Le procédé 111 (MMA) : soudage à l'électrode enrobée

Le MMA fonctionne par la création d'un arc électrique entre l'extrémité d'une électrode consommable et la pièce à souder. Cet arc, dont la colonne atteint une température de l'ordre de 5 000 à 8 000 °C, fond simultanément le métal de base et l'âme métallique de l'électrode, formant un bain de fusion qui se solidifie en cordon de soudure.

Le générateur — onduleur moderne ou ancienne génératrice rotative — délivre un courant continu (DC) ou alternatif (AC) à intensité réglable (typiquement 20 à 400 A) sous une tension à vide de l'ordre de 50 à 80 V, qui chute à une tension d'arc de 20 à 30 V pendant la soudure. La longueur d'arc doit être maintenue voisine du diamètre de l'âme : trop courte, l'électrode colle ; trop longue, l'arc devient instable, projeté et oxydé.

Pendant la fusion, l'enrobage de l'électrode joue cinq rôles simultanés : il fond et libère un gaz protecteur qui chasse l'air, il forme un laitier liquide moins dense que l'acier qui surnage et protège thermiquement le cordon, il désoxyde le bain via des éléments réducteurs (Mn, Si, Al, Ti), il apporte les éléments d'alliage de la nuance visée (Cr, Ni, Mo pour un inox 316L par exemple), et il stabilise l'arc grâce à des ionisants à bas potentiel d'ionisation (potassium, sodium, calcium).

Le procédé est manuel : la dextérité du soudeur conditionne directement la qualité du cordon. Trois paramètres gestuels sont à maîtriser simultanément : la vitesse d'avance (longueur de cordon par unité de temps), la longueur d'arc (distance électrode-bain) et l'angle de l'électrode (10 à 15° par rapport à la verticale en position à plat, en « tirant »).

Une électrode enrobée se compose de deux parties solidaires :

• L'âme métallique centrale, généralement en acier non allié pour les électrodes courantes (rutile, basique standard), ou en alliage spécifique (inox austénitique 308L pour souder du 304L, acier inoxydable duplex, alliage de nickel) pour les électrodes spéciales. C'est le métal d'apport au sens strict — celui qui finit dans le cordon.
• L'enrobage compacté autour de l'âme par extrusion, constitué d'un mélange dosé de fondants, de désoxydants, de formateurs de scories, d'éléments d'alliage et de liants minéraux ou organiques. Sa masse spécifique (ratio masse enrobage / masse âme) classe l'électrode : enrobage fin (< 1,2), moyen (1,2 à 1,5), épais (1,5 à 1,8) ou très épais (> 1,8).

Une extrémité de l'âme est mise à nu sur 20 à 30 mm pour permettre le serrage dans la pince porte-électrode. L'autre extrémité est généralement amorcée par un plot de stabilisation facilitant l'allumage de l'arc. Les diamètres normalisés s'étalent de 1,6 mm à 6 mm, les plus utilisés en chaudronnerie étant 2,5 / 3,2 / 4,0 mm.

Le choix du diamètre dépend de l'épaisseur de la pièce et de la position : on retient en règle pratique que le diamètre de l'électrode est au plus égal à l'épaisseur à souder, et qu'on descend systématiquement d'un cran en position verticale ou plafond pour maîtriser le bain.

La norme EN ISO 2560 (électrodes pour le soudage manuel à l'arc des aciers non alliés et à grain fin) classe les électrodes selon la composition chimique de leur enrobage. Quatre grandes familles dominent le marché :

La désignation normalisée selon EN ISO 2560 se lit de gauche à droite, par exemple E 42 0 RC 11 : E = électrode enrobée pour soudage manuel à l'arc ; 42 = classe de résistance du métal déposé (limite d'élasticité minimale de 420 MPa) ; 0 = symbole de résilience (température d'essai de la valeur de 47 J) ; un symbole d'alliage éventuel (Mo, 1Ni, MnMo…) ; RC = type d'enrobage (ici rutile-cellulosique) ; puis deux chiffres pour le rendement et le type de courant et pour les positions de soudage admises ; enfin, en option, H5 ou H10 pour la teneur en hydrogène diffusible (en ml pour 100 g de métal déposé). Le carnet de soudage exige cette désignation complète, pas le nom commercial.

