Bien que la technologie de soudage orbital ne soit pas nouvelle, elle continue d'évoluer, devenant plus performante et polyvalente, notamment pour le soudage de tuyauteries. Un entretien avec Tom Hammer, soudeur qualifié chez Axenics à Middleton, dans le Massachusetts, révèle les nombreuses applications de cette technique pour résoudre des problèmes de soudage complexes. Image courtoisie d'Axenics
Le soudage orbital existe depuis environ 60 ans et a automatisé le procédé GMAW. C'est une méthode fiable et pratique pour réaliser des soudures multiples, bien que certains équipementiers et fabricants n'aient pas encore exploité la puissance des soudeuses orbitales, préférant le soudage manuel ou d'autres stratégies pour assembler des tubes métalliques.
Les principes du soudage orbital existent depuis des décennies, mais les nouvelles machines à souder orbitales, dotées de fonctionnalités intelligentes, constituent un outil plus performant pour le soudeur. En effet, nombre d'entre elles facilitent la programmation et le paramétrage avant le soudage. Des réglages rapides et précis garantissent des soudures homogènes, pures et fiables.
L'équipe de soudeurs d'Axenics à Middleton, dans le Massachusetts, est un fabricant de composants sous contrat qui guide bon nombre de ses clients dans les pratiques de soudage orbital si les éléments appropriés existent pour le travail.
« Dans la mesure du possible, nous souhaitions éliminer l’intervention humaine dans le soudage, car les soudeuses orbitales produisent généralement des soudures de meilleure qualité », explique Tom Hammer, soudeur qualifié chez Axenics.
Bien que les premiers procédés de soudage remontent à 2000 ans, le soudage moderne est un processus extrêmement avancé, essentiel à d'autres technologies et procédés modernes. Par exemple, le soudage orbital peut être utilisé pour créer les systèmes de tuyauterie de haute pureté utilisés pour produire les plaquettes de semi-conducteurs qui entrent dans la composition de pratiquement tous les appareils électroniques actuels.
L'un des clients d'Axenics fait partie de cette chaîne d'approvisionnement. Il a recherché un fabricant sous contrat pour l'aider à accroître sa capacité de production, notamment en créant et en installant des canaux propres en acier inoxydable permettant aux gaz de passer à travers le processus de fabrication des plaquettes.
Bien que des unités de soudage orbital et des tables rotatives avec pinces de torche soient disponibles pour la plupart des travaux tubulaires chez Axenics, cela n'exclut pas le soudage manuel occasionnel.
Hammer et l'équipe de soudage ont examiné les exigences du client et posé des questions, en tenant compte des facteurs de coût et de temps :
Les soudeuses orbitales rotatives fermées utilisées par Hammer sont les Swagelok M200 et Arc Machines modèle 207A. Elles peuvent contenir des tubes de 1/16 à 4 pouces.
« Les micro-têtes nous permettent d'accéder à des espaces très restreints », a-t-il déclaré. « L'une des limites du soudage orbital est de savoir si l'on dispose d'une tête adaptée à chaque joint. Mais aujourd'hui, on peut aussi enrouler une chaîne autour du tuyau à souder. Le soudeur peut passer par-dessus la chaîne, et il n'y a pratiquement aucune limite à la taille des soudures réalisables. J'ai vu des installations qui soudent des tuyaux de 50 cm de diamètre. C'est impressionnant ce que ces machines peuvent faire aujourd'hui. »
Compte tenu des exigences de pureté, du nombre de soudures nécessaires et de la faible épaisseur de la paroi, le soudage orbital est un choix judicieux pour ce type de projet. Pour les travaux de tuyauterie de contrôle des processus de flux d'air, Hammer soude fréquemment sur de l'acier inoxydable 316L.
« C'est là que ça devient vraiment subtil. On parle de souder du métal extrêmement fin. À la main, le moindre écart peut rompre la soudure. C'est pourquoi on préfère utiliser une tête de soudage orbitale : on peut régler chaque partie du tube avec précision avant d'y insérer la pièce. On ajuste la puissance à un niveau précis pour être sûrs que la pièce sera parfaitement positionnée. À la main, le réglage se fait à l'œil, et si on appuie trop fort sur la manivelle, on risque de perforer le matériau. »
Le travail consiste à réaliser des centaines de soudures qui doivent être identiques. La soudeuse orbitale utilisée pour ce travail effectue une soudure en trois minutes ; lorsque Hammer travaille à pleine vitesse, il peut souder manuellement le même tube en acier inoxydable en une minute environ.
