L' élaboration d' un métal :

La production de la fonte : 

Le haut fourneau :

C' est un four dans lequel on fabrique de la fonte. Il fait entre 20 et 40 mètres de haut et a un diamètre de 8 mètres. La cuve a une hauteur égale à environ les deux tiers de la hauteur du haut du fourneau. Cette cuve a une paroi qui fait 80 cm d' épaisseur. Les creusets ont une épaisseur de parois de 1,20 mètre et un fond de 3 mètres.

Que charge-t-on dans le gueulard ?

On y introduit : 

- du minerai : oxyde de fer à gangue souvent siliceuse, et d' autres oxydes tels que l' oxyde de carbone, de manganèse, de magnésium. Parfois, on rajoute aussi de la ferraille. (recyclage)

- du fondant : carbonate de calcium, un peu d' oxyde de magnésium et de silice.

- du coke : carbone, cendres siliceuses, soufre.

     Du sommet de la cuve aux étalages, se créent des nombreuses réactions telles que l' oxydation du coke par le vent, mais surtout, la plus importante, qui est la réduction des oxydes de fer.

Ceci donnera :

- de la fonte : le mélange liquide de cuivre, manganèse, aluminium et fer. Son point de fusion est de 1150°C. Elle est liquide à 1300°C.

- des laitiers : silicates de calcium, magnésium, aluminium et fer.

     Du gueulard sortent les gaz résultant de la transformation :

- l' oxyde de carbone,

- le dioxyde de carbone,

- l' azote,

- l' hydrogène,

- la vapeur d' eau.

La coulée de la fonte : 

La fonte est rassemblée dans le creuset. Elle est régulièrement coulée, 2 à 6 fois en 24 heures, par le trou de coulées. 

Ces coulées peuvent être :

- en sable : la fonte est directement coulée dans le sol sous forme de blocs faisant 15 à 50 kg.

- en coquille : la fonte est mise sous forme de blocs de 1 mètre de long et de section de 1 dm² grâce à des gueuses qui sont refroidies sur une  chaîne sans fin. Lorsque celles-ci sont bien refroidies, on les stocke. 

Les laitiers :

Ils résultent de la réaction entre le fondant et la gangue du minerai. Ils sont composés de silice, d' oxydes de magnésium, de manganèse, de fer mais aussi de sulfures, d' alumine et de chaux.

Il existe deux types de laitiers : 

- les laitiers acides : ils contiennent plus de 35 % de silice. Ils sont pauvres en éléments basiques et leur aspect est vitreux.

- les laitiers basiques : ils contiennent moins de 35 % de silice. Ils sont épais et visqueux. Ils sont riches en éléments basiques ( CaO, MgO, MnO ). Leur aspect est pierreux après solidification.

Les laitiers ont pour rôle de séparer la fonte liquide de la gangue scorifiée et d' éliminer certaines impuretés nuisibles à la qualité de la fonte.

La chaux contenue dans les laitiers permet d' augmenter la masse du laitier et de diminuer sa fusibilité. Le manganèse améliore la désulfuration. Les laitiers sont réutilisés pour la fabrication de pavés, de digues, de briques ou encore du ciment.

Les défauts de moulage de la fonte :

Deux styles de défauts peuvent être rencontrés :

-le manque d' homogénéité du métal : 

               - les soufflures : ce sont des vides intérieurs formés par des gaz qui ne peuvent pas se dégager avant que la peau du moulage ne se soit solidifiée.

               - les piqûres : ce sont des petites soufflures répandues dans toute la masse du métal.

               - les gouttes froides : ce sont des particules de métal solidifiées au contact du moule et enfermées ensuite dans la masse.

- la déformation du moulage : 

                - les retirures : c'est un retrait qui se produit aux angles vifs du moule lorsque la fonte est coulée trop chaude.

                - les dartres : c'est un défaut qui nuit surtout à l' aspect de la pièce. Il est dû à l' arrachement de sable du moule lors du démoulage.

                - les bosses : ce sont des renflements causés par la pression qu 'exerce le métal sur le sable si celui-ci n' a pas été suffisamment tassé.

La production de la fonte :

Pour obtenir de la fonte grise qui contient 95 % de fer, 3 % de cuivre, 1,4 % de silicium et 0,6 % de manganèse, il faut comme matières premières : 

- minerai : 2000 kg

- coke : 1000 kg

- fondant : 700 kg

- vent : 4300 kg

Soit un total de 8000 kg de matières premières, qui permet d' obtenir :

- de la fonte : 1000 kg

- des laitiers : 800 kg

- des poussières : 150 kg

- des gaz : 6000 kg

L' élaboration d' un métal :

La sidérurgie :

" métallurgie du fer, de la fonte, et des alliages ferreux" définition du Petit Robert

Il existe 3 produits sidérurgiques :

- le fer : le pourcentage de carbone est inférieur à 0,05. Ce sont les ferrites. Ils sont très malléables. Il ne prennent pas la trempe.

