Soudage du cuivre et des alliages de cuivre
Le cuivre et ses alliages revêtent une grande importance technique et sociale depuis près de 6 000 ans. Aujourd'hui, le cuivre est le métal de la transition énergétique : il alimente les systèmes renouvelables, améliore l'efficacité énergétique et offre une recyclabilité infinie en tant que matériau durable. Cependant, le soudage de ce « matériau de choix » nécessite des connaissances métallurgiques spécifiques.
Lors du soudage du cuivre pur, il est impératif que le matériau soit exempt d'oxygène. Bien que ces nuances de cuivre soient généralement désoxydées au phosphore, même une faible teneur en phosphore peut avoir un impact négatif sur la conductivité électrique. Par conséquent, pour les pièces électrotechniques destinées au soudage, il convient d'utiliser à la place du SE-Cu désoxydé avec des éléments tels que le lithium ou le bore.
L'excellente conductivité thermique du cuivre nécessite des températures de préchauffage élevées et un apport de chaleur concentré et intense pendant le processus de soudage. Avec plus de 400 alliages, le cuivre reste le matériau de choix pour de nombreux développements innovants dans la vie moderne. Cela inclut des applications critiques dans l'ingénierie industrielle, les technologies énergétiques, l'architecture et les technologies de l'information et de la communication.
La famille des alliages de cuivre est très vaste, allant du laiton et du bronze à des compositions complexes de cuivre-nickel. Comme ces matériaux sont utilisés dans le monde entier, ils sont classés selon différentes normes internationales, telles que les normes européennes EN (utilisant les préfixes CW/CC) et les normes américaines UNS.
Afin de vous fournir un aperçu complet et actualisé de ces classifications d'alliages et des consommables de soudage correspondants, nous avons compilé une base de données détaillée.
Le système normalisé européen utilise le préfixe « CW » pour les alliages forgés (tels que les tôles, les barres ou les fils) et le préfixe « CC » pour les alliages moulés. Ceux-ci sont suivis de trois chiffres et d'une lettre (par exemple, « CW004A » ou « CW008A »).
Système CEN/TC 133 - Matériaux ainsi que d'autres matériaux non normalisés. Cependant, les numéros ont été attribués à l'avance de manière à éviter autant que possible toute confusion avec les matériaux CEN. Cela signifie que tous les sous-groupes de matériaux ne commencent pas par le chiffre « 1 ». Par exemple, les alliages de cuivre commencent par 001, mais divers alliages de cuivre commencent par 100, les alliages de cuivre-aluminium par 300, les alliages de cuivre-zinc par 500, etc., comme le montre le tableau.
| Groupes de matériaux | Plages de numéros pour les éléments 3,4 et 5 |
Matériau Identifiant |
Plage de numéros pour les matériaux préférés par le CEN |
|---|---|---|---|
| Cuivre | 001-999 | A | 001-049A |
| 001-999 | B | 050-099B | |
| Cu + max 5 % éléments d'alliage |
001-999 | C | 100-149 °C |
| 001-999 | D | 150-199 D | |
| Cu + plus de 5 % éléments d'alliage |
001-999 | E | 200-249 E |
| 001-999 | F | 250-299 °F | |
| cuivre-aluminium alliages |
001-999 | G | 300-349G |
| alliages cuivre-nickel | 001-999 | H | 350-399H |
| Alliages cuivre-nickel- zinc |
001-999 | J | 400-449J |
| Alliages cuivre-étain | 001-999 | K | 459-499K |
| Alliages cuivre-zinc, binaires |
001-999 | L | 500-549L |
| 001-999 | M | 550-599 millions | |
| Cuivre-zinc-plomb alliages |
001-999 | N | 600-649N |
| 001-999 | P | 650-699P | |
| Alliages cuivre-zinc, complexes |
001-999 | R | 700-749R |
| 750-799S | |||
| Matériaux en cuivre qui ne sont pas normalisés par le CEN/TC 133 |
800-999 | ALS* | 800-999* |
Système : Le système de numérotation unifié (UNS) est un système établi aux États-Unis. Pour le cuivre et les alliages de cuivre, le préfixe C (pour « cuivre ») est utilisé, suivi de cinq chiffres (par exemple, C10100 ou C11000).
