Qualité maximale des raccordements de fixation chez le fabricant et l'utilisateur

Abb. 1 : Arbeiten in einer Reinraumumgebung / Fig.1 : Travailler dans un environnement de salle blanche

Fig. 2 : Paramètres de soudage optimisés pour une certaine charge de matériau de base.

Fig. 2 : Paramètres de soudage optimisés pour un lot particulier de matériau.

Abb. 3 : Schweißanweisung (Welding Procedure Specification) für die Herstellung eines bestimmten Bauteils. / Fig. 3 : Spécification de la procédure de soudage pour la fabrication d'un composant spécifique.

Abb. 3 : Spécification de procédure de soudage (Welding Procedure Specification) pour la fabrication d'un composant spécifique. / Fig. 3 : Welding Procedure Specification pour la production d'un composant spécifique.

Abb. 4: Zange de soudage orbital TIG fermée / Fig. 4: Tête de soudage orbital fermée

Abb. 6 : Formulaire fourni par Dockweiler en cas de problème de soudabilité « Weldability Complaint Report ». / Fig. 6 : Rapport de plainte sur la soudabilité de Dockweiler.

Résistance à la soudabilité en tant que caractéristique essentielle du produit

En tant que fabricant de composants préfabriqués pour des systèmes de tubes en acier inoxydable de haute pureté, l'entreprise familiale allemande Dockweiler occupe une position de leader mondial dans la construction d'installations dans les domaines des semi-conducteurs, de la pharmacie, de la biotechnologie et du photovoltaïque. Une grande partie des composants proposés est réalisée par soudage d'éléments individuels, c'est pourquoi la technique de soudage est considérée comme une valeur fondamentale dans la philosophie de l'entreprise.

Comme la plupart des entreprises dépendant du succès de leurs processus de soudage, Dockweiler mise également sur un contrôle systématique de toutes les matières premières entrantes. Cependant, dans ce cas, il ne s'agit pas seulement de garantir la qualité exceptionnelle des joints de fusion fabriqués en interne, mais aussi de permettre aux clients de produire à leur tour des joints de soudure répondant aux exigences souvent extrêmement strictes.

Les composants de la gamme, tels que tubes, coudes, dérivations, pièces de réduction ou couvercles, ainsi que des assemblages plus complexes comme collecteurs, vannes, etc., sont conçus pour être utilisés comme partie intégrante d'un système de tuyauterie destiné à alimenter une installation de production high-tech avec des liquides ou gaz de haute pureté.

Contrôle exhaustif des matières premières entrantes

Chez Dockweiler, toutes les pièces entrantes sont soumises à un contrôle d'entrée complet. Les matières premières ne sont acceptées que si elles sont accompagnées de certificats de conformité appropriés, la composition chimique des matériaux de base est analysée régulièrement et doit respecter au moins les normes en vigueur ou les spécifications établies. Les tolérances dimensionnelles doivent rester dans les limites fixées, et les propriétés mécaniques ainsi que la résistance à la corrosion doivent atteindre au moins les valeurs convenues.

Après un contrôle d'entrée réussi, les pièces sont examinées quant à leurs propriétés de soudage. Dans la majorité des cas, une inspection visuelle de quelques essais de soudage effectués au préalable suffit aux spécialistes pour déterminer les paramètres à programmer pour le soudage orbital des échantillons. La qualité des joints de soudure ainsi produits est soumise à des examens approfondis : inspection visuelle minutieuse de la zone de soudure, géométrie du joint à l'intérieur et à l'extérieur sur toute la circonférence du tube, aspect de la surface de la soudure, couleurs d'oxydation, etc. Si nécessaire, des images metallographiques sont analysées pour vérifier si une fusion suffisante et homogène a été atteinte dans toutes les positions, la nature de la zone affectée par la chaleur, ainsi que la formation de gros grains ou la séparation du matériau. En combinant ces résultats avec les propriétés mécaniques de la connexion soudée et sa résistance à la corrosion, les données obtenues sont utilisées pour une optimisation finale des paramètres de soudage programmés. Étant donné qu'une augmentation éventuelle de la vitesse de soudage, en raison du faible diamètre des tubes, n'entraîne pas une réduction économiquement intéressante du temps de combustion de l'arc, l'optimisation se concentre uniquement sur la meilleure qualité possible du joint. La figure 2 illustre un formulaire rempli avec les paramètres de soudage pour une certaine soudure d'une charge de matériau de base étudiée.

