Soudage d'aéronefs

Le soudage remonte à l'âge du bronze, mais ce n'est qu'au XIXe siècle que le soudage tel que nous le connaissons aujourd'hui a été inventé. Certains des premiers avions de fabrication commerciale à succès ont été construits à partir de cadres en tubes d'acier soudés.

Au fur et à mesure que la technologie et les processus de fabrication évoluaient dans l'industrie aéronautique et aérospatiale, des métaux plus légers, tels que l'aluminium, le magnésium et le titane, ont été utilisés dans leur construction. De nouveaux procédés et méthodes de soudage de ces métaux ont été développés. Ce chapitre fournit certaines des informations de base nécessaires pour comprendre et initier les diverses méthodes et procédés de soudage. 

Traditionnellement, le soudage est défini comme un processus qui joint le métal en faisant fondre ou en martelant les pièces jusqu'à ce qu'elles soient réunies. Avec le bon équipement et les bonnes instructions, presque toute personne possédant des compétences mécaniques de base, de la dextérité et de la pratique peut apprendre à souder.

Il existe trois types généraux de soudage : le gaz, l'arc électrique et la résistance électrique. Chaque type de soudage a plusieurs variantes, dont certaines sont utilisées dans la construction d'avions. De plus, certains nouveaux procédés de soudage ont été développés ces dernières années et sont mis en évidence à titre informatif. 

Ce chapitre traite de l'équipement de soudage, des méthodes et des diverses techniques utilisées lors de la réparation d'aéronefs et de la fabrication de composants, y compris les procédés de brasage et de brasage de divers métaux.

Types de soudage 

Soudage au gaz 

Le soudage au gaz est réalisé en chauffant les extrémités ou les bords des pièces métalliques à un état fondu avec une flamme à haute température. La flamme oxy-acétylène, avec une température d'environ 6 300 ° Fahrenheit (F), est produite avec un chalumeau brûlant de l'acétylène et le mélangeant avec de l'oxygène pur. L'hydrogène peut être utilisé à la place de l'acétylène pour le soudage de l'aluminium, mais la production de chaleur est réduite à environ 4 800 ° F. Le soudage au gaz était la méthode la plus couramment utilisée dans la production de matériaux d'aéronefs de moins de 3/16 de pouce d'épaisseur jusqu'au milieu des années 1950, lorsqu'il a été remplacé par le soudage électrique pour des raisons économiques (et non d'ingénierie). Le soudage au gaz continue d'être une méthode très populaire et éprouvée pour les opérations de réparation.   

Presque tout le soudage au gaz dans la construction aéronautique est effectué avec un équipement de soudage oxyacétylénique composé de :

• Deux bouteilles, acétylène et oxygène. 

• Régulateurs de pression d'acétylène et d'oxygène et manomètres de bouteille. 

• Deux longueurs de tuyau coloré (rouge pour l'acétylène et vert pour l'oxygène) avec raccords adaptateurs pour les détendeurs et la torche. 

• Une torche de soudage avec une tête de mélange interne, des embouts de différentes tailles et des raccords de tuyau. 

• Lunettes de soudage équipées de verres de couleur appropriés. 

• Un briquet à pierre ou à étincelle. 

• Clé spéciale pour valve de bouteille d'acétylène si nécessaire. 

• Un extincteur de calibre approprié.

L'équipement peut être installé en permanence dans un atelier, mais la plupart des équipements de soudage sont de type portable.

Soudage à l'arc électrique 

Le soudage à l'arc électrique est largement utilisé par l'industrie aéronautique dans la fabrication et la réparation d'aéronefs. Il peut être utilisé de manière satisfaisante pour assembler tous les métaux soudables, à condition que les processus et les matériaux appropriés soient utilisés. Les quatre types de soudage à l'arc électrique sont abordés dans les paragraphes suivants. 

Soudage à l'arc sous protection métallique (SMAW) 

Le soudage à l'arc sous protection (SMAW) est le type de soudage le plus courant et est généralement appelé soudage « à la baguette ». L'équipement se compose d'un fil machine métallique recouvert d'un flux de soudage qui est serré dans un porte-électrode qui est relié par un câble électrique lourd à une basse tension et un courant élevé en courant alternatif (AC) ou en courant continu (DC), selon selon le type de soudage effectué. Un arc est formé entre la tige et la pièce et produit une chaleur supérieure à 10 000 ° F, qui fait fondre à la fois le matériau et la tige. Le circuit de soudage se compose d'un poste à souder, de deux cordons, d'un porte-électrode, d'une électrode et de la pièce à souder.

Lorsque l'électrode est en contact avec le métal à souder, le circuit est complet et le courant circule. L'électrode est ensuite retirée du métal d'environ 1/4 de pouce pour former un espace d'air entre le métal et l'électrode. Si l'écart correct est maintenu, le courant comble l'écart pour former une étincelle électrique soutenue appelée arc. Cette action fait fondre l'électrode et le revêtement de flux. 

Au fur et à mesure que le fondant fond, il libère un gaz inerte qui protège la flaque en fusion de l'oxygène de l'air pour empêcher l'oxydation.

Le flux fondu recouvre la soudure et durcit en un laitier hermétique qui protège le cordon de soudure lors de son refroidissement. Certains constructeurs d'avions, comme Stinson, ont utilisé ce procédé pour le soudage de structures de fuselage en acier 4130. Cela a été suivi d'un traitement thermique dans un four pour soulager les contraintes et normaliser la structure. La figure montre une machine de soudage à l'arc typique avec des câbles, une pince de masse et un porte-électrode.

