Gaz de soudage : pourquoi ils sont importants et les types à connaître

Que sont les gaz de soudage ?

Le gaz de soudage est utilisé de diverses manières. Cela inclut : protéger l'arc des impuretés comme l'air, la poussière et autres gaz ; maintenir les cordons propres sur la face inférieure du joint opposée à l'arc (ou purgage) ; et chauffer le métal. Les gaz de couverture (blanketing) sont également utilisés pour protéger le métal après le processus de soudage.

Les gaz utilisés dans les procédés de soudage et de découpage comprennent :

• Gaz de protection tels que le dioxyde de carbone, l'argon, l'hélium, etc.
• Gaz combustibles tels que l'acétylène, le propane, le butane, etc.
• Oxygène, utilisé avec les gaz combustibles et aussi en petites quantités dans certains mélanges de gaz de protection

Alors que les soudeurs à l'électrode enrobée traditionnels connaissaient peu les gaz, l'essor des postes MIG et TIG au cours des 70 à 80 dernières années a fait du gaz de soudage une marchandise courante dans la plupart des ateliers.

En explorant les principaux gaz et mélanges utilisés dans le monde du soudage, il est fascinant de constater à quel point nous avons progressé en si peu de temps depuis leur première mise en œuvre. La progression est énorme, et ce qui nous attend pour de nouveaux gaz ou de nouvelles façons de les utiliser est passionnant.

Dans cet article, nous explorerons les différents types de gaz de soudage et leurs utilisations.

Quel est le but du gaz en soudage ?

Il existe une gamme d'utilisations différentes pour le gaz en soudage. Cela peut inclure : garder l'arc exempt d'impuretés (telles que la poussière, d'autres gaz, la saleté, etc.),

Aussi utilisé pour aider à la stabilité de l'arc et assurer un transfert de métal approprié pour de nombreux procédés de soudage. S'assurer que le bain de fusion reste propre sous le joint (c'est ce qu'on appelle le purgage), pour le blanketing et le chauffage aussi.

Si vous n'utilisez pas correctement le gaz en soudage, vous pouvez obtenir un cordon faible ou poreux ou constater qu'il y a trop de projections pendant le soudage. Les projections ne ruinent pas le cordon mais réduisent la productivité car elles demandent un effort pour être nettoyées.

1. Gaz inertes et réactifs

Il y a deux types de gaz applicables au soudage :

Gaz inertes. Un gaz inerte est un gaz qui ne change pas sous un ensemble donné de conditions. Les gaz inertes sont souvent utilisés en soudage, étanchéité ou marquage pour éviter les réactions chimiques indésirables qui pourraient dégrader une pièce. Ces réactions indésirables incluent l'oxydation et l'hydrolyse, qui sont des réactions avec l'oxygène et l'humidité de l'air.

L'azote purifié et l'argon sont les plus couramment utilisés comme gaz inertes en raison de leur abondance naturelle élevée (78 % N₂, 1 % Ar dans l'air) et de leur coût relativement faible.

Gaz réactifs. Également appelés gaz semi-inertes — ce sont des gaz qui subissent des réactions chimiques sous des conditions spécifiques telles que l'oxydation. Ceux-ci incluent l'argon, le dioxyde de carbone, l'hélium et l'azote.

Les gaz de protection réducteurs en technologie de soudage sont toujours des gaz mélangés composés d'argon ou d'azote avec de l'hydrogène. L'argon avec hydrogène est utilisé, par exemple, en soudage TIG de l'acier inoxydable. L'azote et l'hydrogène sont appliqués comme gaz de protection dorsale (backing). Attention : Si la proportion d'hydrogène dépasse 10 %, il doit être brûlé (torch) en raison des risques d'incendie et d'explosion.

2. Gaz de protection (shielding gas)

Lorsque l'air pénètre dans l'arc pendant le soudage, il provoque la formation de bulles d'air dans le métal en fusion, créant un cordon faible et très laid. Vous ne pouvez pas souder MIG ou TIG sans gaz de protection, sauf si le matériau d'apport utilisé est fourré ou enrobé de flux. Cela remplit le même objectif qu'un gaz de protection, en empêchant les impuretés d'entrer, mais d'une manière différente.

