Prévenir les porosités lors du soudage de l’aluminium

Porosite_aluminiumLa porosité figure parmi les principaux défauts rencontrés dans le cas du soudage de l’aluminium. Ce phénomène est causé par l’hydrogène qui ne peut s’échapper du métal liquide et qui est reste alors piégé dans la microstructure après refroidissement. En fait, la concentration de l’hydrogène, très soluble dans l’aluminium liquide avec une limite d’environ 2.2 cm3/100 gr de métal, décroît rapidement pour passer à 0.069 cm3/100 gr de métal à la limite de solidification, avant de s’annuler quasiment (0.036 cm3/100 g de métal) après refroidissement. Le graphique ci-après illustre ce phénomène. La bonne conductivité thermique de l’aluminium précipite également la porosité notamment dans le cas de joints ou d’assemblages épais.

Graphique_aluminium_complet

Ainsi, en n’étant plus soluble dans l’aluminium à l’état solide, l’hydrogène libre se matérialise dans le métal sous forme de vides ou de poches d’air appelés défauts de porosité. Dépendant des conditions de refroidissement, ces derniers peuvent déboucher à la surface, rester occlus à l’intérieur du métal ou bien même prendre les deux formes. En effet, une porosité grossière ou groupée peut affecter certaines des propriétés du métal dont principalement la résistance mécanique et la ténacité.

SOURCES D’HYDROGÈNE :
En soudage, la présence de l’hydrogène dans l’aluminium tire principalement son origine de l’humidité, de la contamination et, dans une certaine mesure, des conditions de fabrication et des paramètres de soudage.

  1. Humidité
  • Couche d’oxyde hydraté sur la surface du métal;
  • Conditions de stockage du consommable de soudage (électrodes enrobées, baguette et fils solides);
  • Condensation dans les torches de soudage refroidies à l’eau (fuite dans les joints et les raccords);
  • Tuyaux de gaz de protection (plastique défectueux, non hermétique);
  • Gaz de protection inerte de faible pureté;
  • Changement de températures entre l’endroit d’entreposage des métaux d’apport et la station de soudage (condensation-point de rosée)

2. Contamination

L’hydrogène est le produit de la décomposition des substances hydrocarbures telles que les huiles de coupe, les graisses, les solvants, les lubrifiants solides, la saleté, etc. Ces matières contaminantes peuvent être présentes soit sur le métal de base ou métal d’apport, soit sur les outils de préparation ou de nettoyage.

3. Conditions de fabrication et paramètres de soudage

Procédés de fabrication

  • Les métaux de base produits par la coulée sous pression (Die casting)  contiennent initialement un taux de porosité excessif par rapport  à ceux de la coulée statique ou de l’extrusion. Ceci les rend vulnérables à la manifestation de la porosité soit dans le joint ou la zone affectée par la chaleur.

Paramètres de soudage

  • Soudage près de sources de courants d’air (portes ouvertes, ventilateurs en fonctionnement, etc.);
  • Une longueur d’arc ou une distance buse-surface(CTWD) excessives;
  • Couverture gazeuse insuffisante due à un débit de gaz insuffisant;
  • Turbulence dans le bain de fusion causée par un débit de gaz excessif;
  • Soudage GMAW en mode court-circuit (CC) ou globulaire (G) produisant de la projection,
  • Alimentation irrégulière ou erratique du fil en soudage semi-automatique;
  • Éclaboussures déposées autour de la buse affectant l’écoulement normal des gaz de protection;
  • Angle de soudage très inclinée par rapport à la normale;
  • Faible énergie de soudage;
  • Nombre de passes : le soudage multipasse (joints épais) plus enclin à produire de la porosité que le soudage monopasse (joints minces).

Prévention de la porosité

La porosité peut être contrôlée en procédant à un diagnostic exhaustif des principales sources de l’hydrogène avant de pouvoir apporter les actions correctives nécessaires. Cela implique le contrôle des conditions d’entreposage des matériaux d’apport, l’usage d’outils appropriés et propres pour le nettoyage ainsi que la mise en application des bonnes procédures de soudage, comme décrits ci-après.

