Soudage plasma à polarité variable de l’aluminium (PAW-VP)

Principe, polarités CCEN/CCEP et application aux flans raboutés

Le soudage plasma à polarité variable de l’aluminium, désigné PAW-VP ou VP-PAW, combine une phase à électrode négative pour obtenir la pénétration et une phase à électrode positive pour assurer le décapage cathodique de l’alumine. Cette maîtrise de la forme d’onde permet de produire des soudures profondes, propres et régulières, notamment sur les flans raboutés destinés à l’industrie automobile.

Dans cet article technique, nous examinons le principe du procédé, les rôles respectifs des polarités CCEN/DCEN et CCEP/DCEP, les difficultés métallurgiques du soudage de l’aluminium ainsi que les résultats d’essais de formabilité LDH.

À retenir

• Le PAW-VP utilise un arc plasma constricté, plus concentré qu’un arc TIG classique.
• La phase CCEN/DCEN favorise le transfert thermique et la pénétration.
• La phase CCEP/DCEP élimine la couche d’alumine par décapage cathodique.
• La pulsation du courant peut favoriser une structure à grains équiaxes et améliorer la formabilité.
• Le procédé peut atteindre des vitesses de soudage longitudinal proches de 5,5 m/min.

Sommaire

1. Considérations métallurgiques
2. Principe du PAW à polarité variable
3. Soudage des flans raboutés
4. Conclusions
5. Retour d’expérience d’Émile Layer
6. Questions fréquentes

Auteurs : Chris Pilcher et John Micheli
Date de publication originale : 29 novembre 2000
Source : The Fabricator — catégorie Soudage à l’arc

Les constructeurs automobiles cherchent à produire des véhicules plus économes en carburant, capables de satisfaire à des exigences de plus en plus strictes en matière de consommation moyenne des véhicules d’entreprise (CAFE). Ces moyens de transport plus respectueux de l’environnement comprennent les véhicules électriques à batterie, les véhicules à pile à combustible ainsi que les véhicules utilisant des carburants pétroliers de manière plus propre.

La réduction de la masse contribue fortement à atteindre ces objectifs. C’est pourquoi l’aluminium est de plus en plus utilisé pour fabriquer les éléments intérieurs et extérieurs des carrosseries automobiles, en complément de ses applications traditionnelles dans les pièces moulées et forgées. De nombreuses entreprises rencontrent toutefois des difficultés pour fabriquer des flans raboutés soudés (tailor-welded blanks, TWB) en alliage d’aluminium (AA), et aucun procédé d’assemblage ne s’est encore imposé comme technologie dominante dans ce domaine.

Une méthode qui a reçu très peu d’attention est le soudage plasma à l’arc à polarité variable (Variable-Polarity Plasma Arc Welding, VP-PAW). Ce procédé constitue pourtant une technique éprouvée pour le soudage des alliages d’aluminium dans des applications difficiles et exigeantes. Il est notamment employé pour fabriquer de nombreux composants en aluminium, parmi lesquels les réservoirs cryogéniques de carburant de la navette spatiale et d’autres lanceurs disponibles dans le commerce.

Le PAW à polarité variable est également utilisé pour fabriquer des composants de climatisation automobile, à raison de plusieurs milliers de pièces par jour. Associé à un programme de soudage approprié et à une préparation correcte des pièces, ce procédé permet d’obtenir de façon régulière des soudures de qualité radiographique. De plus, le profil du cordon produit par PAW-VP favorise l’écoulement du métal pendant la mise en forme de l’aluminium et procure ainsi un profil de cordon optimal pour l’emboutissage des flans raboutés en alliage d’aluminium.

Le présent article expose d’abord les considérations métallurgiques à prendre en compte avant de souder les alliages d’aluminium. Il décrit ensuite le procédé PAW-VP et son domaine d’application à d’autres moyens de transport. Enfin, il présente certains résultats obtenus lors de travaux consacrés à la fabrication de flans raboutés en aluminium adaptés à la production industrielle.

1. Considérations métallurgiques

Les caractéristiques métallurgiques de l’alliage d’aluminium destiné à la fabrication d’un flan rabouté doivent être prises en compte. En résumé, les nuances d’aluminium soudables ou difficilement soudables peuvent être classées en deux groupes : les alliages susceptibles de durcissement structural par traitement thermique et les alliages durcissables par écrouissage. Les nuances traitables thermiquement peuvent être soudées, mais elles nécessitent l’emploi d’un métal d’apport allié afin d’éviter la fissuration lors de la solidification.

