Soudage TIG orbital de tubes minces en acier inoxydable/titane pour applications en salle blanche :
comment obtenir une soudure reproductible et comment en vérifier la qualité Automatique traduire

Le soudage TIG orbital automatique est devenu la norme dans les industries où le coût d’une erreur se mesure non pas au prix d’un tuyau, mais à l’arrêt de lignes de production entières. Les industries pharmaceutique, des semi-conducteurs et aérospatiale imposent aux canalisations des exigences impossibles à satisfaire manuellement avec la régularité requise. L’erreur humaine, les tremblements de la main ou la fatigue oculaire sont inacceptables. La surface interne de la soudure doit être si lisse que les colonies bactériennes et les agents corrosifs ne peuvent s’y développer.

Physique du processus dans une chambre fermée

La technologie de base pour les tubes de petit et moyen diamètre (généralement de 3 à 170 mm) repose sur les têtes de soudage fermées. Contrairement aux systèmes ouverts, l’électrode de tungstène tourne autour d’un tube fixe à l’intérieur d’une chambre étanche remplie de gaz de protection. Ceci crée une micro-atmosphère unique autour de la zone de fusion. L’absence d’oxygène dans la chambre empêche l’oxydation de la soudure depuis l’extérieur, mais c’est à l’intérieur du tube que se joue principalement la qualité de la soudure.

Le soudage en matrice fermée se caractérise par l’absence de fil d’apport. La liaison est réalisée par fusion des bords des tubes eux-mêmes. Ce procédé est appelé soudage autogène. Il élimine le risque d’introduction de contaminants externes, mais impose des exigences d’assemblage extrêmement strictes. En soudage manuel, le soudeur peut combler l’espace en ajoutant du fil d’apport ; or, le moindre espace peut entraîner un affaissement du bain de fusion ou un amincissement de la paroi de la soudure.

Les ingénieurs de procédés sous-estiment souvent l’influence de la gravité sur le bain de fusion pour les parois minces. Même à 1,6 mm d’épaisseur, le métal liquide se comporte différemment selon qu’il soit en haut (position 12 h) ou en bas (position 6 h). En haut, la gravité favorise la pénétration en repoussant le bain vers l’intérieur. En bas, elle tend à le repousser vers l’extérieur, créant un affaissement. L’automatisation compense ces forces, à condition que le programme soit correctement configuré.

L’opérateur doit maîtriser non seulement la géométrie de la face d’extrémité, mais aussi tous les paramètres d’entrée. Même les matériaux de soudage de la plus haute qualité et les gaz les plus coûteux ne pourront garantir l’étanchéité de l’assemblage si l’écart entre les pièces dépasse le centième de millimètre admissible. L’ajustement de l’assemblage doit être parfait : aucun jeu n’est toléré et le désalignement des bords ne doit pas excéder 10 à 15 % de l’épaisseur de la paroi.

Soudage orbital de l’acier inoxydable et du titane

Lors du travail des aciers inoxydables austénitiques (le plus courant étant le 316L), la surchauffe constitue le principal problème. L’acier inoxydable possède une faible conductivité thermique. La chaleur ne se transmet pas au corps du tube, mais s’accumule dans la zone de soudure. Si l’apport de chaleur n’est pas maîtrisé, une décoloration apparaît. Ces stries irisées ne sont pas qu’un simple défaut visuel : il s’agit d’une couche d’oxyde de chrome appauvrie en métal sous-jacent. Dans un environnement agressif, c’est à cet endroit que la corrosion se déclenche.

Pour une production «propre» (UHP – Ultra Haute Pureté), les normes interdisent généralement toute décoloration à l’intérieur du tube. Seule une légère teinte paille est tolérée, mais la soudure idéale doit être argentée. Ce résultat est obtenu non seulement grâce aux réglages du courant, mais aussi grâce à la teneur en oxygène résiduel du gaz de protection.

