Électrodes de soudage expliquées : types, usages et fonctionnement

Qu'est-ce qu'une électrode de soudage ?

Les électrodes de soudage sont des fils conducteurs connectés à votre poste à souder pour créer un arc électrique. Le courant traverse ce fil pour produire un arc qui génère une chaleur intense permettant de fondre et d'assembler le métal.

Une électrode est un fil métallique enrobé. Elle est composée de matériaux similaires au métal à souder. Pour commencer, il existe des électrodes consommables et non consommables. En soudage à l'arc avec électrode enrobée (SMAW), aussi appelé soudage à la baguette, les électrodes sont consommables : l'électrode se consume pendant l'utilisation et fond avec le cordon de soudure.

En soudage TIG (Tungsten Inert Gas), les électrodes sont non consommables : elles ne fondent pas et ne font pas partie du cordon de soudure. En soudage MIG/MAG (GMAW), les électrodes sont des fils fournis en continu. Le soudage à l'arc fourré (FCAW) nécessite une électrode tubulaire consommable fournie en continu contenant un flux.

PLUS : Qu'est-ce que le soudage ?

Comment choisir ses électrodes de soudage ?

Les électrodes enrobées (baguettes) sont disponibles dans une large gamme de types, chacune offrant des propriétés mécaniques différentes et fonctionnant avec un type spécifique de source d'alimentation. Plusieurs facteurs sont à considérer dans le choix d'une baguette :

1. Propriétés du métal de base
2. Résistance à la traction
3. Courant de soudage
4. Épaisseur, forme et préparation du joint du métal de base
5. Position de soudage
6. Spécifications et conditions de service
7. Conditions environnementales du chantier

Avant de mettre en marche votre poste et de saisir votre porte-électrode, examinez chacun de ces facteurs.

Propriétés du métal de base

La première étape pour choisir une électrode est de déterminer la composition de votre métal de base. Votre objectif est d'adapter (ou de rapprocher au maximum) la composition de l'électrode au type de métal de base, ce qui garantira un cordon de soudure solide. En cas de doute sur la composition de votre métal de base, posez-vous ces questions :

• À quoi ressemble le métal ? Si vous travaillez sur une pièce cassée, vérifiez si la surface interne est grossière et granuleuse, ce qui indique généralement une fonte.
• Le métal est-il magnétique ? Si le métal de base est magnétique, il s'agit probablement d'acier au carbone ou d'acier allié. S'il n'est pas magnétique, le matériau pourrait être de l'acier au manganèse, de l'acier inoxydable austénitique série 300, ou un alliage non ferreux tel que l'aluminium, le laiton, le cuivre ou le titane.
• Quel type d'étincelles le métal produit-il au meulage ? En règle générale, plus les étincelles sont éclatées (avec des gerbes), plus la teneur en carbone est élevée, comme dans l'acier A-36.

Un ciseau « mord »-il dans le métal de base ou rebondit-il ? Un ciseau pénétrera dans un métal plus tendre (acier doux, aluminium) et rebondira sur des métaux plus durs (acier à haut carbone, chrome-molybdène, fonte).

Résistance à la traction

Pour éviter la fissuration ou d'autres discontinuités de soudure, adaptez la résistance à la traction minimale de l'électrode à celle du métal de base. Vous pouvez identifier la résistance à la traction d'une électrode enrobée en vous référant aux deux premiers chiffres de la classification AWS imprimée sur l'électrode.

Par exemple, le chiffre « 60 » sur une électrode E6011 indique que le métal d'apport produit un cordon avec une résistance à la traction minimale de 60 000 psi (≈ 414 MPa), et conviendra donc bien à un acier de résistance similaire.

Courant de soudage

Certaines électrodes ne peuvent être utilisées qu'avec du courant alternatif (CA) ou continu (CC), tandis que d'autres sont compatibles avec les deux. Pour déterminer le type de courant approprié pour une électrode donnée, référez-vous au quatrième chiffre de la classification AWS, qui représente le type d'enrobage et le type de courant compatible (voir tableau ci-dessous).

Le type de courant utilisé influence également le profil de pénétration du cordon résultant. Par exemple, une électrode compatible CC+ (courant continu polarité inverse), comme une E6010, offre une pénétration profonde et produit un arc très serré. Elle peut également « creuser » à travers la rouille, l'huile, la peinture et la saleté. Une électrode compatible CC- (polarité directe), comme une E6012, offre une pénétration modérée et convient bien pour souder des joints à bord à bord ou réaliser des cordons d'angle à grande vitesse et fort courant en position horizontale. Une électrode compatible CA, comme une E6013, produit un arc souple avec une pénétration moyenne et doit être utilisée pour souder de la tôle neuve et propre.

