Le soudage est défini par la norme EN ISO 857-1:2002 (Procédés de soudage — Termes et définitions) comme une « opération qui consiste à réunir deux ou plusieurs parties constitutives d'un assemblage de manière à assurer la continuité entre les parties à assembler, soit par chauffage, soit par pression, soit par combinaison des deux, avec ou sans utilisation d'un produit d'apport dont la température de fusion est du même ordre de grandeur que celle du matériau de base ». Cette définition exclut le brasage (température d'apport très inférieure à celle du métal de base) et le collage.

D'un point de vue physique, on apporte une énergie thermique locale au-delà de la température de solidus du métal pour créer un bain de fusion. Pour un acier au carbone ordinaire, cela représente environ 1 500 °C ; pour de l'aluminium 5xxx, autour de 600 °C ; pour du titane, plus de 1 660 °C. La densité d'énergie varie de quelques W/mm² (soudage à la flamme, peu concentré) à plus de 10⁶ W/mm² pour le laser et le faisceau d'électrons, ce qui détermine la profondeur de pénétration et la largeur de la ZAT.

Le bain liquide doit être protégé de l'oxygène et de l'azote de l'air pour éviter porosités, soufflures et fragilisation. Deux familles de protection coexistent : la protection par laitier (MMA, arc submergé, fil fourré sans gaz) où l'enrobage de l'électrode ou le flux génère une scorie qui flotte au-dessus du bain ; la protection gazeuse (TIG, MIG, MAG) où un flux d'argon, d'hélium, de CO₂ ou de mélanges (ArCO₂, Ar+O₂, Ar+H₂) entoure l'arc et le bain.

« Le soudage est une opération à risques qui modifie la métallurgie locale du matériau et doit être maîtrisée par un mode opératoire qualifié (QMOS) chaque fois que l'assemblage est soumis à des sollicitations significatives. »
— Institut de Soudure, Manuel de référence, édition 2024

Le refroidissement, contrôlé par l'épaisseur des pièces, la température ambiante, l'énergie linéaire (kJ/cm) et le préchauffage éventuel, conditionne la structure métallurgique finale. Sur les aciers à haute teneur en carbone ou alliés, un refroidissement trop rapide forme de la martensite fragile susceptible de fissurer à froid (fissuration différée par l'hydrogène). C'est pour cette raison qu'on préchauffe (100-200 °C couramment) et qu'on régule la température entre passes.

Une soudure terminée comporte trois zones distinctes lisibles en métallographie : la zone fondue (ZF) qui est un mélange du métal de base refondu et du métal d'apport, la zone affectée thermiquement (ZAT ou HAZ pour Heat-Affected Zone) qui n'a pas fondu mais dont la structure cristalline a été modifiée par le cycle thermique, et le métal de base (MB) non affecté.

La ZAT est souvent la zone la plus critique d'un cordon. Sur un acier C45 (acier mi-dur), elle peut comporter une bande de martensite dure et fragile (HV > 350) à proximité immédiate de la zone fondue, suivie d'une zone surchauffée à gros grains (perte de ténacité), puis d'une zone affinée et d'une zone subcritique. La rupture par fatigue se déclare très fréquemment au pied du cordon, à l'interface ZF/ZAT, là où coïncident une concentration de contraintes (changement de section) et une fragilité métallurgique.

Le métal d'apport — fil, baguette ou électrode — est choisi pour matcher ou over-matcher les propriétés du métal de base. Sur un acier S355 (Re = 355 MPa), on emploie un fil G3Si1 (EN ISO 14341) qui dépose un métal de Re ≈ 420 MPa. Sur un inox 316L, on dépose du 316L ou du 309L (sur transition acier-inox). Le mauvais appariement métallurgique est l'une des causes les plus fréquentes de fissuration différée et de corrosion galvanique.

Tous les métaux ne se soudent pas avec la même facilité. La soudabilité est une notion composite qui dépend de la composition chimique (teneur en carbone et éléments d'alliage), de l'épaisseur (qui contrôle la vitesse de refroidissement) et de la sensibilité à l'hydrogène. Pour les aciers au carbone, le critère opérationnel est le carbone équivalent (CEV ou CET).

La formule classique IIW (Institut International de la Soudure) s'écrit : CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15. Au-delà de CEV = 0,45 %, l'acier est considéré comme difficilement soudable sans préchauffage. En dessous de 0,30 %, le soudage se fait sans précaution particulière. Entre 0,30 et 0,45 %, on préchauffe et on régule la température entre passes selon les abaques de la norme EN 1011-2.

Les autres métaux courants ont leurs propres difficultés : l'aluminium (couche d'alumine Al₂O₃ très réfractaire à 2 050 °C qui doit être cassée par effet décapant du courant alternatif en TIG) ; le cuivre (conductivité thermique 5× supérieure à l'acier, nécessite un fort apport calorifique) ; le titane (réactivité extrême avec O₂, N₂ et H₂ au-dessus de 400 °C, exige un traînard de gaz inerte) ; les inox austénitiques (sensibilité à la corrosion intergranulaire, choix de grades L à faible C).

• Aciers au carbone non alliés (S235, S355) : excellente soudabilité avec tous procédés à l'arc.
• Aciers HLE / THLE (S690, S960) : bonne mais procédure stricte (préchauffage, énergie linéaire encadrée).
• Inox 304, 316L, 904L : bonne en TIG, MIG, MMA basique inox ; attention au revenu coloré.
• Aluminium 5083, 6082 : bonne en TIG AC et MIG impulsionnel ; mauvaise en MMA.
• Fonte grise : mauvaise ; oxyacétylénique ou MMA basique nickel avec préchauffage 400 °C.
• Titane Gr2, Gr5 : moyenne ; uniquement TIG en boîte à gants ou avec traînard inerte intégral.

