Soudage par fusion

Le soudage par fusion assemble des pièces de métal en faisant fondre leurs bords ensemble, le plus souvent avec un peu de métal d'apport, pour qu'elles ne forment plus qu'une pièce en refroidissant. Les bronziers le pratiquaient déjà aux VIIe et VIe siècles av. J.-C., en versant du bronze en fusion entre les parties coulées des grandes statues, en Arabie du Sud puis en Grèce. La chaleur vint plus tard d'une flamme de gaz ou d'un arc électrique : Benardos et Olszewski font breveter le soudage à l'arc à électrode de carbone en 1885, Fouché et Picard mettent au point un chalumeau oxyacétylénique vers 1903, et les électrodes enrobées, puis les arcs sous protection gazeuse, répandent le soudage dans l'industrie.

Ce que c’est

Le soudage par fusion assemble deux pièces de métal en les faisant fondre là où elles se touchent. Les bords et, le plus souvent, un peu de métal d’apport se mêlent en un seul bain, et quand le bain se solidifie, les deux parties ne forment plus qu’une seule pièce de métal à travers le joint.

À gauche, un joint brasé : seule la brasure fond. À droite, une soudure : les plaques elles-mêmes sont fondues.

Deux autres façons de joindre le métal se ressemblent et fonctionnent autrement. Dans le brasage tendre, un métal d’apport qui fond à une température bien plus basse mouille les surfaces et se fige entre elles, tandis que les pièces restent solides. Dans le soudage à la forge, vieille méthode du forgeron, deux morceaux de fer chauffés au feu sont martelés jusqu’à ce qu’ils s’unissent, sans fondre. Le soudage par fusion demande une source de chaleur assez intense pour faire fondre les pièces localement, aujourd’hui le plus souvent un arc électrique ou une flamme de gaz.

Un poste de soudage à l’arc typique du milieu du XXe siècle est construit autour d’un transformateur. Un câble va du poste au porte-électrode, qui serre une baguette de métal enrobée, l’électrode. Un second câble se termine par une pince de masse fixée sur la pièce. L’arc jaillit entre la pointe de l’électrode et le joint, au-dessus d’un petit bain de métal fondu, et laisse derrière lui un cordon de soudure à mesure que le soudeur avance. Le soudeur regarde à travers le verre foncé d’un masque. Dans l’assemblage bout à bout terminé, le cordon remplit l’intervalle et la zone fondue pénètre dans les deux plaques.

Comment ça marche

Quand on approche l’électrode de la pièce, le courant franchit le petit intervalle par une colonne de gaz chaud et ionisé, l’arc. L’arc est assez chaud pour faire fondre la pointe de l’électrode et les bords du joint. Des gouttes de métal de l’électrode traversent l’arc jusqu’au bain, si bien que l’électrode s’use à mesure que la soudure avance. Son enrobage fond aussi et dégage un gaz et une couche de laitier qui couvrent le métal fondu et le protègent de l’air ; on casse le laitier sur le cordon une fois refroidi. Le circuit va du poste au porte-électrode, traverse l’arc, la pièce et la pince de masse, et revient au poste.

Un poste de soudage au gaz : l’oxygène et l’acétylène se mélangent dans le chalumeau.

Le soudage au gaz utilise une flamme. L’oxygène et l’acétylène sortent de deux bouteilles par des détendeurs et des tuyaux et se mélangent dans le chalumeau. En 1895, Henri Le Chatelier obtient une flamme d’environ 3000 °C en brûlant les deux gaz ensemble. Le soudeur fait fondre les bords du joint à la flamme et amène à la main une baguette d’apport dans le bain. Contrairement à l’arc, le soudage au gaz n’a pas besoin d’électricité.

Des procédés à l’arc plus récents protègent le bain par un gaz plutôt que par un enrobage. Dans le soudage TIG, mis au point en 1941, une électrode de tungstène qui ne fond pas fait jaillir l’arc sous un courant de gaz inerte, et le métal d’apport est ajouté à part. Dans le soudage MIG, développé en 1948, un fil qui avance en continu dans une torche sert à la fois d’électrode et de métal d’apport.