Norme interne de l'usine conforme aux exigences les plus strictes

Il faut maintenant déterminer si certains ou tous les matériaux entrants respectent la norme interne de Dockweiler. Cette norme interne a été conçue pour un usage interne et inclut les exigences les plus strictes parmi toutes les normes et réglementations applicables. Les composants fabriqués selon cette norme peuvent ensuite être livrés à tous les clients, indépendamment des spécifications particulières applicables dans chaque cas.

Les autres matériaux entrants sont évalués selon un système de classification plus large et reçoivent une note comprise entre 1 et 5. Sur la base de ces notes, la meilleure utilisation du matériau concerné est décidée. Alors que certains composants, en raison de leurs propriétés de traitement, peuvent être mieux adaptés à des applications pharmaceutiques, d'autres présentent peut-être des conditions idéales pour une utilisation dans la fabrication de semi-conducteurs. Chez Dockweiler, l'expérience montre que pour les matériaux liés aux applications dans le domaine des semi-conducteurs, seule une note de 3 ou mieux est envisageable.

Technologie de soudage avancée

Une qualité adéquate des matériaux et une géométrie appropriée des pièces utilisées sont indispensables pour obtenir une excellente qualité de joint de soudure, mais le processus de soudage lui-même, l'équipement, le matériel consommable, les conditions de travail, etc., doivent également être choisis avec le même soin.

La soudure TIG (WIG) est l'une des méthodes de soudage les plus adaptées lorsqu'il s'agit de joindre des aciers inoxydables sensibles ou des alliages à base de nickel. Ce procédé ne libère pas de fumées de soudure et ne produit pas de projections, les joints de soudure présentent des surfaces lisses et uniformes, et les paramètres de soudage peuvent être ajustés dans de larges limites pour ne pas nuire aux propriétés particulières des matériaux de base.

Comme tout professionnel ayant déjà essayé de relier des tubes minces de petits diamètres le confirme, l'assemblage de tubes fins avec de faibles diamètres à l'aide du procédé manuel WIG est une tâche extrêmement difficile. Seules des personnes bien formées, hautement motivées, capables de réaliser les résultats souhaités, peuvent y parvenir ; la faible reproductibilité et la productivité extrêmement basse ne sont que quelques-unes des raisons pour lesquelles il faut, si possible, éviter cette méthode.

Le soudage orbital WIG permet d'augmenter durablement la productivité lors de l'assemblage de tubes de haute qualité et de maintenir une norme de qualité constante pour les joints. La torche de soudage WIG est guidée par un dispositif approprié autour du périmètre des tubes à assembler. Les valeurs optimisées des paramètres de soudage sont programmées à l'avance et enregistrées dans l'unité de commande de l'installation. L'opérateur suit les instructions de la procédure de soudage (Welding Procedure Specification, WPS) spécifique à la tâche. Une procédure complète pour souder une pièce en T est illustrée dans la figure 3. Pour préparer la soudure, l'opérateur doit positionner la tête de soudage orbitale sur les pièces à assembler, puis lancer le cycle de soudage. Le processus de soudage lui-même se déroule alors entièrement automatiquement, sans intervention de l'opérateur. À la fin du cycle, il retire la tête de soudage orbitale des tubes désormais reliés et peut se consacrer à la tâche suivante.

Le soudage de tubes minces sans matériau d'apport peut se faire sans ajout de métal, les extrémités des tubes à assembler étant fondues par l'arc électrique pour former le joint souhaité. Un exemplaire de la pince orbitale de soudage fermée spécialement conçue pour cette tâche est illustré dans la figure 4. Toute la zone de soudure se trouve à l'intérieur de la chambre formée par la pince. Avant, pendant et après le soudage, cette chambre est remplie de gaz inerte, ce qui protège de manière fiable le métal liquide du bain de fusion et la zone affectée par la chaleur contre toute réaction indésirable avec l'oxygène de l'air. La torche de soudage elle-même ne consiste plus qu'en une électrode en tungstène fixée à une bague tournante dans la pince, guidée le long de la jointure.