Soudage à l'arc sous gaz et métal (GMAW) 

Le soudage à l'arc sous gaz métallique (GMAW) était autrefois appelé soudage sous gaz inerte (MIG). Il s'agit d'une amélioration par rapport au soudage à la baguette car un fil-électrode non revêtu est introduit dans et à travers la torche et un gaz inerte, tel que l'argon, l'hélium ou le dioxyde de carbone, s'écoule autour du fil pour protéger la flaque d'oxygène. L'alimentation électrique est connectée à la torche et à la pièce, et l'arc produit la chaleur intense nécessaire pour faire fondre la pièce et l'électrode.  

Le courant continu à basse tension et à courant élevé est généralement utilisé avec le soudage GMAW. La figure montre l'équipement requis pour une configuration de soudage MIG typique.  

Cette méthode de soudage peut être utilisée pour les travaux de fabrication et de production à grand volume; il n'est pas bien adapté aux travaux de réparation car la qualité de la soudure ne peut pas être facilement déterminée sans test destructif. La figure illustre une source d'alimentation typique utilisée pour le soudage MIG. 

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW) 

Le soudage à l'arc au tungstène au gaz (GTAW) est une méthode de soudage à l'arc électrique qui répond à la plupart des besoins de maintenance et de réparation des aéronefs lorsque des procédures et des matériaux appropriés sont utilisés. C'est la méthode préférée à utiliser sur l'acier inoxydable, le magnésium et la plupart des formes d'aluminium épais. Il est plus communément connu sous le nom de soudage Tungsten Inert Gas (TIG) et sous les noms commerciaux Heliarc ou Heliweld. Ces noms sont dérivés du gaz d'hélium inerte qui a été utilisé à l'origine.

Les deux premières méthodes de soudage à l'arc électrique qui ont été abordées utilisaient une électrode consommable qui produisait la charge pour la soudure. Dans le soudage TIG, l'électrode est une tige de tungstène qui forme le chemin de l'arc à haute intensité entre elle et le travail pour faire fondre le métal à plus de 5 400 ° F. L'électrode n'est pas consommée et utilisée comme charge, de sorte qu'une tige de charge est introduite manuellement dans la flaque en fusion presque de la même manière que lors de l'utilisation d'un chalumeau oxyacétylénique. Un flux de gaz inerte, tel que l'argon ou l'hélium, s'écoule autour de l'électrode et enveloppe l'arc, empêchant ainsi la formation d'oxydes dans la flaque en fusion.

• Soit sélectionner le réglage de la soudeuse sur la polarité droite CC (le travail étant le positif et la torche étant le négatif) lors du soudage d'acier doux, d'acier inoxydable et de titane ; ou 

• Sélectionnez AC pour souder l'aluminium et le magnésium.

La figure est une source d'alimentation typique pour le soudage TIG avec une torche, une commande de courant à pédale, un régulateur de gaz inerte et des câbles d'alimentation assortis.

Soudage par résistance électrique 

Le soudage par résistance électrique, qu'il s'agisse d'un soudage par points ou d'un soudage à la molette, est généralement utilisé pour assembler des composants en tôle mince au cours du processus de fabrication. 

Soudage par points 

Deux électrodes en cuivre sont maintenues dans les mâchoires de la machine à souder par points et le matériau à souder est serré entre elles. Une pression est appliquée pour maintenir les électrodes étroitement ensemble et le courant électrique circule à travers les électrodes et le matériau. La résistance du matériau à souder est tellement supérieure à celle des électrodes en cuivre qu'une chaleur suffisante est générée pour faire fondre le métal. La pression sur les électrodes force les points fondus dans les deux morceaux de métal à s'unir, et cette pression est maintenue après que le courant cesse de circuler assez longtemps pour que le métal se solidifie. La quantité de courant, la pression et le temps de séjour sont tous soigneusement contrôlés et adaptés au type de matériau et à l'épaisseur pour produire les soudures par points correctes. 

Soudage à la molette 

Plutôt que d'avoir à libérer les électrodes et à déplacer le matériau pour former une série de soudures par points, une machine de soudage à la molette est utilisée pour fabriquer des réservoirs de carburant et d'autres composants nécessitant une soudure continue. Deux roues en cuivre remplacent les électrodes en forme de barre. Le métal à souder est déplacé entre eux et des impulsions électriques créent des points de métal en fusion qui se chevauchent pour former le joint continu.

Soudage à l'arc plasma (PAW) 

Le soudage à l'arc plasma (PAW) a été développé en 1964 en tant que méthode permettant de mieux contrôler le processus de soudage à l'arc. PAW fournit un niveau avancé de contrôle et de précision en utilisant un équipement automatisé pour produire des soudures de haute qualité dans des applications miniatures et de précision. De plus, PAW est également adapté à une opération manuelle et peut être effectué par une personne utilisant des compétences similaires à celles de GTAW.

Dans la torche de soudage au plasma, une électrode de tungstène non consommable est située dans une buse en cuivre à alésage fin. Un arc pilote est initié entre l'électrode de la torche et la pointe de la buse. Cet arc est ensuite transféré au métal à souder.

En forçant le gaz plasma et l'arc à travers un orifice rétréci, la torche délivre une forte concentration de chaleur sur une petite surface. Le procédé au plasma produit des soudures d'une qualité exceptionnelle.

Le gaz plasma est normalement de l'argon. La torche utilise également un gaz secondaire, tel que l'argon/hélium ou l'argon/azote, qui aide à protéger le bain de fusion fondu et à minimiser l'oxydation de la soudure. 

Comme GTAW, le procédé PAW peut être utilisé pour souder la plupart des métaux commerciaux, et il peut être utilisé pour une grande variété d'épaisseurs de métal. Sur un matériau mince, de la feuille à 1/8 de pouce, le processus est souhaitable en raison du faible apport de chaleur. Le procédé fournit un apport de chaleur relativement constant car les variations de longueur d'arc ne sont pas très critiques. Sur des épaisseurs de matériau supérieures à 1/8 de pouce et à l'aide d'un équipement automatisé, une technique de trou de serrure est souvent utilisée pour produire des soudures à passage unique à pénétration complète. Dans la technique du trou de serrure, le plasma pénètre complètement dans la pièce à usiner. Le métal de soudure en fusion s'écoule à l'arrière du trou de serrure et se solidifie au fur et à mesure que la torche avance. Les soudures de haute qualité produites se caractérisent par une pénétration profonde et étroite et une petite face de soudure.  