Le soudage du titane exige une rigueur encore plus grande. Le titane est un métal extrêmement réactif. Chauffé à plus de 400 °C, il absorbe avidement l’oxygène, l’azote et l’hydrogène de l’atmosphère. Alors que l’acier tolère une brève interruption de la protection, le titane devient instantanément cassant. Une soudure sous atmosphère protectrice peut paraître normale, mais elle se fissurera à la première vibration. Lors du soudage orbital de pipelines en titane, la purge est effectuée pendant une durée plus longue et la température du métal est contrôlée à la sortie de la zone de protection.

L’influence du soufre dans la composition de l’acier modifie également l’hydrodynamique du bain de fusion. Une différence de teneur en soufre entre deux tubes à souder (par exemple, un tube contient 0,005 % de soufre et un raccord 0,015 %) peut entraîner un décalage de l’arc et une pénétration asymétrique. Ce phénomène est connu sous le nom d’effet Marangoni : le métal liquide s’écoule des zones de faible tension superficielle vers les zones de forte tension superficielle. L’ingénieur de procédés doit vérifier les numéros de coulée des soudures avant de commencer le travail.

Gestion sectorielle de l’énergie

Le soudage orbital n’est pas un processus monotone où le courant est appliqué uniformément du début à la fin. Il est décomposé en secteurs. Généralement, le cercle est divisé en 4 à 12 segments, chacun ayant ses propres paramètres.

Au début (généralement en position latérale ou inférieure), un courant élevé est nécessaire pour former rapidement un bain de fusion. À mesure que l’électrode remonte, l’apport de chaleur diminue, car le tube est déjà chaud et la gravité facilite la pénétration. Lors de la descente (après 12 heures), le courant est ajusté pour éviter les fuites du bain de fusion. Le processus se termine par un recouvrement de la soudure : l’arc dépasse le point de départ de 5 à 10 mm, en réduisant progressivement le courant (courant décroissant) pour souder le cratère.

Le mode courant pulsé est l’outil principal pour contrôler le bain de fusion sur les parois minces. Le courant pulsé à haute fréquence comprime l’arc, le rendant fin et précis, ce qui assure une pénétration profonde avec un échauffement global réduit. Le courant pulsé à basse fréquence permet au métal de cristalliser progressivement en fines lamelles. Pendant la pause entre les impulsions, le bain de fusion refroidit partiellement, évitant ainsi la perforation.

Protection et purge au gaz

Le purgeage à l’arc est une étape cruciale. Un gaz inerte (argon de pureté 99,998 % ou un mélange hydrogène/hélium) est injecté dans le tube. Pour l’acier inoxydable, on utilise souvent des mélanges contenant 2 à 5 % d’hydrogène : l’hydrogène fixe l’oxygène résiduel et augmente la température de l’arc, ce qui permet d’obtenir une soudure plus fine et plus lisse. En revanche, l’utilisation d’hydrogène est strictement proscrite pour le titane en raison du risque de fragilisation par l’hydrogène.

La pression du gaz à l’intérieur du tuyau doit être équilibrée. Une pression excessive repousse le métal en fusion vers l’extérieur, formant une base concave. Une pression insuffisante provoque un affaissement excessif vers l’intérieur, réduisant ainsi la section transversale du tuyau. Les techniciens utilisent des bouchons spéciaux munis de trous calibrés ou des systèmes de régulation automatique de la pression interne.

L’utilisation d’analyseurs d’oxygène résiduel est indispensable. Le soudage ne doit pas commencer tant que le capteur n’indique pas une valeur inférieure à 10-20 ppm (parties par million). Tenter de commencer le soudage «à l’œil nu», en se fiant uniquement au temps de purge, entraîne souvent la défaillance de composants coûteux. Le gaz doit chasser tout l’air, y compris les volumes microscopiques présents dans les pores du métal et à la surface des pièces.