Système de numérotation unifié (UNS) Désignations des alliages
Familles d'alliages de cuivre corroyé
- C100xx-C150xx Cuivre commercialement pur
- C151xx-C199xx Cu durcissable à l'âge (avec Cd, Be, Cr, Fe)
- C2xxxx Alliages Cu-Zn – Laitons
- C3xxxx Alliages Cu-Zn-Pb – Laitons au plomb
- C4xxxx Alliages Cu-Zn-Sn – Bronzes à l'étain
- C5xxxx Alliages de bronze phosphoreux Cu-Sn et Cu-Sn-Pb
- C6xxxx Bronzes Cu-Al et Cu-Si
- C7xxxx Cu-Ni Cuivre-nickel et Cu-Ni-Zn Nickel-argent
Familles d'alliages de cuivre moulés
- C800xx-C811xx Cuivres commercialement purs
- C813xx-C828xx 95-99 % de cuivre
- C833xx-C899xx Alliages Cu-Zn contenant du Sn, du Pb, du Mn ou du Si
- C9xxxx Autres alliages, y compris le bronze à l'étain, le bronze à l'aluminium, le cuivre-nickel
| Matérial | Numéro EN | Numéro UNS |
| CuBe2 | CW101C | C17200 |
| CuCo1NiBe | CW103C | - |
| CuCo2Be | CW104C | C17500 |
| CuCr1 / CuCr1-C | CW105C / CC104C | C18200 / C181500 |
| CuCr1Zr | CW106C | C18150 |
| CuFe2P | CW107C | C19400 |
| CuNi1P | CW108C | C19000 |
| CuNi1Si | CW109C | C19010 |
| CuNi2Be | CW110C | C17510 |
| CuNi2Si | CW111C | C70260 |
| CuNi3Si1 | CW112C | C70250 |
| CuZr | CW120C | C15000 |
| Matérial | Numéro EN | Numéro UNS |
| CuAG0.1 | CW013A | C11600 |
| CuMg0.4 | CW128C | C18665 |
| CuPb1P | CW113C | C18700 |
| CuSP | CW114C | C14700 |
| CuSi1 | CW115C | C65100 |
| CuSi3Mn1 | CW116C | C65500 |
| CuSn0.15 | CW117C | C14410 |
| CuTeP | CW118C | C14500 |
| CuZn0.5 | CW119C | - |
Laiton :
Les alliages de laiton contiennent du zinc (Zn) comme élément d'alliage principal, ainsi qu'au moins 50 % de cuivre. D'autres éléments d'alliage peuvent également être présents. Par exemple, les alliages contenant du plomb ne doivent pas être soudés, car l'évaporation du plomb est nocive pour la santé.
En principe, le soudage à l'arc de ces alliages Cu-Zn n'est pas possible, car le zinc s'évapore facilement. La chaleur concentrée générée pendant ce processus peut entraîner une surchauffe du bain de fusion, provoquant une augmentation de la pression partielle du zinc au-dessus de 1 atm (101,325 kPa). Cela peut entraîner une porosité élevée, qui réduit la résistance du cordon de soudure. C'est également dangereux pour le soudeur.
Par conséquent, le soudage oxyacétylénique est la seule méthode recommandée pour souder le laiton. Les métaux d'apport contenant de l'aluminium (Al) ou du silicium (Si) se sont avérés appropriés, et le soudage doit être effectué avec un excès d'oxygène.
Bronze:
Historiquement, le bronze est un terme générique désignant divers alliages de cuivre.
Au sens technique précis, le terme bronze est utilisé exclusivement pour les alliages cuivre-étain (CuSn).
Ce sont les alliages cuivre-étain qui ont donné son nom à l'âge du bronze.
En métallurgie, le terme n'est désormais utilisé qu'en association avec le principal élément d'alliage : il désigne alors le bronze à l'antimoine, le bronze à l'arsenic, le bronze à l'aluminium, le bronze au plomb ou le bronze au manganèse. Le bronze au phosphore est également un bronze à l'étain, mais la teneur en phosphore du métal est faible. Les bronzes à l'étain sont des alliages cuivre-étain normalisés qui se divisent essentiellement en deux catégories en fonction de leurs différentes exigences et propriétés :
- Les alliages corroyés (max. 9 % d'étain) conviennent aux processus de formage.
- Les alliages de coulée (9 % à 13 % d'étain) conviennent aux travaux de fonderie.
- Les bronzes Bell contenant environ 20 % (maximum 22 %) d'étain constituent un cas particulier.
Le cuivre non allié est monophasé et peut être écroui par formage. La plupart des alliages de cuivre sont également
monophasés, en fonction de la quantité d'éléments d'alliage. Ils peuvent également être écrouis si leur ductilité est suffisante.
