procédé de soudage de tubes en acier inoxydable

Dans la production detubes en acier inoxydableOn commence par former une bande d'acier plate, qui est ensuite mise en forme en tube rond. Une fois formé, les joints du tube doivent être soudés. Cette soudure influence fortement la formabilité de la pièce. Par conséquent, le choix de la technique de soudage appropriée est primordial pour obtenir un profil de soudure conforme aux exigences rigoureuses des tests en vigueur dans l'industrie manufacturière. Le soudage TIG (GTAW), le soudage haute fréquence (HF) et le soudage laser sont des techniques couramment utilisées pour 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 d'extrusion sont indépendants. De plus, les deux méthodes peuvent utiliser un aimant permanent, élément magnétique doux placé à l'intérieur du tube, afin de concentrer le flux de soudage sur le bord de la bande. Dans les deux cas, la bande est coupée et nettoyée avant d'être enroulée et acheminée vers le poste de soudage. Un liquide de refroidissement est utilisé pour refroidir les bobines d'induction lors du chauffage. Enfin, un peu de liquide de refroidissement est également utilisé lors de l'extrusion. Une force importante est alors appliquée à la poulie de compression pour éviter la formation de porosités dans la zone de soudure ; cependant, une force de compression excessive entraîne 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 pièces forgées en phase solide, les joints soudés haute fréquence ne peuvent être contrôlés 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 ; ces fissures sont indétectables par les méthodes traditionnelles et peuvent compromettre la fiabilité de certaines applications automobiles exigeantes.

Soudage à l'arc sous gaz tungstène (GTAW)
Traditionnellement, les fabricants de tuyauterie optent pour le soudage TIG (Tungsten Inert Gas). Ce procédé crée un arc de soudage entre deux électrodes de tungstène non fusibles. Simultanément, un gaz de protection inerte est injecté par la torche pour protéger les électrodes, générer un plasma ionisé et préserver le bain de fusion. Il s'agit d'un procédé éprouvé et maîtrisé, permettant d'obtenir des soudures de haute qualité et reproductibles. Ses avantages résident dans la reproductibilité, l'absence de projections et l'élimination de la porosité. Le soudage TIG étant un procédé de conduction électrique, sa vitesse est relativement lente.

impulsion d'arc à haute fréquence
Ces dernières années, les sources d'alimentation pour le soudage GTAW, également appelées commutateurs haute fréquence, permettent des impulsions d'arc supérieures à 10 000 Hz. Les clients des usines de transformation de tubes en acier bénéficient de cette nouvelle technologie, où les impulsions d'arc haute fréquence génèrent une pression d'arc cinq fois supérieure à celle du soudage GTAW conventionnel. Parmi les améliorations typiques, on note une résistance à l'éclatement accrue, des vitesses de soudage plus élevées et une réduction des rebuts. Les clients des fabricants de tubes en acier ont rapidement constaté la nécessité de réduire le profil de soudure obtenu par ce procédé. De plus, la vitesse de soudage reste encore 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 pressées l'une contre l'autre à l'aide de serre-joints. Cependant, la propriété unique du soudage laser réside dans la haute densité d'énergie de son faisceau. Ce dernier ne se contente pas de fondre la couche superficielle du matériau, mais crée également un trou de serrure, ce qui permet d'obtenir un cordon de soudure 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 ces trous de serrure. Par conséquent, ce procédé sans trou de serrure aboutit à un cordon de soudure large et peu profond. La haute précision du soudage laser assure une pénétration plus efficace, ce qui réduit la croissance du grain et améliore la qualité métallographique. En revanche, l'apport d'énergie thermique plus important 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, 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. Comparé au soudage haute fréquence, le laser traite les matériaux sans oxydation, ce qui réduit les taux de rebut et améliore la formabilité. Influence de la taille du point lumineux : dans les usines de soudage de tubes en acier inoxydable, la profondeur de soudage est déterminée par l'épaisseur du tube. L'objectif de production est donc d'améliorer la formabilité en réduisant la largeur de la soudure tout en augmentant la cadence 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, avant même de considérer les erreurs dimensionnelles de cette dernière, il est impératif d'évaluer la limitation liée à la réduction de la taille du point lumineux.

Il existe de nombreux problèmes dimensionnels spécifiques au soudage des tubes en acier. Cependant, le principal facteur influençant le soudage est la soudure sur la boîte de soudage (plus précisément, la bobine de soudage). Une fois la bande formée pour le soudage, les caractéristiques de la soudure comprennent les écarts entre les bandes, les défauts d'alignement (importants ou légers) et les variations de l'axe de la soudure. L'écart détermine la quantité de matériau utilisée pour former le bain de fusion. Une pression excessive entraînera un excès de matériau sur la partie supérieure ou le diamètre 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 la boîte de soudage, le tube en acier subira des opérations de finition. Celles-ci comprennent des ajustements de diamètre et de forme. Ces opérations supplémentaires peuvent corriger certains défauts de soudure, mineurs ou majeurs, mais probablement pas tous. Bien entendu, l'objectif est d'obtenir un résultat sans 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 engendre un besoin accru de zones affectées thermiquement (ZAT) et de profils de soudure réduits. Ceci favorise le développement de la technologie laser, notamment l'amélioration de la qualité du faisceau pour réduire la taille du point de soudage. Avec la diminution continue de cette taille, 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 en pratique, atteindre une précision de 0,2 mm (0,008 pouce) s'avère très difficile.

Ceci souligne la nécessité d'utiliser un système de suivi de joint. Les deux techniques de suivi les plus courantes sont le balayage mécanique et le balayage laser. D'une part, les systèmes mécaniques utilisent des sondes pour entrer en contact avec le bain de fusion en amont du joint, où elles s'encrassent de poussière, deviennent abrasives et vibrent. La précision de ces systèmes est de 0,25 mm, ce qui est insuffisant pour le soudage laser haute définition. Le suivi de joint laser, quant à lui, permet d'atteindre la précision requise. En général, un faisceau laser ou des points laser sont projetés sur la surface de la soudure, et l'image résultante est transmise à une caméra CMOS, qui 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, un système de suivi de joint laser doit être équipé 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 au-dessus du joint. Par conséquent, la précision du suivi de joint est importante, mais le temps de réponse l'est tout autant.

De manière générale, la technologie de suivi de joint a suffisamment progressé 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 de la soudure, 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 de la soudure. Ces avancées ont engendré un besoin accru de contrôle dimensionnel et de suivi de joint laser dans les aciéries.