Cet article technique aborde le soudage du titane. La méthode la plus usuelle de soudage du titane est le procédé de soudage TIG / 141 (sous protection gazeuse avec électrode de tungstène)
Ensuite vient le procédé de soudage MIG / 131 (sous protection gazeuse avec fil-électrode fusible).
Le soudage est réalisé avec une protection gazeuse à l'arrière du bain par trainard ou dans une boite à gant.
1 - Définition du Titane
Ce métal présente des propriétés physiques et mécaniques assez exceptionnels :
[*]Densité faible de l'ordre de 4,5 à 20° C
[*]Amagnétique
[*]Résistance à la corrosion
[*]Point de fusion élevé de l'ordre de 1670° C
[*]Très bon comportement en fatigue
Ce métal présente quelques inconvénients notables :
[*]Très réactif avec les gaz Carbone, Hydrogène, Oxygène et Azote
[*]Amagnétique
[*]Mauvais conducteur thermique
[*]Mauvais coefficient de frottement
[*]Ne se soude qu'avec du Titane, Zirconium, Tantale, Niobium, Vanadium
2 - Caractéristiques mécaniques du Titane pur
| CARACTÉRISTIQUES MÉCANIQUES | ||||
| Nuance | Rm (N/mm2) | Rp 0,2 (N/mm2) | A5 % | |
| Titane Grade 1 Ancien T35 | 350 (moyenne) | 220 (moyenne) | 25% mini | |
| Titane Grade 2 Ancien T40 | 450 (moyenne) | 350(moyenne) | 20% mini | |
| Titane Grade 3 Ancien T50 | 600 (moyenne) | 450 (moyenne) | 18% mini | |
| Titane Grade 4 Ancien T60 | 680 (moyenne) | 550 (moyenne) | 15% mini |
3 - Caractéristiques chimiques du Titane pur
| CARACTÉRISTIQUES CHIMIQUES | |||||||
| Nuance | % O | % Fe | % H | % C | % N | % Ti | |
| Gr.1 | <0.18 | <0.20 | <0.015 | <0.10 | <0.03 | Solde | |
| Gr.2 | <0.25 | <0.20 | <0.015 | <0.10 | < 0.03 | Solde | |
| Gr.3 | <0.35 | <0.20 | <0.015 | < 0.10 | < 0.03 | Solde | |
| Gr.4 | <0.40 | < 0.30 | < 0.015 | <0.10 | < 0.03 | Solde |
4 - Métallurgie du Titane
Le titane pur se décline sous deux formes allotropiques :
[*]Une phase a (alpha) hexagonale centrée (HC) stable en dessous de 880° C
[*]Une phase b (bêta) cubique centrée (CC) stable au dessus de 880° C
5 - La préparation des assemblages en Titane
La préparation des bords à souder est réalisée par cisaillage, sciage, fraisage, usinage et découpe au jet d'eau. Toute découpe thermique est à prohiber.
Dans le cas contraire, éliminer par usinage les zones thermiquement affectées.
Tous les types de préparations en bout à bout sont utilisables :
[*]Bord à bord sans chanfrein - (de 1 à 3 mm)
[*]Chanfrein en Vé avec jeu - (de 3 à 12 mm)
[*]Chanfrein en X - (de 5 à 20 mm)
[*]Chanfrein en tulipe (de 5 à 20 mm)
6 - Le soudage du Titane
Le bain de fusion est assez fluide et son mouillage est bon. Toutefois l'effondrement et la pénétration du bain de fusion est plus difficile à réaliser qu'avec du Zirconium.
Une grande propreté est exigée pour éviter toute contamination surfacique. Le local de fabrication doit être de préférence réservé au soudage des métaux nobles (atelier blanc). Le nettoyage et le dégraissage des zones à souder doit être soigneusement réalisé. (éviter les solvants chlorés)
Le générateur de soudage TIG est équipé d'un dispositif d'amorçage par haute fréquence pour éviter les inclusions métalliques de tungstène. Les torches de soudage TIG sont équipées, de préférence, d'un diffuseur avec un fin grillage métallique pour assurer un excellent cône d'inertage. La section de la buse céramique est de Ø 16 à Ø 20 mm. La protection gazeuse primaire assurée par la torche de soudage ne suffit pas pour assurer une soudure de qualité avec une excellente ductilité. La forte réactivité du titane vis à vis des gaz (C, H, O, N) oblige le soudeur à travailler avec des dispositifs de protection gazeuse plus ou moins sophistiqués comme le traînard de soudage ou la boîte à gants.
