L'un des autres articles sur le site Web de Lincoln Electric traite de la fusion de soudure par rapport à la pénétration de la soudure, ainsi que du moment où une pénétration plus profonde de la soudure peut être bénéfique et poser problème. Quelles variables de soudage affectent la pénétration de la soudure? Comment obtenir plus ou moins de pénétration dans une soudure?

La profondeur de fusion (ou «pénétration») est la distance à laquelle la fusion s'étend dans le métal de base ou passe précédente de la surface fondue pendant le soudage. La figure 1 montre une coupe transversale d'une soudure d'angle, où le profil de pénétration peut être vu.

La variable de soudage qui a le plus d'effet sur le degré de pénétration de la soudure est le courant (mesuré en ampérage ou ampères). Tout simplement, à mesure que le courant de soudage augmente (c'est-à-dire plus d'ampérage), la pénétration de la soudure augmente et à mesure que le courant de soudage diminue (c'est-à-dire moins d'ampérage), la pénétration de soudure diminue. La figure 2 illustre ce point avec trois soudures effectuées à des niveaux de courant différents et où toutes les autres variables étaient maintenues constantes.

Figure 1

Figure 2

Avec les procédés de soudage à l'arc qui utilisent une sortie de courant constant (CC), le courant est la principale variable de soudage préréglable. Cependant, avec les processus utilisant une sortie à tension constante (CV), la tension et la vitesse de dévidage du fil (WFS) sont les principales variables de soudage préréglables, les niveaux de courant étant le résultat de la WFS. À mesure que la WFS augmente, le niveau de courant correspondant pour ce type et ce diamètre d'électrode particuliers augmente également. Inversement, à mesure que la WFS diminue, le courant diminue également.

Il existe plusieurs autres variables de soudage qui affectent également le degré de pénétration de la soudure. Les puces suivantes, sans ordre particulier, discuteront des effets de chacune d'elles sur le niveau de pénétration (en supposant que toutes les autres variables sont maintenues constantes). Notez que la figure 2 (ci-dessus) ainsi que les figures 3, 5, 6 et 7 montrent les coupes transversales (et les niveaux de pénétration résultants) des soudures réalisées avec le procédé de soudage à l'arc submergé (SAW). Le procédé SAW a été choisi pour illustrer l'effet (ou aucun effet) de ces différentes variables de soudage sur le niveau de pénétration car les résultats sont plus spectaculaires. SAW est généralement utilisé à des niveaux de courant très élevés, ainsi qu'à des vitesses de déplacement rapides, des niveaux de tension assez élevés et utilise des électrodes de plus grand diamètre. Alors que les changements de ces variables de soudage auront le même effet sur le niveau de pénétration lors de l'utilisation d'autres procédés de soudage à l'arc, parce que le niveau de courant, etc. ne sont pas aussi élevés, les différences de pénétration ne seront pas aussi dramatiques.

• Polarité: le type de polarité de soudage utilisé affecte le niveau de pénétration. Avec la plupart des procédés de soudage à l'arc, la polarité DC + (électrode à courant continu positive) produit plus de pénétration de la soudure, car plus d'énergie d'arc est concentrée dans la plaque de base. Inversement, la polarité DC- (électrode à courant continu négative) produit moins de pénétration de la soudure, car plus d'énergie d'arc est concentrée dans l'électrode et non dans la plaque de base. C'est le cas des procédés de soudage à l'arc métallique blindé (SMAW), de soudage à l'arc gaz-métal (GMAW), de soudage à l'arc fourré (FCAW) et SAW (voir figure 3). L'exception est le procédé de soudage à l'arc au gaz tungstène (GTAW), dans lequel l'effet de la polarité sur la pénétration est opposé. Avec GTAW, la polarité CC entraîne une plus grande pénétration de la soudure (la polarité CC + n'est généralement pas utilisée).
  
