Ces dernières années, l'utilisation de l'aluminium dans la fabrication est devenue plus répandue en raison de son poids léger et d'autres attributs qui en font une alternative intéressante à l'acier. En fait, le marché du soudage de l'aluminium devrait croître à un taux de 5,5 pour cent par an, basé principalement sur l'hypothèse que l'industrie automobile continuera d'augmenter son utilisation de l'aluminium.

Mais les personnes expérimentées dans le soudage de l'acier trouveront que l'aluminium est une race différente - les caractéristiques de soudage normales de l'acier ne s'appliquent pas toujours à l'aluminium. Par exemple, la conductivité thermique élevée de l’aluminium et son point de fusion bas peuvent facilement entraîner des problèmes de brûlure et de gauchissement si les procédures appropriées ne sont pas suivies.

Dans cet article, nous allons d'abord examiner divers éléments d'alliage et comment ils affectent l'aluminium; Ensuite, nous tournerons notre attention vers les procédures de soudage et les paramètres qui créeront la meilleure soudure de qualité. Enfin, nous examinerons quelques nouvelles avancées technologiques qui facilitent un peu le soudage de l'aluminium.


Éléments d'alliage
Pour comprendre l'aluminium, vous devez d'abord comprendre quelques notions de base sur la métallurgie de l'aluminium. L'aluminium peut être allié à un certain nombre d'éléments différents, à la fois primaires et secondaires, pour fournir une résistance, une résistance à la corrosion et / ou une soudabilité générale améliorées.

Les principaux éléments alliés à l'aluminium sont le cuivre, le silicium, le manganèse, le magnésium et le zinc. Mais, avant de les examiner en détail et de ce qu'ils apportent à l'aluminium, il est important de noter que ces alliages se divisent en deux classes: thermo-traitables ou non thermo-traitables.


Alliages à traitement thermique et alliages non à traitement thermique
Les alliages pouvant être traités thermiquement sont ceux qui peuvent être chauffés après le soudage pour retrouver la résistance perdue pendant le processus de soudage. Traiter thermiquement un alliage signifie le chauffer à haute température, mettre les éléments d'alliage en solution solide puis le refroidir à une vitesse qui produira une solution sursaturée. L'étape suivante du procédé consiste à le maintenir à une température plus basse suffisamment longtemps pour permettre une quantité contrôlée de précipitation des éléments d'alliage.

Avec les alliages non traitables à la chaleur, il est possible d'augmenter la résistance par écrouissage ou écrouissage. Pour ce faire, une déformation mécanique doit se produire dans la structure métallique, entraînant une résistance accrue à la déformation, produisant une résistance plus élevée et une ductilité plus faible.

Autres distinctions
Pour désigner davantage les alliages d'aluminium, ils peuvent également être classés par une désignation de trempe qui est la suivante: F = tel que fabriqué, O = recuit, H = durci sous contrainte; W = Solution traitée thermiquement et T = Traité thermiquement, ce qui peut désigner un traitement thermique ou un vieillissement par travail à froid. Par exemple, un alliage peut porter la désignation 2014 T6. Cela signifie qu'il est allié au cuivre (série 2XXX) et le T6 fait référence au fait qu'il est traité thermiquement en solution et vieilli artificiellement.

Aux fins de cet article, nous discuterons des alliages corroyés, qui sont les alliages d'aluminium qui sont laminés à partir d'un lingot ou extrudés avec des formes spécifiées par le client. Mais veuillez noter que les alliages peuvent également être divisés en alliages coulés. Les alliages coulés sont ceux utilisés pour fabriquer des pièces à partir d'alliages d'aluminium fondus coulés dans des moules. Les alliages coulés sont durcissables par précipitation mais ne peuvent jamais durcir sous contrainte. La soudabilité de ces alliages est affectée par le type de moulage - moule permanent, moulage sous pression et sable - car la surface de moulage est essentielle au succès du soudage. Un nombre à trois chiffres, plus une décimale, c'est-à-dire 2xx.x, désigne les alliages coulés. Les nuances soudables des pièces moulées en aluminium sont 319,0, 355,0, 356,0, 443,0, 444,0, 520,0, 535,0, 710,0 et 712,0.