En ajoutant des éléments tels que Cr, Ni avec Si ou P ou Sn, Be, Co, etc., le cuivre peut être durci par précipitation.
Comme pour l'acier, une zone influencée thermiquement, la zone affectée thermiquement, est créée dans les matériaux en cuivre par l'application de chaleur en plus de la zone de soudure.
Le grossissement des grains qui en résulte et la largeur de cette zone dépendent du niveau d'apport de chaleur et de la température de préchauffage. Dans les matériaux à réseau cubique à faces centrées (FCC) ou à structure ß (par exemple, le cuivre pur), la croissance des grains est plus faible, car ces métaux sont thermiquement plus stables que les matériaux à réseau cubique centré (BCC).
Le chauffage et le refroidissement peuvent produire des microstructures indésirables.
Les matériaux suivants sont sensibles à ce phénomène :
- Matériaux contenant des impuretés qui forment des phases à bas point de fusion ou des précipités fragilisants,
- Matériaux durcis par précipitation,
- Alliages à large intervalle de solidification, qui présentent des zones de ségrégation cristalline après soudage.
-
Le plomb (Pb) améliore la fluidité mais réduit la résistance à la traction et la ductilité. Même en petites quantités, il est donc nocif, car ces alliages ont tendance à devenir cassants lorsqu'ils sont chauffés.
Le nickel (Ni) augmente la ténacité tout en conservant la résistance et garantit que la résistance dépend moins de l'épaisseur de la paroi de la pièce moulée. Le nickel rend également les alliages de moulage plus résistants à la corrosion.
Le fer (Fe) en petites quantités améliore la trempabilité des alliages forgés et produit un grain plus fin.
-
Cuivre-étain-zinc (laiton rouge) Les additifs de zinc sont très importants pour les alliages de coulée cuivre-étain. Beaucoup de ces alliages contiennent du zinc comme troisième élément d'alliage et constituent le groupe des alliages de cuivre-étain-zinc (laiton rouge).
Cuivre-étain-plomb (bronzes coulés à l'étain et au plomb) La teneur en plomb des alliages de coulée cuivre-étain-plomb est généralement beaucoup plus élevée que celle de l'étain. La résistance et l'allongement diminuent légèrement lorsque la teneur en plomb dépasse 1,5 %.
Cuivre-étain-nickel (~maillechort) Les alliages de cuivre-étain et de cuivre-étain-zinc contiennent parfois du nickel comme élément d'alliage. Des teneurs en nickel allant jusqu'à environ 2,5 % améliorent la ténacité tout en conservant à peu près les mêmes propriétés de résistance et réduisent la dépendance de la résistance à l'épaisseur de la paroi (influence de l'épaisseur de la paroi). Elles augmentent également la résistance à la corrosion des alliages de fonderie.
Cuivre-étain-phosphore De petites quantités de phosphore sont ajoutées pour obtenir la désoxydation du mélange cuivre-étain fondu et empêcher la formation d'oxyde d'étain.
Les alliages à deux composants sont généralement plus adaptés au soudage que les alliages à plusieurs composants.
Propriétés des matériaux pertinentes pour le soudage.
En termes de propriétés physiques, les matériaux en cuivre sont aussi faciles à souder que les matériaux en acier. Cependant, l'un des inconvénients est la tendance générale des métaux non ferreux à absorber les gaz atmosphériques pendant le soudage. Cela nuit à la qualité mécanique et technologique du cordon de soudure. Par conséquent, toutes les zones où la température dépasse 600 K pendant le soudage doivent être protégées de l'entrée d'air à l'aide de gaz de protection inertes (procédé de soudage par fusion) ou d'autres mesures appropriées (par exemple, des revêtements dans les procédés de soudage par résistance).
La conductivité thermique et la dilatation thermique sont d'autres propriétés importantes pour le soudage du cuivre. Par rapport à l'acier non allié, le cuivre pur a
- une conductivité thermique environ 6 fois supérieure à température ambiante et 15 fois supérieure à 1000 °C,
- une dilatation thermique 1,4 fois plus élevée
- rétrécissement environ deux fois plus important pendant la solidification.
La conductivité thermique élevée signifie qu'une grande partie de l'énergie de soudage introduite est dissipée dans le matériau de base environnant. L'énergie dissipée n'est pas disponible pour faire fondre le matériau de base.
Il existe de nombreux procédés pour souder les matériaux en cuivre.