Ces accessoires assurent la protection complète du bain de fusion, de la soudure et des zones affectées thermiquement sur la face endroit, à l'envers et en arrière du bain pendant toute l'opération de soudage par une diffusion constante et régulière d'un flux gazeux d'Argon ou d'Argon + Hélium parfaitement inerte. Il est nécessaire de ne pas négliger l'importance de ces accessoires auxiliaires de protection.
7 - Consignes de soudage du Titane
Il est impératif de respecter les règles ou consignes de soudage suivantes lors du soudage du Titane :
[*]Dégraisser soigneusement les zones à souder et l'intérieur des tubes
[*]Porter des gants propres en coton blanc pour manipuler les pièces nettoyées.
[*]Contrôler le taux d'humidité du local et le maintenir à moins de 60%
[*]Etuver vos trainards avant de souder pour éliminer l'humidité résiduelle
[*]Utiliser des dispositifs de protection gazeuse (traînard, boîte à gants)
[*]Vérifier l'efficacité de la protection gazeuse sur un coupon témoin.
[*]Utiliser des métaux d'apport adaptés à la nuance soudée.
[*]Dégraisser soigneusement le métal d'apport en baguette tréfilée
[*]Utiliser des gaz de protection de haute pureté (Argon qualité 5.0).
[*]Respecter la fiche de soudage établie selon un mode opératoire.
[*]Respecter des énergies de soudage inférieures à 18 KJoules / cm ou 1,08 KJoules/mm selon EN 1011-1
[*]Respecter des températures entre passes inférieures à 100° / 120° Celsius.
[*]Laisser la torche de soudage en place tant que le cordon n'est pas refroidi
[*]Découper la partie terminale du fil d'apport après chaque arrêt de soudage.
[*]Éviter toute contamination des états de surface des pièces.
8 - Choix des métaux d'apport pour le soudage du titane
9 - Contrôle de la coloration surfacique de la soudure
Ce contrôle visuel est nécessaire pour évaluer empiriquement la qualité de l'inertage et de la protection gazeuse de la soudure et des zones avoisinantes. Une soudure saine (donc non contaminée) est brillante et de couleur argent vif. Les différentes déclinaisons de colorations acceptables sont les suivantes :
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[*]Argent brillant
[*]Jaune paille clair
[*]Jaune paille foncé
[*]Ardoise claire
[*]Bleu très clair
Les différentes déclinaisons de colorations inacceptables sont les suivantes :
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[*]Bleu foncé
[*]Gris bleuté
[*]Gris
[*]Gris noirâtre
[*]Blanc poudreux
Ce contrôle reste toutefois assez subjectif selon la personne qui réalise l'examen visuel. Les colorations jaune paille et ardoise claire sont éliminées, après accord du service d'inspection, par un brossage superficiel avec une brosse neuve en fil inox ou une toile émeri à grain fin (réservée à cet usage). Toute soudure présentant des colorations superficielles bleu foncé et plus doit être refusée et éliminée complètement (mauvaise ductilité ? pliage cassant à partir de 60°).
10 - Contrôle de dureté surfacique de la soudure
Le contrôle visuel peut être complété par un contrôle de dureté ou de micro-dureté Vickers en cas de doute. Il ne doit pas y avoir de différence de plus de 5 HV entre les valeurs obtenues sur la soudure, sur les zones thermiquement affectées et les valeurs obtenues sur le métal de base (valeur de référence - hors zone d'écrouissage).
11 - Les procédés de soudage
Le titane se soude relativement bien avec les procédés de soudage courants :
[*]TIG / GTAW (141)
[*]PLASMA / PAW (15)
[*]MIG / GMAW (131)
Pour le TIG et le Plasma, le courant de soudage est de type continu et la polarité est négative à l'électrode. Pour le MIG, le courant de soudage est de type continu et la polarité est positive au fil électrode.
12 - Les gaz de soudage utilisés
Les gaz les plus utilisés sont l'argon et parfois l'hélium. Pour les
matériaux très sensibles à l'oxydation à chaud comme le titane, un gaz inerte à très haute pureté est recommandé (99,999% ou qualité 5.0). L'utilisation de l'azote comme gaz de protection envers sur les titanes est strictement déconseillé (risque de formation de nitrure de titane - ductilité nulle).
Les débits de gaz d'inertage sont relativement importants (de l'ordre de 100 à 200 litres / minute pour l'ensemble de la protection endroit et envers)
13 - La pureté des gaz industriels de soudage
La pureté des gaz industriels est définie par 2 chiffres séparés par un point.
Le premier chiffre correspond au nombre de « 9 » et le second chiffre correspond « au chiffre » qui suit les « 9 ».
Par exemple :
QUALITÉ 4.5 = pureté de 99.995 %
QUALITÉ 5.0 = pureté de 99.999%
La désignation U ( équivalente à 4.5 ) n'est pas normalisée.