- les aciers : le pourcentage de carbone est compris entre 0,05 et 0,07. Ils sont moins malléables que les fers mais il prennent la trempe, ceci permettant d' augmenter leur dureté.

- les fontes : le pourcentage de carbone est compris entre 1,7 et 6,7. Ce sont des alliages fer / carbone. Il existe trois types de fontes :

          - les grises, dites au ferrosilicium : elles contiennent un taux de silicium supérieur à 5 %, qui empêche le mélange fer / carbone, et du phosphore qui donne au métal de la fluidité à chaud et de la fragilité à froid. 

Si on a 0,04 % de phosphore, la fonte est appelée hématie.

Si on a 0,8 % de phosphore, la fonte est dite demie phosphoreuse ou Cleveland.

Si on a un taux supérieur à 1 % de phosphore, la fonte est dite phosphoreuse.

Le manganèse favorise la combinaison fer / carbone donc il est indésirable dans la fonte grise. Par contre, on maintient le taux de manganèse entre 0,5 et 1,5 % car il s' oppose aux effets néfastes du soufre. En effet, le soufre diminue la fluidité et provoque des soufflures, donc on l' élimine le plus possible pour obtenir un taux compris entre 0,01 et 0,02 %. Les fontes grises commencent à fondre à partir de 1150°C.

          - les blanches : elles ne contiennent pas de graphites car elles ont 2 à 5 % de manganèse. Le carbone y est soit combiné, on utilise alors de la cémentite, soit dissous, on utilise alors de la ferrite. Le taux de silicium varie de 0,5  à 1,5 % et la fonte blanche contient 2,5 % de phosphore et le moins possible de soufre.

Les fontes blanches sont très dures et très fragiles, donc elles ne peuvent pas être usinées. Elles sont utilisées pour le moulage et aussi pour faire de l' acier. Les fontes blanches commencent à fondre vers 1050°C.

          - les fontes alliées : elles contiennent des éléments rajoutés volontairement de manière à modifier certaines caractéristiques mécaniques telles que : 

                - la résistance mécanique élevée ( à chaud et à froid ),

                - la résistance à l' oxydation, notamment aux températures élévées.

Ces fontes contiennent environ 3 % de carbone, mais aussi :

- 0,1 % d' aluminium, de molybdène, de titane, de vanadium,

- 0,2 % de chrome,

- 0,3 % de cuivre et de nickel,

- 1,5 % de manganèse, 

- 5 % de silicium.

Le chrome, le manganèse et le vanadium sont des stabilisateurs de la céméntite qui tendent à donner des fontes blanches. L' aluminium, le molybdène, le nickel, le tungstène et le silicium sont des graphitants qui tendent à donner des fontes grises. Le cuivre améliore la fluidité des fontes.

L' élaboration d' un métal :

 

Le minerai :

 

Qu' est-ce que le minerai ?

 

Les minerais sont des roches, qui se constituent d'un composé métallique utile, qui doit être suffisamment important pour extraire le minerai, et d' une partie stérile appelée gangue.

L' extraction est possible lorsque le minerai ne contient pas d' impuretés qui ne peuvent être éliminées. Il existe différents types de minerais dont les principaux sont :

- les oxydes : ils constituent les principaux minerais de fer ( oxyde magnétique Fe3 O4, oxydes ferrique Fe2 O3 ), d' aluminium ( bauxite ), et d' étain ( cassitérite Sn O2 ).

- les sulfures : ils contiennent du souffre. La gallène ( Pb S ) est un minerai de plomb et la blende ( Zn S ) est un minerai de zinc. Il éxiste aussi les sulfures doubles tels que : la chalcopyrite ( Cu FeS2 ) qui est un minerai de cuivre.

- les silicates : la garniérite est un minerai de nickel qui contient du silicium.

- les carbonates : la calamine est un minerai riche en carbonate de zinc et silicates de zinc ( Zn Co3 ).

Fabriquer un métal industriel :

 

Un métal industriel est utilisable en industrie et obtenu par métallurgie. Celle-ci se divise en trois grandes opérations :

- le traitement pré-métallurgique,

- l' élaboration du métal brut,

- l' affinage du métal.

Dans le cas général, comme pour le fer par exemple, les opérations se font dans l' ordre suivant :

- minerai brut

- conditionnement

- minerai conditionné

- enrichissement

  - minerai enrichi

- élaboration

  - métal brut

- affinage / raffinage

- métal affiné.

Parfois il est nécessaire de faire des traitements thermiques pour obtenir du minerai pur, par exemple : le nickel et l' aluminium. Les opérations se font alors dans cet ordre :

- minerai brut

- conditionnement

- minerai conditionné

- enrichissement

  - minerai enrichi

- traitement thermique

- minerai pur 

- élaboration

  - métal brut

- raffinage

- métal affiné. 

