Soudage à l’Arc Submergé : Définition et Applications

On nous pose souvent des questions sur les procédés de soudage industriels les plus performants. Le soudage à l’arc submergé, ou SAW, en fait partie. On va être direct avec vous : c’est une technique très spécifique, pas du tout faite pour le bricolage. C’est une méthode automatisée conçue pour la très haute productivité sur des pièces épaisses. On vous explique tout : sa définition, son fonctionnement, l’équipement nécessaire et ses applications concrètes.

Le soudage à l’arc submergé en bref 📋

• Définition du SAW : C’est un procédé de soudage à l’arc automatique où l’arc électrique est invisible, caché sous une couche de poudre appelée « flux ».
• Principe de protection : Le flux fond au contact de l’arc, créant un laitier et des gaz qui protègent le métal en fusion de l’air ambiant.
• Productivité : Son taux de dépôt de métal est très élevé, ce qui le rend parfait pour réaliser de longs cordons de soudure en continu.
• Position de travail : Il est presque exclusivement utilisé pour le soudage à plat, car le flux en poudre s’écoulerait dans d’autres positions.
• Applications typiques : On l’utilise pour assembler des pièces de forte épaisseur comme des cuves, des pipelines ou des poutres métalliques.
• Qualité du résultat : Il permet d’obtenir des soudures avec une pénétration profonde, régulière et de très haute qualité mécanique.

Principe et fonctionnement détaillé du procédé SAW

Pour bien comprendre le soudage à l’arc submergé, il faut visualiser un processus qui se déroule entièrement à l’aveugle. Contrairement à d’autres procédés de soudage où le soudeur voit l’arc, ici, tout est caché sous le flux. C’est ce qui le rend si particulier et efficace.

Le fonctionnement est assez simple dans son principe. Une tête de soudage automatique avance le long du joint à souder. Juste avant le point de soudage, une buse déverse un flux granulaire qui recouvre complètement la zone. Sous cette couche de poudre, un arc électrique est créé entre le fil d’apport (l’électrode) et les pièces à assembler. La chaleur intense de l’arc, qui peut atteindre plusieurs milliers de degrés, fait fondre simultanément le bout du fil, le métal de base et une partie du flux.

Le triple rôle du flux

Le flux n’est pas juste une simple poudre. C’est l’élément central du procédé, avec trois fonctions vitales :

• Protection du bain de fusion : En fondant, le flux crée une couche de laitier liquide qui flotte au-dessus du métal en fusion. Ce laitier, ainsi que les gaz qu’il dégage, forment une barrière parfaite contre l’oxygène et l’azote de l’air. C’est ce qui garantit une soudure saine, sans porosités.
• Apport d’éléments d’alliage : Le flux n’est pas neutre. Il contient des composants (manganèse, silicium…) qui sont transférés dans le bain de soudure pour améliorer les propriétés mécaniques du joint (résistance, ductilité).
• Stabilisation de l’arc : La composition chimique du flux aide à stabiliser l’arc électrique. Cette stabilité permet d’utiliser des courants de soudage très élevés, chose impossible avec d’autres procédés, et c’est ce qui permet d’atteindre une pénétration aussi profonde et une vitesse élevée.

Une fois la soudure effectuée, la tête de soudage continue d’avancer. Le métal fondu se solidifie pour former le cordon de soudure, et le laitier liquide se solidifie par-dessus en une croûte vitrifiée. Cette croûte doit être retirée après refroidissement. Le flux qui n’a pas fondu, lui, est aspiré par un système de recyclage pour être réutilisé, ce qui rend le procédé assez économique en consommables.

L’équipement complet pour le soudage à l’arc submergé

On ne va pas se mentir, une installation de soudage SAW est imposante et coûteuse. C’est un investissement réservé à l’industrie lourde. Voici les composants principaux que vous trouverez sur une ligne de production :

• Le générateur de courant : C’est la source d’énergie. Pour le SAW, on a besoin de puissance. Les générateurs peuvent fournir un courant de soudage jusqu’à 2 000 ampères et doivent avoir un facteur de marche de 100 %. Cela veut dire qu’ils peuvent fonctionner en continu sans surchauffe.
• La tête de soudage : C’est le cœur du système. Elle regroupe le pistolet qui guide le fil, le moteur qui le pousse, et la buse qui déverse le flux juste au bon endroit. Elle est montée sur un système de déplacement automatique.
• Le système d’alimentation en fil : Il est composé d’un dévidoir qui porte de grosses bobines de fil. Le diamètre des fils d’apport varie de 2 à 8 mm, ce qui est bien plus gros que pour le soudage manuel.
• La trémie de flux : C’est un réservoir, souvent chauffé pour garder le flux bien sec, qui alimente la buse de la tête de soudage en continu.
• Le système de recyclage du flux : C’est un aspirateur industriel puissant qui récupère le flux non fondu derrière la tête de soudage pour le renvoyer dans la trémie.

