Qu’est-ce qu’un arc électrique et comment fonctionne le soudage à l’arc ?

Une vive lumière bleue. Des crépitements et des bourdonnements. Une tension palpable dans l’air. Ce sont probablement ces sensations que la plupart des personnes associent au terme « arc électrique ». Il est possible de l’apercevoir lors d’un orage, sous la forme d’éclairs. De courts arcs électriques peuvent également être parfois observés sur le réseau ferroviaire, entre la caténaire et le récepteur de courant. Les soudeurs l’utilisent spécifiquement pour assembler des métaux. Mais que se passe-t-il vraiment ?

Éclair

Trajectoire de l’arc

Qu’est-ce qu’un arc électrique et comment se forme-t-il ?

Une différence de potentiel électrique entre deux points est nécessaire pour qu’un arc électrique puisse se former : d’un côté, un excédent d’électrons (particules élémentaires chargées négativement dans un atome) et donc un chargement négatif et de l’autre, un manque d’électrons et donc un chargement positif. Cette différence permet de générer une tension.

Dans certaines circonstances, il se produit un claquage, c’est-à-dire que les forces physiques tentent de compenser le déséquilibre des chargements. Un canal se forme, dans lequel le gaz entre les pôles est ionisé en raison de la chaleur et de la tension élevée, et un plasma conducteur apparaît. Seul du courant peut circuler dans ce canal de plasma. En fonction du type de la source de courant, le claquage apparaît sous forme d’étincelle ou d’éclair et peut disparaître dès que la différence de charge est équilibrée, ou continuer d’exister sous la forme d’un arc électrique.

Modèle Atom

Plasma

Lorsqu’une énergie élevée agit sur du gaz (par exemple le courant sur notre atmosphère), la chaleur qui en résulte provoque l’ionisation des particules de gaz. Lors de ce processus, les électrons sont séparés des atomes neutres, de sorte que les ions positifs et les électrons négatifs restent séparés. Ce mélange de particules composé de particules chargées et neutres se nomme le plasma.

Contrairement aux dégagements gazeux, le plasma conduit l’électricité, car les porteurs de charge libres (c’est-à-dire les ions et les électrons) transportent du courant.

Lorsque les électrons libres croisent des ions et se lient à eux, ils libèrent l’énergie précédemment absorbée lors de la séparation sous forme de lumière. Ce que nous voyons sous forme d’éclair, d’étincelles électriques ou d’arc électrique est en fait la colonne de plasma dans laquelle circule le courant. Le courant en lui-même n’est pas visible.

Lampe à plasma

Qu’est-ce que le soudage à l’arc ?

La colonne de plasma de l’arc électrique présente une température située entre 3 500 et 15 500 degrés Celsius. Cette chaleur peut être utilisée pour faire fondre et assembler du métal. Pour ce faire, un arc électrique est créé entre le matériau de base et l’électrode.

Lors du soudage à l’arc avec fil-électrode sous atmosphère gazeuse (MAG), le fil-électrode a une polarité positive et le matériau de base une polarité négative.

Lors du process TIG, le courant circule entre une électrode de tungstène à polarité négative et la pièce à souder à polarité positive.

Il existe différents modes opératoires de soudage à l’arc :

Le mode opératoire de soudage à l’arc électrique avec électrode consommable

Le soudage à l’arc avec fil-électrode sous atmosphère gazeuse (MAG) utilise un gaz qui préserve le métal en fusion d’une réaction provoquée par l’atmosphère. Selon qu’il s’agisse de gaz inerte, c’est-à-dire faiblement réactif, tel que l’hélium, l’argon ou de leurs mélanges, ou de gaz actif tel que le CO2, on parle de soudage MIG ou MAG. Ainsi, le fil-électrode sans fin fond et sert de matériau d’apport.

Une forme particulière de soudage MAG : le process de soudage tandem avec deux fils d’apport et deux arcs électriques.

Le soudage manuel à l’arc, également appelé soudage à l’électrode ou soudage manuel à l’électrode enrobée, utilise une électrode consommable. Lors du soudage, l’enrobage de l’électrode fond et forme une atmosphère de gaz de protection ainsi qu’un laitier de protection. Aussi, aucune arrivée de gaz n’est nécessaire.

TransPocket 180 sur le Dachstein

1 : âme
2 : enrobage
3 : goutte de métal
4 : atmosphère de gaz de protection
5 : métal fondu liquide
6 : métal fondu solide
7 : pièce à assembler
8 : laitier liquide
9 : laitier solide
10 : arc électrique

Le soudage à fil fourré combine le principe de l’électrode enrobée et celui du soudage MIG/MAG : le fil-électrode sans fin est constitué d’un tube en métal (matériau d’apport) rempli de poudre (flux protecteur). Un gaz de protection est généralement utilisé. Certains fils fourrés (Self-Shielded Flux Cored Wire) ne nécessitent pas l’utilisation d’un gaz de protection supplémentaire.

Lors du soudage à l’arc en atmosphère inerte, l’accumulation de poudre assure la même fonction que l’enrobage lors du soudage manuel à l’électrode enrobée : le fil-électrode amené en continu fond sous une accumulation de poudre protectrice.

Mode opératoire de soudage à l’arc avec une électrode non consommable

Lors du soudage à l’arc en atmosphère inerte avec électrode tungstène (TIG), une électrode en tungstène non consommable et un gaz de protection inerte sont utilisés. Il est possible de souder avec ou sans matériau d’apport.

Comme pour le soudage TIG, le soudage à l’arc plasma nécessite une électrode non consommable. Celle-ci se trouve dans la tuyère et y réchauffe le gaz pour créer du plasma. Le plasma est amené vers la pièce à souder grâce à une étroite buse de gaz refroidie : on parle également d’arc électrique concentré. Cela permet d’obtenir une densité d’énergie très élevée. Le plasma est également entouré d’un gaz de protection inerte afin de préserver le bain de fusion des réactions provoquées par l’oxygène et l’azote de l’air.

Pour comprendre à quel moment quel mode opératoire de soudage à l’arc doit être utilisé, consultez l’article du blog : Soudage MIG/MAG, TIG et à l’électrode : quel mode opératoire de soudage est utilisé à quel moment ?

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