Le soudage par fusion crée une liaison métallique continue entre deux pièces. Sous l'effet d'une source de chaleur très localisée (l'arc électrique), le métal de base fond sur les bords du joint et se mélange, le plus souvent, à un métal d'apport (baguette, fil, électrode enrobée).

Ce mélange en fusion forme le bain de fusion. Quand la source de chaleur se déplace, le bain se solidifie et fige la liaison entre les deux pièces : c'est la zone fondue. Contrairement à un collage ou un vissage, la continuité de matière obtenue donne à l'assemblage une résistance proche de celle du métal de base lorsque la soudure est saine.

Une soudure se décompose en trois grandes régions :

• La zone fondue (ZF) : le métal qui a réellement fondu puis s'est solidifié, mélange de métal de base et de métal d'apport.
• La zone affectée thermiquement (ZAT, ou HAZ) : le métal qui n'a pas fondu, mais dont la microstructure a été modifiée par la chaleur reçue. C'est souvent la zone la plus fragile et la plus surveillée.
• Le métal de base non affecté : trop éloigné de l'arc pour avoir été transformé.

Chaque point du métal subit un cycle thermique de soudage : montée très rapide en température, fusion (dans la ZF) ou simple échauffement (dans la ZAT), puis refroidissement plus ou moins rapide. C'est la vitesse de refroidissement qui détermine la microstructure finale et la dureté.

La dilution désigne la proportion de métal de base fondu qui se mélange au métal d'apport dans le bain de fusion. Une dilution forte signifie qu'une grande part du métal de la soudure provient des pièces elles-mêmes ; une dilution faible, que la composition se rapproche de celle du métal d'apport.

Cette notion est loin d'être théorique : la dilution influe directement sur la composition chimique finale de la zone fondue, donc sur ses propriétés (résistance, dureté, résistance à la corrosion). C'est particulièrement critique lorsqu'on soude des métaux différents ou lorsqu'on dépose un revêtement (rechargement).

• Une dilution maîtrisée permet d'obtenir la composition visée dans la soudure.
• Une dilution excessive peut, par exemple, appauvrir une soudure inox en éléments protecteurs et la fragiliser.
• L'intensité, le procédé, la préparation du joint et le nombre de passes influencent le taux de dilution.

Le métal se dilate en chauffant puis se contracte en refroidissant. Comme cette contraction est gênée par les pièces environnantes restées froides, la soudure génère du retrait, des contraintes résiduelles et des déformations. On distingue principalement :

• Le retrait transversal : rapprochement des pièces perpendiculairement au joint.
• Le retrait longitudinal : raccourcissement dans le sens du cordon.
• Le retrait angulaire : rotation des pièces qui fait « plier » l'assemblage.

Ces déformations ne sont pas une fatalité. Le soudeur dispose de plusieurs leviers pour les maîtriser :

• Le bridage : maintenir les pièces par des montages ou des points pour limiter les mouvements.
• L'ordre et le sens de soudage : alterner les cordons, souder par tronçons (soudage « à pas de pèlerin ») pour répartir la chaleur.
• Le préchauffage : réduire l'écart de température entre la zone soudée et le reste de la pièce.
• La limitation de l'apport de chaleur : adapter l'intensité et la vitesse pour ne pas surchauffer.

Pour les aciers à teneur en carbone élevée ou les fortes épaisseurs, un refroidissement trop brutal favorise la fissuration. Le préchauffage (chauffer la pièce avant de souder) ralentit le refroidissement et réduit ce risque. On évalue la sensibilité d'un acier via le carbone équivalent (CE / CEV), indicateur de soudabilité : plus il est élevé, plus l'acier est « trempant » et plus le préchauffage devient nécessaire.

Deux grandes familles de fissures sont à connaître :

• La fissuration à froid (fissuration par l'hydrogène) : différée, elle apparaît après refroidissement. Elle est favorisée par la présence d'hydrogène (humidité, électrodes mal étuvées, graisses), une structure trempée et des contraintes. La parade : préchauffer, sécher/étuver le métal d'apport, limiter l'hydrogène.
• La fissuration à chaud (fissuration de solidification) : elle se forme dans le bain encore chaud, lors de la solidification, sous l'effet des contraintes et de certaines impuretés.