Épaisseur, forme et préparation du joint du métal de base

Les matériaux épais nécessitent une électrode à ductilité maximale et à faible teneur en hydrogène pour prévenir la fissuration du cordon. Les électrodes dont la classification AWS se termine par 15, 16 ou 18 offrent d'excellentes propriétés bas-hydrogène et une bonne ténacité (valeurs de résilience élevées) pour absorber les contraintes résiduelles.

Pour les matériaux minces, vous aurez besoin d'une électrode produisant un arc souple, comme une 6013. De plus, des électrodes de plus petit diamètre assureront une pénétration faible pour éviter la perforation sur les matériaux minces.

Vous devrez également évaluer la conception et le jeu du joint. Si vous travaillez sur un joint avec un jeu serré ou non chanfreiné, utilisez une électrode offrant un arc pénétrant pour assurer une pénétration suffisante, comme une E6010 ou E6011. Pour des matériaux avec des jeux larges à la racine, choisissez une électrode, comme une E6012, qui crée un cordon concave adapté au pontage des espaces et aux soudures en V.

Position de soudage

Pour déterminer dans quelle(s) position(s) une électrode donnée est qualifiée, référez-vous au troisième chiffre de la classification AWS. Voici comment déchiffrer la position qualifiée :

• 1 = plat, horizontal, vertical et en plafond
• 2 = plat et horizontal uniquement

Par exemple, une électrode 7018 peut être utilisée en position plate, horizontale, verticale et en plafond.

Spécifications et conditions de service

Assurez-vous d'évaluer les conditions que la pièce soudée rencontrera pendant sa durée de vie. Si elle sera utilisée dans des environnements à haute température ou à basse température soumis à des chocs répétés, une électrode bas-hydrogène à ductilité plus élevée réduira le risque de fissuration du cordon.

Vérifiez également les spécifications de soudage si vous travaillez sur des applications critiques telles que la fabrication de vaisseaux sous pression ou de chaudières. Dans la plupart des cas, ces spécifications exigeront l'utilisation de types d'électrodes spécifiques.

Conditions environnementales du chantier

Pour obtenir les meilleurs résultats, vous devez toujours éliminer la calamine excessive, la rouille, l'humidité, la peinture et la graisse. Des métaux de base propres aident à prévenir la porosité et augmentent les vitesses de progression.

Si le nettoyage du métal de base n'est pas possible, les électrodes E6010 ou E6011 offrent un arc profondément pénétrant capable de traverser les contaminants.

Comment lire le code sur les électrodes enrobées ?

L'American Welding Society (AWS) utilise un système de numérotation qui fournit des informations sur une électrode spécifique, telles que son application optimale et son mode d'emploi pour une efficacité maximale.

Chiffre	Type d'enrobage	Courant de soudage
0	Cellulose haute teneur en sodium	CC+
1	Cellulose haute teneur en potassium	CA, CC+ ou CC-
2	Titane haute teneur en sodium	CA, CC-
3	Titane haute teneur en potassium	CA, CC+
4	Poudre de fer, titane	CA, CC+ ou CC-
5	Bas-hydrogène sodium	CC+
6	Bas-hydrogène potassium	CA, CC+
7	Oxyde de fer haut, poudre de potassium	CA, CC+ ou CC-
8	Bas-hydrogène potassium, poudre de fer	CA, CC+ ou CC-

Le « E » indique une électrode pour soudage à l'arc. Les deux premiers chiffres d'un nombre à 4 chiffres et les trois premiers d'un nombre à 5 chiffres indiquent la résistance à la traction. Par exemple, E6010 signifie 60 000 psi de résistance à la traction, et E10018 signifie 100 000 psi.

L'avant-dernier chiffre indique la position. Ainsi, « 1 » signifie électrode toutes positions, « 2 » pour plat et horizontal, et « 4 » pour plat, horizontal, vertical descendant et plafond. Les deux derniers chiffres spécifient le type d'enrobage et le courant de soudage.

E	60	1	10
Électrode	Résistance à la traction	Position	Type d'enrobage & Courant

Quel est le rôle de l'enrobage d'électrode ?

Les enrobages d'électrodes doivent assurer la protection gazeuse de l'arc, faciliter l'amorçage et la stabilité de l'arc, former un scories protectrice, donner une bonne forme au cordon, et surtout créer un bouclier gazeux consommant l'oxygène ambiant et protégeant le métal en fusion.

Divers types d'électrodes sont disponibles, le type étant souvent défini par la nature de l'enrobage.