  Certaines sources d'alimentation SAW avancées utilisent la technologie de contrôle de forme d'onde et le courant alternatif (courant alternatif) afin de fournir une excellente stabilité de l'arc et un contrôle entre les taux de dépôt de soudure et les niveaux de pénétration de la soudure. Ils ont également la capacité de contrôler l'équilibre de l'onde CA, le décalage du courant et de la fréquence pour un contrôle supplémentaire sur les caractéristiques de soudage.

Figure 3

• Procédé de soudage: les différents procédés de soudage à l'arc ont des caractéristiques de pénétration de soudure associées. Par exemple, les procédés SAW, FCAW et GMAW (dans un mode de transfert de métal à arc globulaire, par pulvérisation ou par pulvérisation pulsée) sont connus en général pour des niveaux plus élevés de pénétration de soudure. Alors que les procédés GTAW, GMAW-C (noyau métallique) et GMAW (dans un mode de transfert métallique en court-circuit) sont connus en général pour des niveaux de pénétration inférieurs. Bien entendu, cette corrélation est également liée au courant. Par exemple, le procédé SAW a tendance à être utilisé à des niveaux de courant très élevés tandis que le procédé GMAW de court-circuit a tendance à être utilisé à des niveaux de courant plus bas. Le procédé SMAW peut avoir des caractéristiques de pénétration plus profondes ou moins profondes, selon le type spécifique d'électrode utilisé.

• Type d'électrode: même dans le même processus de soudage, des électrodes de différentes classifications peuvent avoir des caractéristiques de pénétration différentes. Par exemple, avec le procédé SMAW, une électrode E6010 a généralement une pénétration plus profonde, tandis qu'une électrode E7024 a généralement une pénétration moins profonde. Un autre exemple peut être vu avec le processus FCAW. Une électrode E70T-1 a généralement une pénétration plus profonde, tandis qu'une électrode E71T-1 a généralement une pénétration moins profonde.

• Angle de déplacement: le degré de l'angle de déplacement, qu'il s'agisse d'un angle de déplacement de poussée ou de traînée, affecte la quantité de force de l'arc dirigée vers le bas dans la plaque de base. Un angle de déplacement de 0 ° à 10 ° (c'est-à-dire, l'électrode perpendiculaire ou presque perpendiculaire à la plaque) entraînera une plus grande pénétration de la soudure. À mesure que l'angle de déplacement devient plus sévère, le niveau de pénétration de la soudure diminue.

• Type de gaz de protection: les types de gaz de protection ont également un effet sur la pénétration de la soudure. Les gaz de protection avec un taux de conductivité thermique plus élevé, tels que 100% de dioxyde de carbone (CO2) ou 100% d'hélium (He), produiront des soudures avec un profil de pénétration plus large et plus profond. Alors que les gaz de protection avec un taux de conductivité thermique plus faible, tels que 100% d'argon (Ar) ou un mélange Ar / CO2 ou Ar / oxygène (O2), ont un profil de pénétration moins profond qui est plus effilé au milieu (voir Figure 4 ).

 Figure 4

Diamètre d'électrode: lors du soudage avec deux diamètres différents de la même électrode et au même niveau de courant, on obtient généralement plus de pénétration avec l'électrode de plus petit diamètre qu'avec l'électrode de plus grand diamètre (voir Figure 5). Si vous regardez une tranche d'extrémité de chaque fil de taille, le plus petit diamètre a moins de section transversale que le plus grand diamètre. Comme la même quantité de courant circule à travers chaque électrode, la concentration ou la densité de courant est plus grande dans l'électrode de plus petit diamètre que dans l'électrode de plus grand diamètre. En raison de cette densité de courant plus élevée, l'électrode de plus petit diamètre aura une plus grande pénétration de soudure que l'électrode de plus grand diamètre. Notez cependant que chaque diamètre d'électrode a une densité de courant maximale avant que l'arc de soudage ne devienne très instable et erratique. Ainsi, lorsque le courant atteint un certain niveau, il deviendra nécessaire d'augmenter le diamètre de l'électrode.

