Soudage à l'arc plasma : les avantages du soudage PAW

Le PAW est un procédé de soudage à l'arc qui utilise une électrode non consommable en tungstène ou en alliage de tungstène, un peu comme le GTAW.

Le soudage à l'arc plasma (PAW) est souvent négligé lorsqu'un procédé de soudage par fusion doit être sélectionné pour des applications à haute intégrité telles que celles trouvées dans les industries médicale, électronique, aérospatiale et automobile.

Ce processus a été négligé car il est plus complexe et nécessite un équipement plus coûteux que les autres processus à l'arc et parce que les soudeurs veulent des vitesses de soudage accrues telles que celles trouvées avec le soudage par faisceau laser (LBW). Cependant, les constructeurs automobiles se sont tournés vers PAW pour un certain nombre d'applications, notamment les panneaux de carrosserie et les composants du système d'échappement.

Le soudage à l'arc au tungstène au gaz (GTAW), également connu sous le nom de soudage au gaz inerte au tungstène (TIG), est couramment utilisé pour les soudures de haute qualité à des vitesses plus lentes, tandis que le LBW est souvent sélectionné pour le soudage à vitesse plus élevée.

PAW offre parfois une vitesse de soudage supérieure à GTAW à un coût inférieur à LBW, et il peut s'agir du processus le plus efficace pour de nombreuses applications. Ceux-ci incluent le soudage de soufflets extensibles en acier inoxydable, où le PAW est plus tolérant au désalignement des joints que le LBW et offre une meilleure pénétration que le GTAW ; le soudage d'aciers revêtus comme ceux utilisés dans les systèmes d'échappement automobiles ; et le soudage en mode trou de serrure pour réaliser des soudures à pleine pénétration dans un matériau relativement épais en une seule passe.

Le PAW est un procédé de soudage à l'arc qui utilise une électrode non consommable en tungstène ou en alliage de tungstène, un peu comme le GTAW.

La principale différence entre ces deux procédés de soudage est que dans PAW, l'électrode est encastrée dans une buse qui sert à resserrer l'arc. Le gaz plasma est ionisé dans la buse de constriction et sort de la buse à grande vitesse.

Le gaz plasma seul n'est pas suffisant pour protéger le bain de soudure fondu de l'atmosphère, de sorte que le gaz de protection est fourni autour de la colonne de plasma, comme avec GTAW. Le débit du gaz plasma est beaucoup plus faible que celui du gaz de protection pour minimiser les turbulences

La forme conique d'un arc au tungstène gazeux nécessite l'utilisation d'un équipement de contrôle de la longueur de l'arc (ALC) ou de contrôle de la tension de l'arc (AVC) pour le soudage automatisé afin d'assurer une taille de point et une densité d'énergie constantes.

L'arc resserré dans PAW donne un arc beaucoup plus en forme de colonne. Cela minimise l'effet de la variation de la longueur de l'arc sur la densité d'énergie et minimise le besoin d'ALC ou d'AVC.

Un autre avantage d'enfoncer l'électrode dans une buse est que la contamination de l'électrode est minimisée. Une électrode peut généralement durer tout un quart de production sans avoir besoin d'être réaffûtée.

Une autre caractéristique unique de PAW est la façon dont l'arc est initié. Le courant haute fréquence (HF) est généralement utilisé pour établir un arc pilote entre l'électrode et la buse en cuivre. HF est désactivé après le démarrage de l'arc pilote. Le courant de l'arc pilote est généralement fixé à un niveau ou peut être réglé sur l'un des deux niveaux, généralement entre 2 et 15 ampères.

Pour le soudage, l'arc est transféré au travail, qui devient une partie du circuit électrique. Étant donné que l'arc est établi avant de réaliser une soudure, les démarrages de l'arc de soudage ont tendance à être très fiables.

L'arc pilote reste allumé une fois le soudage terminé et la torche est prête à effectuer la prochaine soudure sans avoir besoin de HF supplémentaire. Cela peut être avantageux lors du soudage dans des applications automatisées dans lesquelles le bruit électromagnétique de HF peut interférer avec les contrôleurs de processus informatisés. Un effet secondaire de l'arc pilote est que les torches à plasma doivent être refroidies à l'eau, même pour les applications à faible courant.

Il existe trois modes de fonctionnement différents pour PAW qui sont déterminés par le niveau de courant de soudage. Le courant de soudage au microplasma varie de moins de 0,1 A à environ 20 A.

Le courant de soudage au plasma à courant moyen ou le courant en mode de fusion varie généralement de 20 à 100 ampères. Le courant de soudage au plasma élevé est supérieur à 100 ampères et se fait généralement en mode trou de serrure, similaire au soudage LBW ou au soudage par faisceau d'électrons (EBW).

La combinaison d'un courant élevé et d'un flux de gaz plasma crée un trou dans le matériau et le métal en fusion s'écoule derrière le trou mobile pour créer le cordon de soudure. Lors du soudage en mode trou de serrure, le débit de gaz plasma doit être contrôlé avec soin pour réaliser une soudure. Un débit légèrement plus élevé soufflera le métal en fusion et entraînera une coupe.

Bien que PAW ne soit pas aussi rapide que LBW (selon l'application et la source laser, LBW peut être cinq fois plus rapide que PAW) ou EBW, les coûts d'équipement pour PAW représentent généralement une petite fraction du coût de l'équipement à haute densité d'énergie.

Un inconvénient de PAW est son plus grand apport de chaleur, qui produit des soudures plus larges et des zones affectées par la chaleur que LBW et EBW. Cela peut entraîner plus de distorsion et une perte de propriétés mécaniques.