L'enrobage d'électrode est revêtu d'un revêtement de qualité relativement élevée appliqué en une couche de 1 à 3 mm d'épaisseur. Le poids de cet enrobage représente 15 à 30 % du poids de l'électrode. La majeure partie du soudage se fait avec des électrodes enrobées, ce qui limite le procédé à une opération manuelle lente. Si le flux est placé à l'intérieur d'un long tube, l'électrode peut prendre la forme d'un fil nu en bobine. Le procédé à l'arc sous flux peut alors devenir continu et automatique. Le but principal d'un enrobage léger est d'augmenter la stabilité de l'arc ; on l'appelle aussi enrobage ionisant. Comme l'enrobage est friable, seules des électrodes droites peuvent être utilisées.

Fonctions des enrobages d'électrodes :

• Améliorer la stabilité de l'arc en fournissant certains produits chimiques qui ionisent le trajet de l'arc
• Fournir une atmosphère gazeuse protectrice pour empêcher l'absorption d'oxygène, d'hydrogène et d'azote par le métal en fusion
• Former une scorie protectrice sur le métal chaud
• Fournir un flux qui aide à éliminer les oxydes et autres impuretés des métaux en fusion
• Réduire les projections de métal d'apport — lorsque l'enrobage brûle plus lentement que l'âme
• Agir comme désoxydant
• Ralentir le taux de refroidissement du cordon (grâce à la couche de scorie protectrice) pour éviter le durcissement
• Les enrobages sont normalement des isolants électriques et empêchent donc l'utilisation d'électrodes dans des rainures étroites, etc.

Types d'enrobages :

Bien qu'il existe des caractéristiques universelles au sein de chaque type d'enrobage, la composition chimique unique de chaque enrobage individuel confère des propriétés différentes. Assurez-vous de bien étudier les meilleures applications de chaque enrobage pour choisir celui qui convient à votre projet.

Cellulosique :

Ces enrobages sont composés d'environ un tiers de cellulose et de deux tiers d'autres matériaux organiques. Exposés à l'arc de soudage, les matériaux se décomposent pour former trois gaz distincts — hydrogène, monoxyde de carbone et dioxyde de carbone — qui renforcent l'arc. Cette force supplémentaire permet au courant de pénétrer plus profondément dans le métal, produisant des cordons plus résistants.

Les enrobages cellulosiques émettent également une couche de gaz protégeant le bain de fusion des impuretés. Cette couche gazeuse crée une barrière entre le métal et d'autres éléments, comme l'oxygène, l'azote et l'hydrogène, qui peuvent créer de la porosité dans un cordon. La porosité est néfaste pour une soudure, donc l'utilisation d'électrodes à enrobage cellulosique peut aider à garantir des joints de soudure de meilleure qualité.

Les enrobages cellulosiques existent en divers mélanges chimiques, chacun avec ses propres propriétés et applications optimales. Si le composant cellulosique est une règle générale, les matériaux organiques additionnels varient grandement.

Minéral :

Les enrobages minéraux laissent une couche de scorie sur le cordon. Bien que la scorie puisse sembler être un effet secondaire gênant, elle remplit en réalité un but très utile. La scorie d'une électrode à enrobage minéral refroidit beaucoup plus lentement que celle d'un enrobage cellulosique et le métal soudé en dessous.

Cela laisse le temps aux impuretés de remonter à la surface du métal, les empêchant de compromettre la structure du cordon.

Mixte :

Les enrobages combinant cellulose et minéraux sont un choix populaire parmi les soudeurs car ils offrent le meilleur des deux mondes. Comme ces enrobages peuvent contenir de quelques composants à plus de 10 ingrédients différents, la diversité chimique de ces enrobages procure une gamme d'avantages significatifs.

Avoir à la fois une protection gazeuse et une protection par scorie sur un cordon peut être incroyablement utile lorsqu'on travaille des métaux de base particulièrement capricieux.

Enrobages d'électrodes les plus courants :

Bien que certaines applications requièrent des enrobages et caractéristiques spécifiques, voici cinq des enrobages d'électrodes de soudage les plus courants que vous rencontrerez.

Électrodes cellulosiques :

Bien adaptées au soudage en position verticale, les électrodes cellulosiques laissent une couche de scorie très fine, très facile à enlever. Les enrobages cellulosiques se décomposent en hydrogène et dioxyde de carbone sous l'effet de la chaleur, fournissant une couche de gaz protectrice efficace sur le bain de fusion.

Cependant, cela peut aussi exposer le cordon au risque de fragilisation par l'hydrogène. Sous leur forme pure, les enrobages cellulosiques fonctionnent mieux en courant continu. Cependant, l'ajout d'éléments différents à l'enrobage peut permettre l'utilisation en courant alternatif. Les électrodes cellulosiques offrent toute la facilité d'un enrobage rutile, mais avec une pénétration plus profonde et une scorie moins problématique.