Équipement de soudage adapté pour les environnements contrôlés

Pour répondre aux exigences de qualité, les composants intégrés fabriqués par Dockweiler sont produits dans un environnement de salle blanche, comme illustré dans la figure 1. Dans une salle blanche, l'atmosphère est contrôlée : le nombre et la taille des particules en suspension dans l'air sont soumis à des limites strictes. L'air est continuellement aspiré à travers des filtres placés sous le plafond et circule dans la pièce sous forme d'un flux laminaire. Les particules éventuellement présentes sont transportées par ce flux d'air et disparaissent par les sorties d'air situées dans la partie inférieure de la salle.

La présence humaine dans une salle blanche génère une quantité significative de particules, c'est pourquoi la peau et les cheveux doivent être autant que possible couverts. Les personnes travaillant dans une salle blanche doivent également éviter tout mouvement brusque. Pour des raisons similaires, de nombreux appareils techniques ne conviennent pas à une utilisation en salle blanche, notamment s'ils perturbent le flux laminaire par des surfaces chaudes ou des ventilateurs puissants.

Les pinces orbitales de soudage fermées peuvent être utilisées en salle blanche. Bien que le procédé à arc électrique génère également une quantité importante de particules, celles-ci restent enfermées dans la chambre de la pince et ne peuvent contaminer l'atmosphère environnante.

Les sources de courant pour le soudage WIG produisent de la chaleur résiduelle, évacuée par de puissants ventilateurs dans l'air ambiant, ce qui les rend totalement inadaptées à une utilisation en salle blanche. Dans le cadre d'un changement d'équipement de soudage sur leur ligne de production, Dockweiler a reçu de la société française Polysoude des sources de courant de type P4, spécialement conçues pour fonctionner dans un environnement de salle blanche. La source de courant proprement dite est totalement séparée du reste de l'installation de soudage et installée dans la zone de service en dehors de la salle blanche proprement dite, seul le pupitre de commande et la pince de soudage fermée étant situés dans l'environnement de salle blanche (figure 5).

Les surfaces du pupitre de commande avec écran intégré sont lisses et faciles à nettoyer, il n'y a pas de boutons ou autres pièces mobiles susceptibles d'accumuler poussière ou saleté. Le port de vêtements de protection ne pose pas de problème à l'opérateur, les touches du clavier tactile peuvent être actionnées sans difficulté avec des gants. Pendant le processus, les valeurs mesurées en temps réel sont analysées en continu, permettant de suivre le déroulement du cycle de soudage et tous les paramètres importants via l'interface homme-machine graphique en « temps réel ».

Paramètres de soudage programmables et non programmables

La formation d'une connexion de soudure est influencée par de nombreux facteurs, généralement appelés paramètres de soudage. Lors du procédé orbital WIG, les spécialistes de Dockweiler connaissent un grand nombre de ces facteurs, qui peuvent plus ou moins fortement influencer la réussite de la soudure ou en causer l'échec.

Certains paramètres de soudage ont une influence si importante qu'il est considéré comme évident de régler leur valeur à chaque soudage ou de la vérifier. Lors de procédés manuels, les soudeurs ont l'habitude de régler régulièrement ces paramètres à l'aide des commandes et affichages de la source de courant, tandis que dans le cas du soudage automatique WIG, ils sont définis et programmés à l'avance. Ces paramètres sont donc aussi appelés paramètres de soudage programmables.

Au cours d'un cycle typique de soudage orbital, les fonctions suivantes et leurs paramètres associés sont définis :

- Pré-flux de gaz : durée avant l'allumage de l'arc, durant laquelle la chambre de la pince orbitale fermée est remplie de gaz de protection et purgée.
- Allumage : l'arc est généralement déclenché par une décharge électrique à haute fréquence.
- Courant de soudage : en général, le soudage se fait en courant continu pulsé, il faut donc programmer la durée des impulsions ainsi que le courant pulsé et de base.
- Mouvement de rotation : la vitesse de soudage linéaire dépend de la vitesse de rotation de la torche et du diamètre du tube.
- Secteurs : pour contrer l'effet de la gravité dans différentes positions et la montée en température de la pièce au cours du cycle de soudage, il est possible de programmer des secteurs. Une réduction de l'énergie apportée peut être réalisée dans un nouveau secteur, par exemple, en allongeant la durée du courant de base plus faible.
- Réduction du courant : un arrêt brutal du courant de soudage peut entraîner la formation de cratères et des fissures dans le joint, c'est pourquoi le courant est réduit lentement vers la fin du soudage jusqu'à l'interruption de l'arc (downslope).
- Post-flux de gaz : durée après l'interruption de l'arc, durant laquelle le flux de gaz de protection dans la chambre de la pince orbitale fermée est maintenu pour permettre un refroidissement adéquat du joint et du matériau de base environnant.