Lorsque PAW est effectué manuellement, le processus nécessite un degré élevé de compétences en soudage similaire à celui requis pour GTAW. Cependant, l'équipement est plus complexe et nécessite un haut degré de connaissances pour sa mise en place et son utilisation. L'équipement requis pour PAW comprend une machine à souder, un système spécial de contrôle de l'arc au plasma, la torche de soudage au plasma (refroidie à l'eau), la source de plasma et de gaz de protection et le matériau de remplissage, le cas échéant. En raison du coût associé à cet équipement, ce processus est très limité en dehors des installations de fabrication.

Découpe à l'arc plasma 

Lorsqu'une torche de coupage au plasma est utilisée, le gaz est généralement de l'air comprimé. La machine de découpe au plasma fonctionne en resserrant un arc électrique dans une buse et en forçant le gaz ionisé à travers celle-ci. Cela chauffe le gaz qui fait fondre le métal qui est emporté par la pression de l'air. En augmentant la pression d'air et en intensifiant l'arc avec des tensions plus élevées, la fraise est capable de faire sauter des métaux plus épais et d'éliminer les scories avec un minimum de nettoyage. 

Les systèmes à arc plasma peuvent couper tous les métaux conducteurs d'électricité, y compris l'aluminium et l'acier inoxydable. Ces deux métaux ne peuvent pas être coupés par des systèmes d'oxycoupage car ils ont une couche d'oxyde qui empêche l'oxydation de se produire. La découpe au plasma fonctionne bien sur les métaux minces et peut couper avec succès le laiton et le cuivre de plus de deux pouces d'épaisseur.

Les machines de découpe au plasma peuvent couper, creuser ou percer rapidement et avec précision tout métal électriquement conducteur sans préchauffage. Le découpeur plasma produit une largeur de trait (coupe) précise et une petite zone affectée par la chaleur (HAZ) qui empêche le gauchissement et les dommages.

Différentes flammes 

Les trois types de flamme couramment utilisés pour le soudage sont neutre, carburant et oxydant. Chacun sert un but précis. 

Flamme neutre :  La flamme neutre brûle à environ 5 850 °F à l'extrémité du cône lumineux intérieur et est produite par un mélange équilibré d'acétylène et d'oxygène fourni par la torche. La flamme neutre est utilisée pour la plupart des soudures car elle ne modifie pas la composition du métal de base. Lors de l'utilisation de cette flamme sur de l'acier, la flaque de métal en fusion est silencieuse et claire, et le métal s'écoule pour donner une soudure parfaitement fondue sans brûlure ni étincelle.

Flamme de carburation : La flamme de carburation brûle à environ 5 700 °F à l'extrémité du noyau interne. Elle est également appelée flamme réductrice car elle tend à réduire la quantité d'oxygène dans les oxydes de fer. La flamme brûle avec un bruit de précipitation grossier et a un cône intérieur blanc bleuâtre, un cône central blanc et un cône extérieur bleu clair.

La flamme est produite en brûlant plus d'acétylène que d'oxygène et peut être reconnue par la pointe plumeuse verdâtre à l'extrémité du cône. Plus la plume est longue, plus il y a d'acétylène dans le mélange. Pour la plupart des opérations de soudage, la longueur de la plume doit être d'environ deux fois la longueur du cône intérieur.

La flamme de cémentation est mieux utilisée pour souder des aciers à haute teneur en carbone, pour le rechargement dur et pour souder des alliages non ferreux tels que l'aluminium, le nickel et le Monel.

Flamme oxydante : La flamme oxydante brûle à environ 6 300 °F et est produite en brûlant un excès d'oxygène. Il faut environ deux parties d'oxygène pour une partie d'acétylène pour produire cette flamme. Il peut être identifié par la flamme extérieure plus courte et le petit cône intérieur blanc. Pour obtenir cette flamme, commencez par une flamme neutre puis ouvrez la valve à oxygène jusqu'à ce que le cône intérieur atteigne environ le dixième de sa longueur d'origine. La flamme oxydante émet un sifflement et le cône intérieur est quelque peu pointu et de couleur violacée à l'extrémité. 

La flamme oxydante a des utilisations spécifiques. Une flamme légèrement oxydante est utilisée pour le soudage au bronze (brasage) de l'acier et de la fonte. Une flamme oxydante plus forte est utilisée pour le soudage par fusion du laiton et du bronze. Si une flamme oxydante est utilisée sur l'acier, elle fait mousser le métal en fusion, dégage des étincelles et brûle.

Flammes douces ou dures : Avec chaque taille de buse, une flamme neutre, carburante ou oxydante peut être obtenue. Il est également possible d'obtenir une flamme douce ou dure en diminuant ou en augmentant la pression de travail des deux gaz (en respectant la pression de travail maximale de 15 psi pour le gaz acétylène).

Pour certains travaux, il peut être souhaitable d'avoir une flamme douce ou à faible vitesse sans réduction de la puissance thermique. Ceci peut être réalisé en réduisant la pression de travail à l'aide d'une buse plus large et en fermant les vannes du chalumeau jusqu'à ce que la flamme neutre soit calme et stable. Il est particulièrement souhaitable d'utiliser une flamme douce lors du soudage de l'aluminium pour éviter de faire des trous dans le métal lors de la formation de la flaque. 