Électrodes rutiles :

Presque identiques aux cellulosiques, la principale différence est que le rutile contient un pourcentage plus élevé de dioxyde de titane. Cela crée un bouclier gazeux d'oxygène, d'azote, de carbone et d'hydrogène, rendant les électrodes rutiles bien adaptées au soudage des aciers à faible teneur en carbone.

Cependant, la scorie des électrodes rutiles peut laisser des traces de titane dans le métal déposé. L'ajout de cellulose aux enrobages d'électrodes rutiles offre une protection accrue sur le bain de fusion. Ces électrodes dégagent de faibles niveaux de projections et d'émissions de fumées et sont excellentes pour toutes les positions.

Électrodes à l'oxyde de fer :

Bonnes pour une utilisation en CA et CC, les électrodes à l'oxyde de fer produisent une scorie très facile à enlever du cordon. La composition chimique de cet enrobage est riche en oxygène et peut tendre à produire des dépôts de soudure plus faibles en résistance globale.

Le risque de fragilisation par l'hydrogène est toutefois significativement plus faible qu'avec les électrodes cellulosiques. Les électrodes à l'oxyde de fer offrent un excellent contrôle de l'arc et permettent un placement net et précis du cordon.

Électrodes basiques :

Également appelées électrodes à hydrogène contrôlé, ces électrodes nécessitent un peu plus de soin avant le soudage. Elles doivent être stockées au sec et séchées (recuites) avant utilisation. Ne pas le faire peut créer une composition chimique instable dans l'enrobage, résultant en une structure de cordon compromise.

Les électrodes basiques déposent un niveau bas et contrôlé d'hydrogène, minimisant le risque de porosité et de fissuration dans un cordon. Si elles sont correctement stockées et entretenues, ces électrodes sont une excellente option pour travailler l'acier.

Électrodes à poudre de fer :

Ces électrodes sont des variations d'autres enrobages résultant de l'ajout de poudre de fer au mélange. Les poudres métalliques deviennent un ajout de plus en plus populaire aux mélanges d'enrobages car elles peuvent augmenter l'efficacité et la qualité globale du cordon. Les électrodes à poudre de fer sont une variation courante des électrodes cellulosiques qui permettent l'utilisation en courant alternatif.

Lorsque l'on travaille avec un type de soudage nécessitant des électrodes enrobées séparées, prendre le temps de comprendre les différentes options disponibles peut faire la réussite ou l'échec d'un projet. N'oubliez pas de considérer des facteurs supplémentaires — tels que la position, la résistance à la traction et les métaux d'âme — lors du choix d'une électrode.

Types d'électrodes de soudage

Les baguettes utilisées pour le soudage MIG et le soudage à la baguette sont des exemples d'électrodes consommables. Elles contiennent du métal d'apport qui fond pour créer les joints de soudure.

Le soudage TIG, en revanche, utilise des électrodes non consommables. Ces électrodes consistent principalement en tungstène, qui ne fond pas (contrairement aux électrodes consommables) en raison de son point de fusion élevé. Elles se contentent de fournir un arc électrique pour le soudage. Le métal d'apport est fourni par un fil alimenté manuellement.

La principale différence entre les deux est donc que les électrodes consommables fondent, tandis que les électrodes non consommables ne fondent pas.

Chaque catégorie comprend plusieurs types d'électrodes.

Électrodes consommables

Les électrodes consommables sont la clé du soudage à la baguette, MIG et à l'arc fourré. Les électrodes consommables utilisées pour le soudage à la baguette sont appelées électrodes enrobées (baguettes). Celles-ci comprennent les électrodes fortement enrobées, à l'arc sous flux, et légèrement enrobées.

1. Électrodes légèrement enrobées

Comme leur nom l'indique, les électrodes légèrement enrobées ont un mince enrobage sur leur surface, appliqué par pulvérisation ou brossage.

Ces électrodes et leurs enrobages sont faits de plusieurs matériaux différents. Le métal d'apport présente beaucoup de similitudes avec le métal de base à souder.

L'enrobage léger remplit une autre fonction vitale : il réduit les impuretés, comme le soufre et les oxydes, pour donner un cordon de meilleure qualité. Il permet également une fusion plus régulière du métal d'apport pour créer un cordon lisse et fiable.

