LE SOUDAGE DES ALLIAGES DE CUIVRE

Généralités

Les alliages de cuivre sont utilisés pour une vaste gamme d’applications. On les retrouve comme décorations architecturales, dans les appareils ménagers, dans les industries électronique, navale, chimique, etc. Cette popularité est due à leur excellente conductibilité électrique et thermique, leur très bonne résistance à la corrosion, leur grande formabilité, ainsi que leur bonne résistance mécanique et en fatigue. D’autres caractéristiques telles que sa bonne résistance à l’étincelage et sa couleur distinctive en font une famille d’alliage particulière.

Classification

Le cuivre est souvent allié avec plusieurs types de métaux. Les éléments d’alliage les plus communs sont l’aluminium, le nickel, le silicium, l’étain et le zinc. D’autres éléments sont aussi ajoutés en petite quantité pour améliorer d’autres caractéristiques comme la résistance à la corrosion ou l’usinabilité. Ces différents alliages sont divisés en 9 groupes majeurs qui sont :

• cuivre pur à au moins 99,3%;
• alliages à haute teneur en cuivre pouvant contenir jusqu’à 5% d’éléments d’alliage;
• Alliages cuivre – zinc (laitons rouges contenant entre 5 et 20 % de zinc et laitons jaunes contenant entre 20 et 40% de zinc);
• alliages cuivre – étain (bronzes au phosphore), contenant jusqu’à 10% d’étain et 0,2% de phosphore;
• alliages cuivre – aluminium (bronzes à l’aluminium), contenant jusqu’à 13% d’aluminium;
• alliages cuivre – silicium (bronzes au silicium), contenant jusqu’à 3% de silicium;
• alliages cuivre – nickel (cupro nickel), pouvant contenir jusqu’à 30% de nickel;
• alliages cuivre – zinc – nickel (maillechorts), contenant jusqu’à 27% de zinc et 25% de nickel;
• alliages spéciaux, contenant certains éléments d’alliage spécifiques pour augmenter une propriété déterminée comme par exemple l’usinabilité.

Les alliages de cuivre ne peuvent être durcis de façon significative par la trempe comme l’acier. C’est essentiellement par leur taux d’écrouissage qu’ils sont disponibles sous une variété de dureté et de résistance mécanique déterminée. Le tableau ci-bas présente les différentes désignations courantes pour les états de livraison des alliages de cuivre.

Propriétés physiques des alliages de cuivre

Conductibilité électrique et thermique

La conductibilité électrique du cuivre est légèrement inférieure à celle de l’argent, mais à volume égal, elle excède la conductibilité électrique et thermique de l’aluminium d’une fois et demi. La conductibilité du cuivre en pourcentage IACS (“International Annealed Copper Standard”) est de 100% IACS, car le rapport IACS est une comparaison entre la conductivité d’un métal que l’on évalue par rapport au cuivre pur (électrolytique). À l’aide de certains procédés de fabrication spéciaux, il est possible d’obtenir des cuivres ayant une conductibilité supérieure au cuivre pur, par exemple de 102% IACS. Les conductibilités électrique et thermique varient beaucoup avec l’addition d’éléments d’alliage et peuvent se retrouver avec des valeurs similaires à celles de l’acier.

Point de fusion

Le point de fusion du cuivre pur se situe à 1’083°C (1’981°F) et les alliages de cuivre ont un point de fusion qui varie entre 880°C (1’616°F) et 1’240°C (2’264°F).

Coefficient de dilatation thermique

Le cuivre pur et ses alliages ont un coefficient de dilatation thermique qui est environ 50% plus élevé que celui de l’acier. Cependant leurs déformations ne sont pas tellement plus grandes que celles de l’acier car leur point de fusion est inférieur d’environ 30% par rapport à celui de l’acier.

Soudabilité des alliages de cuivre

Préparation de la surface

Pour minimiser la présence de défauts de soudage, il faut enlever toute trace de graisse, d’huile, d’hydrocarbure ou de contaminant et aussi la couche d’oxyde qui recouvre l’alliage. Cette couche peut être enlevée à l’aide d’une meule, d’une brosse d’acier inoxydable ou par décapage chimique.

Les angles du chanfrein doivent être environ 30% plus ouvert que pour l’acier pour permettre une meilleure pénétration.

Préchauffage

Le cuivre et ses alliages ont une grande affinité pour l’oxygène et ont tendance à créer de la porosité lors du soudage. Une autre difficulté rencontrée dans le soudage du cuivre et de certains de ses alliages est due à leur grande conductibilité thermique. Pour contrer les pertes de chaleur par le phénomène de diffusion thermique et limiter la présence de porosité, il est souvent nécessaire de préchauffer les parties à joindre. Le préchauffage stabilise l’arc de soudage en le rendant moins erratique en plus de favoriser une bonne pénétration et de permettre à l’oxygène ou aux autres gaz produits de s’échapper du bain de fusion.

Cependant, les alliages qui sont durcis par écrouissage perdent la majeure partie de leur résistance mécanique lorsqu’ils sont chauffés au-dessus de 400°C (750°F). De plus, plusieurs alliages, dont les cuivre – étain et les cuivre – nickel, sont sujet à la fissuration à chaud et doivent donc être préchauffés avec modération.

