Calculateur de Soudage - Courant, Tension & Apport de Chaleur

Calculateur de soudage

Un calculateur de soudage estime l’intensité, la tension, la vitesse d’avance et l’apport de chaleur nécessaires pour un soudage à l’arc. Il utilise l’épaisseur du matériau et le procédé de soudage employé. Cet outil couvre quatre procédés courants : MIG (GMAW), TIG (GTAW), à l’électrode enrobée (SMAW) et à fil fourré (FCAW).

Les résultats sont des règles générales, et non une procédure de soudage certifiée. Ils s’appliquent aux matériaux minces soudés en une seule passe. Pour les matériaux plus épais, les formules sous-jacentes sortent de leur plage de validité. Dans ce cas, le calculateur affiche un avertissement au lieu d’un nombre, plutôt que de faire une estimation hasardeuse.

Fonctionnement du calculateur

Saisissez une épaisseur de matériau en millimètres et sélectionnez un procédé de soudage. Le calculateur détermine une intensité recommandée, puis calcule la tension et la vitesse d’avance à partir de cette intensité et de l’épaisseur. Il est également possible de saisir directement une intensité. Dans ce cas, le calculateur remonte jusqu’à l’épaisseur adaptée au procédé, puis déduit les autres valeurs.

Formule de l’intensité de soudage

L’intensité augmente linéairement avec l’épaisseur. Le taux varie selon le procédé :

• MIG : $I = 40t$
• TIG : $I = 30t$
• Électrode enrobée : $I = 35t$
• Fil fourré : $I = 38t$

I est l’intensité en ampères. t est l’épaisseur en millimètres.

Formule de la tension de soudage

La tension augmente avec l’intensité :

• MIG : $V = 14 + \frac{I}{25}$
• TIG : $V = 10 + \frac{I}{40}$
• Électrode enrobée : $V = 20 + \frac{I}{50}$
• Fil fourré : $V = 22 + \frac{I}{30}$

V est la tension en volts.

Formule de la vitesse d’avance

La vitesse d’avance est la vitesse à laquelle la torche ou l’électrode se déplace le long du joint, mesurée en millimètres par minute. Elle diminue lorsque le matériau est plus épais :

• MIG : $S = 300 - 20t$
• TIG : $S = 150 - 10t$
• Électrode enrobée : $S = 200 - 15t$
• Fil fourré : $S = 250 - 18t$

S est la vitesse d’avance en millimètres par minute.

Formule de l’apport de chaleur

L’apport de chaleur mesure l’énergie thermique fournie par millimètre de soudure, en kilojoules par millimètre (kJ/mm). AWS D1.1 et ASME IX le définissent comme l’énergie d’arc :

$Q = \frac{V \times I \times 60}{1000 \times S}$

V est la tension, I est l’intensité en ampères et S est la vitesse d’avance en mm/min.

Une seconde valeur, l’apport de chaleur ISO, provient de la norme EN ISO 1011-1. Elle multiplie l’énergie d’arc par un facteur de rendement thermique, k. Ce facteur est inférieur à 1. Il estime la part de l’énergie de l’arc qui pénètre réellement dans le métal, au lieu d’être perdue sous forme de rayonnement ou de projections.

$Q_i = k \times Q$

$Q_i$ est l’apport de chaleur ISO et k le facteur de rendement thermique.

k vaut 0,8 pour le soudage MIG, à l’électrode enrobée et au fil fourré. Il vaut 0,6 pour le TIG, car un arc TIG transfère moins d’énergie dans le métal de base que les trois autres procédés. Les codes de soudage ne désignent pas tous la même valeur par « apport de chaleur ». Il faut déclarer celle exigée par le code applicable.

Pourquoi certaines valeurs saisies ne donnent aucun résultat

Les formules de l’intensité, de la tension et de la vitesse d’avance sont des approximations linéaires. Elles ne s’appliquent qu’aux matériaux minces soudés en une seule passe. En soudage à l’arc réel, l’apport de chaleur se situe généralement entre 0,5 et 5 kJ/mm. Au-delà de cette limite, aucune procédure en une seule passe n’est possible. Le joint doit être réalisé en plusieurs passes, chacune restant dans cette plage.