Les systèmes de déplacement

Comme le procédé est automatique, la tête de soudage ou la pièce doit se déplacer de manière précise et constante. On trouve principalement trois configurations :

• Le chariot automoteur : La tête de soudage est montée sur un chariot qui se déplace sur des rails le long de la pièce. C’est la solution pour souder de longues poutres ou des tôles à plat.
• Le vireur ou positionneur : La tête de soudage est fixe, et c’est la pièce (par exemple, une cuve cylindrique) qui tourne sur des rouleaux motorisés. C’est idéal pour les soudures circulaires.
• Le manipulateur de soudage : C’est une colonne avec un bras horizontal mobile (potence) au bout duquel est fixée la tête de soudage. Cet équipement permet de positionner la tête avec une grande précision au-dessus de pièces complexes.

Avantages et inconvénients du soudage SAW

Comme toute technique, le soudage à l’arc submergé a ses points forts et ses limites. Il faut bien les connaître pour savoir s’il est adapté à votre application.

Les principaux avantages

• Productivité exceptionnelle : C’est son atout numéro un. Avec des vitesses de soudage pouvant atteindre 120 mètres par heure et un taux de dépôt de métal très élevé, il est imbattable pour les longues soudures en série.
• Qualité de soudure supérieure : La protection par le flux est si efficace que les soudures sont très pures, avec d’excellentes propriétés mécaniques. On a très peu de défauts comme les porosités.
• Pénétration profonde : L’intensité élevée du courant permet de souder des pièces de forte épaisseur en une seule passe, ce qui est un gain de temps énorme.
• Conditions de travail améliorées : Pour l’opérateur, c’est plus confortable. Il n’y a pas d’arc visible (donc pas de coup d’arc ou de rayons UV), quasiment aucune projection de métal et beaucoup moins de fumées que pour d’autres procédés.
• Grande répétabilité : Le processus étant entièrement automatisé, les paramètres sont constants. Cela garantit des soudures parfaitement identiques d’une pièce à l’autre.

Les limites et inconvénients

• Position de soudage restreinte : C’est le défaut majeur. Le flux étant granulaire, on ne peut l’utiliser qu’à plat ou en gouttière (avec une inclinaison maximale de 7°). Impossible de souder en position verticale ou au plafond.
• Manque de visibilité : L’opérateur ne voit pas le bain de fusion. Le suivi du joint doit être parfait, car il est impossible de corriger la trajectoire en temps réel.
• Investissement de départ élevé : L’équipement est lourd, complexe et donc cher. Ce n’est rentable que pour de la production en grande série.
• Sensibilité du flux à l’humidité : C’est un point critique. Un flux qui a pris l’humidité va libérer de l’hydrogène dans la soudure, ce qui peut provoquer des fissures. Le stockage du flux au sec est impératif.
• Nécessité de retirer le laitier : La croûte de laitier qui se forme sur la soudure doit être retirée (souvent au marteau à piquer) après chaque passe.

Applications typiques et secteurs industriels

Le soudage à l’arc submergé est le procédé de choix dès qu’on a besoin d’assembler des pièces en acier de forte épaisseur, avec de longs cordons rectilignes ou circulaires. C’est une technique reine dans l’industrie lourde.

On le retrouve principalement dans les secteurs suivants :

• Énergie : Pour la fabrication des corps de réacteurs, des cuves sous pression, des pipelines pour le transport de gaz ou de pétrole, et des mâts d’éoliennes.
• Construction navale : Pour l’assemblage des longues tôles qui forment la coque des navires et des super-pétroliers.
• Génie civil : Pour la fabrication des poutres mécano-soudées (poutres en I ou en H) qui servent de structure aux ponts, aux bâtiments et aux charpentes métalliques.
• Matériel ferroviaire et minier : Pour la construction des châssis de wagons de marchandises ou des bennes d’engins de chantier, qui demandent des soudures très robustes.
• Rechargement (hardfacing) : On l’utilise aussi pour déposer une couche de métal très dur sur une pièce en acier standard afin d’augmenter sa résistance à l’usure. C’est le cas pour les cylindres de laminoirs, par exemple.

