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Fabrice Scandella, Institut de Soudure et Laurent Jubin, CETIM

Rencontre sur le thème des fumées de soudage

CCI Sud Alsace Mulhouse, 23/09/2016

Réduction des fumées de soudage

à la source

Réduction des fumées de soudage à la source

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1 Introduction

1.1 A quels procédés de soudage s’intéresse t-on ?

1.2 Pourquoi réduire le taux d’émission de fumées à la source ?

1.3 Les procédés de soudage à l’arc électrique et les produits d’apport

1.4 Avantages et limites des procédés de soudage à l’arc électrique

1.5 Quelques précisions importantes concernant le procédé MIG-MAG

2 Synthèse de résultats d’études CIS-FIM

2.1 Influence de l’état de surface des pièces

2.2 Influence des revêtements des pièces

2.3 Influence de la composition du gaz de protection

2.4 Influence de la composition du produit d’apport

2.5 Cas du CrIV - facteurs principaux

3. Les torches aspirantes pour le procédé MIG-MAG

4. Les points essentiels à retenir

5. Remerciements

Sommaire


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Les procédés de soudage sont très nombreux (il y en a des dizaines), avec :

1.1 A quels procédés de soudage s’intéresse t-on ?

Exemple de procédé de soudage à l’état solide et robotisé :

le soudage par friction-malaxage (FSW) : pas de fumées de

soudage, mais à quelques exceptions près, uniquement

adapté au soudage de l’aluminium.

- Des procédés de soudage à l’état solide

qui ne génèrent pas de fumées

- Des procédés entièrement automatisés ou

robotisés qui évitent d’exposer lestravailleurs aux fumées

…mais surtout des procédés de soudage

par fusion qui génèrent des fumées et que

l’on ne peut automatiser ou robotiser car les

applications industrielles ne s’y prêtent pas.

On s’intéresse donc ici aux procédés desoudage à l’électrode enrobée, MIG-MAGet TIG en version manuelle.


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1.2 Pourquoi réduire le taux d’émission de fumées à la source ?

G. Mertuk et al., Comparaison de l’efficacité de différents systèmesvisant à réduire la quantité de fumée présente dans le masque dusoudeur, RT CETIM 1G2870 / IS 37701, 2003 (non publié)

Avec torche aspiranteSans aspiration Avec aspiration sur bras articulé

Quantité de poussière dans le masque d’un soudeur par heure de soudage MAG (mg/h) :

1 0,43 0,005

Quantité de poussières divisée par : 2,5 200

Réduire le taux d’émission à la source est un moyen bien plus efficace pour protéger à la fois les soudeurs et les autres personnes présentes dans un atelier.


5


En soudage manuel, les trois principaux procédés de soudage à l’arc électrique sont :

Nom du procédé Electrode enrobée MIG-MAG TIG

Numéro 111 131,135,136,137,(114) 141

Electrode Fusible Fusible Non fusible

Produit d’apport Electrode enrobée Fil-électrode continu Sans ou avec baguette

Protection du bain Laitier Gaz ou laitier Gaz

Nom commun « Baguette », « Arc » « Semi », « Semi-auto » TIG


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Les produits d’apport associés sont :

En soudage à l’arc à

l’électrode enrobée

En soudage MIG-MAG En soudage TIG

1. Electrode enrobée (massive) avec enrobage

1.1 Rutile

1.2 Basique

1.3 Rutilo-basique

1.4 Cellulosique

1. Fil massif

2. Fil fourré avec fourrage

2.1 Rutile

2.2 Basique

2.3 Rutilo-basique

2.4 Métallique

1. Baguette (massive)

2. Fil massif

Electrode enrobée

Fil massif

Fil fourré

Enrobage

Fourrage


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Soudage à l’électrode enrobée : procédé n°111

Avantages Limites

• Procédé fiable et robuste

• Soudage en toutes positions (suivant le

produit choisi)

• Large gamme de produits d’apport

(électrode synthétique)

• Procédé incontournable pour des travaux

sur site

• Procédé ancien mais qualifié même pour

des applications critiques (ex. nucléaire,

pétrochimie)

• Productivité limitée (0,5 à 4 kg/h –

30 cm/min)

• Non automatisable

• La qualité métallurgique est fonction du type

d’enrobage choisi (fissuration, ténacité)

Chantier de pose de

tuyauteries : soudage en

toutes positions


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Soudage MIG-MAG avec fil massif : 131, 135

Avantages Limites

• Productivité élevée (2 à 8 kg/h –

50 cm/min)

• Automatisation et robotisation possibles

• Très polyvalent (utilisable pour une large

gamme de matériaux : acier, aluminium,

base Ni, Co, Cu…)

• Produit d’apport peu onéreux

• Risque de manque de fusion – Souvent

interdit ou soumis à des dérogations strictes

sur des appareils de haute sécurité

• Gamme de produits d’apport limitée aux

compositions pouvant être tréfilées

• Soudage en toutes positions très difficile

Soudage MAG manuel de

structures en acier.


