soudage narrow gap des fortes epaisseurs les ... - Polysoude

SOUDAGE NARROW GAP DES FORTES
EPAISSEURS
LES DIFFERENTES VARIANTES
LEURS AVANTAGES ET LIMITES ILLUSTRES
PAR DES EXEMPLES

Introduction
Le soudage TIG des fortes épaisseurs en configuration orbitale (pièce fixe avec
soudage en position) ou en préfabrication sur pièces tournantes, est de plus en plus
fréquent malgré les nombreuses alternatives technologiques.
Il s’avère une fois que toutes les contraintes ont été prises en compte, que le
soudage TIG reste le procédé le mieux positionné pour faire face aux nombreuses
contradictions qu’il faut intégrer pour parvenir au succès de l’automatisation.
POLYSOUDE est depuis plus de dix années attentif aux différents contextes qui, par
leur complexité nécessitent presque à chaque fois une approche spécifique. Cela se
traduit par l’adaptation de la technique opératoire, du matériel de soudage pour
obtenir le compromis le plus pertinent.
Les variables déterminantes
La démarche relative à la mise en place d’un mode opératoire Narrow Gap nécessite
une analyse précise de certaines variables essentielles. L’état de ces variables sera
prépondérant pour s’assurer de la réelle possibilité de souder en Narrow Gap avec
des contraintes financières ou techniques compatibles avec l’environnement du
projet.
Passons en revue les points essentiels et les considérations associées.
� Les caractéristiques dimensionnelles des pièces à souder
C’est évidemment le point clé puisque l’intérêt sera croissant avec l’augmentation de
l’épaisseur.
Il faut considérer que la technique Narrow Gap est plus délicate à mettre au point et
qu’elle ne sera intéressante et rentable que lorsque l’épaisseur sera conséquente.

En règle générale, les contraintes à intégrer pour du soudage Narrow Gap ne sont
pas techniquement ou économiquement rentables pour des épaisseurs inférieures à
25 mm.
Pour des épaisseurs à partir de 60 mm, l’optimisation du temps de soudage pourra
atteindre un facteur de 5 à 10 par rapport à un TIG conventionnel, en tenant compte
de l’effet conjugué de la réduction de la quantité de métal déposé et du taux de dépôt
du procédé (utilisation du TIG fil chaud).
� La préparation et les conditions d’accostage
Les tolérances d’usinage et d’accostage sont utilisées comme le premier critère
significatif pour confirmer la possibilité d’utilisation d’une technique TIG narrow gap.
Dans les cas les plus critiques avec passe de pénétration, la précision d’accostage
caractérisée par une valeur de dénivellation et de jeu entre les deux talons, associée
aux tolérances d’usinage permettront d’évaluer la compatibilité entre les conditions
de soudage et le procédé TIG automatique.
L’absence d’accessibilité en soudage manuel lié à la largeur du chanfrein n’autorise
que peu de souplesse et écarte généralement les situations ou les équipements
d’usinage ou moyens d’accostage ne permettent pas d’atteindre une dénivellation
inférieure à 75% de l’épaisseur du talon avec un jeu n’excédant pas ponctuellement
les 0,5 à 0,8 mm.
Ces critères de décisions sont bien sûr relâchés dans les cas de soudage sans
passe de pénétration (soudage sur latte, avec reprise envers ….).

� Les nuances et contraintes opératoires
La ou les nuances à souder seront essentielles pour considérer le soudage Narrow
Gap.
La soudabilité qui en découle fixera le niveau de contrainte à considérer pour
l’équipement (calorifuge, écran thermique, circuit de refroidissement complémentaire,
traînards spécifiques…)
Les caractéristiques mécaniques des matériaux et les comportements en terme de
retraits de soudage seront utilisées pour déterminer le profil du chanfrein (la pente du
chanfrein sera choisie en fonction de la nuance et de l’épaisseur à souder (fig. 1).
Fig. 1 :
Courbe de retrait en
rapport avec l’épaisseur
Ouverture du chanfrein en
fonction du matériau
Ensuite, il convient de s’assurer de l’absence de susceptibilité à la fissuration qui
peut s’avérer plus ou moins incompatible, soit avec les contraintes engendrées par la

