La chimie derrière les électrodes GMAW en acier au carbone doux

La sélection d'une électrode en acier au carbone doux peut grandement améliorer ou nuire à la productivité de la main-d'œuvre et aux coûts totaux de soudage, c'est pourquoi il est important que les soudeurs comprennent la chimie derrière le métal d'apport. Images : ESAB

On demande souvent aux experts en application : "Quel est le meilleur fil MIG ?" La réponse à cette question avec le soudage à l'arc sous gaz-métal (GMAW) est toujours " Celui qui répond aux codes de soudage requis, aux propriétés mécaniques et aux spécifications de la procédure de soudage ".

Cependant, en plus de répondre aux exigences techniques, les fabricants doivent tenir compte du coût total de soudage. La main-d'œuvre représente en moyenne 75 à 85 % des coûts totaux de soudage, tandis que les métaux d'apport représentent environ 10 %. La sélection du métal d'apport optimal peut grandement améliorer ou diminuer la productivité de la main-d'œuvre et les coûts totaux de soudage.

Ce qui suit est un aperçu de la façon dont la chimie des métaux d'apport influence les résultats de soudage, en se concentrant sur les électrodes pour le soudage de l'acier au carbone doux (grade A36), car ce sont les électrodes les plus largement utilisées et celles que la plupart des gens apprennent à utiliser en premier.

L'American Welding Society (AWS) classe les électrodes en acier au carbone (voir Figure 1). Ces électrodes ont une résistance à la traction minimale du métal soudé de 70 000 PSI, ce qui les rend adaptées au soudage de l'acier A36 à lui-même ou à d'autres nuances d'acier au carbone (il vous suffit de faire correspondre l'A36 car il a la résistance la plus faible).

Lors de la formulation d'électrodes en acier au carbone, les fabricants contrôlent jusqu'à 17 éléments bruts différents (voir Figure 2). Les trois principaux éléments d'alliage sont le carbone, le manganèse et le silicium. AWS spécifie les quantités minimales et maximales de ces éléments, mais les fabricants peuvent mettre l'accent sur les attributs de performance en contrôlant la chimie.

Le carbone (C) influence les propriétés structurelles et mécaniques plus profondément que tout autre élément. Pour les électrodes ER70, le carbone est généralement maintenu entre 0,05 % et 0,12 %, ce qui fournit la résistance du métal soudé sans affecter la ductilité, la ténacité et la porosité.

Les fabricants ajoutent d'autres alliages pour contrôler la désoxydation du bain de fusion et pour aider à déterminer les propriétés mécaniques de la soudure. La désoxydation est la combinaison d'un élément avec l'oxygène du bain de fusion, entraînant la formation d'un laitier ou d'un îlot de silice sur la surface de la soudure. L'élimination de l'oxygène de la flaque d'eau l'élimine en tant que cause de la porosité du métal soudé.

Le silicium (Si) est l'élément désoxydant le plus courant ; selon l'utilisation envisagée, les électrodes contiennent généralement de 0,45 % à 1 % d'alliage. Dans cette gamme de pourcentage, le silicium présente un très bon pouvoir désoxydant. L'augmentation du silicium augmentera la résistance de la soudure avec seulement une petite diminution de la ductilité et de la ténacité. Cependant, le métal fondu peut devenir sensible aux fissures avec plus de 1 % à 1,2 % de silicium. L'alliage influence également la fluidité de la flaque.

Le manganèse (Mn) est également un désoxydant et un renforçateur courant. Le manganèse constitue 1 à 2 % des électrodes en acier doux. L'augmentation des niveaux de manganèse augmente la résistance du métal fondu à un degré supérieur à celui du silicium. Le manganèse réduira également la sensibilité du métal fondu à la fissuration à chaud.

L'aluminium (Al), le titane (Ti) et le zirconium (Zr) sont des désoxydants très puissants. Ces éléments sont parfois ajoutés à de très petites doses, généralement pas plus de 0,2 % combinés. Dans cette plage, une certaine résistance accrue est obtenue.

FIGURE 1. AWS classe les électrodes en acier au carbone en fonction de facteurs tels que la résistance à la traction et la composition chimique.

