procédé de soudage de tubes en acier inoxydable

Les progrès réalisés dans le traitement des matériaux ont ouvert des perspectives uniques dans le domaine de la production de tubes en acier inoxydable. Les applications typiques incluent les tuyaux d'échappement, les conduites de carburant, les injecteurs de carburant et d'autres composants. La fabrication de tubes en acier inoxydable commence par le formage d'une bande d'acier plate, qui est ensuite mise en forme pour obtenir un tube rond. Une fois formés, les tubes sont assemblés par soudage. Cette soudure influence fortement la formabilité de la pièce. Il est donc primordial de choisir la technique de soudage appropriée afin d'obtenir un profil de soudure conforme aux exigences rigoureuses des tests industriels. Le soudage TIG (GTAW), le soudage haute fréquence (HF) et le soudage laser sont des techniques couramment utilisées dans la fabrication de tubes en acier inoxydable.

Soudage par induction à haute fréquence
En soudage par contact haute fréquence et en soudage par induction haute fréquence, les équipements fournissant le courant et la force de pression sont indépendants. De plus, les deux procédés peuvent utiliser des aimants en barre, éléments magnétiques doux placés à l'intérieur du tube, qui permettent de concentrer le flux de soudage sur le bord de la bande.
Dans les deux cas, la bande est coupée, nettoyée, enroulée et acheminée vers le poste de soudage. Un liquide de refroidissement est également utilisé pour refroidir les bobines d'induction servant au chauffage. Enfin, un autre liquide de refroidissement est utilisé lors de l'extrusion. À cette étape, une force importante est appliquée sur la poulie de compression afin d'éviter la formation de porosités dans la zone de soudure ; cependant, une force de compression trop élevée entraînerait une augmentation des bavures (ou cordons de soudure). C'est pourquoi des couteaux spécialement conçus sont utilisés pour ébavurer l'intérieur et l'extérieur du tube.
Le principal avantage du soudage haute fréquence réside dans sa capacité à usiner rapidement les tubes en acier. Cependant, comme c'est souvent le cas pour les assemblages par forgeage à l'état solide, les joints soudés haute fréquence ne sont pas facilement contrôlables de manière fiable par les techniques non destructives (CND) conventionnelles. Des fissures peuvent apparaître dans les zones planes et fines des joints à faible résistance, fissures indétectables par les méthodes traditionnelles et susceptibles de compromettre la fiabilité de certaines applications automobiles exigeantes.

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW)
Traditionnellement, les fabricants de tubes en acier privilégient le soudage TIG (Tungsten Inert Gas) pour réaliser l'assemblage. Le procédé TIG crée un arc électrique entre deux électrodes de tungstène non fusibles. Simultanément, un gaz de protection inerte est injecté par la torche afin de protéger les électrodes, de générer un plasma ionisé et de préserver le bain de fusion. Ce procédé éprouvé garantit un soudage de haute qualité et reproductible.
Ce procédé présente l'avantage d'être reproductible, de permettre une soudure sans projections et d'éliminer la porosité. Le soudage TIG étant un procédé de conduction électrique, il est relativement lent.

Impulsion d'arc à haute fréquence
Ces dernières années, les sources d'alimentation pour le soudage GTAW, également appelées commutateurs haute fréquence, ont permis d'atteindre des fréquences d'impulsion d'arc supérieures à 10 000 Hz. Les clients des usines de transformation de tubes en acier bénéficient de cette nouvelle technologie : la haute fréquence de l'impulsion d'arc génère une pression d'arc cinq fois supérieure à celle du soudage GTAW conventionnel. Parmi les améliorations notables, citons une résistance à l'éclatement accrue, une vitesse de soudage plus élevée et une réduction des rebuts.
Le client du fabricant de tubes en acier a rapidement constaté que le profil de soudure obtenu par ce procédé devait être réduit. De plus, la vitesse de soudage reste relativement lente.