solidification, soit avec le niveau d’énergie nécessaire pour éviter la présence de
défauts de compacités (essentiellement des manques de fusion).
En dernier lieu, l’aptitude au soudage sans métal d’apport sera importante pour
évaluer « l’adaptabilité » au soudage Narrow Gap (gestion des départs et arrêts,
passes de refusion…).
� Position de soudage
La position de soudage (soudage orbital ou pièce tournante) est également
fondamentale pour la détermination de la technique opératoire. Les positions 5 GT et
6 GT sont à considérer comme les plus critiques. La nécessité de souder en position
réduira de façon conséquente le niveau de productivité du procédé qui se caractérise
par une épaisseur de passe différente selon les procédés ou les positions de
soudage.
Selon les matériaux et analyse chimique en présence, il existe des cas d’application
ou le soudage en progression montante ou descendante ne peut être réalisé.
Dans ces cas extrêmes, la réversibilité du sens de soudage sera la seule solution
pour assurer à partir d’une même tête, les deux 1/2 passes complémentaires.
L’impact matériel devient considérable nécessitant des torches symétriques avec
deux dispositifs d’arrivée de fil embarqués sur la tête de soudage.
� Le contexte industriel
Des facteurs à priori annexes peuvent être décisifs dans le choix de la technique
opératoire ou tout simplement pour disqualifier l’approche Narrow Gap.
Nous pouvons citer :

- les contraintes d’encombrement du joint à souder (encombrement limite en
radial, longitudinal…),
- l’accessibilité ou la non accessibilité envers (se pose, soit la question d’un
possible arasage de la racine ou de la possibilité de souder par l’intérieur via une
préparation en X),
- la maîtrise et la traçabilité des approvisionnements, la gestion des matériaux de
base et produits d’apport transparente, la possibilité de développer avec des
matériaux issus du même mode d’élaboration ou de mêmes coulées pour les
produits d’apports sont des points acquis,
- il s’agit d’une opération de maintenance ponctuelle ou visant une importante
série de soudures à réaliser. Le temps et les moyens de développement sont
conséquents et permettent la prise en compte d’essais aux limites,
- L’entreprise dispose d’une équipe de techniciens soudeurs et de moyens
compatibles avec la technicité requise.
Choix de la technique opératoire et des équipements
L’analyse des premières variables aidera à déterminer la technique opératoire et
l’équipement le plus adapté aux circonstances.
Chaque technique se différencie pour un domaine d’utilisation sensiblement éloigné,
la maîtrise de cet ensemble de variantes garantit le meilleur compromis avec une
minimisation des risques.
Soudage TIG Narrow Gap mono passe tirée par couche
Il s’agit de la technique qui offre les meilleurs gains de productivité et qui reste simple
de mise en œuvre pour les opérateurs.

Par opposition, le développement du mode opératoire est le plus fastidieux puisqu’il
doit intégrer tous les aspects :
- retrait de soudage (et condition de bridage)
- soudabilité opératoire
La technique sera relativement simple puisqu’il s’agit de réaliser une passe par
couche et d’intégrer le retrait de soudage en ajustant le profil de la pente du
chanfrein pour que la largeur à souder reste comprise entre 8 et 10 mm (fig. 2).
Fig. 2 :
Soudure Narrow Gap fil chaud. Une passe par couche.
Epaisseur 180 mm, matériau de base : acier P91
faiblement allié.

Les épaisseurs inférieures à 40 mm ne nécessitent pas de torche spécifique (fig. 3).
Fig. 3 :
Tête de soudage orbital Polycar MP et
torche standard pour préparation
Narrow Gap jusqu’à 40 mm
d’épaisseur.
L’adaptation de la longueur
d’électrode sortie étant suffisante
pour assurer un niveau de
protection gazeuse efficace pour
la majorité des matériaux. A noter
que pour faciliter la gestion de
l’automatisation, POLYSOUDE a
développé un dispositif motorisé et
programmable qui permet
d’associer, sans intervention de
l’opérateur, la longueur
d’électrode, le diamètre à souder
et les paramètres. L’utilisation la
plus fréquente sera le soudage
continu de tube en rotation pour
éviter les arrêts entre passe ou le
soudage orbital dans les
environnements difficiles pour
piloter la longueur d’électrode sortie
à distance.
Pour les plus fortes épaisseurs, il est nécessaire, d’une part de trouver les meilleurs
compromis de construction pour développer des torches robustes mais compatibles
avec la largeur minimum des chanfreins (c'est-à-dire une épaisseur de 7 mm pour le
corps de torche) et, d’autre part, de développer des systèmes de suivi de joint pour
éviter les collisions entre torches et bords de chanfreins (fig. 4).