En raison de la conductivité thermique élevée des matériaux en cuivre non alliés et faiblement alliés en particulier, il convient d'utiliser soit des procédés à haute densité énergétique, tels que le soudage au laser ou par faisceau d'électrons, soit de préchauffer les pièces. La température de préchauffage dépend de la conductivité du matériau et de la taille du composant. Les flux peuvent être utilisés pour produire des cordons de soudure propres et sans défaut et pour protéger la face de racine. Ils sont appliqués sur la surface de la pièce avant le soudage, dissolvent les couches d'oxyde existantes pendant le chauffage et empêchent la formation de nouvelles couches. Les flux sont généralement sous forme de pâte et se composent de composés de bore avec des additifs de sels métalliques dissolvant l'oxyde.
Des flux spéciaux contenant du fluorure sont utilisés pour les alliages CuAl. Des flux spéciaux contenant du fluorure sont utilisés pour les alliages CuAl.
Leur utilisation est limitée aux procédés de soudage par fusion conventionnels tels que le soudage oxyacétylénique, le soudage à l'arc manuel et le soudage TIG. Les flux doivent toujours être utilisés pour le soudage au gaz et le soudage à l'arc manuel. Cependant, les flux sont rarement utilisés pour le soudage TIG et ne sont plus du tout utilisés pour le soudage MIG, même s'ils sont généralement recommandés pour le soudage sous protection gazeuse. Lorsque l'on travaille avec des températures de préchauffage élevées (à partir d'environ 300 °C), ils doivent être utilisés pour protéger les bords des flancs de soudure. Pour les soudures multicouches (épaisseur de tôle > 10 mm), il est avantageux d'appliquer également une fine couche de flux sur les matériaux d'apport.
L'effet de nettoyage de surface du flux peut être renforcé, voire remplacé, par l'utilisation de l'arc. Lors du soudage d'alliages de cuivre contenant de l'aluminium, la fixation de l'électrode au pôle positif nettoie la surface des couches d'oxyde d'aluminium denses et solidement adhérentes. Avec cette technique, l'électrode est soumise à une contrainte thermique élevée en raison de la vitesse élevée des électrons qui la frappent, c'est pourquoi on utilise généralement du courant alternatif. Les composantes négatives du courant réduisent la contrainte thermique sur l'électrode, tandis que l'effet de nettoyage souhaité se produit dans les phases positives.
Cuivre pur à alliage de cuivre
Lors du soudage du cuivre avec des alliages de cuivre, il convient de tenir compte des différences de résistance à des températures élevées et des propriétés physiques (conductivité thermique et dilatation, chaleur de fusion et température de fusion). Le tableau ci-dessous présente des recommandations pour certaines combinaisons de matériaux importantes sur le plan technique.
| Material 1 | Material 2 | procédé de soudage | Métal d'apport | Remarque |
| Cuivre | CuSi2Mn, CuSi3Mn | TIG / MIG | CEWELD CuSi3 | à partir d'une épaisseur de tôle supérieure à 10 mm, préchauffer le côté Cu (300 -400 °C) |
| Cuivre | Alliage CuZn | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuSn |
En fonction de l'épaisseur de la paroi, préchauffer le côté Cu (200 - 500 °C) |
| Cuivre | Alliage CuSn | TIG / MIG | CEWELD CuSn6 | |
| Cuivre | Alliage CuNi | TIG / MIG | CEWELD CuNi30Fe | |
| Cuivre | Alliage CuAl | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8Ni2 |
La technique de beurrage doit être utilisée. Le beurrage peut être effectué soit sur le côté cuivre, soit sur le côté acier. Dans les deux cas, utilisez une électrode en nickel pur. Pour le soudage final du joint, utilisez des électrodes de type Inconel ou bronze, selon le côté sur lequel la couche de beurrage est appliquée. Pour le beurrage CEWELD E NiTi3 / NiCro 600
| Matériau | Matériau 2 | Contrainte | Procédé de Soudage | Métal d'apport | Remarque |
| Cuivre | Acier non allié | Subordonné | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuNi30Fe |
Préchauffer le côté Cu à environ 200-500 °C. |
| Cuivre | Acier non allié ou austénitique | élevé | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD NiTi3 CEWELD Nicro600 |
Côté Cu à Tig et NiTi3 ou beurrage de Nicro600, préchauffer à environ 200 - 300 °C sans prechauffage assamblé avec Nicro600 |
| CuMn2 | Acier non allié | - | TIG / MIG TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Côté acier avec arc pulsé MIG CuSn- ou CuAl- soudage des joints avec additif CuSn ou additve CuAl |
| Alliage CuZn | Acier non allié | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn6 CEWELD CuAl8 |