Le calculateur vérifie ce point. Si une combinaison d’épaisseur et de procédé nécessite une énergie d’arc supérieure à 5 kJ/mm, il affiche un avertissement au lieu d’un nombre. Il fait de même si la formule donne une vitesse d’avance nulle ou négative. Souder à une valeur que le calculateur n’a pas affichée présente un risque de perforation, de déformation excessive ou de joint qui échoue au contrôle.

Exemple

Un soudeur assemble une tôle en acier doux de 5 mm avec le procédé MIG.

1. Intensité : 5 × 40 = 200 A
2. Tension : 14 + 200 / 25 = 22 V
3. Vitesse d’avance : 300 − 5 × 20 = 200 mm/min
4. Énergie d’arc (apport de chaleur AWS/ASME) : (22 × 200 × 60) / (1000 × 200) = 1,32 kJ/mm
5. Apport de chaleur ISO : 0,8 × 1,32 = 1,06 kJ/mm

Les deux valeurs se situent dans la plage de 0,5–5 kJ/mm qu’une seule passe MIG peut produire ; le calculateur renvoie donc un résultat.

Comparons avec de l’acier de 10 mm soudé de la même manière. Les formules donnent 400 A, 30 V et une vitesse d’avance de 100 mm/min. Cela correspond à une énergie d’arc de 7,2 kJ/mm, supérieure à la limite de 5 kJ/mm. Le calculateur affiche un avertissement au lieu de ces nombres. Un soudage réel sur de l’acier de 10 mm nécessite plusieurs passes selon une procédure qualifiée, et non une estimation pour une seule passe.

Plages types d’intensité et d’épaisseur selon le procédé

Ces plages décrivent les pratiques courantes en atelier. Les formules du calculateur étendent la même règle linéaire à chaque procédé, quelles que soient les limites d’une machine donnée.

Foire aux questions

Qu’est-ce que l’apport de chaleur en soudage ? L’apport de chaleur est l’énergie thermique fournie par millimètre de soudure, en kJ/mm. Il influe sur la profondeur de pénétration de la soudure, sa vitesse de refroidissement et l’ampleur des transformations de la structure du métal environnant.

Quelle est la différence entre l’apport de chaleur AWS et l’apport de chaleur ISO ? Pour AWS D1.1 et ASME IX, l’apport de chaleur est l’énergie d’arc : la tension multipliée par l’intensité et par 60, divisée par 1000 multiplié par la vitesse d’avance. L’apport de chaleur ISO 1011-1 multiplie cette valeur par un facteur de rendement thermique, k. Ce facteur vaut 0,6 pour le TIG et 0,8 pour les trois autres procédés. Il donne une valeur plus faible, qui représente mieux l’énergie effectivement absorbée par le joint.

Pourquoi le calculateur affiche-t-il un avertissement au lieu d’un résultat ? Les formules sont des règles linéaires qui ne s’appliquent qu’aux matériaux minces soudés en une seule passe. Au-delà d’une énergie d’arc d’environ 5 kJ/mm, ou lorsque la formule donne une vitesse d’avance nulle ou négative, aucune soudure en une seule passe ne correspond à cette valeur. Le calculateur omet le résultat plutôt que d’en afficher un qui serait faux.

Puis-je saisir l’intensité plutôt que l’épaisseur ? Oui. La saisie d’une intensité permet au calculateur d’estimer l’épaisseur adaptée à cette intensité, puis de calculer la tension, la vitesse d’avance et l’apport de chaleur à partir de cette valeur.

Ces formules s’appliquent-elles à l’aluminium ? Les formules sont fondées sur les pratiques de soudage de l’acier. L’aluminium évacue la chaleur plus rapidement que l’acier ; il nécessite donc généralement environ 30 % d’intensité supplémentaire pour une même épaisseur, ainsi qu’une protection d’argon pur ou d’un mélange argon-hélium.

Ce calculateur peut-il remplacer un descriptif de mode opératoire de soudage (DMOS) ? Non. Pour les travaux régis par un code, un DMOS qualifié, testé et documenté pour le joint et le matériau concernés prévaut. Le calculateur fournit un point de départ pour le réglage initial, et non une procédure certifiée.

Références

1. American Welding Society. AWS D1.1/D1.1M Structural Welding Code — Steel.
2. Organisation internationale de normalisation. EN ISO 1011-1, Recommendations for welding of metallic materials.
3. Jeffus, L. Welding: Principles and Applications, 8e éd. Cengage Learning, 2021.
4. TWI Ltd. « Calculating Heat Input ». twi-global.com.