boutons et un écran.

Deux fils sont branchés à la source d’énergie. Le fil du haut est surmonté d’un petit cercle rouge marqué d’un signe plus indiquant que ce fil est l’extrémité positive de la source d’énergie. Le fil du bas est surmonté d’un petit cercle bleu marqué d’un signe moins indiquant que ce fil est l’extrémité négative de la source d’énergie. Le fil positif est désigné comme étant le câble de soudage. Il est relié à un porte-électrode se trouvant dans la main de la personne qui soude. L’électrode placée dans le porte-électrode forme avec lui un angle droit. L’électrode est grise et son contour est tracé en rouge. Le contour rouge est appelé « revêtement de flux », ce qui signifie que l’électrode est recouverte d’une substance appelée « flux ». Le fil négatif est désigné comme étant le câble de masse. Il est relié à une grosse pince de masse fermée sur une partie du tuyau.Au centre de l’illustration, la personne qui soude porte un équipement de protection complet incluant de grosses bottes de travail grises, une combinaison de soudage bleue, des genouillères, un tablier en cuir, de longs gants de soudage jaunes, une cagoule de soudage orange et un masque de protection gris foncé.

À droite de l’illustration se trouve un tuyau composé de quatre sections formant deux angles droits. La pince de masse est fixée à ce tuyau. Le tuyau est désigné comme étant constitué de métal rectifié. L’électrode est constituée elle aussi de métal rectifié, comme le tuyau. Il y a une longue fissure noire dans le tuyau. En haut de la fente se trouve une grosse étincelle orange. C’est à cet endroit que l’électrode et le métal de base se rencontrent pour former un courant électrique qui chauffe le métal au point de jonction. Autour du point de jonction se trouve un halo bleu pâle qui représente l’écran de gaz qui est produit lorsque le flux entourant l’électrode est chauffé. Au-dessus de la zone de soudage se trouve une zone gris foncé grumeleuse qui représente le métal venant d’être soudé et qui bouche la fissure.

Quand on soude à l’arc, il est très important que les surfaces à souder soient très propres, afin d’empêcher des choses comme la rouille et la corrosion d’affaiblir le joint. Pour nettoyer les surfaces et les garder propres, les soudeurs utilisent un gaz de protection. Le gaz de protection agit un peu comme un « champ magnétique » pour éviter que la zone de soudage soit contaminée par des poussières en suspension dans l’air. Sais-tu d’où provient le gaz de protection?

Si tu examines l’illustration ci-dessus, tu remarqueras qu’un « revêtement de flux » recouvre l’extérieur de l’électrode. Quand le flux est chauffé, il produit des gaz, ainsi que des scories qui recouvrent et protègent le métal en fusion dans la soudure. Le flux peut également agir comme une barrière contre l’oxygène, en empêchant la surface de réagir avec l’oxygène de l’air.

Dans le cas du soudage sous protection de gaz inerte (aussi appelé soudage MIG), le gaz de protection est obtenu d’une façon un peu différente. En effet, le gaz de protection ne provient pas du flux. Parallèlement au fil-électrode, un tube envoie un gaz de protection provenant d’une bouteille de gaz à haute pression.

On n’utilise pas n’importe quel fil-électrode pour le soudage MIG. Il faut utiliser un fil produit selon un procédé qui rend le soudage MIG possible. Ce procédé est appelé tréfilage. Au cours de ce procédé, le métal subit une pression qui le fait passer à travers les trous d’une filière, ce qui l’étire pour lui donner le bon diamètre.

Filière de tréfilage
Filière de tréfilage (Source : http://www.paradie.com/).

Le fil utilisé pour le procédé de soudage est enroulé autour de bobines, et il se déroule et traverse jusqu’à 5 mètres (15 pieds) de tubulure avant d’atteindre la personne qui soude. Pour éviter que le fil se coince, on applique un lubrifiant pendant le procédé de tréfilage. Le lubrifiant laisse un film résiduel sur la surface du fil. Le lubrifiant aide à passer le fil dans le tube plus facilement et sans à-coups. Comme il y a de l’air dans le tube, le film de lubrifiant doit aussi empêcher le fil d’être exposé à l’oxygène de l’air.