Le conditionnement :

 

Le conditionnement permet de réduire le minerai brut d' extraction en fragments de dimension convenable, grâce à des concasseurs ou des broyeurs. Les concasseurs peuvent êtres à machoires ou giratoires. Les broyeurs, peuvent être cylindriques, à boulets, ou centrifuges.

Dans certains cas, il est nécessaire de faire plusieurs broyages ou concassages, donc il est indispensable d' effectuer un criblage, c' est-à-dire d' évacuer les perticules qui n' ont pas besoin d' être réduites. Pour cela, on utilise des trommels qui sont des tambours cylindriques longs de 3 à 10 mètres, laissant passer les plus fines particules et qui envoient dans un réservoir celles qui sont trop importantes. On peut utiliser aussi, pour les produits très fins, des tapis vibrants constitués de panneaux métalliques, animés de mouvements alternatifs très rapides.

L' enrichissement :

 

  L' enrichissement a pur but de trier les particules en deux lots, celui de la gangue et celui de la substance utile. Pour cela, les procédes d' enrichissement sont basés sur l' hypothèse que chaque particule n' est composée que par l' un des deux ensembles. Deux méthodes sont utilisées : 

- le procédé de flottation qui se fait en quatre étapes :

- La préparation du minerai : le minerai doit auparavant être broyé en particules suffisamment grosses pour éviter de former, par la suite, de la boue. 

- L' obtention dela pulpe : pour transformer notre minerai en pulpe, on mélange avec de l' eau et du réactif qui peut être constitué d' huile de pin, pour évacuer l'air en bulles très fines; de xanthate de potassium, qui entoure les parcelles de sulfures pour éviter que l' eau ne les mouille; d' un agent activant ( acide sulfurique, sulfate de cuivre, sulfure de sodium ), pour favoriser la flottation de l' élément que l' on veut recueillir; et d' un agent déprimant ( carbonate de sodium ) qui empêche l' élément que l' on veut éliminer de flotter.

- La flottation : la pulpe est introduite au bas d'une cuve remplie d' eau. Un agitateur créer des bulles d' air qui se colleront à la partie utilie. Celle-ci remontera à la surface, formant une écume, qui sera récupérée par la suite. La gangue reste dans le fond de la cuve et sera aussi récupérée. Il faut parfois plusieurs flottations ( jusqu' à 4 ) pour obtenir un concentré utilisable en métallurgie.

- Le traitement des concentrés : la teneur en eau de notre écume est ramenée à 50 % dans des épaississeurs, puis à 10 % par filtration sous vide.

- le triage magnétique : il se fait soit par triage à sec, soit par triage sur lavée. 

Après l' enrichissement, les éléments sont sous forme de poussières très fines, ceci les rendants inutilisables dans la plupart des appareils de métallurgie. Donc, on les transforme en blocs. Deux méthodes existes : 

- le briquetage : il consiste à faire des briquettes en mélangeant du minerai et du liant qui peut être de la chaux ou du chlorure de sodium. Les briquettes seront alors cuites au four.

  - le frittage : il consiste à mélanger le minerai avec du liant et du combustible, et de les chauffer jusqu' à l' état pâteux ( 1000°C ). Ensuite, la pâte obtenue est refroidie de manière à obtenir un élément poreux très résistant.

L' élaboration : 

 

Prenons le cas des oxydes, et des sulfures.

- Le traitement des oxydes : il sert à désoxygéner un oxyde de métal, ceci lui permettant d' avoir de meilleures résistances mécaniques.Le traitement se fait en deux étapes : le mélange de l' oxyde de métal avec un réducteur ( carbone par exemple ) et la chauffe du métal. Selon l' oxyde de métal avec lequel on travaille, on peut trouver trois cas différents : 

- température de réduction de l' oxyde < température de fusion du métal : le métal sera obtenu à l' état solide. Le travail doit se faire avec un oxydes pur.

- température de fusion du métal < température de réduction des oxydes < température d' ébullition du métal : le métal est obtenu à l'état liquide mais présente des impuretés. La gangue du minerai forme une scorie, qui plus légère que le métal, remonte à la surface.

- température de réduction de l' oxyde > température d' ébullition du métal : le métal se transforme en gaz qui sera par la suite transformé en liquide.

- Le traitement des sulfures : la méthode utilisée est celle du grillage. Elle se fait  en deux étapes : 

- on chauffe notre sulfure jusqu' à 150-200°C, qui se transforme en sulfate.

- on chauffe notre sulfate jusqu' à 800°C, qui se transforme en oxyde.

Si on arrête après l' étape1 : c' est le "grillage satisfaisant". Et si on arrête après l' étapes deux, c' est le "grillage à mort".

Il existe une autre méthode d' élaboration, c' est l' élaboration par électrolyse, appelée électrométallurgie. On utilise des corps chargés d' électricité contraire. Ces corps sont dis électrolytes. Les étapes de l' électrométallurgie sont :

- on plonge dans une solution aqueuse notre métal où on le fait fondre pour qu' il devienne liquide. Le métal liquide est composé d' ions positifs ( ions métalliques ) et d' ions négatifs.