Soudage laser
Dans toutes les applications de soudage de tubes en acier, les bords de la bande d'acier sont fondus et solidifiés lorsque les extrémités du tube sont serrées l'une contre l'autre à l'aide de pinces de serrage. Cependant, le soudage laser présente la particularité d'une densité de faisceau élevée. Le faisceau laser fond non seulement la couche superficielle du matériau, mais crée également un trou de serrure, ce qui permet d'obtenir un profil de soudure très fin. Les densités de puissance inférieures à 1 MW/cm², comme celles utilisées pour le soudage TIG, ne produisent pas une densité d'énergie suffisante pour créer un trou de serrure. De ce fait, le procédé sans trou de serrure aboutit à un profil de soudure large et peu profond. La haute précision du soudage laser permet une pénétration plus efficace, ce qui réduit la croissance des grains et améliore la qualité métallographique. En revanche, l'apport d'énergie thermique plus élevé et le refroidissement plus lent du soudage TIG engendrent une soudure de qualité médiocre.
De manière générale, le soudage laser est considéré comme plus rapide que le soudage TIG (GTAW), avec un taux de rebut identique. Le premier offre de meilleures propriétés métallographiques, ce qui se traduit par une résistance à l'éclatement et une formabilité supérieures. Contrairement au soudage haute fréquence, le traitement laser du matériau ne provoque aucune oxydation, ce qui réduit le taux de rebut et améliore la formabilité. Influence de la taille du point de soudure : dans les usines de soudage de tubes en acier inoxydable, la profondeur de soudure est déterminée par l'épaisseur du tube. L'objectif de production est donc d'accroître la formabilité en réduisant la largeur de la soudure, tout en augmentant les cadences de production. Le choix du laser le plus adapté doit prendre en compte non seulement la qualité du faisceau, mais aussi la précision de la machine de production. De plus, les limites de la réduction du point de soudure doivent être considérées avant que les erreurs dimensionnelles de la machine de production de tubes n'entrent en ligne de compte.

Il existe de nombreux problèmes dimensionnels spécifiques au soudage des tubes en acier. Cependant, le principal facteur influençant la qualité du soudage est la soudure sur le tube (plus précisément, la bobine soudée). Une fois la bande formée et prête à être soudée, les caractéristiques de la soudure comprennent l'écartement de la bande, les défauts d'alignement (importants ou légers) et les variations de l'axe de la soudure. L'écartement détermine la quantité de matériau utilisée pour former le bain de fusion. Une pression excessive entraînera un excès de matériau au niveau du diamètre supérieur ou intérieur du tube. À l'inverse, un défaut d'alignement, même léger, peut engendrer un profil de soudure médiocre. De plus, après son passage dans le tube soudé, le tube en acier subira des opérations de finition. Celles-ci comprennent l'ajustement des dimensions et de la forme. Ces opérations supplémentaires permettent d'éliminer certains défauts de soudure, mineurs ou importants, mais probablement pas tous. L'objectif est bien sûr d'atteindre zéro défaut. En règle générale, les défauts de soudure ne doivent pas excéder 5 % de l'épaisseur du matériau. Au-delà de cette valeur, la résistance du produit soudé sera affectée.

Enfin, la présence d'un axe de soudure est essentielle à la production de tubes en acier inoxydable de haute qualité. L'importance croissante accordée à la formabilité dans le secteur automobile induit une corrélation directe entre la nécessité d'une zone affectée thermiquement (ZAT) réduite et un profil de soudure plus fin. Ceci a conduit à des progrès dans la technologie laser, améliorant la qualité du faisceau et réduisant ainsi la taille du point de soudage. À mesure que cette taille diminue, la précision du balayage de l'axe de soudure devient primordiale. En règle générale, les fabricants de tubes en acier s'efforcent de minimiser cet écart, mais atteindre une précision de 0,2 mm (0,008 pouce) s'avère très difficile en pratique. D'où la nécessité d'utiliser un système de suivi de soudure. Les deux techniques de suivi les plus courantes sont le balayage mécanique et le balayage laser. Les systèmes mécaniques utilisent des sondes pour entrer en contact avec la soudure en amont du bain de fusion, ce qui les expose à la poussière, à l'usure et aux vibrations. Leur précision de 0,25 mm (0,01 pouce) est insuffisante pour le soudage laser haute qualité.

En revanche, le suivi de joint laser permet d'atteindre la précision requise. Généralement, un faisceau ou un point laser est projeté sur la surface de la soudure, et l'image résultante est transmise à une caméra CMOS. Celle-ci utilise des algorithmes pour déterminer l'emplacement des soudures, des défauts d'assemblage et des interstices. Si la vitesse d'acquisition d'images est importante, les systèmes de suivi de joint laser doivent être équipés d'un contrôleur suffisamment rapide pour déterminer avec précision la position de la soudure tout en assurant la régulation en boucle fermée nécessaire au déplacement de la tête de focalisation laser directement sur le joint. Par conséquent, la précision du suivi de joint est primordiale, tout comme le temps de réponse.

De manière générale, la technologie de suivi de joint est suffisamment développée pour permettre aux fabricants de tubes en acier d'utiliser des faisceaux laser de meilleure qualité afin de produire des tubes en acier inoxydable plus faciles à former. Le soudage laser s'est ainsi imposé comme une solution pour réduire la porosité et le profil des soudures, tout en maintenant, voire en augmentant, la vitesse de soudage. Les systèmes laser, tels que les lasers à diffusion pour plaques, ont amélioré la qualité du faisceau, optimisant ainsi la formabilité grâce à la réduction de la largeur des soudures. Ces avancées ont engendré un besoin accru de contrôle dimensionnel et de suivi de joint laser dans les aciéries.