D'autres éléments tels que le nickel (Ni), le chrome (Cr) et le molybdène (Mo) sont souvent ajoutés pour améliorer les propriétés mécaniques ou de résistance à la corrosion. En petites quantités, ils peuvent être utilisés dans les fils d'acier au carbone pour améliorer la résistance et la ténacité du dépôt.

Les électrodes GMAW pour l'acier doux incluent généralement la lettre S (indiquant qu'il s'agit d'une électrode solide) et soit une désignation numérique (2 à 7) soit la lettre G. Les électrodes les plus largement utilisées sont S-3 et S-6.

Voici un bref guide sur la signification de ces désignations d'électrodes et pourquoi elles sont populaires, ainsi que des notes sur d'autres chimies d'électrodes pour aider à la sélection.

Les électrodes S-2 "triple désoxydées" contiennent de l'aluminium, du titane et du zirconium (en plus du manganèse et du silicium) et sont conçues pour le soudage sur la rouille et la calamine. La flaque de soudure moins fluide facilite le contrôle lorsqu'elle est utilisée hors position, ce qui en fait un fil préféré pour le soudage toutes positions de tuyaux de petit diamètre.

Les électrodes S-3 et d'autres à faible teneur en silicium produisent une flaque plus rigide et un meilleur contrôle du profil du cordon arrière. Ils ont tendance à produire des îlots de silice moins nombreux et plus petits. Pour les pièces peintes, les fabricants spécifient souvent l'utilisation d'une électrode S-3.

Les électrodes S-4 ont des niveaux de silicium et de manganèse plus élevés que les électrodes S-3 et sont destinées aux applications nécessitant des niveaux de désoxydant plus élevés. La classification ER70S-4 ne nécessite pas de test de conformité aux chocs Charpy.

Les électrodes S-6 ont des niveaux plus élevés de silicium, ce qui créera un arc plus lisse (réduisant les éclaboussures) et améliorera la fluidité de la flaque ("mouillage"). Cela favorise une transition en douceur aux orteils de la soudure et aplatit la couronne du cordon. Les électrodes S-6 séduisent les utilisateurs car elles facilitent l'obtention d'un bon cordon et nécessitent moins de nettoyage.

Électrodes S-6 contiennent plus de manganèse et de silicium, qui agissent comme des désoxydants pour éliminer les impuretés. Une électrode S-6 fonctionne mieux que S-3 sur de petites quantités de calamine, d'huile, de saleté et de rouille. Le compromis est que les impuretés récupérées se manifestent sous forme d'îlots de silice. Les pièces peintes nécessitent un nettoyage (généralement avec un pistolet à aiguille), sinon l'îlot de silice finira par se détacher, créer une tache et éventuellement de la rouille.

Les électrodes S-7 ont une teneur en manganèse plus élevée, ce qui donne à la soudure un rendement et une résistance à la traction plus élevés. Le niveau de silicium de cet électron se situe quelque part entre un S-3 et un S-6. Ils conviennent à une utilisation avec 100 % de CO2 ou un mélange de gaz de protection argon/CO2 (100 % de CO2 réduit le manganèse dans le métal fondu, réduisant ainsi sa résistance, ce qui peut ou non être un problème selon l'application).

Les électrodes à faible teneur en hydrogène réduisent le potentiel de fissuration par l'hydrogène, en particulier dans les matériaux aux propriétés mécaniques plus résistantes. Une désignation H4R indique moins de 4 ml d'hydrogène diffusible pour 100 g de soudure déposée.

FIGURE 2. Les fiches d'information énumèrent la composition chimique d'un métal d'apport. La composition chimique d'une électrode ER70S-6 utilisée pour le soudage d'aciers non alliés tels que la construction générale, les récipients sous pression et la construction navale, et pour les aciers au carbone-manganèse à grains fins est illustrée.

Les électrodes G (ou GS) sont des électrodes de classification générale qui n'ont pas de composition, de propriétés mécaniques ou d'exigences de test, mais leurs propriétés peuvent atteindre ou dépasser celles des électrodes classées AWS. Ils sont uniquement destinés aux applications à passage unique, qui peuvent inclure des applications spécialisées telles que le soudage de l'acier galvanisé.