Le choix de la polarité électrique conditionne la pénétration et la stabilité de l'arc :

• DC+ (courant continu, électrode au pôle positif) : pénétration maximale, polarité standard des électrodes basiques sur acier et de la plupart des électrodes inox
• DC- (courant continu, électrode au pôle négatif) : moins pénétrant, plus chaud côté électrode, utilisé pour soudage sur tôles minces ou rechargement
• AC (courant alternatif) : possible avec certaines électrodes rutile spécifiquement marquées, économique sur les postes anciens, sensible aux soufflages magnétiques

L'intensité de soudage dépend du diamètre de l'âme et de la position. Ordres de grandeur usuels :

La vitesse de soudage typique s'établit entre 10 et 25 cm/min, à ajuster pour maintenir la largeur de cordon entre 2,5 et 3 fois le diamètre de l'âme. Une vitesse trop lente provoque une « bouillie » excessive, des inclusions et une zone affectée thermique (ZAT) trop large ; une vitesse trop rapide donne un cordon étroit, manque de fusion et possible fissuration à froid.

L'enrobage basique, riche en carbonate de calcium et en fluorure, est extrêmement hygroscopique : il absorbe l'humidité ambiante. Or l'eau, décomposée par l'arc en hydrogène atomique, diffuse dans le métal liquide et précipite à l'état moléculaire dans les zones à forte contrainte du cordon refroidi. C'est le mécanisme de la fissuration à froid, aussi appelée fissuration différée, qui peut apparaître plusieurs heures voire plusieurs jours après la soudure.

Le protocole d'étuvage des électrodes basiques est obligatoire pour tout ouvrage soudé à exigence sécuritaire (CODAP, CODETI, EN 13480, EN 1090 EXC3/EXC4) :

• Étuvage initial : 2 heures à 250 – 300 °C en étuve ventilée avant utilisation
• Conservation chaude : étuve portative à 100 – 150 °C au poste de travail
• Délai d'exposition maximal hors étuve : 4 heures en atelier, 2 heures en chantier humide
• Au-delà : ré-étuvage obligatoire ou électrodes rebutées

Le MMA conserve une popularité que la productivité moindre ne suffit pas à condamner. Tableau de synthèse :

Les défauts spécifiques au MMA à connaître pour les contrôles non destructifs (ressuage, radiographie) :

• Inclusions de laitier : scories piégées entre passes si le nettoyage à la pointerolle / brosse n'est pas systématique
• Soufflage magnétique : déviation de l'arc sur pièce magnétisée (acier ferritique épais, à proximité d'un aimant ou d'un câble) — se manifeste par un arc qui « fuit » dans une direction. Remède : démagnétiser, varier l'angle, changer la pince de masse de position, alterner sur AC.
• Porosités vermiculaires : électrode humide, hydrogène piégé
• Caniveaux en bord de cordon : intensité trop forte ou angle incorrect
• Manque de pénétration en racine : intensité faible, électrode trop grosse, mauvais accostage

Malgré la montée en puissance du MIG/MAG en atelier, le MMA reste indispensable dans plusieurs niches :

• Maintenance industrielle : interventions ponctuelles sur tuyauterie acier, structures, charpente, dans des environnements peu propices à la bouteille de gaz
• Chantiers BTP : assemblages de charpente métallique, ferrailles, plats de structure ; tolérance au vent extérieur, parfois sous abri sommaire
• Soudures épaisses : passes de remplissage sur tôles > 25 mm, où l'apport thermique progressif des électrodes basiques 4 ou 5 mm garantit une bonne ductilité
• Réparation : remise en état de pièces fondues, recharges anti-usure, reprise de cordons sur ouvrage existant — la simplicité du procédé prime sur la productivité
• Pipelines descendants : passe de fond cellulosique (E6010 / E7010 dans la nomenclature AWS), un standard mondial pour la construction de pipes

En atelier de chaudronnerie ou de mécano-soudure série, le MMA est largement remplacé par le MIG/MAG (chapitre suivant) plus productif. Mais aucun atelier sérieux ne se passe d'un poste MMA dans un coin : le procédé survit parce qu'il se passe de tout — pas de gaz, pas de dévidoir, pas de bouteille, juste un câble et une pince.