Découpe oxyacétylénique 

La découpe des métaux ferreux par le procédé oxyacétylénique est principalement la combustion ou l'oxydation rapide du métal dans une zone localisée. Il s'agit d'un moyen rapide et peu coûteux de couper le fer et l'acier lorsqu'un bord fini n'est pas nécessaire.

La figure montre un exemple de chalumeau coupant. Il a les vannes d'oxygène et d'acétylène conventionnelles dans la poignée de la torche qui contrôlent le débit des deux gaz vers la tête de coupe. Il dispose également d'une valve à oxygène sous le levier d'oxygène sur la tête de coupe afin d'obtenir un réglage plus fin de la flamme.

La taille de la pointe de coupe est déterminée par l'épaisseur du métal à couper. Réglez les régulateurs sur les pressions de travail recommandées pour la torche de coupe en fonction de la taille de buse sélectionnée. Avant de commencer toute opération de coupe, la zone doit être dégagée de tout matériau combustible et l'équipement de protection approprié doit être porté par le personnel engagé dans l'opération de coupe.

La flamme de la torche de la figure est réglée en fermant d'abord la vanne d'oxygène sous le levier de coupe et en ouvrant complètement la vanne d'oxygène sur la poignée. (Cela fournit le jet d'oxygène à haute pression lorsque le levier de coupe est actionné.) La vanne d'acétylène sur la poignée est alors ouverte et la torche est allumée avec un percuteur. La flamme d'acétylène est augmentée jusqu'à ce que la suie noire ait disparu. Ensuite, ouvrez la valve à oxygène sous le levier de coupe et réglez la flamme au neutre. Si plus de chaleur est nécessaire, ouvrez les vannes pour ajouter plus d'acétylène et d'oxygène. Actionnez le levier de coupe et réajustez la flamme de préchauffage au neutre si nécessaire.  

Le métal est chauffé à une couleur rouge vif (1 400 ° F à 1 600 ° F, qui est la température d'allumage ou d'allumage) par les orifices de préchauffage à la pointe de la torche de coupe. Ensuite, un jet d'oxygène à haute pression est dirigé contre lui en appuyant sur le levier d'oxygène de la torche. Ce souffle d'oxygène se combine avec le métal chauffé au rouge et forme un oxyde fondu intensément chaud qui est soufflé sur les côtés de la coupe. Au fur et à mesure que la torche est déplacée le long de la ligne de coupe prévue, cette action continue de chauffer le métal sur son chemin jusqu'à la température d'allumage. Le métal, ainsi chauffé, brûle également en un oxyde qui est soufflé vers le dessous de la pièce.

Une instruction et une pratique appropriées fournissent les connaissances et les compétences nécessaires pour maîtriser la technique nécessaire pour couper au chalumeau. Tenez la torche dans l'une ou l'autre main, celle qui est la plus confortable. Utilisez le pouce de cette main pour actionner le levier d'oxycoupage. Utilisez l'autre main pour poser la torche et la stabiliser le long de la ligne de coupe.

Commencez au bord du métal et maintenez la pointe perpendiculaire à la surface, en préchauffant jusqu'à ce que la tache devienne rouge vif. Appuyez légèrement sur le levier de coupe pour permettre à une pluie d'étincelles et de métal en fusion de souffler à travers la coupe. Appuyez à fond sur le levier de coupe et déplacez lentement la torche dans la direction de la coupe prévue. 

La pratique et l'expérience permettent au technicien d'apprendre à juger de la vitesse à laquelle déplacer la torche. Il doit être juste assez rapide pour permettre à la coupe de pénétrer complètement sans fondre excessivement autour de la coupe. Si la torche est déplacée trop rapidement, le métal ne sera pas suffisamment préchauffé et l'action de coupe s'arrêtera. Si cela se produit, relâchez le levier de coupe, préchauffez la coupe au rouge vif, appuyez sur le levier et continuez la coupe.

Soudage oxyacétylénique des métaux ferreux 

Acier (y compris SAE 4130) 

L'acier à faible teneur en carbone, l'acier faiblement allié (par exemple, 4130), l'acier moulé et le fer forgé se soudent facilement avec la flamme oxyacétylénique. Les aciers à faible teneur en carbone et faiblement alliés sont les matériaux ferreux les plus fréquemment soudés au gaz. Lorsque la teneur en carbone de l'acier augmente, il peut être réparé par soudage en utilisant des procédures spécifiques pour différents types d'alliages. Les facteurs impliqués sont la teneur en carbone et la trempabilité. Pour les aciers au nickel-chrome résistants à la corrosion et à la chaleur, la soudabilité autorisée dépend de leur stabilité, de leur teneur en carbone et du traitement de réchauffage.

La Society of Automotive Engineers (SAE) et l'American Iron and Steel Institute (AISI) fournissent un système de désignation qui est une norme acceptée pour l'industrie. SAE 4130 est un acier allié qui est un matériau idéal pour la construction de fuselages et de châssis sur de petits aéronefs ; il est également utilisé pour les cadres de motos et de vélos haut de gamme, les cadres de voitures de course et les arceaux de sécurité. Le tube a une résistance à la traction élevée, une malléabilité et est facile à souder. 

Le numéro '4130' est également un code AISI à 4 chiffres qui définit la composition chimique approximative de l'acier. Le « 41 » indique un acier faiblement allié contenant du chrome et du molybdène (chromoly) et le « 30 » désigne une teneur en carbone de 0,3 %. L'acier 4130 contient également de petites quantités de manganèse, de phosphore, de soufre et de silicium, mais comme tous les aciers, il contient principalement du fer.