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Soudage MIG-MAG avec fil fourré : 136, 137, (114)

Avantages Limites

• Productivité élevée, parfois bien supérieure

à celle des fils massifs (4 à 10 kg/h – 50

cm/min)


• Adapté au soudage en toutes positions

(avec certains types de fourrages)

• Très large gamme de produits d’apport

• Incontournable en rechargement dur

• Risque de manques de fusion - Utilisation

souvent soumise à dérogation par certains

donneurs d’ordre

• Produits contenant des flux hygroscopiques :

quelques limites d’utilisation

• Produits d’apport relativement onéreux

Exemple d’application de rechargement

dur : cylindres pour l’industrie cimentière.

Document Welding Alloys Ltd


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Soudage TIG : 141

Avantages Limites

• Qualité des soudures

• Arc électrique et produit d’apport dissociés :

grande souplesse, adapté aux travaux

délicats

• Adapté au soudage en toutes positions


• Procédé qualifié pour des applications

critiques (ex. nucléaire, aéronautique)

• Productivité très faible (0,5 à 2 kg/h – 15

cm/min)

• Déformations importantes des pièces

soudées

Photographie montrant l’aspect

typique de soudures TIG.


11

• Plusieurs modes de transfert sont possibles en soudage MIG-

MAG avec fil massif.

• Ils dépendent notamment du

réglage de la tension d’arc et de

l’intensité.

• Le choix du mode de transfert se

fait souvent en fonction de

l’épaisseur des pièces à souder

ou de la position de soudage.

• Avec les générateurs modernes (onduleurs), de multiples modes

de transfert spécifiques sont

maintenant disponibles.

Attention : en soudage MIG-MAG, de nombreux paramètres ou variables vont affecter le taux d’émission de fumées !

1.5 Quelques précisions importantes concernant le procédé MIG-MAG


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2.1 Influence de l’état de surface des pièces

Les pièces en acier laminées ou étirées à froid sont souvent revêtues d’une fine couche d’huile

pour les protéger de la corrosion. Des procédés de mise en forme avant soudage peuvent

également huiler la surface des pièces.

La propreté des pièces a une influence significative sur le taux d’émission de fumées :

• Paramètres de soudage :

- Tôles en acier C-Mn

- Fil G3Si1 de diamètre 1,0 mm

- I = 160 A, U = 24 V

- Gaz de protection : 100% CO2

• Tôle nue : 15 à 17 mg/g MD(*)

• Tôle huilée : 20 à 23 mg/g MD(*)

Pour limiter la quantité de poussières, il est toujours préférable de souder des piècesdégraissées, mais cela représente un surcoût.

(*) Note : MD = métal déposé

G. Mertuk et al., Evaluation de l’influence des huiles évanescentessur la soudabilité MAG – Influence sur le volume et la toxicité despoussières émises, RT CETIM 1J4120 / IS 39973, 2003 (non publié)


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Acier galvanisé : la couche de zinc

est dégradée par l’opération de

soudage.

2.2 Influence des revêtements des pièces

Les pièces en acier possèdent souvent des revêtements anticorrosion qui sont localement

dégradés lors de l’opération de soudage. On distingue 3 types de revêtements :

• métalliques par dépôt électrolytique (par exemple l’électrozinguage)

• métalliques par trempage à chaud (par exemple par galvanisation)

• organiques (par exemple de la peinture)

Si l’on soude des pièces revêtues sans enlever le

revêtement aux abord du plan de joint :

• Le débit d’émission de fumées va typiquement

augmenter de 10 à 60%

• L’épaisseur du revêtement sera le paramètre clé vis-

à-vis du débit d’émission

• Dans le cas des revêtement (épais) contenant du zinc,

cet élément peut devenir prépondérant en termes de

VLE, devant le manganèse

Pour limiter la quantité de poussières, il faudraitidéalement enlever le revêtement aux abord des zonessoudées… mais cela représente un surcoûtconsidérable...