Éléments d'alliage
Maintenant que vous comprenez une partie de la terminologie, jetons un coup d'œil aux différents éléments d'alliage:

Le cuivre (qui porte une désignation d'alliage corroyé de la série 2XXX) offre une résistance élevée à l'aluminium. Cette série peut être traitée thermiquement et principalement utilisée dans les pièces de moteurs d'avion, les rivets et les produits de vis. La plupart des alliages de la série 2XXX sont considérés comme médiocres pour le soudage à l'arc en raison de leur sensibilité à la fissuration à chaud. Ces alliages sont généralement soudés avec des électrodes de remplissage série 4043 ou 4145, qui ont des points de fusion bas pour réduire la probabilité de fissuration à chaud. Les exceptions à cette règle sont les alliages 2014, 2219 et 2519, qui se soudent facilement avec un fil d'apport 2319.

Le manganèse (série 3XXX) ajouté à l'aluminium donne une série non traitable par la chaleur utilisée pour la fabrication et l'accumulation à usage général. De résistance modérée, la série 3XXX est utilisée pour les applications de formage, y compris les tôles pour remorques utilitaires et fourgonnettes. Il est amélioré par écrouissage pour offrir une bonne ductilité et des propriétés anticorrosion améliorées. Généralement soudée avec une électrode 4043 ou 5356, la série 3XXX est excellente pour le soudage et n'est pas sujette à la fissuration à chaud. Ses résistances modérées empêchent cette série d'être utilisée dans des applications structurelles.

Le silicium (série 4XXX) réduit le point de fusion de l'aluminium et améliore la fluidité. Son utilisation principale est comme métal d'apport. La série 4XXX a une bonne soudabilité et est considérée comme un alliage non traitable par la chaleur. L'alliage 4047 devient l'alliage de choix dans l'industrie automobile, car il est très fluide et bon pour le brasage et le soudage.

Le magnésium (série 5XXX), lorsqu'il est ajouté à l'aluminium, a une excellente soudabilité avec une perte minimale de résistance et n'est fondamentalement pas sujet à la fissuration à chaud. En fait, la série 5XXX a la plus haute résistance des alliages d'aluminium non traitables par la chaleur. Il est utilisé pour les réservoirs de stockage de produits chimiques et les récipients sous pression à des températures élevées ainsi que pour les applications structurelles, les wagons de chemin de fer, les camions à benne basculante et les ponts en raison de sa résistance à la corrosion. Il perd sa ductilité lorsqu'il est soudé avec des charges de la série 4XXX en raison de la formation de Mg2Si.

Le silicium et le magnésium (série 6XXX) se combinent pour servir d'éléments d'alliage pour cette série de résistance moyenne à traitement thermique. Il est principalement utilisé dans les applications automobiles, de tuyauterie, de garde-corps, de structure et d'extrusion. La série 6XXX est quelque peu sujette à la fissuration à chaud, mais ce problème peut être surmonté par le choix correct du joint et du métal d'apport. Cette série peut être soudée avec la série 5XXX ou 4XXX sans fissuration - une dilution adéquate des alliages de base avec l'alliage d'apport sélectionné est essentielle. Une électrode 4043 est la plus courante à utiliser avec cette série.

Le zinc (série 7XXX) ajouté à l'aluminium avec du magnésium et du cuivre produit l'alliage d'aluminium traité thermiquement de la plus haute résistance. Il est principalement utilisé dans l'industrie aéronautique. La soudabilité de la série 7XXX est compromise dans les nuances de cuivre supérieures, car nombre de ces nuances sont sensibles aux fissures (en raison de larges plages de fusion et de faibles températures de fusion du solidus.) Les nuances 7005 et 7039 sont soudables avec des charges 5XXX.

D'autres éléments (série 8XXX) qui sont alliés à l'aluminium (c'est-à-dire au lithium) relèvent tous de cette série. La plupart de ces alliages ne sont pas couramment soudés, bien qu'ils offrent une très bonne rigidité et sont principalement utilisés dans l'industrie aérospatiale. La sélection des métaux d'apport pour ces alliages pouvant être traités thermiquement comprend la série 4XXX.

L'aluminium pur (série 1XXX), bien que n'étant pas un élément d'alliage, est considéré comme non traitable par la chaleur et est principalement utilisé dans les réservoirs et les tuyauteries chimiques en raison de sa résistance supérieure à la corrosion. Cette série est également utilisée dans les conducteurs de bus électriques en raison de son excellente conductivité électrique. La série 1XXX est facilement soudée avec les alliages 1100 et 4043.

En plus des éléments d'alliage d'aluminium primaire, il existe un certain nombre d'éléments secondaires, qui comprennent le chrome, le fer, le zirconium, le vanadium, le bismuth, le nickel et le titane. Ces éléments se combinent avec l'aluminium pour offrir une meilleure résistance à la corrosion, une résistance accrue et une meilleure capacité de traitement thermique.