- on fait passer un courant et on plonge deux électrodes. Les ions chargés positivement , cations, sont attirés par la cathode, et les ions chargés négativement appelés anions, sont attirés par l' anode.

L' affinage : 

 

L' affinage consiste à éliminer le plus possible les impuretés que contient le métal brut. L' affinage se fait par voie thermique. Deux procédés sont possibles :

- l' épuration physique : 

- soit en amenant le métal à l' état liquide, en le chauffant, mais en gardant les impuretés à l' état solide : c' est la liquidation.

- soit en maintenant le métal à l' état solide, en rendant les impuretés liquides : c' est le ressuage.

- l' épuration chimique : elle se fait de deux manières différentes : 

- l' oxydation sélective : on porte le métal à fusion et on l' oxyde avec l' oxygène de l' air, ceci provoque la formation d' oxydes gazeux, qui s' éliminent spontanément ou d' oxydes liquides, qui remontent à la surface du bain de fusion.

- l' épuration par action de laitier basique à base de chaux, pour former une scorie fluide moins dense que le métal. 

Le raffinage : 

 

Le raffinage a même but que l' affinage. Il se fait par voie électrolytique. Le métal brut correspond à l'anode. Celui-ci est plongé dans une solution aqueuse formée d' un sel de métal. En faisant passer du courant entre l' anode et la cathode, constituée de fines plaques de métal pur, les impuretés vont se déplacer de l'anode versla cathode. 

 

 

  

L' oxycoupage :

 

Définition : 

 

L' oxycoupage est un procédé de découpe des métaux, par oxydation localisée mais continue, à l'aide d'un jet d' oxygène pur. Il est nécessaire, pour cela, de porter à une température d'environ1 300 °C, dite température d'amorçage (ou d'ignition), le point de la pièce où l'on va commencer la coupe, qui peut être manuelle ou automatisée selon un gabarit de coupage. ( wikipédia )

Ce procédé nécessite une flamme oxy-gaz, dont les principaux éléments constitutifs peuvent être :

 

- l' acétylène : le plus employé et le plus pratique

- l' hydrogène : réservé aux fortes épaisseurs, 1 mètre et plus

- le propane : pour des épaisseurs moyennes, l' amorçage est plus lent.

L' oxygène de coupe quand à lui, doit posséder un degré de pureté aussi élevé que possible ( supérieur ou égal à 97 % ).

Les règles pour une bonne coupe :

 

- Utiliser une buse adaptée aux épaisseurs à découper

- Utiliser une pression de gaz conforme

- Bien régler le chalumeau

- Avoir une vitesse de coupe adaptée et régulière

- Conserver une distance buse / pièce à découper constante et correcte.

Pressions et buses à utiliser en fonction des épaisseurs à couper : 

 

 

Epaisseur à couper en millimètres	Diamètre des buses	Pression d' oxygène de coupe	Pression d' acétylène
3 à 8	08/10	1,5 bars	0,5 bars
10 à15	10/10	1,5 à 2 bars	0,5 bars
15 à 20	15/10	2 à 2,5 bars	0,5 bars
20 à 25	15/10	2,5 à 2,7 bars	0,5 bars
25 à 30	15/10	2,7 à 3 bars	0,5 bars
30 à 40	20/10	3 bars	0,5 bars
40 à 50	20/10	3 à 3,3 bars	0,5 bars
50 à 60	20/10	3 à 3,7 bars	0,5 bars
100	25/10	3,8 bars	0,5 bars

Précautions à prendre :

 

Les précautions sont les mêmes que pour le soudage oxyacétylènique, mais il convient de prendre en compte les gerbes de métal incandescent. Eloignez donc tout objet ou substance inflammable ou explosive dans un rayon de 10 mètres. Le port des lunettes noires est indispensable ( indice protane compris entre 3 et 6 ).

Le soudage :

 

Le soudage oxyacétylénique :

 

  Le soudage oxyacétylénique, inventé en France en 1903, utilise la combustion de deux gaz mélangés : l' acétylène comme carburant, et l' oxygène comme comburant. Cette combustion libère une chaleur de 3150°C qui permet la fusion du métal à souder. Ce procédé s' utilise aussi bien en soudage autogène qu' en soudage hétérogène. De plus en plus délaissé au profit des procédés électroportatifs pour le soudage autogène, il reste néanmois un procédé économique, procurant une bonne qualité des cordons, mais nécessitant une bonne dextérité. Pour le soudage hétérogène ( soudobrasage, ou encore brasure forte > à 400°C ), il reste très utilisé. Ce procédé est très interressant pour le soudage des fontes, des aciers galvanisés ( avec flamme très oxydante) ; il est très déconseillé pour le soudage des aciers inoxydables.