Comme l'enrobage est mince, la scorie produite n'est pas trop épaisse. Les électrodes à l'arc sous flux présentent certaines similitudes avec les électrodes légèrement enrobées. La principale différence est qu'elles ont un enrobage plus épais. Ces électrodes robustes conviennent à des applications de soudage plus exigeantes, par exemple le soudage de la fonte.

2. Électrodes nues

L'utilisation d'électrodes nues peut être délicate car l'arc est quelque peu instable et difficile à contrôler. L'enrobage léger augmente la stabilité de l'arc électrique, le rendant plus facile à gérer. Les électrodes nues ont des applications limitées. Par exemple, elles sont utilisées pour le soudage de l'acier au manganèse.

3. Électrodes à l'arc sous flux (électrodes fortement enrobées)

Les électrodes à l'arc sous flux ont trois types d'enrobages différents, servant à des fins distinctes. Un type d'enrobage contient de la cellulose et utilise une couche de gaz protectrice pour protéger la zone de soudure. Le second type contient des minéraux qui produisent de la scorie. Le troisième type combine minéraux et cellulose.

Les électrodes à l'arc sous flux génèrent une couche de gaz protectrice formant une barrière efficace pour protéger la zone de soudure chaude de la contamination et de la corrosion par l'air ambiant. Cela résulte en des cordons plus solides et plus fiables. La zone de soudure chauffée doit être protégée des gaz atmosphériques comme l'azote et l'oxygène, qui réagissent avec le métal à haute température pour produire des cordons cassants, poreux et faibles.

Les électrodes à l'arc sous flux minimisent le soufre, les oxydes et autres impuretés dans le métal de base pour donner des cordons réguliers, lisses et propres. Ces électrodes enrobées produisent également un arc électrique plus stable que les électrodes nues, ce qui rend le soudage plus gérable et réduit les projections.

Les électrodes à l'arc sous flux produisent également de la scorie due à l'enrobage minéral. Cette scorie peut sembler être une corvée à enlever, mais elle sert un but bénéfique. Elle refroidit beaucoup plus lentement que les électrodes à l'arc sous flux. Ce processus extrait les impuretés et les porte à la surface. Par conséquent, vous obtenez des cordons de haute qualité, propres, durables et solides.

Électrodes non consommables

Les électrodes non consommables sont plus simples à comprendre, non seulement parce qu'elles ne fondent pas, mais aussi parce qu'il n'y en a que deux types.

1. Électrodes en carbone

Le premier type est l'électrode en carbone, utilisée pour le découpage et le soudage. Cette électrode est faite de graphite de carbone. Elle peut être revêtue d'une couche de cuivre ou laissée nue.

L'American Welding Society n'a pas émis de spécifications pour ce type d'électrode. Cependant, des spécifications militaires existent pour les électrodes en carbone.

2. Électrodes en tungstène et leurs différents types

Le second type d'électrode non consommable est l'électrode en tungstène, utilisée pour le soudage TIG. Ces électrodes existent en tungstène pur (marquage vert), tungstène contenant 0,3 à 0,5 % de zirconium (marquage brun), tungstène avec 2 % de thorium (marquage rouge), et tungstène contenant 1 % de thorium (marquage jaune).

Les électrodes non consommables en tungstène pur ont une utilisation limitée et conviennent aux travaux de soudage légers. Deux raisons à cela : premièrement, le tungstène pur ne possède pas la durabilité et la résistance des alliages de tungstène. Deuxièmement, le tungstène pur peut poser des problèmes avec les forts courants.

Les électrodes en tungstène avec 0,3 à 0,5 % de zirconium offrent d'excellents résultats en courant alternatif. Elles sont une amélioration par rapport au tungstène pur, mais pas aussi bonnes que les électrodes au thorium.

Les électrodes en tungstène avec 1-2 % de thorium sont parmi les électrodes non consommables les plus utilisées car elles durent plus longtemps et ont une résistance plus élevée que les autres types. Elles peuvent être utilisées pour des courants plus élevés que les électrodes en tungstène pur. Ces électrodes offrent également un meilleur contrôle de l'arc et sont plus faciles à amorcer.

Lors de l'utilisation d'une électrode en tungstène, il est préférable d'utiliser le courant maximal admissible si elles ont une forme cylindrique plate, sinon il devient difficile de contrôler et de maintenir l'arc.

Pour un meilleur contrôle et une meilleure stabilité de l'arc, vous devez affûter les pointes de ces électrodes en pointe, c'est-à-dire les rendre coniques. Si vous faites cela, vous devrez sélectionner l'amorçage par contact au lieu des postes à souder CC.

Rappelez-vous que les électrodes en tungstène avec thorium et zirconium auront une durabilité améliorée par rapport au tungstène pur si vous optez pour des électrodes effilées avec amorçage par contact.