Les procédés de la famille 1xx représentent à eux seuls près de 80 % des opérations de soudage en chaudronnerie, tuyauterie, charpente et maintenance. L'arc électrique génère une température de l'ordre de 6 000 à 8 000 °C en son centre, suffisante pour fondre instantanément l'acier.

Le MMA (111) — Manual Metal Arc, dit aussi soudage à l'électrode enrobée — est le procédé le plus universel : autonome (pas de bouteille de gaz), peu coûteux, robuste au vent et à l'humidité. Il convient aux travaux de chantier et à la maintenance. Ses inconvénients : faible rendement (cycles d'arrêt pour changer d'électrode), génération de laitier, qualité dépendante du soudeur.

Le MAG (135) et le MIG (131) sont des procédés semi-automatiques : un fil électrode est dévidé en continu, l'arc est protégé par un gaz (CO₂ ou ArCO₂ pour MAG sur acier, Ar pur ou ArHe pour MIG sur alu/inox). Productivité élevée, idéale en atelier sur tôle moyenne. Le fil fourré (136 sans gaz, 138 avec gaz) est une variante du MIG/MAG avec un fil tubulaire rempli de flux ; il est très utilisé en construction navale et offshore.

Le TIG (141) — Tungsten Inert Gas — utilise une électrode infusible en tungstène et un apport de métal séparé (baguette tenue à la main). C'est le procédé de qualité supérieure : cordon propre, sans projections, idéal pour les passes de fond sur tuyauterie inox, l'aluminium, le titane, les soudures visibles. Très lent et exigeant techniquement.

L'arc submergé (121) est un procédé mécanisé où l'arc est noyé sous un flux pulvérulent. Très haute productivité (jusqu'à 30 kg/h de métal déposé), réservé aux longues soudures rectilignes en atelier : virolage de chaudière, fabrication de tubes spiralés, ponts d'acier.

Le soudage oxyacétylénique (311) utilise la combustion d'acétylène (C₂H₂) dans l'oxygène pour atteindre une flamme à 3 100 °C. Procédé ancien (généralisé après 1900), il reste très utilisé en plomberie cuivre, soudobrasage automobile et maintenance des fontes. Sa souplesse permet le soudage de très faibles épaisseurs (< 1 mm) mais sa lenteur le réserve aux travaux ponctuels.

Le soudage par résistance — points (21) et molette (22) — produit la fusion par effet Joule au passage d'un courant intense (kA) entre deux électrodes serrant les pièces. Ultra-productif et automatisé, il représente l'épine dorsale de la construction automobile : une carrosserie de voiture compte 3 000 à 5 000 points de soudure. Il est aussi utilisé en électroménager, en boîtier de batterie et en construction wagons.

Les procédés à faisceau d'énergie sont la pointe technologique : laser (521) en fibre, disque ou CO₂ délivrant 1 à 20 kW sur un spot de 100 à 500 µm ; faisceau d'électrons (511) sous vide poussé (10⁻⁴ mbar) pour pénétrer jusqu'à 200 mm dans une seule passe sur l'inox. Coût d'équipement : 200 k€ à 2 M€. Domaines : aéronautique (assemblage des disques de turbine), spatial, médical (instruments titane), batteries lithium-ion (assemblage des cellules).

Le soudage à l'état solide assemble sans fusion : par friction (42) classique (rotation/translation rapide), par FSW – Friction Stir Welding (43) avec un outil rotatif qui malaxe la matière (typique des fuselages aluminium Airbus et des batteries de voiture électrique), par ultrasons (41) sur métaux fins ou par diffusion (45) à chaud et sous pression. Ces procédés évitent les défauts de solidification et conviennent aux alliages dits « non soudables » par arc.

Avant 1800, l'assemblage métallique se limitait au soudage par forgeage (forge welding) : chauffage au charbon de bois jusqu'au rouge blanc, puis martelage. Les damasquineries de Tolède et les épées japonaises en sont des chefs-d'œuvre. La métallurgie du fer puddlé européen du XIXe siècle reposait également sur ce principe.

La révolution démarre en 1801 avec Sir Humphry Davy qui produit le premier arc électrique entre deux baguettes de carbone à la Royal Institution de Londres. Il faudra attendre 1881 pour qu'Auguste De Méritens applique l'arc carbone au soudage des plaques d'accumulateur. En 1888, le Russe Nikolaï Slavianoff dépose le brevet de l'électrode métallique consommable, ancêtre direct du MMA.

La Première Guerre mondiale accélère brutalement l'industrialisation : la US Navy soude ses premiers navires en arc électrique en 1918. Oscar Kjellberg invente l'électrode enrobée en 1907 chez ESAB, brevetée en 1911 ; elle stabilise l'arc et protège le bain par un laitier. Le procédé MIG/MAG est mis au point chez Linde et Battelle Memorial Institute en 1948, le TIG aux États-Unis pendant la Seconde Guerre mondiale pour le magnésium des bombardiers.

Le FSW est breveté par TWI (The Welding Institute, Royaume-Uni) en 1991. Depuis 2010, l'introduction des onduleurs à transistors IGBT, du soudage pulsé numérique et de la cobotique (robots collaboratifs comme l'UR10 ou le Cobot Welder) transforme la profession : un soudeur supervise désormais une ou plusieurs cellules robotisées en lieu et place du geste exclusivement manuel sur les pièces standardisées.