Une autre caractéristique de l’aluminium est sa grande sensibilité à l’oxydation. L’aluminium forme très facilement des oxydes, ce qui complique son soudage. Ces oxydes peuvent rester emprisonnés dans le bain de fusion, former des inclusions et produire des assemblages fragiles susceptibles de rompre. En soudage à polarité variable, ils sont généralement éliminés par l’une des trois méthodes suivantes :

• décapage chimique ;
• nettoyage ou meulage mécanique ;
• décapage cathodique.

Les alliages d’aluminium sont également sensibles à la formation de porosités pendant le soudage. Celles-ci apparaissent généralement lorsque le bain de fusion absorbe de l’hydrogène. La solubilité de l’hydrogène dans l’aluminium liquide étant très élevée, une protection gazeuse efficace est indispensable. Les principales sources d’hydrogène sont l’eau, notamment sous forme d’humidité présente à la surface du métal, les fuites dans le circuit de gaz de protection et les traces d’eau. Les huiles et autres lubrifiants peuvent également introduire de l’hydrogène.

2. Définition du soudage plasma à l’arc à polarité variable

Le soudage plasma à l’arc est un procédé dérivé du soudage TIG/GTAW. Les deux procédés utilisent une électrode de tungstène, mais leurs torches sont différentes. L’arc TIG présente une forme évasée, comparable à une cloche, tandis que la torche plasma produit un arc fortement concentré, rigide et puissant.

Dans une torche PAW, l’électrode est entourée d’une tuyère en cuivre comportant un orifice constricteur. L’amorçage nécessite deux circuits d’alimentation :

• une alimentation d’arc pilote, raccordée entre l’électrode et la tuyère ;
• une alimentation principale, qui établit le courant entre l’électrode et la pièce.

Lorsque le courant pilote est activé, un arc s’établit entre l’électrode et l’orifice de la tuyère. Le flux gazeux s’ionise et forme un jet de plasma appelé arc pilote. L’arc de soudage, également appelé arc transféré, apparaît lorsque l’alimentation principale est activée. Le courant circule alors, à travers le gaz ionisé, de l’électrode vers la pièce.

L’arc produit par la torche plasma est rigide et assure une bonne stabilité directionnelle du jet. Très concentré, il est moins sensible aux champs magnétiques et aux déviations de l’arc. Les fortes densités de courant et la concentration d’énergie produisent un arc constricté permettant d’obtenir une pénétration plus profonde ainsi qu’une zone affectée thermiquement (ZAT) réduite. Plus important encore pour la production industrielle, l’arc est relativement peu sensible aux variations de longueur d’arc ou de distance torche-pièce.

Une source de courant PAW à polarité variable permet d’ajuster précisément la forme d’onde. La polarité de l’arc peut être commutée et contrôlée en faisant varier la proportion des deux phases suivantes :

• courant continu électrode négative — CCEN (DCEN), appelé aussi polarité directe ;
• courant continu électrode positive — CCEP (DCEP), appelé aussi polarité inverse.

Les paramètres de polarité variable sont programmés dans la source de courant afin d’obtenir le cycle PAW-VP le plus efficace. La figure 2 de l’article d’origine présente une forme d’onde type et les paramètres nécessaires au soudage d’un alliage d’aluminium de 6 mm d’épaisseur.

Paramètres de soudage à polarité variable

Alliage d’aluminium	Phase CCEP/DCEP	Durée CCEP	Phase CCEN/DCEN	Durée CCEN
5456	185 A	3 ms	130 A	19 ms
2219	180 A	3 ms	140 A	19 ms
5086	180 A	4 ms	145 A	19 ms

Comme indiqué précédemment, l’aluminium tend à former une couche d’oxyde qui doit être éliminée pour obtenir une soudure de qualité. Le décapage cathodique de la surface pendant le soudage à polarité variable constitue l’une des méthodes possibles. Pour comprendre ce phénomène, il convient de distinguer les deux polarités composant le cycle : la polarité directe CCEN/DCEN et la polarité inverse CCEP/DCEP.

La polarité directe offre un meilleur rendement thermique que la polarité inverse. En polarité inverse, une part importante de la chaleur n’est pas transférée à la pièce. Son principal avantage réside cependant dans sa capacité à nettoyer et décaper la surface à souder. Cet effet est indispensable pour éliminer l’oxyde et produire une soudure d’aluminium de haute qualité.