Afin de réaliser une bonne soudure, la teneur en carbone de l'acier ne doit pas être modifiée de manière appréciable, et d'autres constituants chimiques atmosphériques ne peuvent être ajoutés ou soustraits au métal de base sans altérer sérieusement les propriétés du métal. Cependant, de nombreux fils d'apport de soudage contiennent des constituants différents du matériau de base pour des raisons spécifiques, ce qui est parfaitement normal et acceptable si des matériaux agréés sont utilisés. L'acier fondu a une grande affinité pour le carbone, l'oxygène et l'azote qui se combinent avec la flaque fondue pour former des oxydes et des nitrates, qui réduisent tous deux la résistance de l'acier. Lors du soudage avec une flamme oxyacétylénique, l'inclusion d'impuretés peut être minimisée en respectant les précautions suivantes :

• Maintenez une flamme neutre exacte pour la plupart des aciers et un léger excès d'acétylène lors du soudage d'alliages à haute teneur en nickel ou en chrome, comme l'acier inoxydable. 

• Maintenez une flamme douce et contrôlez la flaque.

• Maintenir une flamme suffisante pour pénétrer le métal et la manipuler de façon à ce que le métal en fusion soit protégé de l'air par l'enveloppe extérieure de la flamme. 

• Gardez l'extrémité chaude de la baguette de soudage dans le bain de soudure ou dans l'enveloppe de la flamme. 

• Lorsque la soudure est terminée et toujours dans la chaleur rouge, entourez l'enveloppe extérieure de la torche autour de l'ensemble de la soudure pour l'amener uniformément à un rouge terne. Éloignez lentement la torche de la soudure pour assurer une vitesse de refroidissement lente.

Soudage oxyacétylénique des métaux non ferreux 

Les métaux non ferreux sont ceux qui ne contiennent pas de fer. Des exemples de métaux non ferreux sont le plomb, le cuivre, l'argent, le magnésium et le plus important dans la construction aéronautique, l'aluminium. Certains de ces métaux sont plus légers que les métaux ferreux, mais dans la plupart des cas, ils ne sont pas aussi solides. Les fabricants d'aluminium ont compensé le manque de résistance de l'aluminium pur en l'alliant à d'autres métaux ou en le travaillant à froid. Pour encore plus de résistance, certains alliages d'aluminium sont également traités thermiquement. 

Soudage de l'aluminium 

Le soudage au gaz de certains alliages d'aluminium peut être réalisé avec succès, mais il nécessite une certaine pratique et l'équipement approprié pour produire une soudure réussie. Avant d'essayer de souder de l'aluminium pour la première fois, familiarisez-vous avec la réaction du métal sous la flamme de soudage.

Un bon exemple pour s'entraîner et pour voir comment l'aluminium réagit à une flamme de soudage, chauffez un morceau de tôle d'aluminium sur un banc de soudage. Tenir un chalumeau à flamme neutre perpendiculaire à la tôle et amener la pointe du cône intérieur presque au contact du métal. Observez que le métal fond soudainement, presque sans aucune indication, et laisse un trou dans le métal. Répétez maintenant l'opération, mais cette fois maintenez la torche à un angle d'environ 30° par rapport à la surface. Cela permet un meilleur contrôle de la chaleur et permet au métal de surface de fondre sans former de trou. Entraînez-vous en déplaçant lentement la flamme le long de la surface jusqu'à ce que la flaque puisse être contrôlée sans faire fondre les trous. Une fois cela maîtrisé, exercez-vous sur les joints à brides en pointant et en soudant sans baguette d'apport. Ensuite, essayez de souder un joint bout à bout à l'aide d'un flux et d'une baguette de remplissage. 

Le soudage au gaz d'aluminium est généralement confiné à des matériaux d'une épaisseur comprise entre 0,031 pouce et 0,125 pouce. Les alliages d'aluminium soudables utilisés dans la construction aéronautique sont 1100, 3003, 4043 et 5052. Les alliages numéros 6053, 6061 et 6151 peuvent également être soudés, mais comme ces alliages sont à l'état traité thermiquement, le soudage ne doit pas être effectué à moins que le les pièces peuvent être traitées à chaud.

Soudage au magnésium 

Le soudage au gaz du magnésium est très similaire au soudage de l'aluminium en utilisant le même équipement. La conception des joints suit également une pratique similaire au soudage de l'aluminium. Des précautions doivent être prises pour éviter les conceptions qui peuvent piéger le flux une fois le soudage terminé, les soudures bout à bout et sur les bords étant préférées. Le taux d'expansion élevé des alliages à base de magnésium et l'attention particulière qui doit être portée pour éviter que des contraintes ne s'installent dans les pièces sont particulièrement intéressants. Les fixations rigides doivent être évitées ; utiliser une planification minutieuse pour éliminer la distorsion.  

Dans la plupart des cas, le matériau de remplissage doit correspondre au matériau de base en alliage. Lors du soudage de deux alliages de magnésium différents ensemble, le fabricant du matériau doit être consulté pour obtenir des recommandations. L'aluminium ne doit jamais être soudé au magnésium. Comme dans le soudage de l'aluminium, un flux est nécessaire pour décomposer les oxydes de surface et assurer une soudure solide. Les flux vendus spécifiquement pour le soudage par fusion du magnésium sont disponibles sous forme de poudre et sont mélangés avec de l'eau de la même manière que pour le soudage de l'aluminium. Utilisez la quantité minimale de flux nécessaire pour réduire les effets corrosifs et le temps de nettoyage requis une fois la soudure terminée. La protection oculaire anti-évasement du sodium utilisée pour le soudage de l'aluminium présente le même avantage pour le soudage du magnésium.

Le soudage est effectué avec un réglage de flamme neutre en utilisant la même taille de buse pour le soudage de l'aluminium. La technique de soudage suit le même modèle que l'aluminium, le soudage étant effectué en un seul passage sur un matériau de calibre de feuille. Généralement, le procédé TIG a remplacé le soudage au gaz du magnésium en raison de l'élimination du flux corrosif et de ses limites inhérentes à la conception des joints. 