S. Debiez, Point sur l’utilisation des peintures primaires enconstruction soudée, RT CETIM 187460 / IS 29001, 1994(non publié)


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2.3 Influence de la composition du gaz de protection

En soudage TIG et MIG-MAG, la fonction principale du gaz de protection est de protéger la

soudure de l’oxydation par l’air environnant.

En soudage MAG, le gaz de protection peut également aider à stabiliser l’arc et réduire l’émission de fumées :

- Fil fourré C-Mn de poudre métallique, diamètre 1,2 mm

- Deux mélange gazeux :

M21 : 82% Ar - 18% CO2

M14 : 96% Ar - 1% O2 - 3% CO2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0 2 4 6 8

Tau

xd

'ém

issi

on

de

fu

mé

es

(mg

/s)

Taux de dépôt (kg/h)

FF Standard -

Mélange M14

FF Standard -

Mélange M21

A. Gutschmidt, Mesure du taux d’émission de poussières etdétermination de la VLE – produits usuels et à bas taux d’émission defumées, RT CETIM 71103 / IS 3003-1RGII1-V1], 2015 (non publié)

Généralement, en choisissant ungaz de protection moins oxydant,on réduit le taux d’émission defumées, mais au détriment de lapénétration.

Attention, les résultats peuventvarier en fonction de la nature dufil-électrode.


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2.4 Influence de la composition du produit d’apport

La composition chimique du produit d’apport a un effet marqué sur le taux d’émission de

fumées. Il ne faut pas seulement s’intéresser aux éléments chimiques métalliques, mais aussi

aux composés présents par exemple dans l’enrobage des électrodes enrobées.

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0 1 2 3 4

Tau

xd

'ém

issi

on

de

fu

mé

es

(mg

/s)

Puissance U.I (kW)

Acier inox - Enrobage Basique

Acier inox - Enrobage Rutilo-

basique

Produit à basse émission de

fumées

A. Gutschmidt, Mesure du taux d’émission de poussières etdétermination de la VLE – produits usuels et à bas taux démission defumées, RT CETIM 71103 / IS 3003-1RGII1-V1, 2015 (non publié)U. Riedinger et al, Etude des problèmes posés par l’émission defumées au cours du soudage à l’arc avec des électrodes enrobées,RT CETIM 12Y210, IS 7989, 1978 (non publié)D. Beaufils et al, Etude des problèmes posées par l’émission defumées au cours du soudage, 1982, RT CETIM 12Y373 / IS 12485(non publié).

En soudage à l’électrode enrobée (ouavec un fil fourré de flux), le tauxd’émission de fumées dépend aussi desliants utilisés.


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2.5 Cas du CrIV - facteurs principaux

0 5 10 15 20 25 30

Tau

xd

'ém

issi

on

Teneur en chrome du produit d'apport (% massique)

EE Enrobage Basique

EE Enrobage Rutile

EE Enrobage Rutile BF

MAG Fil plein

MAG fil fourré rutile

TIG

La teneur en chrome hexavalent est bien entendu fonction de la teneur en chrome dans les

produits d’apport, mais pas seulement…

F. Maltrud et al., Comparaison technique entre fil fourré et fil plein enacier inoxydable, 2001, RT CETIM 1D1870 / IS 33529A. Gutschmidt, Mesure du taux d’émission de poussières etdétermination de la VLE – produits usuels et à bas taux démission defumées, RT CETIM 71103 / IS 3003-1RGII1-V1, 2015 (non publié)D. Beaufils et al, (1982) Etudes des problèmes posées par l’émissionde fumées au cours du soudage, 1982, RT CETIM 12Y373 / IS 12485(non publié).

Le type de produit d’apport choisi et leprocédé utilisé ont encore plus d’impactsur le taux d’émission de CrVI que lateneur en chrome du produit d’apport.


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Exemple de torche aspirante avec différentes

buses équipées d’ouïes d’aspiration.

Document ESAB

F. Bonthoux, Présentation « Torches de soudage aspirantes -efficacité de captage », INRS, 06/2015

Principe :

Ces torches de soudage MIG-MAG manuel intègrent un

conduit d’aspiration dans la gaine, ainsi qu’une buse

avec plusieurs ouïes pour aspirer les fumées au plus

près de l’arc électrique

Avantages :

• Aspiration des fumées au plus près de la source

d’émission

• Bonne efficacité de captage avec un débit d’air

modéré (environ 100 m3/h)

Limites :

• Maniabilité et confort d’utilisation : torche plus lourde,

gaine plus volumineuse et plus rigide

• Accessibilité réduite : buse plus volumineuse

• Nécessite un groupe d’aspiration à haute dépression

• Risque de perturbation de la protection gazeuse

(oxydation du cordon de soudure et formation de

porosités)

Ouïe d’aspiration

Buses


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Travaux menés par l’INRS (Nancy) :

Le département Ingénierie des Procédés réalise depuis plusieurs années une évaluation des

torches aspirantes MIG-MAG pour voir l’influence :

- de la conception des torches

- du débit d’aspiration

- de l’angle d’inclinaison de la torche

- de la position de soudage

- des paramètres électriques, etc..