De plus, le décapage cathodique obtenu en CCEP/DCEP améliore sensiblement l’écoulement du bain de fusion, ce qui rend possible le soudage en mode keyhole — ou trou de serrure. Visuellement, un assemblage en aluminium soudé par PAW-VP présente un aspect propre ainsi qu’une zone décapée nettement visible.

3. Soudage des flans raboutés

L’impossibilité de régler librement la forme d’onde limite l’utilisation d’un courant alternatif classique. Le soudeur ne peut pas optimiser séparément le transfert thermique et l’action de nettoyage. En combinant les deux polarités de l’électrode, le PAW-VP bénéficie à la fois du fort apport thermique de la phase CCEN/DCEN et de l’effet nettoyant de la phase CCEP/DCEP.

Résultats des essais LDH — étirage biaxial

Les essais de hauteur limite de dôme (Limiting Dome Height, LDH) ont été réalisés sur des flans raboutés en aluminium ASTM 5182 de 200 × 200 mm, constitués de tôles de 0,8 et 1,6 mm d’épaisseur.

Essai	Hauteur du dôme	Effort maximal	Observation
1 — Biaxial	19,9 mm	−21,8 kN	Cycle achevé avant la rupture de l’éprouvette
2 — Biaxial	20,6 mm	−24,1 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 2,5 mm de la soudure
3 — Biaxial	19,2 mm	−21,4 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 3,0 mm de la soudure
4 — Biaxial	20,2 mm	−24,3 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 2,5 mm de la soudure
5 — Biaxial	19,8 mm	−22,6 kN	Cycle achevé avant la rupture de l’éprouvette
6 — Biaxial	18,6 mm	−24,8 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 2,0 mm de la soudure
7 — Biaxial	17,7 mm	−22,6 kN	Cycle achevé avant la rupture de l’éprouvette

Résultats des essais LDH — déformation plane

Les éprouvettes utilisées pour les essais en déformation plane mesuraient 125 × 200 mm et étaient constituées de tôles de 0,8 et 1,6 mm d’épaisseur.

Essai	Hauteur du dôme	Effort maximal	Observation
1 — Déformation plane	18,8 mm	−22,0 kN	Striction dans le métal de base, à 4 mm de la soudure
2 — Déformation plane	18,8 mm	−18,8 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 2,0 mm de la soudure
3 — Déformation plane	19,6 mm	−23,2 kN	Rupture dans le métal de base le plus mince, à 8,0 mm de la soudure
4 — Déformation plane	19,1 mm	−22,9 kN	Striction dans le métal de base, à 4 mm de la soudure

Les tableaux précédents présentent les résultats des essais LDH réalisés avec un poinçon de 101,6 mm sur l’aluminium ASTM 5182. La géométrie des éprouvettes soudées était de 200 × 200 mm pour l’essai d’étirage biaxial et de 125 × 200 mm pour l’essai en déformation plane. Les épaisseurs assemblées étaient de 0,8 et 1,6 mm.

La soudure a été réalisée transversalement au sens de laminage. Aucun lubrifiant n’a été utilisé pour réduire le frottement. La vitesse de soudage était de 2,5 m/min. Toutes les soudures ont été exécutées à l’aide d’une source PAW-VP de 400 A intégrée à une installation simple de soudage longitudinal.

Profil du cordon

Figure 4 — Profil du cordon obtenu par PAW-VP

La figure 4 montre le profil de soudure d’un flan fabriqué par PAW-VP. Le cordon présente une transition progressive entre les deux épaisseurs de tôle. Comparé à un cordon plus étroit, ce profil favorise l’écoulement du métal et améliore les caractéristiques d’emboutissage du panneau.

Il convient également de remarquer la présence de grains équiaxes, obtenus grâce à la pulsation du courant pendant le soudage. Cette structure granulaire améliore l’aptitude à la mise en forme.

Figure 5 — Macrographie d’une soudure PAW-VP

La figure 5 présente une macrographie d’une soudure réalisée par PAW-VP. La zone blanche entourant le cordon correspond à la surface ayant subi le décapage cathodique. Dans ce procédé, la polarité de l’arc est commutée et contrôlée en faisant varier les durées et les intensités des phases CCEN/DCEN et CCEP/DCEP.