Les électrodes sans classification indiquent souvent une application spécialisée. Par exemple, les électrodes "easy grind" sont entièrement désoxydées et conçues pour souder sur les niveaux modérés de rouille et de peinture trouvés dans les travaux de réparation de carrosserie. Le métal soudé se meule plus facilement que la plupart des électrodes commerciales, ce qui rend le nettoyage après soudage plus facile et plus rapide.

Les fabricants peuvent mettre l'accent sur divers attributs de performance des électrodes en contrôlant la chimie, les tolérances chimiques, le revêtement de l'électrode et le processus de fabrication.

Par conséquent, même si les électrodes de différents fabricants portent la même désignation, leurs performances peuvent varier considérablement. Voici quelques exemples courants :

Les gaz de protection pour GMAW déterminent le mode de transfert de métal et la profondeur de pénétration. En bref, les mélanges d'argon et de CO2 sont les gaz de protection les plus courants pour les électrodes en acier doux. Un mélange à haute teneur en argon (75 % à 90 % d'argon, le reste étant du CO2 ou du CO2 et de l'oxygène) permet d'obtenir de bonnes performances mécaniques et génère moins de fumées et moins de projections, ce qui augmente l'attrait pour l'opérateur.

Cependant, les mélanges à haute teneur en argon coûtent plus cher. Le CO2 est un gaz moins cher et offre le profil de pénétration le plus large et la meilleure action de nettoyage. Le compromis est des résultats de tests mécaniques légèrement inférieurs, plus de fumées de soudage, un arc plus dur et plus de projections.

Le CO2 et l'oxygène sont parfois utiles car ils favorisent la stabilité de l'arc et une bonne fusion entre le bain de fusion et le matériau de base. L'oxygène est beaucoup plus oxydant que le CO2. Par conséquent, les additions d'oxygène à l'argon sont généralement inférieures à 10 % en volume, alors que 100 % de CO2 peuvent être utilisés pour le court-circuit GMAW. Lors de l'utilisation de gaz oxydants, les électrodes doivent contenir des éléments désoxydants puissants pour supprimer la porosité.

Généralement, lors du soudage avec de l'argon et 1 à 3 % d'oxygène, ou avec des mélanges d'argon à faible teneur en CO2, la composition chimique du métal fondu ne variera pas beaucoup de l'analyse du fil-électrode. Cependant, lorsque 100 % de CO2 et d'oxygène sont utilisés dans un gaz de protection, une réduction du silicium, du manganèse et d'autres éléments désoxydants peut être attendue, tandis que les teneurs en nickel, chrome, molybdène et carbone resteront constantes. Notez que les électrodes à très faible teneur en carbone (0,04 % à 0,06 %) produiront un métal fondu avec une teneur en carbone plus élevée lors de l'utilisation de 100 % de CO2.

Dans de nombreuses applications d'acier au carbone, le matériau de base a une légère couche de calamine, de rouille légère ou d'huile de décapage qui peut affecter les performances de soudage si elle n'est pas retirée avant le soudage. Dans ce cas, il est idéal d'utiliser une électrode ER70S-6 à forte teneur en argon, comme un mélange 90 % argon/10 % CO2 pour le transfert par pulvérisation GMAW ou un 80 % à 85 % d'argon avec du CO2 comme équilibre pour le court-circuit GMAW. Les désoxydants de l'électrode, combinés aux 10 % à 20 % de CO2, doivent fournir une action de nettoyage adéquate et produire une soudure avec un bel aspect, une bonne pénétration et des transitions douces au pied de la soudure.

Les fabricants de métaux d'apport mettent continuellement à jour la chimie et l'emballage lorsqu'ils répondent aux demandes des clients pour les aider à répondre aux besoins des applications et aux problèmes de soudage. L'utilisation d'une formulation moderne peut aider les fabricants à traiter de nombreuses causes courantes de temps improductif liées aux projections, à la porosité, aux îlots de silice, à l'usure des pointes de contact et à la qualité de la soudure. À une époque où les fabricants ont du mal à trouver plus de personnel, le chemin vers l'augmentation de la production nécessite de prendre toutes les mesures possibles pour que les opérateurs existants continuent à souder efficacement, et cela inclut le choix du métal d'apport optimal.