Torche standard TIG fil
chaud avec retrait
motorisé de l’electrode
et suivi de joint.
Soudure terminée /
Passe de finition
Fig. 4 :
Assemblage double torche pour soudage mécanisé : torche Narrow
Gap et torche standard avec retrait motorisé de l’électrode.
Ce dispositif aura pour objectif, soit de centrer la torche dans l’axe du joint à souder,
soit de guider la torche par rapport à un bord de référence.
Le système de palpeur avec auto centrage sera principalement utilisé en soudage
orbital. Il permet la correction suivant 3 dimensions (position latérale, l’orientation
dans l’axe du chanfrein et la correction d’assiette).
Le dispositif de palpage latéral est plutôt orienté vers les applications en soudage
continu sur les machines ou les pièces sont mises en rotation.
Ce système est très simple d’utilisation, mais nécessite une intervention manuelle
pour affiner la position de l’électrode au centre du chanfrein en cours de remplissage.

Par opposition avec le système avec auto centrage, les offsets sont possibles et
autorisent un décalage (cas de matériaux dissemblables ou de déséquilibre
thermique.
Par opposition au suivi de joint laser, les palpeurs mécaniques représentent
aujourd’hui la solution la plus fiable et la plus économique pour satisfaire les
exigences fonctionnelles, les contraintes environnementales et surtout la simplicité
d’utilisation (facilité de prise en charge par les opérateurs).
Soudage TIG Narrow Gap bi passes tirées par couche
Cette technique est une alternative à la technique en mono passe par couche. Elle
s’utilise lorsque l’épaisseur reste conséquente et que l’intérêt économique ou
technique du procédé TIG demeure substantiel malgré des temps de soudage deux
à trois supérieurs à la méthode en une seule passe par couche (fig.5).
Fig. 5 :
Station de soudage de rotor de turbine utilisant une
double torche Narrow Gap TIG fil chaud.
Une ou plusieurs passes par couche.
Maquette
(échantillon) pour
rotor de turbine,
nucléaire ou
fossile.
Jusqu’à 400 mm
d’épaisseur.

Les facteurs prédominants pour le choix de cette alternative sont essentiellement liés
à :
- une problématique de préparation ou accostage dont la précision s’avère
incompatible avec les +/- quelques dixièmes requis pour le soudage Narrow gap en
une passe tirée par couche
- des matériaux sensibles qui nécessitent, soit une limitation des contraintes (pour
l’essentiel lié au profil des cordons et à la solidification), soit une limitation des
énergies de soudage (le soudage en mono passe requiert de forts courants de
soudage pour assurer la fusion simultanée des deux bords de chanfrein).
Selon les matériaux et les problématiques de soudabilité opératoire principalement
dépendantes des analyses chimiques des métaux de base et produits d’apport, il est
fréquent que la technique avec bi passes soit limitée à une progression en ½ passe
(généralement descendante pour les opérations de remplissage). Cette contrainte
technique devient très lourde pour ce qui concerne la conception du matériel de
soudage qui devra de ce fait embarquer deux unités de dévidage et prévoir une
notion de symétrie pour la torche de soudage (fig. 6).
Fig. 6b :
Soudage Narrow Gap TIG fil chaud
safe end pour générateur de vapeur et
réacteur nucléaire.
Fig. 6a :
Soudage avec Polycar MP
Narrow Gap fil chaud en deux
demi descendantes 5GT.

L’augmentation relative de la largeur du chanfrein en soudage bi passe n’affecte
cependant pas la définition de la pente qui n’autorise pas plus qu’en mono passe
l’inclinaison de la torche. Cependant, l’absence de forte pression d’arc ne permettant
pas d’assurer le mouillage latéral, le soudage en bi passe nécessite de recourir à
d’autres artifices pour garantir la fusion des bords. Deux techniques sont
communément utilisées. Il s’agit soit de remplacer l’électrode droite traditionnelle par
une électrode biseautée, soit d’utiliser une électrode coudée.
Concernant l’aspect suivi de joint, le soudage en bi passe ne nécessite qu’une
référence sur un des deux bords avec de plus l’éventuel besoin de réaliser des
décalages plus ou moins prononcés pour modifier l’empilement des passes (appui
plus ou moins marqué sur le flanc du chanfrein). Le réglage de cette référence
latérale est accessible manuellement par l’opérateur.
Soudage TIG Narrow Gap mono passe avec électrode oscillée
Il s’agit d’une variante intéressante pour des épaisseurs très importantes (de l’ordre
de 150 à 200 mm), ou l’utilisation de la technique en une passe par couche impose
des contraintes technologiques qui peuvent se trouver en limite du raisonnable
(précision du chanfrein, maîtrise des retraits, proportion et limite technologique pour
la conception de la torche..).
Pour cette raison et principalement pour les applications non orbitales, la technique
en passes oscillées peut permettre de cumuler l’avantage d’une seule passe par
couche, tout en ayant plus de souplesse vis-à-vis des tolérances de largeur
(l’amplitude de balayage de l’électrode reste modulable) avec des contraintes de
retrait transversal qui se situent à un niveau beaucoup plus modeste qu’en passes
tirées mono passe par couche.