Une fois que l'installation de soudage est correctement mise en service, le cycle de soudage programmé peut être exécuté comme prévu. La mise en service comprend la connexion de l'installation à l'alimentation électrique, ainsi qu'à l'alimentation en gaz de soudage et de protection ; une électrode en tungstène avec la composition appropriée, la coupe prévue et la longueur exacte doit être insérée dans la pince, et les pinces de serrage doivent être choisies et montées en fonction du diamètre extérieur des tubes à souder.

Après avoir allumé l'installation, la source de courant a besoin d'un certain temps pour atteindre sa température de fonctionnement et réguler de manière fiable les courants de soudage programmés ; le débit de gaz de soudage et de protection doit être réglé manuellement et maintenu jusqu'à ce que les tubes, tuyaux et vannes soient suffisamment purgés, permettant à tout l'oxygène de l'air et à l'humidité de s'échapper. Un nombre suffisant d'essais de soudage réalisés par la suite doit garantir que la pince de soudage chauffe et que toute contamination interne disparaît.

Une fois cela fait, l'installation est prête pour la production de soudures.

La mise en service d'une installation de soudage orbital est relativement complexe. Alors que les valeurs des paramètres programmables sont enregistrées dans le programme de soudage, les instructions concernant la préparation des appareils et le réglage ou le contrôle des paramètres non programmables doivent être aussi précises que possible dans la procédure de soudage (WPS).

Soudage orbital en fabrication ou sur site

Les installations de soudage orbital sont conçues pour que le cycle de soudage programmé puisse être répété indéfiniment. Un bon résultat de soudage reste reproductible tant que les conditions aux limites sont maintenues dans une mesure appropriée. Les spécialistes de Dockweiler comptent sur leur connaissance approfondie des moyens de fabrication utilisés et veillent scrupuleusement à ce qu'aucune modification involontaire ne perturbe le processus de travail éprouvé. Des dispositifs supplémentaires contribuent à maintenir le niveau de qualité élevé des soudures : des unités de nettoyage de gaz et des filtres à particules situés juste avant le point de sortie du gaz de protection et de formation éliminent complètement toute contamination ou humidité résiduelle introduite dans les conduites d'alimentation ; un instrument de mesure placé à la sortie du gaz de formation informe sur la teneur en oxygène résiduelle du gaz de protection évacué, permettant d'évaluer l'efficacité du processus de purge et de minimiser la consommation de gaz ainsi que le temps nécessaire.

En résumé, tous les efforts déployés garantissent que l'on obtient systématiquement des joints de soudure parfaitement exempts d'erreurs et dépassant les exigences. Cependant, comme déjà mentionné, cela ne constitue que la moitié de leur mission pour les spécialistes du soudage.

Pour remplir leur tâche pleinement, les spécialistes doivent également s'assurer que les composants fournis par Dockweiler sont correctement soudés par les clients.

Le soudage à l'arc sur un chantier est toujours considéré comme une opération critique. Contrairement à une usine, il existe sur place de nombreuses conditions qui ne peuvent pas ou seulement partiellement être influencées ou contrôlées. L'alimentation électrique est souvent interrompue, instable ou présente un déphasage important. Les influences environnementales, telles que de fortes variations de température ou la condensation, peuvent endommager les appareils et le matériel consommable, et une protection suffisante contre la poussière et la saleté n'est pas toujours assurée.

En conséquence, toutes sortes de défauts de soudure peuvent être observés : soudure insuffisante ou excessive, géométrie inadéquate du joint, porosité, coloration de l'oxydation, pour ne citer que quelques exemples. Il va sans dire que la résistance mécanique et la résistance à la corrosion des joints sont également compromises par ces défauts.