Métaux d’apport 

Les électrodes ou métaux d’apport doivent être :

  • Entreposés dans un environnement sec ou sous une humidité relative maximale de 35% et à une température minimale de 15°C;
  • Conservés dans leur emballage d’origine jusqu’au moment de leur utilisation;

Les électrodes enrobées ayant absorbé de l’humidité peuvent être reconditionnées par un étuvage à 100-120°C pendant 1 à 2 heures.

Les fils et baguettes d’apport doivent être exempts de toute trace de lubrifiant solides utilisés lors des opérations de formage (tréfilage) pour réduire le frottement.

Outils, nettoyage et préparation:

  • Utiliser seulement des outils propres dédiés à l’aluminium tels que les brosses en acier inoxydable ou meules en céramiques pour enlever le film d’oxyde en surface;
  • Choisir des tuyaux de gaz de bonne résistance à l’humidité, soit en métal ou en néoprène;
  • Vérifier l’étanchéité des torches (Joints torique et raccords);
  • Dégraisser ou essuyer les baguettes d’apport solides avec des solvants tels que l’acétone;
  • Porter des gants propres pour manipuler le métal (pièces ou métaux d’apport);
  • Mettre les métaux d’apport au même endroit que les pièces à souder au moins une heure avant le soudage;
  • Respecter un intervalle de temps de 6 h max entre le nettoyage de la surface du métal et le début de soudage. Autrement, le nettoyage doit se faire  de nouveau avant le soudage.
  • Utiliser des gaz de protection et de purge qui rencontrent les exigences minimales de pureté selon les codes en vigueur.

3-Méthode de soudage :

  • Préchauffer le métal de base (ép.>1/4″) et aussi la plaque support (si utilisée) vers 200°C (400°F);
  • Utiliser le courant alternatif-haute fréquence pour le soudage TIG, afin d’assurer une meilleure action de décapage de la surface;
  • Augmenter l’énergie de soudage pour avoir un bain de fusion très fluide;
  • Utiliser un mélange de gaz inerte Ar-He (He>25% jusqu’à 75%) plutôt que l’argon pur afin d’avoir un arc très chaud et induire davantage de chaleur dans le métal et le bain de fusion;
  • Éviter les turbulences dans le bain de fusion en assurant une alimentation constante en fil;
  • Réduire le taux de refroidissement en réduisant la vitesse linéaire de soudage;
  • Garder la plus petite distance possible entre la buse et la surface du joint, soit 1-2 cm maximum;
  • Souder suivant un angle de plus ou moins 20° maximum par rapport à la normale.

Comme vous avez pu le voir, la porosité est créée par l’hydrogène qui n’a pu s’échapper lors du refroidissement de la soudure. Afin d’obtenir une soudure exempte de porosités, ont doit éliminer plusieurs sources qui favorisent la présence d’hydrogène que ce soit l’humidité, la contamination du matériel d’apport ou de base, les conditions de fabrication ou les paramètres de soudage. En assurant un meilleur contrôle des sources d’hydrogène vous augmenterez grandement vos chances d’obtenir une soudure sans porosité.

khemici.badri@sodel.com

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INDUSTRIE ALIMENTAIRE : ALIMENTER LA DURABILITÉ ET LA CONFORMITÉ DES PIÈCES D’ÉQUIPEMENTS

Dans les secteurs de l’industrie laitière et de transformation des aliments, on retrouve un grand nombre d’équipements et d’outils (cuves, mélangeurs, chariots, autoclave, récipients, plateaux, robinets, etc.) qui sont faits de matériaux métalliques et dont les critères de sélection sont basés principalement sur la non-toxicité et la durabilité. Le critère de durabilité implique dans ce contexte une résistance parfaite à la corrosion dans les différents milieux de transformation et les constituants des produits alimentaires en contact. Cela sous-entend qu’aucune contamination ni attaque localisée ou dissolution ne soient tolérées sur ces métaux ou alliages.