… sur l’efficacité de captage des fumées.


Banc d’essai MIG-MAG de l’INRS


Travaux de simulation numérique


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Exemples de résultats concernant le débit d’émission de fumées

Cas du soudage d’aciers C-Mn avec un fil massif :

Effet du mode de transfert sur le débit d’émission Effet de l’inclinaison de la torche sur le débit d’émission

Le mode de transfert a un effet très marqué sur le débit d’émission. Le débit d’émissionpeut aussi être jusqu’à 3 fois supérieur en soudage manuel par rapport au soudageautomatisé uniquement du fait de l’inclinaison de la torche.


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Exemples de résultats concernant l’efficacité de captage des fumées

Cas du soudage d’aciers C-Mn avec un fil massif :

Effet de l’inclinaison de la torche sur l’efficacité de captage des fumées

L’efficacité de l’aspiration est maximale à 0°, mais en soudage manuel, l’angled’inclinaison est plus proche de 30° : les ouïes s’écartent du trajet des fumées etl’efficacité de captage diminue.


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Exemples de résultats concernant la conception des torches

En termes d’efficacité de captation

des fumées, la performance des

torches aspirantes dépend de

plusieurs paramètres :

- de l’étanchéité de l’ensemble

- de la perte de charge

- de la distance ouïes - arc électrique

Avec un même groupe d’extraction, le volume d’extraction peut varier de 55 à 109 m3/hen fonction de la torche considérée. La vitesse induite à l’extrémité de la torche doit êtresuffisante pour obtenir une bonne efficacité de captage.

Efficacité de captage en fonction de

la vitesse d’aspiration induite avec

une inclinaison de torche de 30°


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Exemples de résultats montrant l’effet du débit d’aspiration sur la qualité des cordons

L’une des grandes interrogations est

l’effet de l’utilisation d’une torche

aspirante sur la qualité des soudures.

- la configuration de soudage en angle

dans un coin est la plus pénalisantes (le

risque d’aspirer une partie du gaz de

protection est élevé).

- en réduisant la distance ouïes - arc

électrique et/ou en augmentant le débit

d’aspiration, l’efficacité de captage

augmente, mais le risque de formerdes porosités aussi.

Fra

ctio

n d

’air

da

ns

le p

lasm

a

Dans le cas du soudage « en coin »,des porosités peuvent apparaître dèsque le débit extrait est supérieur à 50m3/h. Elles sont systématiquementobservées au-delà de 100 m3/h.


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4. Les points essentiels à retenir

• Des moyens de réduction des fumées de soudage à la source existent :- Souder des pièces propres et exemptes de revêtements dans la zone à souder

- Utiliser des modes de transfert stables générant moins de fumée

- Préférer les produits d’apport à basse émission de fumées, s’ils sont disponibles

- Utiliser des torches aspirantes pour le soudage MIG-MAG

• Mais, sans même considérer les aspect purement économiques, il y a aussides impossibilités techniques à substituer un procédé de soudage, unproduit d’apport ou un gaz de protection par un autre.

Chaque cas doit donc être étudié en prenant en compte tous les aspects- La prévention du travailleur

- La typologie des produits à souder

- Les impositions des cahiers des charges et des codes de construction


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5. Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier :

• Guy Cromer, Président de la Commission Interprofessionnelle Soudage de la

Fédération des Industries Mécaniques (CIS-FIM), pour avoir autorisé la

publication de données techniques et scientifiques appartenant aux membres de

la commission

• Francis Bonthoux, chercheur au Département Ingénierie des Procédés de

l’INRS, pour la fourniture de données concernant l’évaluation de la performance

de torches aspirantes


Merci pour votre attention

Avez vous des questions ?

Fabrice Scandella

Institut de Soudure4 boulevard Henri Becquerel

57970 Yutz

[email protected]

Laurent Jubin

CETIM74, route de la Jonelière - CS 50814

44308 Nantes Cedex 34 boulevard

[email protected]

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