« Pourtant, la machine ne ralentit pas. On la fait tourner à plein régime dès le matin, et en fin de journée, elle tourne toujours à plein régime », a déclaré Hammer. « Je la fais tourner à plein régime dès le matin, mais en réalité, ce n'est pas le cas. »
Il est essentiel d'empêcher les contaminants de pénétrer dans les tubes en acier inoxydable, c'est pourquoi le brasage de haute pureté dans l'industrie des semi-conducteurs est souvent effectué en salle blanche, un environnement contrôlé qui empêche les contaminants de pénétrer dans la zone brasée.
Hammer utilise la même électrode de tungstène pré-affûtée dans ses chalumeaux portatifs que dans son poste de soudage orbital. Si l'argon pur assure une purge externe et interne lors du soudage manuel et orbital, le soudage par machine orbitale bénéficie également d'un espace clos. Lorsque l'électrode de tungstène est retirée, l'enveloppe se remplit de gaz et protège la soudure de l'oxydation. Avec un chalumeau portatif, le gaz est soufflé uniquement du côté du tube en cours de soudage.
Les soudures orbitales sont généralement plus propres car le gaz recouvre le tube plus longtemps. Une fois la soudure commencée, l'argon assure la protection jusqu'à ce que le soudeur soit sûr que la soudure est suffisamment froide.
Axenics collabore avec plusieurs clients du secteur des énergies renouvelables qui fabriquent les piles à combustible à hydrogène alimentant divers véhicules. Par exemple, certains chariots élévateurs conçus pour une utilisation en intérieur utilisent des piles à combustible à hydrogène afin d'éviter que les sous-produits chimiques ne détériorent les stocks alimentaires. Le seul sous-produit d'une pile à combustible à hydrogène est l'eau.
L'un des clients avait de nombreuses exigences similaires à celles d'un fabricant de semi-conducteurs, notamment en matière de pureté et de régularité des soudures. Il souhaitait utiliser de l'acier inoxydable 321 pour le soudage de parois minces. Cependant, le travail consistait à prototyper un collecteur comportant plusieurs rangées de vannes, chacune faisant saillie dans une direction différente, ce qui laissait peu de place pour le soudage.
Une soudeuse orbitale adaptée à ce travail coûte environ 2 000 $ et permet de fabriquer un petit nombre de pièces pour un coût estimé à 250 $. Ce n'est pas rentable. Cependant, Hammer propose une solution combinant les techniques de soudage manuel et orbital.
« Dans ce cas, j'utiliserais une table rotative », explique Hammer. « Le principe est le même qu'avec une soudeuse orbitale, sauf qu'on fait tourner le tube au lieu de l'électrode de tungstène. J'utilise ma torche manuelle, que je maintiens en place avec un étau. Ainsi, je peux souder les mains libres et éviter que la soudure ne soit endommagée par des tremblements. Cela réduit considérablement les risques d'erreur humaine. Ce n'est pas aussi précis que la soudure orbitale, car elle n'est pas réalisée en milieu confiné, mais ce type de soudage peut être effectué en salle blanche pour éliminer toute contamination. »
Bien que la technologie de soudage orbital offre pureté et répétabilité, Hammer et ses collègues soudeurs savent que l'intégrité de la soudure est essentielle pour éviter les temps d'arrêt dus à des défaillances de soudure. L'entreprise utilise des essais non destructifs (END), et parfois des essais destructifs, pour toutes les soudures orbitales.
« Chaque soudure est vérifiée visuellement », explique Hammer. « Ensuite, les soudures sont testées au spectromètre à hélium. Selon les spécifications ou les exigences du client, certaines soudures sont contrôlées par radiographie. Les essais destructifs sont également possibles. »
Les essais destructifs peuvent inclure des essais de résistance à la traction pour déterminer la résistance à la traction ultime de la soudure. Pour mesurer la contrainte maximale qu'une soudure sur un matériau tel que l'acier inoxydable 316L peut supporter avant rupture, l'essai étire et étire le métal jusqu'à son point de rupture.
Les soudures réalisées par les clients du secteur des énergies alternatives sont parfois soumises à des tests non destructifs par ultrasons sur les assemblages soudés des composants des piles à combustible à hydrogène à échangeur de chaleur à trois canaux utilisées dans les machines et véhicules à énergies alternatives.
« Il s’agit d’un test crucial, car la plupart des composants que nous expédions contiennent des gaz potentiellement dangereux. Il est donc primordial pour nous et nos clients que l’acier inoxydable soit irréprochable, sans aucune fuite », explique Hammer.
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