Figure 5

Vitesse de déplacement: la vitesse de déplacement de l'électrode le long du joint affecte le temps que l'énergie de l'arc doit transférer dans la plaque de base en un point particulier le long du joint. À mesure que la vitesse de déplacement augmente, la durée pendant laquelle l'arc passe au-dessus d'un point particulier le long du joint est moindre et le niveau de pénétration résultant diminue. À mesure que la vitesse de déplacement diminue, la durée pendant laquelle l'arc passe au-dessus d'un point particulier le long du joint est plus grande et le niveau de pénétration qui en résulte augmente (voir la figure 6).

Figure 6

• Variations CTWD: avec les processus GMAW, FCAW et SAW sur des sources d'alimentation à tension constante (CV) et fonctionnant à une vitesse et une tension d'alimentation du fil définies, lorsque la distance de la pointe de contact à la distance de travail (CTWD) est augmentée, plus de résistance au flux d'électricité à travers l'électrode se produit, parce que l'électrode (c'est-à-dire, le conducteur électrique métallique) est plus longue. À un niveau de tension constant, cette augmentation de la résistance entraîne une diminution du courant (c'est-à-dire la loi d'Ohm), ce qui entraîne une diminution du niveau de pénétration. Inversement, à mesure que le CTWD diminue, la résistance diminue également. Par conséquent, le courant augmente et donc la pénétration augmente.

La tension d'arc est l'une des principales variables de soudage qui n'a pratiquement aucun effet sur la pénétration de la soudure. Bien que les changements de tension de l'arc puissent entraîner des changements minimes dans la pénétration de la soudure, l'effet est très mineur par rapport au courant de soudage et aux autres variables énumérées dans cet article. La tension de l'arc affecte la longueur de l'arc. À la même vitesse d'alimentation du fil, à mesure que la tension augmente, la longueur de l'arc s'allonge et à mesure que la tension diminue, la longueur de l'arc diminue. La longueur de l'arc détermine à son tour la largeur et la taille du cône d'arc. À mesure que la longueur de l'arc diminue, le cône d'arc devient plus étroit et l'arc est plus concentré (voir Figure 7). Le résultat est un cordon de soudure plus étroit et plus filant et le niveau de pénétration de la soudure peut diminuer très légèrement. Inversement, à mesure que la longueur de l'arc augmente, le cône d'arc devient plus large et l'arc est plus large. Le résultat est un cordon de soudure plus large et plus plat et le niveau de pénétration de la soudure peut augmenter très légèrement. L'effet de la tension de l'arc sur la forme du cordon est clairement visible sur la Figure 8. Notez également qu'une très légère différence de pénétration de la soudure peut être détectée entre les soudures effectuées à 27 volts, 34 volts et 45 volts (tous au même ampérage, course électrode de vitesse et de diamètre). Sachez cependant qu'il s'agit d'une variation extrêmement importante de la tension de l'arc, effectuée uniquement sur cet échantillon de soudure pour illustrer ce point. En pratique, la tension de l'arc ne varierait que de quelques volts lors du soudage. Par conséquent, le changement de pénétration causé par le changement de tension (seulement) de quelques volts serait pratiquement inexistant.

Figure 7

Figure 8

Ironiquement, de nombreux soudeurs pensent à tort que la tension de l'arc est la principale variable qui affecte le niveau de pénétration de la soudure. La tension est souvent appelée à tort «chaleur», où les soudeurs augmentent la tension ou la «chaleur» pour percevoir plus de pénétration et baissent la tension ou «chaleur» pour moins de pénétration perçue. Cette idée fausse se produit probablement parce qu'ils voient le cordon de soudure s'élargir avec plus de tension et devenir étroit et en corde avec moins de tension (comme illustré à la Figure 8). Cependant, comme expliqué ci-dessus, le profil du cordon de soudure devient plus large ou plus étroit avec les changements de tension parce que le cône d'arc devient plus large ou plus étroit avec les changements de tension. Le niveau de pénétration de soudure résultant avec différents niveaux de tension d'arc (mais au même niveau de courant) est pratiquement inchangé.