Cependant, PAW offre un avantage sur ces procédés en termes de tolérance aux écarts articulaires et au désalignement. Bien que l'arc soit resserré, la colonne de plasma a un diamètre nettement plus grand que les faisceaux. L'ajout de métal d'apport est également plus facile avec PAW qu'avec LBW ou EBW.

Les principaux inconvénients du PAW par rapport au GTAW sont que l'équipement est plus complexe et coûteux, et le besoin de refroidissement par eau de la torche limite la taille de la torche (les torches GTAW peuvent être refroidies au gaz et peuvent être conçues pour s'adapter à des zones plus petites). De plus, l'arc PAW étroit est moins tolérant au désalignement des joints que l'arc conique au tungstène à gaz.

Le microplasma offre un avantage sur le GTAW car un arc stable peut être maintenu à des niveaux de courant inférieurs. Cela a été une force motrice dans le développement de ce processus.

Au début des années 1960, il était difficile d'obtenir un arc de tungstène à gaz stable à moins de 15 ampères. Microplasma s'est avéré capable de surmonter cette limitation. GTAW a considérablement évolué depuis lors avec des revendications d'arcs stables à moins de 1 ampère.

Mais PAW a une limite de courant inférieure d'environ un dixième de celle de GTAW. La faible capacité de courant, associée à un amorçage d'arc fiable, rend le PAW adapté à de nombreuses petites applications de soudage de précision, en particulier dans les industries médicales et électroniques.

GTAW et LBW sont également utilisés dans les industries médicales et électroniques. GTAW est utilisé pour les applications à faible volume en raison du faible coût de l'équipement et de la simplicité relative. LBW est utilisé lorsqu'une production à volume plus élevé peut justifier la dépense, lorsque l'apport de chaleur doit être minimisé et lorsque l'ajustement des joints peut être étroitement contrôlé.

L'utilisation de PAW dans la plage de courant moyen en mode de fusion est similaire à l'utilisation de GTAW, mais l'arc a tendance à être plus rigide et moins affecté par les changements de longueur d'arc avec PAW.

Cela permet d'utiliser des longueurs d'arc plus longues, et cela, combiné à l'électrode encastrée, peut faciliter l'ajout de métal d'apport lors du soudage manuel. La contamination des électrodes par le métal d'apport se produit rarement avec PAW.

Le mode de fusion PAW peut être avantageux par rapport au GTAW dans les applications automatisées en raison d'amorçages d'arc plus fiables, d'une durée de vie plus longue des électrodes, de l'absence d'AVC ou d'ALC et de l'absence de bruit électromagnétique de HF au début de chaque soudure.

PAW offre un avantage significatif par rapport à GTAW dans de nombreuses applications nécessitant un courant élevé. La réalisation de soudures avec PAW en mode trou de serrure peut entraîner des soudures à pénétration complète dans des matériaux relativement épais en une seule passe.

Comparé au soudage de sections plus épaisses avec GTAW, le trou de serrure PAW minimise le besoin d'une préparation de joint coûteuse et réduit ou élimine le besoin de métal d'apport.

Le rapport profondeur / largeur élevé d'une soudure au plasma en trou de serrure par rapport à une soudure GTA peut également réduire considérablement la distorsion angulaire. Cette technique est mieux appliquée à l'aide d'équipements automatisés. Le trou de la serrure peut être difficile à entretenir pendant le soudage manuel.

La plupart des matériaux peuvent être soudés avec PAW en utilisant une électrode négative à courant continu (DCEN). Le courant de soudage CC peut également être pulsé pour contrôler la pénétration à la fois en mode fusion et en mode trou de serrure.

Les sources de puissance de soudage à l'arc plasma à polarité variable (VPPA) améliorent l'assemblage de matériaux tels que l'aluminium et le magnésium. La forme d'onde carrée VPPA peut être adaptée de sorte que la partie positive de l'électrode de chaque cycle qui nettoie les oxydes de surface tenaces puisse être équilibrée avec la partie négative de l'électrode qui fournit plus de pénétration.

PAW peut également être combiné avec GTAW de diverses manières pour le soudage automatisé afin d'optimiser la vitesse de soudage et la qualité de la soudure.

Un exemple en est un projet de recherche sur le soudage de tubes qui a été réalisé à l'Edison Welding Institute (EWI) en utilisant trois torches pour réaliser une soudure en un seul passage.

La torche GTAW en plomb a été utilisée pour le préchauffage et la préparation des bords. Une deuxième torche PAW a été utilisée en mode trou de serrure pour fournir une pénétration complète. Une torche GTAW a été utilisée comme torche arrière pour lisser et façonner le cordon de soudure.

Le matériau soudé était une plaque d'acier inoxydable 304 de 0,315 pouce (8 millimètres) avec des bords cisaillés. Un matériau de cette épaisseur ne pouvait pas être soudé avec le GTAW conventionnel en une seule passe sans préparation des bords, quel que soit le nombre de torches utilisées.

Des résultats acceptables ont été obtenus en utilisant GTAW/PAW/GTAW sans ajouter de métal d'apport, mais des résultats plus cohérents ont été obtenus lorsque du métal d'apport a été ajouté au bain de soudure de la torche arrière. La vitesse d'alimentation du fil a été ajustée pour contrôler le remplissage afin d'obtenir des profils de soudure affleurants ou légèrement convexes.

Pour tirer pleinement parti de PAW, des procédures de soudage robustes doivent être établies, telles que la définition de fenêtres de fonctionnement pour les paramètres de soudage.