L’équipement sera plus complexe (mouvement d’oscillation du fil et de l’électrode
motorisés, pilotés et programmables), plus encombrant et généralement monté sur
d’imposantes installations (fig.7).
Des fonctionnalités annexes sont offertes pour faciliter le centrage automatique des
torches avant ou pendant le soudage. Le principe de suivi de joint par mesure de la
tension d’arc peut dans ce cas être utilisé en remplacement des systèmes de
palpage mécaniques nécessaires pour les torches à électrodes fixes.
L’augmentation des largeurs de chanfrein (de 13 à 18 mm selon les cas) autorise la
prise en compte de plus de contrainte pour adapter la torche à des milieux très
hostiles (cas d’insertion dans des environnements préchauffés avec des limites de
températures qui peuvent atteindre 400°C).
Fig. 7 :
Soudage Narrow
Gap TIG fil chaud.
Torche avec
électrode oscillante
et fil pour des
épaisseurs de 80 à
160 mm.
Dans le cas
présent : matériau
de base P91
faiblement allié

Différentes variantes
Sur la base des techniques et équipements associés décrits précédemment, il existe
quelques possibilités de déclinaison :
- le soudage TIG fil chaud ou TIG fil froid (applicable quelque soit la technique
choisie). Le choix du procédé dépend soit de la quantité de soudures à réaliser et par
conséquent directement du gain de productivité estimé entre les procédés, soit d’une
productivité ponctuelle (peu de soudure, mais avec un délai sur le chemin critique
d’une opération de maintenance ou de fabrication..), soit des arguments très
techniques (par exemple pour un meilleur contrôle de l’énergie de soudage pour une
optimisation des caractéristiques mécaniques du métal déposé)
- le soudage narrow gap en multi passes par couche. C’est les cas où les
largeurs de chanfrein sont plus ou moins bien contrôlées ou lorsque les chanfreins
sont existants sans possibilité de retouche.
- Le soudage narrow gap oscillée en multi passe par couche. La situation est la
même qu’avec la technique avec électrode fixe.
Nota : le choix d’une des variantes correspond très souvent à des situations
intermédiaires nécessitant des compromis par rapport à l’environnement, aux
moyens humains ou matériel à disposition.
Conclusion
De nombreuses variantes peuvent être retenues pour le soudage TIG Narrow gap
d’épaisseurs comprises entre 45 et 250 mm. C’est dans cette plage d’épaisseur que
le choix de la technique aura une influence sur la définition de l’équipement de
soudage.

POLYSOUDE a concentré ses efforts sur la maîtrise des torches et techniques
opératoires des principales variantes autorisant une relative vulgarisation du
soudage narrow gap (fig. 8).
Fig. 8 :
Différents types de soudage
Narrow Gap

Ainsi le soudage mono passe par couche représente le meilleur compromis en
matière de performance et de facilité de mise en œuvre par les opérateurs. Le revers
de la médaille apparaît lors du développement ou toutes les contraintes doivent
pouvoir être intégrées (soudabilité opératoire, tolérances d’accostage, d’usinage,
variation de retrait..). L’ensemble des contraintes évoqué impose de fait une très
bonne maîtrise industrielle de l’environnement et une compatibilité avec la
susceptibilité des matériaux dont il faut se méfier à priori.
L’alternative de la technique en plusieurs passes par couche permet de garantir
l’utilisation de la technique narrow gap dans les cas ou la métallurgie ou la maîtrise
des pièces n’est pas compatible avec le soudage en une seule passe. Cette solution
est en quelque sorte une possibilité de replie ou la productivité est de fait modifiée
dans un rapport de 2 à 3, mais qui s’avère tout de même compétitive pour les
applications orbitales sur fortes épaisseurs.
Dans les cas de pièces tournantes, l’utilisation de la technique en passes oscillées
s’avère très souvent comme le meilleur compromis pour les très fortes épaisseurs
tant au niveau de la robustesse de l’équipement qu’au niveau de la préparation des
pièces.
Bien sûr de nombreuses variantes sont possibles et le choix définitif revient aux
industriels qui doivent s’assurer de détenir sous contrôle l’ensemble des facteurs
influents.
Jean-Pierre BARTHOUX, EWE, est spécialisé en soudage orbital
depuis 1987.
A rejoint POLYSOUDE en 1992, Directeur du Département
Technologie depuis 2001 après de nombreuses années consacrées au
développement d’applications sur fortes épaisseurs.

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