Côté acier avec arc pulsé MIG et additves CuSn- ou CuAl- additional buffers; joint welding with CuSn or CuAl additive |
| Alliage CUSn | Acier non allié | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuSn CEWELD CuSn6 |
Côté acier avec arc pulsé MIG et additve CuSn6P ; soudage des joints avec CuSn6P ou CuSn1 |
| Alliage CuNi | Acier non allié | - | TIG / MIG | CEWELD NiCu30Mn |
Beurrage de côté acrier avec NiCu additive pour le soudage manuel à l'arc et TIG |
| Alliage CuAl | Acier non allié | - | TIG / MIG TIG / MIG |
CEWELD CuAl8 CEWELD CuAl8Ni2 |
Côté acier arc pulsé MIG avec beurrage CuAl |
Cette combinaison inhabituelle pose problème, car la fonte contient des taux élevés de soufre et de phosphore, qui peuvent réagir avec le cuivre. C'est pourquoi il est fortement recommandé d'e faire une beurrage côté en fonte de CEWELD. NiFe 60-40
La plupart des alliages à base de nickel sont sensibles, et il a même été suggéré que le Monel est sensible lorsque les conditions de température et de contrainte sont particulièrement défavorables. Dans ce cas précis, il s'agit probablement de fissures à chaud qui ont été comblées par du cuivre, à l'instar d'une cicatrisation eutectique. Néanmoins, la résistance moindre de la phase cuivre réduit la résistance de l'ensemble du joint.
Pour éviter tous ces problèmes, utilisez la technique du beurrage. La couche de beurrage doit être appliquée sur le côté cuivre. Le soudage final doit ensuite être effectué à l'aide d'une électrode adaptée à l'autre matériau.
CEWELD E NiTi3 / NiCro 600
Arc welding is not recommended for these combinations. However, Al-bronze electrodes or Si-bronze electrodes can be used as a temporary solution. Nevertheless, despite the utmost care during welding, brittle structures can form in the weld metal. Added to this is the aforementioned problem of porosity and the danger to the welder.
It is therefore better to use oxyacetylene welding or brazing.
When welding Sn-bronze directly to steel using butt or fillet welds, there is a risk of incomplete fusion. Aside from copper penetration, this reduces the strength of the joint. This can be avoided by buttering the steel side with a bronze layer and then welding it to the bronze side with the same electrode, or by buttering the bronze side with a nickel electrode if copper penetration cannot be allowed.
In this combination, it is important that the alloy content of the weld metal is not diluted too much by the liquid copper during welding. The risk of cracking increases with a decrease in alloy content.
Sn-bronze, Si-bronze and, in particular, Al-bronze electrodes are satisfactory in this respect.
Oxy-acetylene welding is the preferred process for this combination. However, it is possible to achieve acceptable welds in most situations with careful welding techniques, such as minimising heat input and avoiding localised heat concentrations. At least, this method produces far better results than welding pure brass joints.
Bronze electrodes can be used in constructions exposed only to low static stress loads and not too high temperatures. The steel side should then be coated with a bronze layer and welded to the bronze side, typically using the same electrode. Otherwise, a nickel insulating layer must be applied to the bronze side.
Most bronze electrodes are good for welding this combination. Al-bronze consumables show the best tolerance to dilution while Sn-bronze is the most sensitive in this respect.
For this combination, CuNi 70/30 electrodes are preferred. Monel types may also be used.
When welding copper-nickel to stainless steel, the buttering technique must be used, along with inserts (an intermediate piece of ferritic steel or Monel), followed by bilateral joining. The joint between the copper-nickel and the steel insert can be welded using CuNi or Monel electrodes.
Monel-type consumables can be used to weld this joint directly, but the safest method is to coat the copper-nickel side with Monel and then weld it to the other side using Inconel types. This avoids mixing too much chromium (Cr) and iron (Fe) with the Monel weld metal, which can cause cracking.
A buttering technique is required for this unusual combination.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
Cu-30% Ni-type consumables make the best welds. Sn-bronze electrodes also make fairly safe welds.
This combination may occur, for instance, in shipbuilding, and it can be successfully welded using the 'buttering' technique. First, the copper-nickel side should be coated with Sn-bronze, and then it can be welded to the bronze side using either Al- or Si-bronze electrodes.