Toute forme de soudage est un travail dangereux. L’arc émet un rayonnement ultraviolet qui brûle les yeux et la peau : c’est pourquoi le masque porte un verre foncé et que les soudeurs portent des gants et des vêtements couvrants. Les fumées du métal et de l’enrobage fondus causent des cancers : le Centre international de recherche sur le cancer les a classées cancérogènes pour l’homme en 2017, et l’autorité britannique de la santé et de la sécurité au travail exige désormais leur captage à la source. Les postes à l’arc exposent aux chocs électriques, les bouteilles et les tuyaux de gaz peuvent alimenter un incendie, et les étincelles et le métal chaud enflamment ce qui se trouve à côté. Le matériel de soudage est utilisé par des soudeurs formés, avec captage des fumées, écrans et précautions contre l’incendie.

Histoire et évolution

Benoît Mille a identifié des soudures par fusion sur Hawtar’athat, une grande statue de bronze d’Arabie du Sud que son inscription date de la fin du VIIe ou de la première moitié du VIe siècle av. J.-C. En Grèce, les plus anciennes soudures par fusion repérées à ce jour se trouvent sur de grands bronzes. Les statues grandeur nature ou plus grandes étaient coulées en plusieurs pièces à la cire perdue, puis assemblées, et Aurélia Azéma et ses collègues datent les plus anciennes soudures grecques de la fin du VIe ou du début du Ve siècle av. J.-C., l’époque des premières grandes statues de bronze. Les fondeurs versaient du bronze en fusion dans un canal entaillé le long du joint ou dans un intervalle laissé entre les deux parties, de sorte qu’il fasse fondre leurs bords et se fonde avec eux.

Des bassins ovales le long du raccord d’un bras, là où le bronze en fusion a été versé.

Sur certaines statues, comme les bronzes de Riace, les soudures apparaissent comme une ligne de bassins ovales le long du joint. Angelini, Artioli et leurs collègues ont analysé les isotopes du plomb d’échantillons prélevés dans les soudures des bronzes de Riace. Lors d’essais en laboratoire, l’équipe d’Azéma n’a pas réussi à faire une soudure de plus de quelques centimètres, alors que certaines soudures antiques atteignent un mètre, et elle soupçonne les fondeurs d’avoir employé un additif jouant le rôle de flux. Les artisans assemblaient le métal bien avant, sans le fondre. Miller et TWI mentionnent tous deux de petites boîtes en or de l’âge du bronze aux joints soudés, faites selon Miller en pressant l’un contre l’autre des bords qui se recouvrent. Le fer chaud s’assemblait par soudage à la forge, en martelant deux pièces jusqu’à ce qu’elles se lient : Nurcan Küçükarslan en signale des traces dans des objets en fer de l’âge du bronze moyen de Kaman-Kalehöyük, en Anatolie, et TWI note que ce fut la manière habituelle de souder le fer jusqu’au XIXe siècle.

L’arc électrique ouvre la voie à de nouveaux soudages. Humphry Davy montre un arc entre des électrodes de carbone au début du XIXe siècle ; TWI le date de 1800, Miller de 1809. En 1881, Auguste de Méritens se sert de la chaleur d’un arc pour assembler les plaques de plomb d’accumulateurs. Nikolaï Benardos et Stanislaus Olszewski font breveter le soudage à l’électrode de carbone en Grande-Bretagne en 1885 et aux États-Unis en 1887. Nikolaï Slavianov en Russie en 1888 et C. L. Coffin aux États-Unis en 1890 emploient une électrode métallique qui fond dans le joint.

Le soudage au gaz progresse en parallèle. Après les travaux de Le Chatelier sur la flamme oxyacétylénique, les ingénieurs français Edmond Fouché et Charles Picard mettent au point un chalumeau pour brûler les deux gaz, daté de 1903 par Metinvest. Miller situe vers 1900 un chalumeau adapté à l’acétylène à basse pression. Entre 1907 et 1914, le Suédois Oscar Kjellberg invente l’électrode enrobée. La demande d’armements de la Première Guerre mondiale répand le soudage dans l’industrie, et à la fin des années 1930 les chantiers navals soudent à l’arc automatique sous une couche de flux.