La plupart des gaz de protection sont inertes, ce qui les rend idéaux pour protéger un procédé de soudage car ils restent stables dans les conditions extrêmes du soudage. Ils nourrissent également le cordon de différentes manières, selon le gaz utilisé, notamment : plus de pénétration, plus de fluidité à l'état fondu, et une surface plus lisse sur le cordon.

3. Gaz de purgage

Les gaz de purgage sont utilisés pour couvrir la face inférieure du matériau que vous soudez de la même manière qu'un gaz de protection, mais c'est fait séparément du processus naturel de la soudure.

Pendant que vous soudez le dessus d'un joint, le dessous du joint est scellé et traversé par un flux de gaz de purgage. C'est fréquemment utilisé avec des pièces en acier inoxydable, et cela peut être le même type de gaz ou un gaz différent de celui utilisé sur le dessus du joint.

4. Gaz de chauffage

Certains soudages, comme le soudage au gaz et le brasage, nécessitent du gaz pour chauffer le métal ou les baguettes d'apport pour réaliser la soudure. Cela remplace le besoin d'un arc.

Des types spécifiques de soudage nécessitent que le métal soit préchauffé avant le soudage, ce pour quoi ce gaz est utilisé. Le gaz est simplement un combustible mélangé à de l'air ou de l'oxygène, qui est allumé par une flamme pour chauffer ou fondre le métal.

5. Gaz de couverture (blanketing gas)

Le blanketing est un processus où les réservoirs et espaces confinés sont remplis de gaz après leur achèvement pour empêcher l'air et autres contaminants d'endommager ou de tacher le produit fini.

Parfois, il est utilisé pour remplir entièrement les projets terminés. D'autres fois, le gaz est ajouté au réservoir rempli d'air, créant un mélange pour maintenir le réservoir pur contre d'autres gaz ou réactions.

Les différents types de gaz utilisés pour le soudage

Les deux premiers gaz de protection, l'argon et l'hélium, sont inertes, tandis que les quatre autres — hydrogène, oxygène, dioxyde de carbone et azote — sont semi-inertes.

Assurez-vous d'évaluer les objectifs de votre projet afin de sélectionner le bon gaz pour la soudure en question. Les éléments à garder à l'esprit lors de la sélection sont : le coût, ce que la préparation implique, le métal de base que vous allez souder, les propriétés du cordon fini, et ce qui doit être fait pendant le nettoyage post-soudage.

Les quatre gaz de protection les plus couramment utilisés en soudage MIG sont l'Argon, l'Hélium, le Dioxyde de Carbone et l'Oxygène. Chacun offre des avantages et inconvénients uniques selon l'application.

Argon (Ar)

L'argon permet une pénétration plus étroite, ce qui est pratique pour les cordons à plat et d'angle. Il offre également un arc lisse et relativement fluide. Si vous allez souder des métaux non ferreux, comme le titane, l'aluminium ou le magnésium, vous devrez utiliser de l'argon pur.

L'argon est aussi souvent mélangé à l'hydrogène, l'hélium ou l'oxygène. Cela aide à intensifier les caractéristiques de l'arc et à faciliter le transfert de métal.

Si la qualité et l'esthétique du cordon sont importantes, les gaz mélangés sont bons à utiliser. Vous avez plusieurs options variant entre 75-95 % d'argon et 5-25 % de CO₂. Ils produisent une meilleure stabilité de l'arc et réduisent les projections par rapport à 100 % CO₂.

Les gaz mélangés peuvent également être utilisés dans le processus de transfert par pulvérisation (spray transfer), qui fournit à son tour des cordons plus esthétiques ainsi qu'une productivité accrue. Les mélanges Argon/CO₂ sont bons pour souder les aciers faiblement alliés, certains aciers inoxydables et les aciers au carbone. Attention cependant, des niveaux plus élevés de CO₂ peuvent provoquer une augmentation des projections.