4. Conclusions

Le soudage plasma à l’arc à polarité variable est un procédé éprouvé et stable pour l’assemblage de nombreux alliages d’aluminium destinés à des applications exigeantes. La combinaison des deux polarités permet d’effectuer un décapage cathodique du métal et d’éliminer la couche d’oxyde d’aluminium. Cette élimination est indispensable à l’obtention de soudures de qualité. Les caractéristiques du PAW-VP contribuent ainsi à surmonter les principales difficultés métallurgiques rencontrées lors du soudage de l’aluminium.

Le PAW-VP est déjà utilisé dans des applications à forte cadence de production. Sa tolérance concernant la distance torche-pièce et les dimensions de l’arc rend l’ajustage des pièces moins critique qu’avec certains procédés conventionnels employés pour produire des flans raboutés. L’arc constricté génère également un profil de cordon favorable à un bon écoulement du métal pendant la mise en forme.

La forte réflectivité de l’aluminium n’affecte pas le PAW-VP, ce qui permet d’optimiser la vitesse opératoire. Les vitesses habituelles de soudage longitudinal peuvent atteindre environ 5,5 m/min. Le procédé est donc capable de répondre aux volumes de production de flans raboutés en aluminium prévus pour les années suivantes.

Pour les futures applications à très forte cadence, le PAW-VP peut être associé à un laser afin de produire des soudures métallurgiquement saines. Le décapage cathodique généré par le PAW-VP réduit fortement la réflexion du rayonnement par l’aluminium, permettant ainsi au laser d’assurer le soudage.

Retour d’expérience d’Émile Layer

Émile Layer — ingénieur soudeur et ancien expert international FMC Technologies
Au cours de plus de quarante années consacrées au soudage industriel, j’ai travaillé sur les procédés TIG/GTAW, plasma PAW/PTA, MIG/MAG, soudage automatique et rechargement. Le PAW-VP illustre un principe essentiel du soudage de l’aluminium : il ne suffit pas d’apporter de l’énergie pour fondre le métal. Il faut également maîtriser et éliminer la couche d’alumine, dont la température de fusion est très supérieure à celle de l’aluminium.

Dans une application industrielle, la qualité ne dépend pas uniquement du réglage du courant. La préparation et la propreté des pièces, l’absence d’humidité ou de lubrifiant, la stabilité du gaz de protection, la distance torche-pièce et la répétabilité du montage restent déterminantes. La polarité variable apporte une souplesse importante, mais elle ne dispense jamais d’une préparation rigoureuse avant soudage.

Questions fréquentes sur le PAW-VP

Qu’est-ce que le soudage plasma à polarité variable ?

Le PAW-VP est un procédé de soudage plasma dans lequel le courant alterne de manière contrôlée entre une phase à électrode négative, CCEN/DCEN, et une phase à électrode positive, CCEP/DCEP. La durée et l’intensité de chaque phase sont réglables.

Pourquoi utiliser une polarité variable pour souder l’aluminium ?

La polarité variable permet de combiner la pénétration obtenue en CCEN avec le nettoyage cathodique obtenu en CCEP. Cette seconde phase contribue à éliminer la couche d’oxyde d’aluminium présente à la surface.

Quel est le rôle de la polarité CCEN/DCEN ?

Le TIG produit un arc relativement évasé. Dans une torche plasma, une tuyère en cuivre munie d’un orifice constricteur concentre l’arc. Le jet plasma est ainsi plus rigide, plus directionnel et généralement moins sensible aux variations de distance entre la torche et la pièce.

Avec l’électrode négative, la plus grande partie de la chaleur utile est transmise à la pièce. Cette phase assure principalement la fusion et la pénétration.

Quel est le rôle de la polarité CCEP/DCEP ?

Avec l’électrode positive, l’action cathodique nettoie la surface de l’aluminium et détruit la couche d’alumine. Une durée excessive de cette phase réduit toutefois le rendement thermique et augmente l’échauffement de l’électrode.

Le PAW-VP convient-il à la production en série ?

Oui. Le procédé est utilisé dans des applications automatisées à forte cadence. Sa stabilité, sa tolérance aux variations de hauteur et sa vitesse le rendent intéressant pour les assemblages longitudinaux et les flans raboutés.

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• Principe du procédé TIG manuel : « fonctionnement du soudage TIG/GTAW » ;
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• Soudage plasma PAW et PTA: « différences entre les procédés plasma PAW et PTA » ;
• Métallurgie du soudage de l’aluminium : « porosités et couche d’alumine ».

À propos des auteurs

Chris Pilcher

Ingénieur mécanicien principal — Liburdi Pulsweld Corp.

John Micheli

Ingénieur métallurgiste — Liburdi Pulsweld Corp.