Mais des conditions de travail inadéquates ne sont pas la seule cause d'échec dans les résultats de soudage fournis aux clients : une mauvaise préparation des équipements de soudage, une manipulation non professionnelle, des erreurs de programmation, une qualité insuffisante des tubes ou du matériel consommable, des appareils défectueux, etc., sont également souvent responsables du non-réussite des résultats escomptés.

Lorsqu'un client demande une assistance technique, il doit fournir des informations détaillées sur l'utilisation, l'installation et les difficultés rencontrées, et remplir le formulaire « Rapport de réclamation sur la soudabilité » fourni par Dockweiler (figure 6). Les experts en soudage cherchent alors à déterminer si le personnel du client maîtrise l'utilisation de l'équipement de soudage et possède une expérience suffisante pour éviter une mise en service incorrecte, des raccordements erronés, des programmes de soudage mal chargés, des matériaux mal utilisés, des pièces mal positionnées, ou d'autres erreurs de débutant.

Il faut également vérifier si le problème est survenu dès le départ ou si le client a déjà réussi à réaliser plusieurs joints de soudure. La plupart des erreurs de programmation peuvent être facilement détectées par les spécialistes si le programme leur est fourni. Les entreprises renommées dans la technique de soudage ont souvent investi beaucoup de temps et d'argent pour acquérir une expérience fiable et disposer d'instructions et de programmes de soudage sûrs. Elles considèrent leur savoir-faire en soudage comme un secret d'entreprise, inaccessible aux tiers. Bien que cette approche soit compréhensible et doit être acceptée, elle ne contribue pas forcément à une résolution rapide des problèmes concrets de soudage.

Bien entendu, Dockweiler privilégie toujours la résolution à distance des problèmes clients, mais certains incidents, tels que des défaillances électroniques, des fuites de gaz ou des perturbations imprévisibles, ne peuvent souvent être résolus qu'en intervention sur place. Dans ces cas, il est envisagé d'organiser des services de maintenance en accord avec l'entreprise concernée. En cas de situation particulièrement complexe, il peut également être nécessaire de consulter le fabricant de l'équipement. Les spécialistes de Dockweiler collaborent étroitement avec diverses entreprises de technologie de soudage, Polysoude notamment, qui jouit d'une excellente réputation grâce à sa réactivité élevée et à son assistance toujours compétente.

Que le client s'inquiète de petites irrégularités dans ses résultats de soudage ou qu'il fasse face à une panne totale de son équipement, les spécialistes en soudage de Dockweiler ont toujours réussi à trouver une solution satisfaisante dans le passé, et ils sont déterminés à continuer à donner le meilleur d'eux-mêmes à l'avenir.

Résumé

La fabrication conforme des composants préfabriqués pour des systèmes de tubes en acier inoxydable de haute pureté exige un contrôle rigoureux des matières premières livrées, une classification exhaustive des matériaux de base en fonction de leurs propriétés de soudage, et enfin, un équipement de soudage technologiquement avancé. La soudure orbitale WIG sans matériau d'apport est l'une des méthodes les plus adaptées pour assembler des tubes minces lorsque des exigences de qualité maximales sont requises. La société française Polysoude, en tant que fabricant et fournisseur de systèmes de soudage à l'arc automatisés, occupe une position de leader sur les marchés internationaux et commercialise également des appareils spécialement conçus pour une utilisation en salle blanche.

La qualité constante des composants proposés est évidemment une condition indispensable pour répondre aux exigences élevées imposées aux réseaux de tubes dans des environnements de haute pureté, mais un succès commercial durable ne peut être assuré que si les clients bénéficient d'une assistance complète et d'un soutien technique fiable. Cela est particulièrement vrai pour les joints soudés réalisés par les utilisateurs en atelier ou sur site. Dockweiler fournit à ses clients des informations détaillées, telles que des paramètres de soudage éprouvés, mais en cas de problèmes sérieux, ils peuvent également contacter directement des spécialistes en soudage de l'entreprise. Grâce à leur longue expérience et à leur collaboration étroite avec les fabricants d'équipements, ils ont toujours réussi à trouver des solutions acceptables à tous les problèmes rencontrés, et ils sont résolument déterminés à continuer à donner le meilleur d'eux-mêmes à l'avenir.