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (soudage TIG) 

Le procédé TIG tel qu'il est connu aujourd'hui est une combinaison du travail effectué par General Electric dans les années 1920 pour développer le procédé de base, du travail effectué par Northrop dans les années 1940 pour développer la torche elle-même, et de l'utilisation de gaz de protection à l'hélium et une électrode de tungstène. Le procédé a été développé pour souder le magnésium dans l'aile volante Northrop XP-56 afin d'éliminer les problèmes de corrosion et de porosité avec le procédé à l'hydrogène atomique qu'ils utilisaient avec un flux de bore. Il n'a pas été facilement utilisé sur d'autres matériaux jusqu'à la fin des années 1950, lorsqu'il a trouvé un intérêt dans le soudage de superalliages de l'ère spatiale. Il a également été utilisé plus tard sur d'autres métaux, tels que l'aluminium et l'acier, à un degré beaucoup plus élevé. 

Les machines de soudage TIG modernes sont proposées en configuration CC, CA ou CA/CC et utilisent une technologie basée sur un transformateur ou un onduleur. En règle générale, une machine capable d'une sortie CA est requise pour l'aluminium. La torche TIG elle-même a peu changé depuis le premier brevet Northrop. Le soudage TIG est similaire au soudage oxy-combustible en ce que la source de chaleur (torche) est manipulée d'une main et la charge, si elle est utilisée, est manipulée de l'autre. Une différence distincte est de contrôler l'apport de chaleur au métal. Le contrôle de la chaleur peut être préréglé et fixé par un réglage de la machine ou variable à l'aide d'une pédale ou d'une commande montée sur la torche.

Plusieurs types d'électrodes en tungstène sont utilisées avec le poste à souder TIG. Les électrodes thoriées et zirconiées ont de meilleures caractéristiques d'émission d'électrons que le tungstène pur, ce qui les rend plus adaptées aux opérations en courant continu sur les machines à transformateur, ou en courant alternatif ou continu avec les nouvelles machines à onduleur. Le tungstène pur offre un meilleur équilibre de courant avec le soudage AC avec une machine à transformateur, ce qui est avantageux lors du soudage de l'aluminium et du magnésium. Les suggestions des fabricants d'équipements pour le type et la forme du tungstène doivent être suivies car il s'agit d'une partie en constante évolution de la technologie TIG.

La forme de l'électrode utilisée dans la torche de soudage TIG est un facteur important dans la qualité et la pénétration de la soudure. La pointe de l'électrode doit être façonnée sur une meule dédiée ou une meuleuse en tungstène à usage spécial pour éviter de contaminer l'électrode. Le meulage doit être effectué longitudinalement, et non radialement, avec la direction de déplacement de la pierre loin de la pointe.

En cas de doute, consultez le fabricant de la machine pour obtenir les dernières suggestions à jour sur la préparation du tungstène ou si des problèmes surviennent.

Les directives générales pour la qualité de la soudure, l'ajustement des joints avant le soudage, le gabarit et le contrôle du gauchissement s'appliquent toutes à ce processus au même titre que toute autre méthode de soudage. Il convient de noter en particulier les étapes de processus supplémentaires qui doivent parfois être suivies pour effectuer une soudure de qualité ; ceux-ci sont traités dans leurs sections appropriées.

Soudage TIG 4130 Tubes en acier 

Le soudage 4130 avec TIG n'est pas très différent du soudage d'autres aciers en ce qui concerne la technique. Les informations suivantes concernent généralement les matériaux d'une épaisseur inférieure à 0,120 pouce.

Nettoyez l'acier de toute huile ou graisse et utilisez une brosse métallique en acier inoxydable pour nettoyer la pièce avant le soudage. Cela permet d'éviter la porosité et la fragilisation par l'hydrogène pendant le processus de soudage. Le procédé TIG est très sensible à ces problèmes, bien plus que le soudage oxyacétylénique, il faut donc veiller à ce que toutes les huiles et peintures soient éliminées de toutes les surfaces des pièces à souder.

Utilisez une soudeuse TIG avec démarrage à haute fréquence pour éliminer les coups d'arc. Ne soudez pas là où il y a de la brise ou des courants d'air ; les soudures doivent pouvoir refroidir lentement. Le préchauffage n'est pas nécessaire pour les tubes d'une épaisseur de paroi inférieure à 0,120 pouce ; cependant, le revenu post-soudage (soulagement des contraintes) est toujours recommandé pour éviter la possible fragilité de la zone entourant la soudure en raison des formations de martensite non trempées causées par le refroidissement rapide de la soudure inhérent au procédé TIG.

Si vous utilisez une baguette de remplissage 4130, préchauffez le travail avant le soudage et traitez-le thermiquement par la suite pour éviter les fissures. Dans une situation critique comme celle-ci, une ingénierie doit être effectuée pour déterminer le traitement thermique de préchauffage et de post-soudage nécessaire pour l'application particulière.

Soudage TIG Acier Inoxydable 

Les aciers inoxydables, ou plus précisément les aciers résistants à la corrosion, sont une famille de métaux à base de fer qui contiennent du chrome en quantités allant de 10 % à environ 30 %. Le nickel est ajouté à certains des aciers inoxydables, ce qui réduit la conductivité thermique et diminue la conductivité électrique. Les aciers au chrome-nickel appartiennent à la série d'aciers inoxydables AISI 300. Ils sont amagnétiques et ont une microstructure austénitique. Ces aciers sont largement utilisés dans les avions dans lesquels une résistance ou une résistance à la corrosion à haute température est requise.

Tous les aciers inoxydables austénitiques sont soudables avec la plupart des procédés de soudage, à l'exception de l'AISI 303, qui contient une teneur élevée en soufre, et de l'AISI 303Se, qui contient du sélénium pour améliorer son usinabilité.