Definition du brasage :

 

Le brasage est une opération exécutée localement et nécessitant une source de chaleur concentrée. Les pièces à assembler ne sont pas portées à la fusion et ne participent pas à la constitution du joint. Le métal d' apport est de nature différente de celle des pièces à assembler et plus fusible. La liaison à lieu par diffusion et capilarité du métal d' apport liquide.

Deux types de brasure existent :

  

- la brasure forte : température supérieure à 400°C, à base de cuivre, de zinc ou d' argent.

- la brasure tendre : température inférieure à 400°C, à base d'étain.

Composition de la flamme :

 

Flamme Neutre, Normale, ou Réductrice

Flamme Oxydante

 Mode opératoire :

 

En soudage OA, le réglage des manomètres s'effectue comme suit :

- oxygène : 1 bar

- acétylène : 0.5 bar

La combustion de la flamme oxyacétylènique nécessite :

- 1 volume d' acétylène 

- 1 volume d'oxygène pris dans les bouteilles

- 1.5 volume pris dans l' air ambiant 

Le choix de la buse est fonction de l'épaisseur à souder soit :

- en soudage autogène : 100 litres / heure par mm d' épaisseur

- en soudage hétérogène : 70 litres / heure par mm d' épaisseur

Le débit du gaz est donné par le diamètre de l'orifice calibré de la buse. Il est nécessaire d' utiliser une flamme réductrice pour protéger la soudure de l' oxydation lors du soudage.  

Le réglage du chalummeau se fait en ouvrant légèrement le robinet d' acétylène, à la suite de quoi on vient enflammer le gaz. On augmente ensuite alternativement les débit d'oxygène et d' acétylène, jusqu'à former une flamme avec un dard conforme au schéma vu précédemment.

L' extinction se fait par fermeture du robinet d' oxygène, puis d' acétylène. 

Le soudage s' effectue de la droite vers la gauche, soit le sens inverse de l' écriture pour un droitier. La distance entre l' extrémité du dard et la tôle doit être de 1 mm.

  

Ce procédé s'utilise principalement pour le soudage de tôles d' épaisseur comprise entre 0.5 et 4 mm. Le diamètre du métal d' apport est fonction de l' épaisseur à souder :

Diamètre = ( épaisseur / 2 ) + 1 mm

Soit sensiblement égal à l' épaisseur à souder. L' écartement entre les pièces, pour faciliter la pénétration, est déterminé comme suit :

Ecartement = épaisseur / 2

   

Les mesures de sécurité :

 

Ce procédé reste très dangereux de part la nature et la pression des gaz utilisés. La flamme présente un grand risque de blessures ou d' incendie. L' entretien du matériel de soudage doit être irréprochable, de même que les conditions d' utilisation et de stockage.

Ainsi il est donc INTERDIT :

- de graisser ou d' huiler les organes en contact avec l' oxygène ( risque d' auto-inflammation puis d' explosion )

- de remplacer les joints fibres par des joints caoutchouc

- d' utiliser des tuyaux ayant servi au transport d' air comprimé ( présence d' huile )

- de démonter les robinets des bouteilles

- d' ouvrir les robinets en grand, 1/8 de tour suffit

- de régler trop fort le débit des manomètres ( risque de givrage ) 

- de manipuler brutalement les bouteilles, ou de les faire tomber

- d' exposer les bouteilles à la chaleur

- de brancher les tuyaux sans interposer de manodétendeurs

- d'incliner la bouteille d' acétylène à moins de 30° par rapport à l' horizontale.

- d' utiliser une installation sans soupapes sèches ( ou clappets antiretours ou pare-flammes )

   

 

Le soudage :

 

Le soudage électrique sous atmosphère inerte TIG :

 

 

Voici un procédé très intéressant ! Ce procédé est très facile à mettre en oeuvre et permet l' éxécution de cordons de soudures d' un très bel aspect et d' une qualité supérieure à celles du MIG et du soudage à l' électrode enrobée. Le bain de fusion est calme et facile à maîtriser. Ce procédé permet le soudage de très faibles épaisseurs et est utilisé en carrosserie automobile comme dans l' industrie pétro-chimique. Sa polyvalence en fait un procédé indispensable dans tout bon atelier. 

Reste néanmoins un bémol... son prix ! Même si le procédé c'est démocratisé, le prix d'achat du poste en rebuttera certains, sans compter le prix du gaz ( argon ou hélium, et la consigne de la bouteille ) qui reste relativement cher. Il nécessite également une certaine dextérité.