Claude Camus
Messer France
Responsable marché métallurgie
E-mail : mailto:[email protected]
| GAZ DE PROTECTION POUR LE SOUDAGE TIG et PLASMA | |||
| Composition | Ancienne couleur d'ogive | Nouvelle couleur d'ogive | Description |
| GAZ PUR | |||
| ARGON |  |
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Utilisable dans la grande majorité des applications de soudage TIG. |
| MÉLANGES BINAIRES | |||
| ARGON + 20 % HELIUM |  |
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Élévation de la température de l'arc. Vitesse de soudage plus importante. Coût important |
| GAZ DE PROTECTION POUR LE SOUDAGE MIG | |||
| Composition | Ancienne couleur d'ogive | Nouvelle couleur d'ogive | Description |
| GAZ PUR | |||
| ARGON | |
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Utilisable dans la grande majorité des applications de soudage MIG. |
14 - Le traînard de soudage (protection endroit secondaire)
| Le traînard est un dispositif placé à l'arrière de la torche de soudage qui permet la diffusion d'un gaz de protection dans une enceinte réduite placée sur le joint à souder. Cette enceinte assure, par circulation sans courant d'air (effet venturi néfaste), la protection gazeuse inerte endroit du bain de fusion et de l'arrière de la soudure en isolant la soudure de l'air ambiant externe. Les débits d'argon peuvent aller de 20 litres par minute à 100 litres par minute selon la surface à protéger. Il faut prendre en compte que l'utilisation d'un traînard refroidit la zone de soudage. |
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15 - La boîte à gants de soudage (protection endroit et envers)
| La boîte ou la bulle à gants est un dispositif qui permet d'isoler la pièce à souder de l'air ambiant. Cette enceinte assure, par circulation sans courant d'air (effet venturi néfaste), la protection gazeuse inerte complète de l'endroit du bain de fusion et de l'arrière de la soudure en isolant la soudure de l'air ambiant externe. La boîte à gants peut être rigide et résistante à une dépression par vide d'air. Elle peut aussi être , comme le montre la photographie ci-contre, être souple et résistante à une légère surpression. Une mesure en continu du gaz de l'inertage est nécessaire pour quantifier la qualité de la protection gazeuse. L'entrée du gaz de protection est réalisée par le point bas de l'enceinte (l'argon est plus lourd que l'air) |
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16 - Photographie d'une soudure sur tube en Titane Grade 2
17 - La protection envers
| La protection envers est une chambre de gaz inerte constituée de flasques de part et d'autre du joint placés sur la face envers du bain de fusion Cette enceinte assure, par circulation sans courant d'air (effet venturi néfaste), la protection gazeuse inerte envers du bain de fusion et des zones thermiquement affectées de la face envers de la soudure en remplaçant l'air ambiant et en isolant la soudure de l'air ambiant externe. |
 |
18 - Sécurité du soudage du Titane
Les débits d'argon utilisés pour le soudage du titane sont beaucoup plus importants par rapport à un soudage d'acier inoxydable (protection endroit + protection envers = au moins 100 litres / minute). Prévoir une ventilation efficace et suffisante du local de soudage pour éviter toute accumulation de gaz inerte.
(risque d'anoxie si oxygène O[SUB]2 [/SUB]< 17%)
Le titane est réactif aux gaz (comme le Zirconium, le magnésium, le tantale) . Il est donc conseillé de ne pas accumuler de copeaux fins, de poudre et de poussières de titane pour éviter une inflammation (matériau pyrophorique).
En cas d'inflammation, utiliser des extincteurs à poudre contre les incendies de particules métalliques.
Ne jamais utiliser de l'eau sur des feux de métaux réactifs.
19 - Vos questions en relation avec cet article sur le forum du site
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Le lien du forum est le suivant :
Soudage du Titane, Zirconium, Tantale et alliages20 - Quelques liens Internet utiles
Le procédé de soudage TIG / GTAW / 141 Les gaz industriels de soudage et la norme européenne EN ISO 14175 : 06/2008 Quel type de gaz de protection dois je utiliser pour souder en TIG / 141 / GTAW ? Comment choisir le détendeur-débitmètre de gaz de soudage ? Choisir un poste à souder MIG / MAG semi-automatique monophasé à moins de 1000 euros Le procédé de soudage MAG FIL MASSIF / GMAW / 135 Quel type de gaz de protection dois je utiliser pour souder en MAG/135/ GMAW ? Quels sont les différents types de raccords des bouteilles de gaz industriels ? Comment réaliser la protection gazeuse à l'envers du joint des soudures ? Quelles sont les couleurs des ogives des bouteilles de gaz selon NF EN 1089-3 ? Comment choisir le gaz de protection selon le procédé de soudage et la matière 21 - Vos commentaires et réactions
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