Hélium (He)

Généralement utilisé sur les métaux non ferreux, l'hélium peut aussi être utilisé sur l'acier inoxydable. Il fonctionne bien avec les métaux épais grâce à ses capacités de pénétration large et profonde. Il est généralement utilisé dans des ratios de 25-75 % d'hélium pour 75-25 % d'argon.

En ajustant ces ratios, vous pouvez modifier la pénétration et le profil du cordon. Lorsqu'il est utilisé sur les aciers inoxydables, l'hélium est généralement utilisé dans une combinaison tri-mix avec CO₂ et argon. L'hélium est aussi utilisé pour prévenir l'oxydation lors du soudage de métaux comme l'acier inoxydable, l'aluminium, le magnésium et les alliages de cuivre.

L'hélium crée un arc plus chaud, ce qui permet des vitesses de progression plus rapides et donc une productivité accrue. Cela dit, l'hélium est plus cher et nécessite un débit plus élevé que l'argon. Il est important de peser la valeur de l'augmentation de productivité contre le coût accru du gaz lorsqu'on envisage d'utiliser l'hélium.

Dioxyde de carbone (CO₂)

Le CO₂ est, de loin, le plus courant et est l'un des rares gaz qui peut être utilisé sous sa forme pure sans avoir besoin d'ajout de gaz inerte, comme l'argon ou l'hélium. Pour cette raison, le CO₂ est l'option la plus rentable et un bon choix si les coûts du projet sont une priorité.

Le CO₂ pur, aussi appelé 100 % CO₂, fournit une pénétration profonde, ce qui est pratique pour souder des matériaux épais. Cela dit, le CO₂ pur est limité au seul procédé de court-circuit (short circuit) et produit un arc moins stable ainsi que plus de projections que lorsqu'il est combiné avec d'autres gaz (aussi appelés « gaz mélangés »).

Le CO₂ pur est bon pour les projets où l'esthétique du cordon n'est pas importante, ou où le cordon ne peut pas être vu, comme sous une voiture. Le nettoyage post-soudage est aussi un peu plus impliqué.

Oxygène (O₂)

Gaz réactif, l'oxygène est généralement utilisé en petites quantités lorsqu'il est ajouté aux gaz de protection, habituellement entre 1-9 %. Cela améliore la fluidité du bain de fusion, ainsi que la stabilité de l'arc et la pénétration dans l'acier inoxydable, le carbone doux et les aciers faiblement alliés.

Il n'est pas recommandé d'utiliser l'oxygène avec l'aluminium, le cuivre, le magnésium ou d'autres métaux exotiques car il peut causer de l'oxydation.

Les mélanges Oxygène/argon sont généralement utilisés sur l'acier inoxydable et les aciers au carbone ordinaires. Ils produisent un arc stable avec des projections limitées. Des niveaux plus élevés d'oxygène peuvent cependant rendre le soudage hors position difficile car ils augmentent la fluidité du bain.

Azote (N)

Autre gaz de protection peu coûteux, l'azote augmente la pénétration et la stabilité de l'arc lorsqu'il est mélangé à d'autres gaz. Ces mélanges peuvent aussi améliorer les propriétés chimiques des alliages contenant de l'azote.

L'azote est utilisé comme gaz de purgage pour le soudage de tubes en acier inoxydable. Ajouté à l'argon en petites quantités, il peut aussi être utilisé comme gaz de protection pour l'acier inoxydable.

Hydrogène (H)

Ajouté à l'argon, l'hydrogène fournit une pénétration plus profonde et des vitesses de soudage plus rapides. Le mélange d'hydrogène, d'argon et de dioxyde de carbone peut améliorer la pénétration du cordon. Cependant, s'il est mal utilisé, l'hydrogène peut causer de la porosité.

L'hydrogène sert de gaz de protection dans les applications à haute température, comme l'acier inoxydable. Il est souvent mélangé à l'argon pour une utilisation sur l'acier inoxydable austénitique.

Les différents types de gaz mélangés utilisés en soudage

Argon & CO₂

Le gaz mélangé le plus courant pour la protection en soudage est un mélange CO₂ Argon. Il peut aller de 95 % – 80 % d'Argon et 5 % – 20 % de CO₂. Dans la plupart des applications, cela créera un cordon agréablement lisse et maintiendra la quantité de projections au minimum.