Ce ne sont pas tous les lubrifiants qui conviennent, car le lubrifiant utilisé doit laisser un résidu afin de faciliter le procédé de fusion et d’améliorer la stabilité de l’arc. Cependant, ces lubrifiants sont souvent toxiques et nocifs pour les personnes et l’environnement.

La compagnie Blachford fournit des lubrifiants de tréfilage et des produits de traitement de surface aux fabricants de fil à souder du monde entier.La compagnie Blachford ( en anglais) a mis au point un nouveau lubrifiant non toxique et performant pour résoudre ce problème. Ce nouveau lubrifiant à base d’eau contient un savon pour rendre le fil glissant, des composés pour protéger le fil contre la corrosion, des additifs spéciaux et des émulsifiants pour combiner le savon et les composés.

On ne pense pas souvent au soudage et au fil à souder. Pourtant, ces procédés sont au cœur de nombreuses technologies dont nous dépendons tous les jours. Comprendre ces techniques peut nous aider à développer des technologies moins toxiques et plus performantes.

Let's Talk Science apprécie le travail et les contributions de H.L Blachford Ltd. dans l'élaboration de cet article.

Blachford corporate logo
Logo H.L. Blachford Ltd.

À propos de H.L Blachford Ltd.

H.L Blachford Ltd a été fondée à Montréal en 1921 par Henry Llyod Blachford et a étendu ses activités pour inclure des sites de fabrication aux États-Unis, au Canada et au Royaume-Uni. Blachford fabrique des produits à base de stéarate pour une variété d'industries, dont le caoutchouc, les pneus, le métal en poudre, le plastique, le PVC, l'alimentaire, le tréfilage et le travail des métaux. Blachford est également un des principaux fabricants de technologie de contrôle du bruit et des vibrations, de produits en caoutchouc résistant pour les industries du transport et des équipements agricoles.

 

En savoir plus

Soudage à l'arc
Page d'information qui explique le soudage à l’arc écoénergétique par Ressources naturelles Canada.

Soudage — Wikipédia
Cette page Wikipédia explore l'histoire de la soudure et explique comment les différents types de soudure fonctionnent.

Alloprof : Les métaux et les alliages
Cette page de Alloprof explique les différentes propriétés des métaux et des alliages. Elle explique également ces caractéristiques à l'aide d'exemples concrets et d'images.

Les fils et câbles sont partout!
Cet article de Parlons sciences explique comment les fils et les câbles sont utilisés dans différents types de technologies.

Références

BBC Bitesize (n.d.) Metals and Alloys - AQA. Retrieved from https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/ztgy6yc/revision/1

Dekker, C. (Jan 7, 2022). When Was Welding Invented? Water Welders. Retrieved from https://waterwelders.com/when-was-welding-invented/

Lincoln Tech (Jun 3, 2021). 4 Popular Types of Welding Procedures. Retrieved from https://www.lincolntech.edu/news/skilled-trades/welding-technology/types-of-welding-procedures

Longevity (Feb 8, 2019). Internal Structures of Metal Used in Welding. Retrieved from https://www.longevity-inc.com/welding-articles/post/internal-structures-of-metals-used-in-welding-industry

Pace, G. (Apr 28, 2019). CWI Course Module 8 - Welding Chemistry [Video]. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=kmbq2E8SOcw

Vyas, K. (Feb 6, 2021). Types of Welding: Applications, Advantages, and Disadvantages. Interesting Engineering. Retrieved from https://interestingengineering.com/types-of-welding-their-applications-advantages-and-disadvantages

Young, P. (Aug 15, 2021). What is MIG Welding - Understanding It Thoroughly. Welding Headquarters. Retrieved from https://weldingheadquarters.com/what-is-mig-welding/