Les aciers inoxydables austénitiques sont légèrement plus difficiles à souder que l'acier au carbone doux. Ils ont des températures de fusion plus basses et un coefficient de conductivité thermique plus faible, de sorte que le courant de soudage peut être plus faible. Cela aide sur les matériaux plus minces car ces aciers inoxydables ont un coefficient de dilatation thermique plus élevé, nécessitant des précautions et des procédures spéciales à utiliser pour réduire le gauchissement et la distorsion. Toutes les techniques de réduction de la distorsion, telles que le soudage par sauts ou le soudage en marche arrière, doivent être utilisées. Des appareils et/ou des gabarits doivent être utilisés dans la mesure du possible. Les soudures par points doivent être appliquées deux fois plus souvent que la normale. 

Le choix de l'alliage de métal d'apport pour le soudage de l'acier inoxydable est basé sur la composition du métal de base. Les alliages de métal d'apport pour le soudage de l'acier inoxydable de type austénitique comprennent les AISI n° 309, 310, 316, 317 et 347. Il est possible de souder plusieurs métaux de base différents en acier inoxydable avec le même alliage de métal d'apport. Suivez les recommandations du fabricant. 

Soudage TIG Aluminium 

Le soudage TIG de l'aluminium utilise des techniques et des matériaux d'apport similaires à ceux du soudage oxy-combustible. Consultez le fabricant de la machine à souder en particulier pour obtenir des recommandations sur le type et la taille du tungstène, ainsi que sur les réglages de base de la machine pour une soudure particulière, car cela varie selon les types de machines spécifiques. En règle générale, la machine est réglée sur une forme d'onde de sortie CA car elle provoque une action de nettoyage qui brise les oxydes de surface. Un gaz de protection à base d'argon ou d'hélium peut être utilisé, mais l'argon est préféré car il utilise moins en volume que l'hélium. L'argon est un gaz plus lourd que l'hélium, offrant une meilleure couverture et une meilleure action de nettoyage lors du soudage de l'aluminium.   

La sélection du métal d'apport est la même que celle utilisée avec le procédé oxy-fuel ; cependant, l'utilisation d'un flux n'est pas nécessaire car le gaz de protection empêche la formation d'oxyde d'aluminium à la surface du bain de soudure et la forme d'onde CA brise tous les oxydes déjà présents sur le matériau. Le nettoyage du métal de base et de la charge suit les mêmes directives que pour le soudage oxy-combustible. Lors du soudage de réservoirs de tout type, il est recommandé de purger à contre-courant l'intérieur du réservoir avec un gaz de protection. Cela favorise une soudure saine avec un profil de cordon intérieur lisse qui peut aider à réduire les fuites de trous d'épingle et les futures défaillances de fatigue.

Le soudage est effectué avec des angles de torche et de métal d'apport similaires à ceux du soudage oxy-combustible. La pointe du tungstène est maintenue à une courte distance (1/16 – 1/8 de pouce) de la surface du matériau, en prenant soin de ne jamais laisser le bain de fusion entrer en contact avec le tungstène et le contaminer. La contamination du tungstène doit être traitée en retirant l'aluminium du tungstène et en réaffûtant la pointe au profil recommandé par l'usine. 

Soudage TIG Magnésium 

Les alliages de magnésium peuvent être soudés avec succès en utilisant le même type de joints et de préparation que ceux utilisés pour l'acier ou l'aluminium. Cependant, en raison de sa conductivité thermique et de son coefficient de dilatation thermique élevés, qui se combinent pour provoquer de fortes contraintes, des déformations et des fissures, des précautions supplémentaires doivent être prises. Les pièces doivent être serrées dans un montage ou un gabarit. Des cordons de soudure plus petits, une vitesse de soudage plus rapide et l'utilisation de baguettes d'apport à point de fusion et à retrait inférieurs sont recommandés.

Le courant continu, à polarité droite ou inversée, et le courant alternatif, avec une haute fréquence superposée pour la stabilisation de l'arc, sont couramment utilisés pour le soudage du magnésium. L'inversion de polarité CC offre une meilleure action de nettoyage du métal et est préférée pour les opérations de soudage manuelles. 

Les sources d'alimentation en courant alternatif doivent être équipées d'un contacteur principal actionné par un interrupteur de commande sur la torche ou une commande au pied pour démarrer ou arrêter l'arc. Sinon, l'arc qui se produit lorsque l'électrode s'approche ou s'éloigne de la pièce à usiner peut entraîner des brûlures sur la pièce. 

L'argon est le gaz de protection le plus couramment utilisé pour les opérations de soudage manuel. L'hélium est le gaz préféré pour le soudage automatisé car il produit un arc plus stable que l'argon et permet l'utilisation de longueurs d'arc légèrement plus longues. Les électrodes en zircone, en thorium et en tungstène pur sont utilisées pour le soudage TIG des alliages de magnésium. 

La technique de soudage du magnésium est similaire à celle utilisée pour les autres métaux non ferreux. L'arc doit être maintenu à environ 5/16 de pouce. Les soudures par points doivent être utilisées pour maintenir l'ajustement et éviter la déformation. Pour éviter la fissuration de la soudure, soudez du milieu d'un joint vers la fin et utilisez des plaques de démarrage et de décharge pour commencer et terminer la soudure. Minimiser le nombre d'arrêts pendant le soudage. Après un arrêt, la soudure doit être redémarrée à environ 1/2 pouce de la fin de la soudure précédente. Lorsque cela est possible, effectuez la soudure en une seule passe ininterrompue.   

Soudage TIG Titane 

Les techniques de soudage du titane sont similaires à celles requises pour les alliages à base de nickel et les aciers inoxydables. Pour produire une soudure satisfaisante, l'accent est mis sur la propreté de la surface et l'utilisation de gaz inerte pour protéger la zone de soudure. Un environnement propre est l'une des exigences pour souder le titane.

