L’énergie de soudage : un paramètre très important mais pas si simple à déterminer !

1. Contexte

En cours de soudage, la source de chaleur se déplace et provoque localement une montée puis une descente en température (cf. Figure 1). Cela entraîne des transformations métallurgiques hors équilibre et des modifications thermomécaniques.



Figure 1 : Simulation numérique montrant les isothermes produit par une opération de soudage en angle (document Institut de Soudure).


L’énergie de soudage n’est en soi pas si importante que cela : ce sont les cycles thermiques que subit le matériau que l’on soude qui importent. Cependant, en fabrication, le cycle thermique est très rarement enregistré en cours de soudage. En pratique, étant donné que le cycle thermique est corrélé à l’énergie de soudage et à la température initiale du matériau, l’énergie de soudage est déterminée au travers de la mesure de paramètres électriques.

La maîtrise de l’énergie de soudage et de la température initiale de la pièce permet donc de reproduire des cycles thermiques qui permettent d’obtenir les propriétés mécaniques recherchées et de se prémunir de risques éventuels de fissuration (cf. Figure 2).


Figure 2 : Diagramme TRCs d’un acier faiblement allié 15CrMo4-5 illustrant un risque de fissuration à froid lorsque le temps de refroidissement entre 800 et 500 °C est faible (ligne rouge, formation de martensite) et à contrario un risque faible lorsque le refroidissement est moins brutal (ligne verte).

2. Comment calculer l’énergie de soudage ?

En soudage à l’arc électrique, l’énergie de soudage Es est fonction de la tension d’arc, de l’intensité et de la vitesse de soudage :

avec Es : énergie de soudage en kJ/mm, U : tension en V, I : intensité en A et Vs : vitesse de soudage en mm/s.

La vitesse de soudage est déterminée facilement. Pour U et I, on utilise habituellement les valeurs affichées en réalisant une moyenne sur 3 mesures, soit sur le générateur de soudage si celui-ci est vérifié périodiquement, soit sur des appareils externes étalonnés tels que des pinces ampèremétrique.

Mais ce n’est malheureusement pas aussi trivial ! En effet, les onduleurs remplacent progressivement les anciens générateurs de soudage, notamment pour les procédés MIG-MAG et TIG. Les formes d’onde (tension et intensité) sont souvent complexes (cf. Figure 3), leurs fréquences sont bien souvent supérieures à celles des appareils de mesure. De ce fait, qu'est-il vraiment mesuré ?

Figure 3 : Exemple de formes d’ondes de tension et d’intensité délivrées par un onduleur MIG-MAG (Document Institut de Soudure)

À côté des traditionnelles pinces RMS (Root Mean Square) et TRMS (True Root Mean Square), des wattmètres sont apparues plus récemment (cf. Figure 4). Certains constructeurs les intègrent dans le générateur de soudage. Des appareils portatifs sont également disponibles.

Figure 4 : Exemple d’appareils portatifs utilisés pour déterminer l’énergie de soudage : (à gauche) une pince TRMS et (à droite) un wattmètre.

Les wattmètres mesurent les tensions et les intensités instantanées avec une fréquence d’acquisition élevée. Ils calculent le produit numérique des deux pour obtenir une valeur instantanée de puissance (P), qui peut être moyennée sur un temps donné, ou une énergie totale permettant de calculer l’énergie de soudage très facilement :

avec Es : énergie de soudage en kJ/mm, P : puissance mesurée en kW, tarc : temps d’arc allumé en s, L : longueur de la soudure en mm et Etot : énergie cumulée en kJ.




Pour autant, ces appareils permettent-ils de déterminer une valeur plus précise de l’énergie de soudage ? Faut-il remplacer les pinces ampèremétriques classiques par des wattmètres ? Quelles précautions faut-il prendre lors des mesures de paramètres électriques de soudage pour éviter de se retrouver avec des non conformités ?


3. Exemple de résultats

La vidéo ci-après illustre la mesure de paramètres électriques dans le cas du procédé TIG en courant alternatif avec une consigne de l’intensité de 110 A et une fréquence du signal de 100 Hz. Dans ce cas précis, la pince TRMS surestime l’intensité de 17 %, alors que l’écart n’est que d’environ 1 % en courant lisse.


Parmi tous les cas étudiés dans le cadre d’études récentes, nous avons parfois constaté des écarts pouvant atteindre 70 % par rapport à la valeur de référence, ce qui peut avoir des conséquences dramatiques en fabrication !

Ces travaux ont également permis la rédaction d’un Guide des bonnes pratiques pour la mesure des paramètres électriques et le calcul de l’énergie de soudage.


4. Conclusion

Contrairement à ce que l’on pourrait penser, calculer l’énergie de soudage de manière fiable n’est pas du tout trivial. Suivant la technologie du générateur de soudage, des réglages (ou de la loi de synergie choisie) et du moyen de mesure mis en œuvre, des écarts considérables sont observés par rapport à la réalité. Des écarts qui peuvent engendrer des surcoûts lorsqu’il faut reprendre des fabrications non conformes.

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