Les alliages d’aluminium (séries 1000 « aluminium pur » et série 3003), aciers inoxydables austénitiques (séries ferritiques et austénitique) et les alliages de nickel (nickel pur, Monel, Inconel, etc.) figurent, entre autres, parmi les meilleurs matériaux candidats pour l’industrie alimentaire. Ces matériaux sont couramment délivrés sous de multiples formes, à savoir des feuilles et des plaques laminées, des pièces coulées, des barres, des fils, des tubes, des raccords de tuyauterie, etc. La question d’assemblage, d’usinage et aussi du fini de surface occupe une place déterminante sur la qualité du produit fini. En s’intéressant d’aussi près à l’assemblage ou à la réparation qui se justifie parfois au moyen du soudage ou du brasage, on doit s’attarder normalement sur les propriétés des matériaux en question ainsi que les procédés et méthodes à mettre en œuvre. Pour cela, on voudrait évoquer ci-après quelques points sur ce qui s’avérerait utile pour la fabrication de ces produits qui doivent répondre à des normes de qualités et d’intégrité bien strictes.

Procédés de fusion à l’arc : le procédé TIG (GTAW), entre autres, présente toujours une meilleure qualité de soudure surtout pour l’aluminium avec l’avantage de produire une quantité négligeable voire nulle d’éclaboussures ou de projection. Ceci rend le procède bien adapté aux applications qui requièrent un degré de propreté ou d’esthétique élevés tels que des joints sur des tubes ou raccords.

Procédé de brasage : à cause de la toxicité de certains éléments d’alliage, on recommande d’utiliser:

  • des produits d’argent sans cadmium pour le brasage fort (Brazing),
  • des produits exempts de plomb ou d’antimoine pour le brasage tendre (Soldering).

Quelques critères de choix des aciers inoxydable (austénitiques et ferritiques)

Grades

  • grades à bas carbone pour les grades austénitiques et aussi les grades ferritiques pour des raisons de résistance à la corrosion et de soudabilité;
  • grades à très bas souffre pour prévenir la formation de sulfures qui rendent les surfaces irrégulières avec des traces ou points qui surgissent à la surface après polissage, lesquels sont à l’origine d’une corrosion localisée par piqures. Cependant, les teneurs en soufre ne doivent pas être inférieures à un certain niveau, soit 0.005% minimum, pour préserver une pénétration optimale de la soudure.

Autres facteurs :

  • Gaz de purge : la purge pour la protection du revers de la soudure surtout dans le cas des tubes ou assemblages à parois minces.
  • Passivation : ce traitement final s’impose après des opérations de soudage pour faire disparaître la couche tintée par la chaleur (couche appauvrie en chrome) qui prend naissance à côté des joints soudés et ainsi restaurer la bonne couche d’oxyde à la surface nécessaire pour la résistance à la corrosion.

Fini de surface : une surface très rugueuse favorise l’incrustation de produits corrosifs ou des contaminants, ce qui active généralement la corrosion bactérienne. La surface doit ainsi être dépourvue de rainures, stries, trous, etc. De ce fait, une rugosité optimale de l’ordre de 0.4 à 0.5μm favorise une meilleure résistance à la corrosion.

Design : un design bien pensé permet un accès facile à l’ensemble des surfaces et coins du produit. En fait, de bonnes pratiques de formage, d’usinage et de finition permettent d’éviter la présence de discontinuités géométriques indésirables telles que des cavités à la surface, manque de soudure, bourrelet de métal, ou des vides qui servent de sites privilégiés de corrosion par crevasses ou de corrosion bactérienne.

On en conclut que la fabrication de pièces ou d’équipements dans le secteur alimentaire est assujettie à des critères multiples et bien strictes depuis le stade du design jusqu’au procédés de fabrication en passant évidemment par le bon choix des matériaux. Une pièce bien conçue permettra d’éviter plusieurs problèmes en service et en facilitera la maintenance.

khemici.badri@sodel.com

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