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Le soudage aluminothermique

Le soudage aluminothermique est un procédé de soudage par fusion destiné à certaines applications bien spécifiques. Il a aussi la particularité de ne mettre en jeu qu'une énergie d'origine chimique.

Principe du procédé TW

Le soudage aluminothermique (en anglais Thermit Welding, TW) est un procédé de soudage par lequel la fusion entre les pièces à souder est obtenue grâce à un métal d'apport liquide résultant d'une réaction exothermique entre des oxydes métalliques et de la poudre d'aluminium placés dans un creuset. La réaction chimique dégage une grande quantité de chaleur qui fait fondre les produits de la réaction et forme de l'acier liquide à plus de 2500^oC que l'on verse dans un moule réfractaire contenant les extrémités des pièces à souder. Les principaux oxydes métalliques utilisés sont les oxydes de fer et de cuivre de sorte qu'il est possible de souder les aciers et le cuivre. Les produits concernés mettent en jeu les réactions chimiques suivantes qui ont lieu spontanément à partir d'une certaine température, appelée température d'amorçage (environ 1200^oC pour les mélanges oxydes de fer-aluminium).

3 Fe₃O₄ + 8 Al = 4 Al₂O₃ + 9 Fe + Q₁ calories

Fe₂O₃ + 2 Al = Al₂O₃ + 2 Fe + Q₂ calories

3 CuO + 2 Al = 3 Cu + Al₂O₃ + Q₃ calories

Même si la température de la réaction atteint 2500^oC, il faut préchauffer plus souvent les pièces à souder. La charge peut atteindre de quelques centaines de grammes à plusieurs tonnes. La réaction est très rapide : de quelques dizaines de secondes à deux minutes. L'écartement des bords varie de 10 à 50 mm suivant la section à souder qui peut atteindre 2 m².

Applications pour le soudage

• Assemblage de pièces d'acier de dimensions moyennes à grosses.

• Raboutage de rails sur site (charge de quelques kg, durée de quelques minutes).

• Réparation de pièces massives moulées (par exemple un fond de pot de presse fissuré, 9 tonnes de mélange qui donnent 5 tonnes d'acier).

• Dans certains cas, le procédé TW peut être en concurrence avec le procédé de soudage vertical sous laitier (ESW).

• Raboutage de câbles, de barres et de tiges de cuivre.

Applications pour le chauffage

La chaleur de la réaction seule peut aussi être utilisée, et dans ce cas, le mélange exothermique joue uniquement le rôle de fourreau autour de la pièce à traiter, à souder (raboutage de câbles en aluminium) ou à chauffer (pour faire un traitement thermique par exemple).

Descriptions et illustrations des principales étapes du soudage aluminothermique d'un rail : 

Photo 1 

Les deux extrémités du rail à souder sont placées bout à bout et fixées solidement, en maintenant un écartement de 25 mm.

Photo 2

On met en place, autour de la zone à souder, les différentes parties du moule. Le moule est en matériau réfractaire à base de sable siliceux.

Photo 3

Pour rendre l'intérieur du moule totalement étanche, les interstices qui subsistent entre les bords du moule et la surface du rail sont soigneusement colmatés avec une pâte à base d'argile et de sable.

Photo 4

On met en place un brûleur de préchauffage à la flamme. Ceci a pour but de chauffer l'intérieur du moule ainsi que les bords des rails. Le préchauffage joue plusieurs rôles dont ceux de chasser l'humidité présente dans la zone à souder, d'apporter de la chaleur au joint, de diminuer les contraintes et les risques de fissuration, etc. Cependant, pour les petites pièces, le préchauffage n'est pas toujours indispensable. On remarque au-dessus du brûleur (le tube horizontal) la partie inférieure conique du creuset. Ce creuset est de type standard, c'est-à-dire qu'il est en acier et que sa paroi intérieure est garnie de matériau réfractaire). Il est assez lourd mais réutilisable. L'intérieur du creuset contient un mélange de granules d'aluminium et d'oxydes de fer ainsi que des ferroalliages (de manganèse, de silicium et autres, qui sont destinés à apporter des éléments d'addition au futur bain de fusion), dans des proportions bien déterminées. Notons qu'il existe aussi sur le marché des " kits " de soudage aluminothermique avec creuset jetable.

Photo 5

On place le creuset au-dessus de l'orifice du moule et on amorce la réaction chimique du mélange à l'aide d'une poudre d'allumage (à base de magnésie ou autre) amenée à combustion. Le but est de porter une petite portion du mélange à haute température (environ 1200^oC) après quoi la réaction s'amorce violemment et se propage à tout le mélange en quelques secondes. Dès que la réaction chimique est terminée dans le creuset, on ouvre le clapet de retenue situé à sa partie inférieure et on laisse couler le métal liquide dans le moule par gravité. La très haute température du métal d'apport liquide garantit l'obtention d'une bonne soudure. Il ne reste plus qu'à défaire le moule et à redonner au joint soudé par meulage le profil du rail. 

Vous pouvez joindre M. Claude Michel, de l'Institut de Soudage du Québec au (450) 446-1369 ou par courriel au isq@sympatico.ca