Le mode opératoire :

 

  Un arc électrique se produit entre la pièce à souder et une électrode refractaire sous atmosphère ionisée. Cet arc électrique protégé par cette atmosphère neutre, grâce à l' argon ou l' hélium, fait fondre le métal à souder. La température lors du soudage atteint les 16000°C. Dès lors que le bain de fusion est formé, on vient rajouté un métal d' apport de même nature que les pièces à assembler, par le biais de baguettes dont le diamètre dépend de l' épaisseur à souder. La buse réfractaire (en céramique ou en pyrex ) assure la diffusion du gaz qui va protéger le cordon de soudure de l'oxydation à haute température. L' électrode non fusible est composée principalement de tungstène. L' envers de la soudure devra, selon les cas, être protégé par un traînard d' argon. Cette méthode s' appelle la PGA ( Protection Gazeuse Améliorée ). Le procédé de soudage TIG ( Tungsten Inert Gas ) peut être automatisé.

  L' angle de soudage est de 75 / 80 ° entre la torche et la pièce à souder. L' angle appliqué au métal d' apport formera un angle droit avec la torche. Le sens de soudage est " poussé ", c' est à dire le sens inverse de l' écriture pour un droitier.

  Le débit du gaz sera compris entre 3 et 12 litres / mm ; privilégiez le meilleur rapport débit / utilité en fonction de l' épaisseur à souder.

De nos jours, l' amorçage du soudage est grandement facilité par l'utilisation de la haute fréquence. L' utilisation d' une plaque de cuivre n' est désormais plus nécessaire.

  

Nature des courants de soudage :

 

Pour le soudage sous atmosphère neutre, deux types de courant sont utilisés : 

 - le courant continu en polarité directe ( pièce à la masse et électrode relié au pôle positif ), utilisé pour le soudage des métaux lourds ( aciers, cuivre, etc...), qui donne un bain de fusion étroit et une forte pénétration.

- le courant alternatif ( la fréquence du courant de 50 Hertz, en France, provoque 50 alternances du sens du courant par seconde ), pour le soudage des alliages légers. Le bain de fusion est alors plus large et la pénétration moins profonde.

Le courant alternatif, est utilisé pour casser la couche d' alumine à la surface des alliages d' aluminium. Cette couche, bien que très fine, possède une température de fusion de 2054°C, soit beaucoup plus élévé que celle de l' aluminium : 660 °C. Sans cette alternance, la différence entre les deux températures de fusion rendrait impossible la soudure.

Nature des électrodes refractaires :

 

Les électrodes refractaires sont composées de tungstène pur ou de 98 % de tungstène avec  un métal d' addition, qui peut être : du thorium, du cérium, du lanthane, du zirconium, de l' yttrium. Le thorium, en raison de sa faible radioactivité est peu à peu abandonné.

Les électrodes en tungstène thorié, possèdent par convention, un marquage rouge. Elles sont utilisées pour le soudage des métaux lourds.

Les électrodes en tungstène cérié, possèdent par convention un marquage gris. Elles sont utilisables pour les métaux lourds comme pour les alliages légers.

Les électrodes en tungstène pur, possèdent par convention un marquage vert. Elles sont reservées au soudage des alliages légers.

Je ne parlerais pas des autres types d'électrodes, moins rencontrées pour un usage particulier.

L' affûtage des électrodes dépend du métal à souder. On privilègiera une belle pointe pour le soudage des métaux lourds et à l'inverse, un plat, qui se transformera en boule sous l' action du courant alternatif, pour les alliages légers.

 Choix du métal d' apport : 

 

En règle générale, le diamètre du métal d' apport correspond à l' épaisseur des pièces à souder. Il est toujours de même nature que les pièces à souder, c' est un soudage autogène.

A partir de 5 millimètres d' épaisseur, un chanfrein devra être réalisé sur les pièces à souder. Passé 12 millimètres d' épaisseur, il conviendra de changer de procédé de soudage.

Choix du diamètre de l' électrode en tungstène :

 

C' est une question que beaucoup se posent, y compris chez les professionnels ! Voici quelques indications, en rappellant qu' une intensité trop forte sur une électrode trop petite, provoquera sa destruction prématurée. L' inverse n'est pas forcément mieux, du moins pas adapté... 

Gardez ceci à l' esprit :

- de 15 à 60 Ampères : diamètre de l' électrode 1 mm

- de 60 à 100 Ampères : diamètre de l' électrode 1.6 mm

- de 80 à 150 Ampères : diamètre de l'électrode 2 mm

- de 150 à 200 Ampères : diamètre de l'électrode 2.4 mm

- au dessus de 200 Ampères : diamètre de l'électrode 3 mm

Plus simplement, on peut considérer qu' une électrode supporte 60 à 70 Ampères par millimètres d' épaisseur. 

  

 Choix des torches en fonction de l' intensité de soudage :

 

En effet, toutes les torches ne sont pas identiques ! Il existe en fait deux types de torches :

- les torches à air : pour le soudage des tôles d' épaisseur inférieure ou égale à 3 mm et / ou pour une intensité de soudage inférieure à 150 Ampères.

- les torches à eau : pour le soudage des tôles d' épaisseur supérieure à 3 mm et / ou  pour une intensité de soudage supérieure ou égale à 150 Ampères.