Propriétés physiques
Maintenant que vous avez une formation de base sur la métallurgie de l'aluminium, nous allons passer aux propriétés physiques de l'aluminium de métal de base et comment il se compare à d'autres métaux, principalement l'acier.

La raison pour laquelle l'aluminium est de plus en plus spécifié pour de nombreux emplois est ses propriétés physiques. Par exemple, l'aluminium est trois fois plus léger que l'acier et offre une résistance supérieure lorsqu'il est allié aux bons éléments. Il peut conduire l'électricité six fois mieux que l'acier et près de 30 fois mieux que l'acier inoxydable. Cette conductivité électrique élevée rend l'effet du stick-out électrique dans GMAW (soudage à l'arc en métal gazeux) moins significatif par rapport à l'acier (nous aborderons ce concept plus en détail plus loin dans cet article).

De plus, l'aluminium offre une excellente résistance à la corrosion, est facile à façonner et à assembler, et est également non toxique pour les applications alimentaires. Comme il est non magnétique, le soufflage à l'arc ne pose pas de problème pendant le soudage. Avec un taux de conductivité thermique cinq fois plus élevé que l'acier et étant moins visqueux, l'aluminium peut facilement être soudé hors de sa position. L'aluminium a cependant ses inconvénients, car sa conductivité thermique élevée a tendance à agir comme un dissipateur de chaleur rendant la fusion et la pénétration plus difficiles.

Étant donné que l'aluminium a un point de fusion bas de 1 200 degrés F (la moitié de celui de l'acier) pour la même taille de fil, le courant de transition pour l'aluminium est beaucoup plus faible que pour l'acier. De plus, pour le même courant de soudage, le taux de combustion est environ deux fois celui de l'acier.


Propriétés chimiques
En termes de composition chimique, l'aluminium a une solubilité maximale élevée pour les atomes d'hydrogène sous forme liquide et une faible solubilité au point de solidification. Cela signifie que même une petite quantité d'hydrogène dissoute dans le métal de soudure liquide aura tendance à s'échapper à mesure que l'aluminium se solidifie et que la porosité est susceptible de se produire - une grande source de préoccupation pendant le processus de soudage.

De plus, l'aluminium se combine à l'oxygène pour former une couche d'oxyde d'aluminium instantanément lors de son usinage. Cette couche est très poreuse et peut facilement emprisonner l'humidité, l'huile, la graisse et d'autres matériaux. L'oxyde offre une excellente résistance à la corrosion, mais doit être enlevé avant le soudage car il empêche la fusion en raison de son point de fusion élevé (3700 degrés F). Le nettoyage mécanique, les solvants, la gravure chimique et la purge sont utilisés pour enlever la couche d'oxyde.

Propriétés mécaniques
Les propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction, le rendement et l'allongement sont affectées par le choix de la base en aluminium et des alliages d'apport. Pour les soudures sur gorge, la zone affectée par la chaleur (HAZ) dicte la résistance du joint. Dans les alliages d'aluminium non traitables thermiquement, le HAZ sera complètement recuit et le HAZ sera le point le plus faible. Les alliages pouvant être traités thermiquement nécessitent des périodes beaucoup plus longues à des températures de recuit combinées à un refroidissement lent pour les recuire complètement afin que la résistance de la soudure soit moins affectée. Des éléments tels que le préchauffage, le manque de refroidissement entre les passes et l'apport de chaleur excessif provenant de passes de soudure lentes à tissage augmentent tous la température de pointe et le temps à température, ce qui signifie que les niveaux de résistance minimum peuvent ne pas être atteints.

Pour les soudures d'angle, la résistance dépend de la composition de l'alliage d'apport utilisé pour souder le joint. Dans les applications structurelles, la sélection du mastic de la série 5XXX au lieu de la série 4XXX peut fournir deux fois la résistance.

Les alliages non traitables à la chaleur offrent une excellente ductilité lors de l'utilisation de charges correspondantes, bien qu'une ductilité plus faible résulte des soudures réalisées avec la série 4XXX. Les alliages pouvant être traités thermiquement ne présentent pas une ductilité élevée et les traitements thermiques après soudage réduisent généralement la ductilité.

Faire passer la métallurgie au niveau supérieur
Maintenant que nous avons quelques connaissances sur la métallurgie de l'aluminium, nous voulons maintenant appliquer ces connaissances au soudage proprement dit de l'alliage. Pour ce faire, nous allons d'abord examiner la technologie qui produit des caractéristiques de soudage exceptionnelles sur l'aluminium, luttant contre les problèmes courants tels que la mauvaise pénétration, les niveaux élevés de projections, la combustion et la porosité.