Électrode de tungstène comme variable de précision

La géométrie d’affûtage de l’électrode influe directement sur la forme de l’arc et la profondeur de pénétration. Les têtes de soudage orbitales utilisent des électrodes prédécoupées de longueur fixe. L’angle d’affûtage (généralement de 15 à 30 degrés) détermine la largeur de la soudure : plus l’angle est aigu, plus l’arc est large et plus la profondeur de pénétration est faible. Un angle obtus concentre l’énergie.

La surface de l’électrode doit être polie. Les marques de meulage sur le tungstène peuvent provoquer une instabilité de l’arc : des électrons sont éjectés des arêtes vives des rayures, ce qui entraîne une dérive de l’arc. Des électrodes alliées (cérium ou lanthane) sont utilisées dans les têtes de soudage fermées, car le tungstène pur ne résiste pas aux contraintes thermiques. Les électrodes au thorium, autrefois courantes, sont désormais évitées en raison de la faible radioactivité des poussières générées lors de l’affûtage, ce qui est incompatible avec les normes de sécurité de nombreuses industries en salle blanche.

La distance entre l’électrode et la pièce à souder (l’entrefer) est fixée mécaniquement et reste constante pendant le soudage à tête fermée. Ceci simplifie le système, car un régulateur automatique de tension d’arc (RAV) n’est pas nécessaire, mais exige que le tube soit parfaitement ovale. Si le tube est ovale, l’entrefer variera lors de la rotation, ce qui entraînera une pénétration irrégulière.

Contrôle et validation objectifs

En production de masse, il est impossible d’inspecter chaque joint par radiographie ou endoscopie, surtout lorsque des milliers d’assemblages sont réalisés dans une même usine. Par conséquent, l’accent est mis sur la validation du processus. Si les paramètres de soudage (courant, tension, vitesse de rotation, débit de gaz) restent dans une tolérance étroite tout au long du cycle, le joint est considéré comme acceptable.

Les postes de soudage orbital modernes font office d’enregistreurs de données. Ils enregistrent les valeurs des paramètres réels jusqu’à plusieurs fois par seconde. À la fin de son poste, le technicien reçoit un rapport numérique. Toute anomalie, comme une surtension ou une brève coupure de gaz, est consignée. Le système peut automatiquement signaler une soudure comme suspecte.

L’inspection visuelle (IV) et l’endoscopie demeurent les principales méthodes d’inspection. Un endoscope est inséré dans le tube pour inspecter la racine de la soudure. L’opérateur recherche des signes de fusion incomplète, d’oxydation ou d’inclusions de tungstène. Les couleurs de revenu sont classées selon des tables normalisées spécifiques (par exemple, ASME BPE). Pour les applications pharmaceutiques, la présence de colorations violettes ou bleues à l’intérieur du tube constitue un défaut avéré, nécessitant la découpe et le resoudage de la section concernée.

facteur de préparation de surface

L’usinage des extrémités avant soudage est plus important que le soudage lui-même. Le découpage à la meule abrasive est proscrit : il surchauffe le métal, altère sa structure et laisse des particules abrasives. Seules les coupeuses orbitales à pointes en acier rapide ou en carbure sont utilisées. Elles garantissent des coupes perpendiculaires et une finition sans bavures.

Après la découpe, la surface est ébarbée pour obtenir une planéité parfaite. Vient ensuite un nettoyage minutieux. L’utilisation de solvants chlorés est proscrite, car l’arc électrique produit du phosgène, qui provoque la fissuration par corrosion sous contrainte de l’acier inoxydable. On utilise de l’alcool ou de l’acétone de haute pureté et des lingettes non pelucheuses. Il est impératif de ne pas toucher la jointure nettoyée à mains nues, car les traces de doigts gras se transformeraient en inclusions de carbone et en carbures lors du soudage, réduisant ainsi la résistance à la corrosion.

Le soudage orbital est une technologie rigoureuse. La machine ne réalisera une opération parfaite que si l’opérateur garantit des conditions optimales. La répétabilité est le fruit du strict respect d’un protocole, où chaque mouvement est contrôlé et chaque variable prise en compte et documentée.