  Quelques cause d' instabilité de l' arc : 

 

- une intensité trop faible

- une électrode souillée par le métal à souder ou mal affûtée

- les effets magnétiques

- les courants d' air

- débit de gaz trop important

Quelques règles d' or :

 

Conservez toujours votre électrode dans un état parfait, bien affûtée pour l' acier et avec une belle boule pour l' aluminium.

Soyez à l' aise pour souder, il est difficile de bien souder en étant crispé... Contrôlez bien votre respiration, vous ne pouvez pas souder longtemps en apnée !

Ne faîtes pas toucher l' électrode dans le bain de fusion ! Cela créer des inclusions de tungstène dans la soudure, diminuant ainsi la qualité du cordon.

N' utilisez jamais de crayon à papier ou mine graphite pour le traçage ! Cela provoque, avec le tungstene à haute température, la création de carbure de tungstène qui detériorerait définitivement la torche !  

 

Le soudage : 

 

 Le soudage électrique sous flux gazeux MIG / MAG :

 

Ce procédé utilise la chaleur d' un arc éléctrique ( 3100°C ) qui éclate à l' extrémité d' un fil fusible et consommable jouant le rôle de métal d' apport. L'électrode, l' arc et le métal en fusion sont baignés par un jet de gaz, qui isole de l' air atmoshérique et permet la stabilité de l' arc. L' atmosphère est dites ionisée. Ce procédé est également appelé "semi-auto". Ces procédés nécessitent de pousser la torche, c'est à dire : l' avance est inverse au sens de l'ecriture.

Le procédé MAG, de l' anglais Metal Activ Gas, utilise un mélange de gaz contenant de l'argon, de l' hélium, du dioxyde de carbone ou encore de l' hydrogène, en proportions variables. Le plus utilisé est le mélange argon / co², avec une proportion de 92% argon, 8% co². Ce procédé concerne le soudages des aciers ne nécessitant pas une resistance et un aspect parfait, il s'avère plus économique que le procédé MIG et augmente la pénétration. Le débit du gaz, est libre et doit être compris entre 9 et 15 litres / minute. ( par soucis d' économie préfèrez le débit le plus faible possible ). 

Le métal d' apport devra contenir du manganèse et du silicium pour combattre les effets oxydants du co² et rendre la fusion plus calme avec moins de projections.

Le procédé MIG, de l' anglais Metal Inert Gas, utilise l' argon pur. Ce procédé concerne le soudage des aciers inoxydables et des alliages d' aluminiums. Le soudage MIG donne une forme de pénétration particulière.

Ces procédés permettent l' utilisation de fils fourrés avec des poudres métalliques qui augmentent le rendement du soudage.

Le MIG/MAG est utilisé systématiquement lorsqu'on recherche du rendement (soudage en continu) et/ou de fortes épaisseurs de cordons (charpentes métalliques)

Cependant comme l'arc est produit entre la pièce et le fil de soudage, la pénétration dépend du diamètre du fil de soudage. Si le diamètre est trop faible, il est aisé de réaliser une soudure très esthétique mais avec peu de pénétration.

C'est pour cette raison que le secteur de la chimie utilise plutôt l'arc (MMA) et le TIG pour réaliser la jonction de tuyauteries. 

 

Les traitements thermiques :

 

Pour les aciers :

 

"Pour commencer, un traitement thermique, c'est quoi ?"

Eh bien un traitement thermique, c'est changer les caractéristiques mécaniques d' un métal par l'action de la chaleur ou du froid.

Le but est donc d' obtenir les caractéristiques mécaniques recherchées par la redisposition des atomes composant le métal. On appelle ceci, changer la structure cristalline.

Pour ce faire, nous disposons de deux moyens d' action :

- la température de chauffage

- la vitesse de refroidissement

Il est évident que les résultats seront différents en fonction de la composition du métal, mais pour les aciers c' est surtout la teneur en carbone qui va influer sur le résultat.

Il existe trois types de traitements thermiques :

  - la trempe :  le plus connu, consiste à durcir l' acier, diminuer son allongement mais augmente sa fragilité.

- le revenu : survient après une trempe et a pour but de réduire les contraintes internes créées durant celle-ci. Le revenu permet d' améliorer la résistance mécanique des pièces traitées, de rétablir les valeurs de résilience et de rendre l'acier moins fragile, plus ductile. La dureté diminue également quelque peu.

- le recuit : se fait après un traitement mécanique, une opération de soudage, etc... afin de rendre plus homogène le matériau et lui rendre une partie de ses propriétés antérieure.

Le mode opératoire pour chacun de ces traitement est intimement lié à la composition du métal, et notament à la teneur en carbone de l' acier. Il convient de consulter le diagramme fer carbone pour bien comprendre.

D' une manière générale, pour une trempe on chauffe la pièce à la température désirée et on la refroidit très rapidement avec de l'eau, de l' huile ou du gaz. Pour le revenu, le refroidissement lui, devra être lent et contrôlé. Pour le recuit, le refroidissement devra être tres lent.