Les températures de préchauffage varient beaucoup selon la nature de l’alliage, l’épaisseur de la pièce ou l’importance du bridage. Elles peuvent atteindre 540°C (1’000°F) dans certains cas mais se situent généralement entre 200 et 370°C (400 et 700°F). Consulter le Service Technique Sodel pour le choix de la température appropriée selon l’utilisation.

Il est très important de déposer les pièces sur des matériaux réfractaires isolants avant de préchauffer afin de diminuer les pertes de chaleur par le contact métal sur métal.

Méthode de soudage

Le cuivre doit être de préférence soudé à plat dû à sa haute fluidité. Parfois lorsque le joint est trop écarté, on suggère d’utiliser une plaque support en céramique, en cuivre ou en graphite.

Lors du soudage à l’électrode enrobée, il est important de faire attention de ne pas avancer trop rapidement ou d’osciller exagérément l’électrode pour ne pas altérer la protection gazeuse du bain de fusion. Une altération de la protection gazeuse peut provoquer sa contamination par les oxydes de cuivre, ce qui causent une perte de ductilité et diminue la résistance en fatigue du joint. Le mouvement oscillatoire est parfois avantageux pour minimiser les inclusions de laitier, mais il ne doit pas dépasser approximativement 3 fois le diamètre de l’électrode. De plus, il est souhaité de faire des pauses de chaque côté de manière à remplir les caniveaux qui peuvent se former.

Pour le brasage à l’aide de baguettes enrobées (Sodel 47FC, Sodel 66FC, Sodel 660FC) il faut se référer à la section Brasage et décapants (disponible sur notre blogue).

Certains éléments ajoutés aux alliages de cuivre pour augmenter leur usinabilité (plomb, sélénium, tellure, soufre, bismuth…) peuvent être très dommageables pour leur soudabilité en les rendant susceptibles à la fissuration à chaud. Le pire élément est le plomb et la plupart des alliages de cuivre contenant du plomb ne sont généralement pas recommandés pour le soudage à l’arc électrique et doivent être joints par brasage.

Plusieurs éléments utilisés dans la fabrication des alliages de cuivre possèdent de bas points de sublimation (température à laquelle un élément passe directement de l’état solide à l’état gazeux). Pour éviter la perte de ces éléments (zinc, cadmium, sélénium…) lors du soudage, il est préférable de diriger l’arc dans le bain de fusion.

Pour les alliages durcis par écrouissage et ceux sensibles à la fissuration à chaud, il est avantageux de marteler les cordons avec un outil au bout arrondi pendant qu’ils sont encore chauds pour diminuer les contraintes de retrait et restaurer une partie de la résistance mécanique perdue par le préchauffage ou le soudage.

Nettoyage du laitier

Le laitier sur le dépôt peut être enlevé avec des outils manuels et une brosse d’acier inoxydable. Lors du soudage en multipasse, il est préférable d’enlever toutes les traces de laitier sur la soudure avant de refaire un cordon.

Postchauffage

Il n’est généralement pas nécessaire d’effectuer un recuit postsoudage du cuivre et ses alliages sauf pour relâcher les contraintes résiduelles ou assurer une meilleure stabilité dimensionnelle à l’assemblage.

Métaux d’apport

Les baguettes enrobées Sodel 47FC, Sodel 66FC et Sodel 660FC sont utilisées pour le brasage. Consulter la section Brasage et décapants (disponible sur notre blogue) pour obtenir plus d’informations.

La Sodel 661 est conçue pour permettre le soudage de la plupart des alliages de cuivre et de plusieurs combinaisons de métaux dissemblables, y compris l’assemblage d’un alliage de cuivre avec de la fonte ou de l’acier. Veuillez consulter le Service Technique Sodel pour connaître les paramètres d’opération selon les métaux à assembler.

De façon générale, lors de l’assemblage de deux métaux différents, il est préférable de diriger l’arc vers le métal le plus conducteur. Dans certains cas, il faut beurrer les faces du chanfrein avant de souder les deux parties ensemble pour diminuer les contraintes de retrait.

CONSEILS PRATIQUES LORS DU SOUDAGE DES ALLIAGES DE CUIVRE

1- Souder en position à plat lorsque c’est possible, à cause de la grande fluidité du cuivre.

2- L’utilisation d’une plaque support permet d’écarter les pièces pour avoir une pleine pénétration.

3- Un bon nettoyage avant et pendant le soudage aide à obtenir une soudure de qualité.

4- S’il y a soufflage d’arc au cours du soudage de métaux dissemblables, augmenter la température de préchauffage.

5- Si la pièce est maintenue en place par des étaux ou autres dispositifs en métal, le préchauffage de ces dispositifs peuvent aider à maintenir la température de la pièce dans le cas d’un préchauffage.

6- Les pertes de chaleur des pièces lors du préchauffage peuvent être empêchées en utilisant une matière isolante ininflammable comme la pâte Sodelfix et en déposant les pièces sur des matériaux réfractaires isolants.

7- Lors du soudage de métaux dissemblables, utiliser l’ampérage minimum recommandé lorsque possible pour minimiser la dilution.

Pour joindre la fonte à des alliages cuivreux avec la Sodel 661, utiliser des électrodes de petit diamètre et faire de petits cordons discontinus tel que décrit dans la section sur la Fonte (disponible sur notre blogue).