Paramètres clés : le choix du courant et des consommables

Pour obtenir une soudure parfaite en SAW, il faut maîtriser deux éléments : le type de courant électrique et le couple fil/flux.

Quel type de courant utiliser (AC, DC+, DC-) ?

Le choix du courant n’est pas anodin, il a un impact direct sur la forme de la soudure :

• Courant Continu, Électrode Positive (DC+) : C’est le réglage le plus courant. Il offre la pénétration la plus profonde et un arc très stable. C’est le choix par défaut pour la plupart des assemblages.
• Courant Continu, Électrode Négative (DC-) : Avec ce réglage, la pénétration est plus faible, mais le taux de dépôt de métal est plus élevé. On l’utilise surtout pour le rechargement, où l’on veut déposer beaucoup de matière sans trop diluer le métal de base.
• Courant Alternatif (AC) : C’est un bon compromis entre pénétration et vitesse de dépôt. Son principal avantage est de supprimer le « soufflage d’arc », un phénomène magnétique qui peut dévier l’arc quand on soude avec de très fortes intensités, notamment avec plusieurs fils en même temps (soudage multi-fils).

Les consommables : fils et flux

Le résultat final dépend entièrement de la bonne association entre le fil et le flux. On parle de couple fil-flux. C’est le fabricant qui garantit que l’association d’un certain fil avec un certain flux donnera les propriétés mécaniques attendues sur la soudure.

Les fils-électrodes sont généralement des fils pleins en acier, dont la composition chimique est adaptée au matériau à souder. Leur gros diamètre (jusqu’à 8 mm) permet de faire passer des intensités de courant très élevées. On trouve aussi des fils fourrés ou des électrodes en bande pour des applications spécifiques comme le rechargement.

Les flux, comme on l’a vu, sont essentiels. Leur composition chimique est complexe et détermine la protection du bain, l’apport d’éléments d’alliage et l’aspect final du cordon. On insiste encore une fois : leur stockage à l’abri de l’humidité est la règle d’or pour éviter les défauts.

Normalisation et histoire du procédé

Le soudage à l’arc submergé n’est pas une technique nouvelle. Il a une histoire et est encadré par des normes internationales précises.

Côté normalisation, deux références sont à connaître :

• ISO 4063 : C’est la norme internationale qui classifie les procédés de soudage. Le soudage à l’arc submergé porte le numéro de référence 12. Il existe des variantes : 121 pour le soudage avec un fil-électrode unique, 122 avec une électrode en bande, ou encore 125 avec un fil fourré.
• AWS A3.0 : C’est la norme américaine, très utilisée dans le monde. C’est elle qui utilise l’acronyme SAW pour Submerged Arc Welding.

Pour la petite histoire, le procédé a été inventé et breveté en 1929 par un certain Boris S. Robinoff. Le brevet a été racheté en 1935 par la société Linde Air Product, qui l’a commercialisé sous le nom de « Union-melt ». La première application industrielle d’envergure a eu lieu dès 1936 pour la construction d’un pétrolier, montrant tout de suite son potentiel pour l’industrie lourde.

Sécurité et contrôle qualité en soudage à l’arc submergé

Même si le procédé SAW élimine certains risques, il en apporte d’autres et demande une vigilance de tous les instants sur la qualité.

En matière de sécurité, l’absence de rayonnement d’arc visible est un avantage. Cependant, il faut se méfier :

• Des risques électriques : Les tensions sont basses, mais les intensités de courant sont extrêmement élevées.
• Des risques de brûlures : Le bain de fusion est très important et le laitier reste chaud très longtemps.
• Des fumées et gaz : Bien que réduites, des fumées se dégagent du processus. Une ventilation et une extraction efficaces au-dessus de la zone de soudage sont obligatoires.

Pour ce qui est de la qualité, le point le plus sensible est la prévention de la fragilisation par l’hydrogène. Cela passe par un contrôle strict de l’humidité du flux. De plus, comme le processus est automatique et aveugle, le réglage initial des paramètres (vitesse d’avance, intensité, tension d’arc) doit être parfait. Une fois la production lancée, les contrôles se font sur les pièces finies, souvent par des méthodes non destructives (radiographie, ultrasons) pour s’assurer de la santé interne de la soudure.