Pour les alliages légers : 

 

La trempe donne aux alliages légers d'aluminium de la série 2000, une malléabilité passagère de deux heures. La trempe entraîne le phénomène de maturation, également appelé vieillissement ou mûrissement, qui provoque un durcissement structural. A l'inverse des aciers, la trempe a donc pour conséquence un adoucissement de l'alliage.

  Le mode opératoire est de chauffer uniformément la pièce à 495°C + ou - 5°C, le maintient en température est fonction de l'épaisseur de la pièce, le refroidissement devra être rapide à l'eau.  

  

Le recuit donne aux alliages légers un maximum de malléabilité. Celle-ci est permanente, jusqu'à une prochaine trempe pour en annuler les effets. 

Le mode opératoire est de chauffer uniformément la pièce à 400°C + ou - 20°C, le maintient en température est de 30 minutes et le refroidissement sera lent et au four. 

Le revenu permet d'accélérer la maturation. La température de chauffage est de 160°C + ou - 3°C. Le maintient en température est de 18 à 20 heures, et le refroidissement s'effectue à l'air libre.

La désignation de l' aluminium et de ses alliages :

 

Votre truc à vous c'est plutôt, l' aluminium ... on est parle de suite !

 

L'aluminium est un métal blanc, de faible densité ( 2,7 ), bon conducteur électrique et thermique. Il est très malléable, possède une faible dureté et un fort allongement. Il est rarement utilisé à l'état pur, ses alliages possèdent de meilleures caractéristiques.

Les différents alliages d'aluminium sont classés selon la norme européenne EN 573-1 qui indique un ensemble de 4 chiffres précédés, pour les alliages destinés à être corroyés, par le préfixe EN, les lettres « A » (aluminium), « W » (pour les produits corroyés, wrought en anglais) et un tiret « - ». (On peut aussi les désigner selon leurs symboles chimiques.)

Exemple : EN AW-2014 ( ou encore Al Zn6 Cu Mg Zr )

Cet ensemble à 4 chiffres identifie précisément l' alliage :

- le premier chiffre indique la série :

- 1XXX pour les aluminiums purs

- 2XXX pour les alliages aluminiums / cuivre, appelés Duralumins

- 3XXX pour les alliages aluminiums / manganèse

- 4XXX pour les alliages aluminium / silicium, appelés Silumins ou Alpax

- 5XXX pour les alliages aluminium / magnésium, appelés Duralinox

- 6XXX pour les alliages aluminium / magnésium / silicium

- 7XXX pour les alliages aluminium / zinc

- 8XXX pour les alliages aluminium / autres éléments

 

- les chiffres suivant identifient l'alliage dans sa famille, je ne rentrerai pas dans le détail.

Je vais détailler les applications possibles pour chaque série :

- la serie 1000 : très mou, soudage et anodisation possibles, bonne résistance à la corrosion.

- la série 2000 : très dur, très utilisé en aéronautique, décolletage, matriçage et usinage possible, tres durs à souder ( non recommandé ), formage uniquement sur trempe fraîche.

- la série 3000 : soudage et anodisation possibles, bonne résistance à la corrosion.

- la série 4000 : bonne coulabilité, utilisés surtout pour les pièces de fonderie.

- la série 5000 : mou, bonne aptitude au formage à froid et à chaud, soudage possible et bonne resistance à la corrosion. 

- la série 6000 : bel aspect, utilisé en aménagement intérieur

- la série 7000 : tres hautes caractéristiques mécaniques, utilisés pour fabrication de blindage, et en aéronautique.

" Il ressort donc ici, que la série 5000 sera à privilégier pour un usage à la maison, il se plie sans casser, se soude très bien et resiste à la corrosion.

Deux références courantes pour vous en procurer :

- EN AW-5056 (AG5MC ancienne désignation)

- EN AW-5086 (AG4MC ancienne désignation) "

La désignation des alliages d' aluminium se termine par des lettres et des chiffres indiquant l' état de livraison :

  - des lettres : 

- F pour brut de fabrication

- O pour recuit

- H pour écroui par deformation à froid

- T pour traitement thermique

- PL directement après les 4 chiffres de la série pour "placage A5" ( revêtu d'une fine couche d'aluminium pur )

- des chiffres propres pour chaque état de livraison, ici les plus courant de l'état T :

- T3 : trempé, écroui et mûri ( vieillissement naturel )

- T4 : trempé et mûri

- T5 : refroidi et revenu

- T6 : trempé et revenu

- T8 : trempé, ecroui et revenu  

- T10 : refroidi, revenu et ecroui

Exemple : EN AW-2024 PL  T3

Alliage de la série 2000, aluminium / cuivre, plaqué A5 (aluminium pur), état de livraison : trempé, ecroui et mûri.

Je vous expliquerai dans le chapitre suivant les différents termes utilisés lorsque l' on parle des traitements thermiques sur les alliages d' aluminium.