Plus l'acier que vous cherchez à souder est épais, plus vous avez besoin de Dioxyde de Carbone dans le mélange et plus il est fin, plus vous avez besoin d'Argon.

Les soudeurs utilisent ces mélanges gazeux dans :

• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur acier au carbone
• Soudage à l'arc fourré (FCAW) sur acier au carbone
• Soudage à l'arc fourré (FCAW) sur acier inoxydable

Argon, CO₂, & Oxygène

Si vous cherchez un peu plus de fluidité dans le bain de fusion, vous cherchez probablement un mélange Argon, CO₂ & Oxygène. Vous obtenez des propriétés assez similaires au mélange Argon, Dioxyde de Carbone en ce qui concerne le cordon fini.

Cependant, en plus de la fluidité améliorée, cela peut aussi améliorer la vitesse de progression du processus de soudage et rendre un soudeur beaucoup plus productif. Nous l'utilisons dans les procédés suivants :

• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur acier au carbone
• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur acier inoxydable dans certains cas

Argon, Hélium, CO₂

Il existe une large gamme de mélanges différents lorsque votre gaz de soudage choisi est un mélange Argon, Hélium, Dioxyde de Carbone. Selon l'usage, le mélange sera dominé par l'Hélium ou l'Argon.

Les gaz utilisés rendent ce mélange adapté au soudage de tout, de l'acier au carbone à l'acier inoxydable, et il peut même être utilisé comme gaz pour le soudage de l'aluminium. (un bon mélange pour souder l'acier inoxydable avec des postes MIG)

L'Argon/Hélium/CO₂ est optimal pour les procédés suivants :

• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur acier inoxydable
• Soudage à l'arc fourré (FCAW) sur acier au carbone
• Soudage à l'arc fourré (FCAW) sur acier inoxydable

Hélium & Argon

Si vous cherchez un gaz pour souder de l'Aluminium, vous allez probablement opter pour un mélange Hélium & Argon. En plus de l'Aluminium, il convient aussi pour souder des alliages.

Pourquoi ? Parce que le mélange fournit un niveau de pénétration plus profond et offre aussi une finition large sur le cordon lui-même.

Nous utilisons ce mélange le plus couramment dans :

• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur aluminium
• Soudage TIG (GTAW) sur acier inoxydable ou aluminium

Argon & Oxygène (O₂)

Ce mélange de gaz n'est pas adapté à l'acier inoxydable et si vous soudez de l'acier avec — ce sera normalement de l'acier de faible épaisseur. Son but est d'aider à la fusion du matériau de l'acier.

On ne trouvera normalement pas beaucoup d'Oxygène dans ce mélange argon car sinon il brûlerait trop chaud et le soudage à l'argon est pour des choses plus fines et des matériaux plus minces.

Utilisez les mélanges argon/O₂ pour les procédés de soudage et métaux suivants :

• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur aciers inoxydables
• Soudage MIG/MAG (GMAW) sur acier au carbone

Argon & Hydrogène

Si vous faites du soudage TIG au gaz, un mélange d'Hydrogène et d'Argon est idéal quand vous avez besoin d'un cordon propre. L'hydrogène empêche l'oxygène de l'air de pénétrer dans le cordon et de causer de l'oxydation.

Le déchet de cette réaction est de l'eau qui s'évapore rapidement sous la chaleur du soudage. Cela aide à maintenir un arc étroit et précis tout en augmentant la transmission de chaleur.

• Soudage TIG (GTAW) sur acier austénitique

Azote & Hydrogène

Ce mélange a une utilisation assez spécialisée et c'est un gaz de protection pour la préparation des aciers inoxydables austénitiques (c'est-à-dire riches en chrome et nickel avec faible teneur en carbone).

Il permet un niveau de pénétration plus élevé tout en accélérant le processus de soudage. Il aide aussi à améliorer les propriétés mécaniques du produit final en acier inoxydable.