Les onduleurs à réponse rapide d'aujourd'hui utilisant la technologie brevetée Waveform Control Technology ™ de Lincoln contrôlent avec précision les formes d'onde de soudage pour un contrôle plus efficace du transfert de gouttelettes. Cela réduit la quantité de projections provoquée par la faible densité de l'aluminium tandis qu'un pic d'impulsion à haute énergie assure une bonne pénétration.

De plus, étant donné que les variations de chimie modifient considérablement les propriétés physiques d’un alliage, ces formes d’onde personnalisées peuvent être conçues pour des alliages spécifiques afin de mieux s’adapter aux propriétés physiques de ce qui est soudé.

Étant donné que l'aluminium a une solubilité maximale élevée pour l'hydrogène à l'état liquide et une faible solubilité à son point de solidification, les formes d'onde de sortie pulsées sont en outre conçues pour minimiser la longueur de l'arc en réduisant la sortie aussi bas que possible et en réduisant la probabilité de porosité.

Lincoln a récemment fait passer les formes d'onde personnalisées au niveau supérieur avec Wave Designer Software®. Le logiciel permet aux ingénieurs en soudage et aux opérateurs de manipuler et de modifier les formes d'onde de soudage sur leurs PC telles qu'elles sont communiquées par l'équipement de soudage en temps réel. Cela crée des performances sur mesure de haute qualité, lorsqu'il est utilisé avec des onduleurs.


Nouvelles méthodes de soudage
L'utilisation de sources d'énergie à courant constant pour le soudage à l'arc de métal gazeux de l'aluminium a une longue et très fructueuse histoire. L'utilisation de la sortie «drooper» a contribué à la fourniture d'un mode de transfert de pulvérisation axiale à haute énergie pour l'aluminium qui répond de manière uniforme et cohérente avec le courant de soudage approprié malgré les changements de longueur de l'arc. Le résultat d'un courant constant est une pénétration constante sur toute la longueur d'une soudure donnée.

L'évolution du contrôle de l'arc a conduit récemment au développement de sources d'alimentation à onduleurs contrôlées par logiciel. L'utilisation de logiciels pour «optimiser» les caractéristiques de l'arc pour l'aluminium GMAW a atteint un nouveau niveau chez Lincoln Electric et est connue sous le nom de Waveform Control Technology. Une sortie de courant constant modifiée est utilisée dans une sortie pulsée synergique à très haute vitesse qui intègre de nombreux avantages du GMAW à courant constant pour l'aluminium. Ces avantages comprennent l'entrée d'énergie élevée qui se produit pendant le pic d'impulsion. Le pic d'impulsion aide à fournir un profil de pénétration cohérent sur toute la longueur d'une soudure donnée et les avantages de la pulsation comprennent également des niveaux de projection réduits, une fluidité améliorée des flaques d'eau avec une augmentation des vitesses de déplacement effectives et une réduction de l'apport de chaleur et des niveaux de distorsion inférieurs.

La technologie Waveform Control Technology ™ de Lincoln Electric fait passer les pulsations au niveau supérieur. Cette technologie permet de manipuler les formes d'onde de soudage pour former la forme d'onde «parfaite», définie par l'utilisateur, pour une application particulière. Cette technologie de contrôle de forme d’onde et la personnalisation qu’elle offre se retrouvent dans des logiciels hautement développés tels que ceux des sources d’alimentation à onduleur Power Wave® de Lincoln. La Power Wave peut être utilisée de deux manières. Les opérateurs peuvent sélectionner des formes d’onde préprogrammées pour le soudage de l’aluminium ou les ingénieurs peuvent créer leurs propres formes d’onde personnalisées à l’aide du logiciel Lincoln's Wave Designer ™. Ces formes d'onde, qui sont créées sur un PC, peuvent être programmées dans la Power Wave.