Le soudage TIG du titane est effectué en utilisant une polarité directe DC. Une torche refroidie à l'eau, équipée d'une coupelle en céramique de 3/4 de pouce et d'une lentille à gaz, est recommandée. La lentille de gaz fournit un flux de gaz inerte uniforme et non turbulent. Les électrodes en tungstène thorié sont recommandées pour le soudage TIG du titane. L'électrode de plus petit diamètre pouvant transporter le courant requis doit être utilisée. Un contacteur à distance contrôlé par l'opérateur doit être utilisé pour permettre à l'arc d'être interrompu sans retirer la torche du métal fondu de refroidissement, permettant au gaz de protection de couvrir la soudure jusqu'à ce que la température baisse.

La plupart des soudures au titane sont effectuées dans un atelier de fabrication ouvert. Le soudage en chambre est encore utilisé sur une base limitée, mais le soudage sur le terrain est courant. Une zone séparée doit être réservée et isolée de toute opération produisant de la saleté, comme le meulage ou la peinture. De plus, la zone de soudage doit être exempte de courants d'air et l'humidité doit être contrôlée. 

Le métal d'apport en titane fondu doit être totalement protégé de la contamination par l'air. Le titane fondu réagit facilement avec l'oxygène, l'azote et l'hydrogène ; l'exposition à ces éléments dans l'air ou dans des contaminants de surface pendant le soudage peut affecter négativement les propriétés de la soudure au titane et provoquer une fragilisation de la soudure. L'argon est préféré pour le soudage manuel en raison de meilleures caractéristiques de stabilité de l'arc. L'hélium est utilisé dans le soudage automatisé et lorsque des métaux de base plus lourds ou une pénétration plus profonde sont nécessaires. 

Expansion et contraction des métaux 

La dilatation et la contraction du métal est un facteur pris en compte lors de la conception et de la fabrication de tous les aéronefs. Il est également important de reconnaître et de tenir compte des changements dimensionnels et des contraintes du métal qui peuvent survenir au cours de tout processus de soudage. 

La chaleur fait dilater les métaux; le refroidissement les fait se contracter. Par conséquent, un chauffage inégal provoque une expansion inégale et un refroidissement inégal provoque une contraction inégale. Dans ces conditions, des contraintes s'établissent au sein du métal. Ces forces doivent être soulagées et, à moins que des précautions ne soient prises, un gauchissement ou un flambage du métal se produit. De même, lors du refroidissement, si rien n'est fait pour absorber la contrainte créée par les forces de contraction, un gauchissement supplémentaire peut en résulter; ou si le métal est trop lourd pour permettre ce changement de forme, les contraintes restent dans le métal lui-même.

Le coefficient de dilatation linéaire d'un métal est la quantité en pouces qu'un morceau de métal d'un pouce se dilate lorsque sa température est élevée de 1 ° F. La quantité de dilatation d'un morceau de métal lorsque de la chaleur est appliquée est trouvée en multipliant le coefficient de dilatation linéaire par l'élévation de température et en multipliant ce produit par la longueur du métal en pouces.

L'expansion et la contraction ont tendance à se déformer et à déformer les tôles minces de 1/8 de pouce ou moins. C'est le résultat d'avoir une grande surface qui diffuse rapidement la chaleur et la dissipe peu de temps après que la source de chaleur a été retirée. La méthode la plus efficace pour remédier à cette situation consiste à évacuer la chaleur du métal près de la soudure, en l'empêchant de se propager sur toute la surface. Cela peut être fait en plaçant de lourds morceaux de métal, appelés barres de refroidissement, de chaque côté de la soudure ; pour absorber la chaleur et l'empêcher de se propager. Le cuivre est le plus souvent utilisé pour les barres de refroidissement en raison de sa capacité à absorber facilement la chaleur. Les appareils de soudage utilisent parfois ce même principe pour évacuer la chaleur du métal de base. L'expansion peut également être contrôlée par soudage par points à intervalles le long du joint.

L'effet de souder un joint de plus de 10 ou 12 pouces est de rapprocher le joint au fur et à mesure que la soudure progresse. Si les bords du joint sont mis en contact les uns avec les autres sur toute leur longueur avant le début du soudage, les extrémités éloignées du joint se chevauchent en fait avant que la soudure ne soit terminée. Cette tendance peut être surmontée en plaçant les pièces à souder avec le joint correctement espacé à une extrémité et en augmentant l'espace à l'extrémité opposée.

La quantité d'espace autorisée dépend du type de matériau, de l'épaisseur du matériau, du procédé de soudage utilisé, ainsi que de la forme et de la taille des pièces à souder. Les instructions et/ou l'expérience en soudage dictent l'espace nécessaire pour produire un joint sans contrainte.

La soudure commence à l'extrémité correctement espacée et se poursuit vers l'extrémité qui a l'écart accru. Au fur et à mesure que le joint est soudé, l'espace se ferme et doit fournir l'écart correct au point de soudage. La tôle de moins de 1/16 de pouce peut être manipulée en bordant les bords, en soudant par points à intervalles, puis en soudant entre les points.

Les plaques de plus de 1/8 de pouce ont moins tendance à se déformer et à se déformer lorsqu'elles sont soudées, car la plus grande épaisseur limite la chaleur à une zone étroite et la dissipe avant qu'elle ne se déplace loin sur la plaque.

Le préchauffage du métal avant le soudage est une autre méthode de contrôle de la dilatation et de la contraction. Le préchauffage est particulièrement important lors du soudage de structures tubulaires et de pièces moulées. De grandes contraintes peuvent être créées dans les soudures tubulaires par contraction. Lors du soudage de deux éléments d'un joint en T, un tube a tendance à s'étirer en raison de la contraction inégale. Si le métal est préchauffé avant le début de l'opération de soudage, la contraction se produit toujours dans la soudure, mais la contraction qui l'accompagne dans le reste de la structure est presque au même rythme et la contrainte interne est réduite.