Gaz en soudage oxyacétylénique (oxy-fuel)

Les trois gaz ci-dessous — acétylène, propane et propylène — sont utilisés en soudage oxyacétylénique et sont extrêmement inflammables.

1. Acétylène

L'acétylène est très inflammable et hautement combustible dans l'air. Il est facile à produire et assez bon marché à utiliser.

Il est combiné avec l'oxygène et utilisé comme source de combustible dans certains types de soudage. Il produit une flamme très chaude capable de couper ou souder la majorité des métaux.

2. Propane

Le propane est aussi très inflammable et hautement combustible dans l'air. Il est mieux connu sous le nom de GPL (Gaz de Pétrole Liquéfié) et est utilisé comme source de combustible dans de nombreux contextes.

Il brûlera la peau s'il entre en contact avec elle. Étonnamment, cependant, il ne peut pas être utilisé en soudage au gaz car, contrairement à l'acétylène, quand on le brûle dans l'oxygène, il ne crée pas de zone réductrice (qui nettoierait la surface de l'acier pendant le soudage).

Il est utilisé principalement pour le brasage après la fin du soudage.

3. Propylène

Le propylène n'est pas réellement un gaz pur, c'est un mélange avec de l'Oxygène. Il brûle à une chaleur bien plus élevée que le Propane et l'Oxygène et il est complètement adapté pour le soudage par fusion non structurel, le brasage, le chauffage, et plus.

Cependant, il est généralement fourni dans de petites cartouches jetables qui ne sont pas vraiment assez grandes pour permettre le chauffage pendant le soudage de gros objets.

4. Air comprimé

Comme vous pourriez vous y attendre, l'air comprimé est le moins cher des gaz utilisés en soudage car c'est de l'air. (Bien qu'il soit souvent un peu purifié). Quand vous mélangez l'air comprimé avec un autre combustible, il peut produire une flamme forte à une température plus basse qu'une flamme oxy-combustible. Pour les soudeurs, cela signifie qu'ils peuvent avoir un meilleur contrôle sur l'épaisseur du revêtement de carbone qu'ils appliquent au cordon.

Sécurité du soudage au gaz

Stockage et manipulation

• Gardez les bouteilles à l'abri des dommages physiques, de la chaleur et des manipulations.
• Attachez solidement l'équipement pour éviter les chutes.
• Stockez loin des matériaux inflammables et combustibles.
• Stockez les bouteilles de gaz et d'oxygène séparément.
• Stockez en position verticale.
• Fermez les vannes des bouteilles avant de les déplacer.
• Les capuchons de protection ou détendeurs doivent rester en place.
• Faites rouler les bouteilles sur leur base pour les déplacer — ne les traînez pas.
• Limitez au maximum les mouvements pendant le transport.

Conseils généraux de sécurité pour le soudage au gaz

• Inspectez l'équipement pour les fuites à tous les raccords en utilisant une solution de détection de fuites approuvée.
• Inspectez les tuyaux pour les fuites et les zones usées.
• Remplacez les tuyaux défectueux.
• Protégez les tuyaux et les bouteilles des étincelles, flammes et métal chaud.
• Utilisez un briquet à pierre pour allumer la flamme.
• Tenez-vous sur le côté (loin des détendeurs) lors de l'ouverture des vannes des bouteilles.
• Ouvrez les vannes des bouteilles très lentement pour éviter que des pressions soudaines n'endommagent les détendeurs.
• Ouvrez la vanne de la bouteille d'acétylène seulement d'un quart à trois quarts de tour ; laissez la clé en place pour pouvoir fermer rapidement la bouteille en cas d'urgence.
• Ouvrez et allumez l'acétylène d'abord, puis ouvrez et ajustez l'oxygène pour obtenir une flamme neutre.
• Suivez les recommandations du fabricant pour éteindre le chalumeau. Si les directives ne sont pas facilement disponibles, la pratique courante est de fermer la vanne d'oxygène en premier.
• Une fois terminé, fermez les vannes des bouteilles, purgez les conduites pour retirer la pression des détendeurs, enroulez soigneusement les tuyaux et rangez l'équipement.
• Ayez un extincteur facilement accessible sur le site de soudage.