Anatomie d'une forme d'onde
Mais quelle est exactement la technologie de contrôle de forme d'onde fournie par Wave Designer Pro? Avec cette technologie, la source d'alimentation répond instantanément aux changements demandés par le logiciel. Gardez à l'esprit que la «forme d'onde» est le moyen de déterminer les caractéristiques de performance d'une seule goutte d'électrode fondue. La zone sous la forme d'onde détermine la quantité d'énergie appliquée à cette seule gouttelette. Le courant est augmenté à un niveau supérieur au courant de transition pour le transfert par pulvérisation pendant quelques millisecondes. Pendant ce temps, la gouttelette fondue se forme, se détache et commence son excursion à travers l'arc. Une énergie supplémentaire peut maintenant être appliquée à la gouttelette fondue lors de sa descente ce qui lui permet de conserver sa fluidité ou d'augmenter sa fluidité. L'impulsion se déplace maintenant vers un courant de fond faible qui maintient l'arc qui refroidit le cycle mais prépare l'avancement vers le pic d'impulsion suivant.

Regardons la forme d'onde en détail. Le flanc avant (A) est la montée en crête, mesurée en ampères par milliseconde, où la gouttelette fondue est formée à l'extrémité de l'électrode. Lorsque la gouttelette fondue atteint son maximum, elle se détache. Un pourcentage de "dépassement" courant, (B), fournit une rigidité de l'arc et il aide au détachement de la gouttelette fondue de l'extrémité de l'électrode. Le temps passé au pic, (C) détermine la taille des gouttelettes; moins de temps donne des gouttelettes plus grosses et plus de temps donne des gouttelettes plus petites. De là, la gouttelette fondue détachée est affectée par l'énergie fournie par le flanc arrière. Le flanc arrière est composé de la queue, (D) et de la marche arrière, (E). Les résidus peuvent ajouter de l'énergie à la gouttelette fondue si elle est augmentée. Il peut aider à la fluidité de la flaque d'eau, en particulier lorsque la vitesse de ralentissement est réduite. Le stepoff est l'endroit où se termine la fuite mais cela a un impact sur la stabilité de l'anode et la manipulation de la stepoff peut entraîner l'élimination de la surpulvérisation de fines gouttelettes. À partir de ce point, la forme d'onde se déplace vers le courant de fond, (F), où l'arc est maintenu. Le temps au courant de fond lorsqu'il diminue a pour effet d'augmenter la fréquence d'impulsion. Plus la fréquence d'impulsion est élevée, plus le courant moyen deviendra élevé. L'augmentation de la fréquence se traduira par un arc plus concentré.

La caractéristique «adaptative» du GMAW pulsé synergique est superposée, de manière sélective, sur la forme d'onde. Adaptive, ou adaptivité, fait référence à la capacité de l'arc à maintenir une longueur spécifique malgré les changements de dépassement électrique. Il s'agit d'une amélioration importante pour la consistance du cordon de soudure et le métal soudé sain.


Optimisation des processus via la manipulation des formes d'onde
La manipulation de la forme d'onde peut avoir un effet prévisible sur les vitesses de déplacement, l'aspect final du cordon de soudure, le nettoyage après soudage et les niveaux de fumée de soudage. La vraie beauté dans la manipulation de la forme d'onde dans Wave Designer Pro est la facilité avec laquelle il est de créer une apparence visuelle pour la forme d'onde. L'utilisateur peut alors effectuer des modifications en temps réel «glisser-déposer» dans un environnement PC Windows ™ pendant que l'arc est en cours d'exécution. Les changements en temps réel ou l'arc peuvent être visualisés sur un ArcScope à cinq canaux où les pics de courant, les pics de tension, la puissance et les calculs d'entrée de chaleur peuvent être visualisés instantanément. L'ArcScope échantillonne les données à une fréquence de 10 KHz et constitue un ajout précieux et facultatif au logiciel Wave Designer. L'ArcScope donne à l'ingénieur une compilation visuelle de la forme d'onde créée. Des critiques peuvent être faites et des ajustements peuvent être faits pour optimiser davantage la forme d'onde.

Sur des matériaux de base en aluminium minces de 0,035 po, nous pouvons réduire l'apport de chaleur, réduire la distorsion, éliminer les projections, éliminer les nappes froides et éliminer les brûlures grâce à l'utilisation de la technologie Waveform. Cela a été fait à plusieurs reprises dans les applications qui peuvent bénéficier du GMAW pulsé. Des programmes de soudage peuvent être créés qui s'appliqueront à une plage très spécifique de vitesses et / ou de courants d'alimentation du fil ou ils peuvent être créés pour suivre une très large plage d'épaisseurs de matériau avec une large plage de vitesses d'alimentation du fil.


Conclusion
L'aluminium possède de nombreux attributs attrayants qui en font le matériau de choix pour une multitude d'applications, bien qu'il puisse être différent à souder. Mais, avec une bonne compréhension de la métallurgie et les derniers outils et technologies du marché, l'aluminium peut être traité avec succès.