Histoire du soudage

Mines et production de métaux dans le Moyen-Orient dans l'Antiquité

Les sept métaux connus dans l'antiquité sont l'or (utilisé depuis -6000), le cuivre (-4200), l'argent (-4000), le plomb (-3500), l'étain (-1750), le fer (-1500) et le mercure (-750).

Les métaux ont déjà été trouvés et utilisés à l'état natif ou provenant d'une météorite de fer donnant le fer météorique connu en -6000. L'histoire de la métallurgie est liée à la mise au point des traitements techniques nécessaires pour en faire un matériau utilisable : le chauffage à une température suffisante et le forgeage.

Comme l'indique Bertrand Gille dans l'Histoire des Techniques, si l'utilisation des métaux natifs est relativement simple à expliquer, il en est autrement pour la réduction des minerais car elle suppose la mise en œuvre de plusieurs savoirs :

• savoir qu'on peut tirer un métal d'un minerai,
• savoir traiter le minerai en mettant en place différentes méthodes :
  • concassage,
  • grillage préalable du minerai, et parfois l'additionner de fondant,
  • inventer le charbon de bois,
• savoir que la température est le vecteur essentiel pour extraire le métal du minerai, donc maîtriser la construction des fours.

L'ensemble de ces techniques nécessaires rend l'histoire des techniques à ses origines impossible. L'hypothèse qu'émet Bertrand Gille est le hasard d'une découverte dans un four de potier construit avec des pierres comprenant des minerais riches en métaux et de la chaux ou du plâtre intervenant comme réducteurs permettant d'obtenir une température suffisante.

La mise en place de la métallurgie suppose une organisation sociale particulière. Si la céramique ne suppose qu'une activité familiale, la métallurgie suppose la mise en place d'une industrie avec de nombreuses personnes, des spécialistes et un marché ouvert. On peut aussi constater que, dans les premiers temps, les pays producteurs de minerais ne sont pas les pays consommateurs de métaux. On s'empare alors du métal par échange ou par la guerre.

L'usage du feu comme agent de transformation pour obtenir un métal des minerais fait que la métallurgie apparaît peu après la céramique. Dans la Méditerranée orientale on connaît le charbon de bois et le four permettant d'obtenir une température élevée. Les recherches archéologiques ont montré que le cuivre est connu à Çatal Höyük vers -6600 et -6300. Cette période commence un premier âge des métaux appelé chalcolithique précédant l'âge du bronze.

La datation des différents âges des métaux dépend de la diffusion des métaux dans les différentes zones géographiques partagés entre :

• âge du cuivre,
• âge du bronze,
• âge du fer.

• 
  Aire de diffusion de l'utilisation du cuivre natif au Chalcolithique
• 
  Aire de diffusion de la métallurgie à l'âge de bronze

Petit chien à bélière.

L’origine du soudage remonte aux âges des métaux :

• à l’âge du bronze on soudait à la poche,
• à l’âge du fer on soudait à la forge.

L'exemple le plus ancien de soudage est la jonction entre l'anneau de suspension et le pendentif du Petit chien à bélière conservé au musée du Louvre (Uruk, 3300-3100 av. J.-C.).

Un autre exemple est constitué par de petites boîtes circulaires en or datant de l'Âge du bronze et assemblées par chauffage et martelage d'un joint constitué de deux surfaces se recouvrant. Il a été estimé que ces boîtes ont été fabriquées il y a plus de 2000 ans.

Pendant l'âge du bronze, les Égyptiens et les peuples de l'est méditerranéen ont appris à assembler par soudage des pièces en fer. Plusieurs outils datant approximativement de 3 000 ans ont été retrouvés.

L'ancien historien grec Hérodote déclare dans Histoires (I,25) du V^e siècle av. J.-C. que Glaucos de Chios le seul homme justement qui ait trouvé l'art de souder le fer (on lui attribuait aussi la pratique de la trempe du fer). Le soudage a été utilisé dans la construction du Pilier de fer de Delhi, érigé à Delhi, à l'époque de Chandragupta II, et pesant 5,4 tonnes.

Des progrès du soudage à la forge par martelage sont rapportés au Moyen Âge, où les chaudronniers et les forgerons pilonnent le métal chauffé jusqu'à ce que la liaison ait lieu. En 1540, Vannoccio Biringuccio publie De la Pirotechnia, qui comprend des descriptions de l'opération de forgeage. Les artisans de la Renaissance ont amélioré le processus, et l'industrie a continué à croître au cours des siècles suivants.

En 1800, Sir Humphry Davy a découvert l'arc électrique à impulsions courtes et a présenté ses résultats en 1801. En 1802, le scientifique russe Vassily Petrov (en) a créé l'arc électrique continu, et a ensuite publié Nouvelles expériences Galvaniques-voltaïques en 1803, dans lequel il décrit des expériences réalisées en 1802. Le plus important dans cette publication, c'est la description d'une décharge d'arc stable et l'indication de son utilisation possible pour de nombreuses applications, dont la fusion de métaux. En 1808, Davy, qui ignorait le travail de Petrov, découvre lui aussi l'arc électrique continu. En 1881-82, les inventeurs Nikolaï Benardos (en), russe, et Stanislav Olchevski (en), polonais, ont créé la première méthode de soudage à l'arc électrique, connu sous le nom d'arc de carbone de soudage (CAW) en utilisant des électrodes de carbone. Les progrès de la soudure à l'arc ont continué avec l'invention des électrodes métalliques à la fin des années 1800 par un Russe, Nikolaï Slavianov (en) (1888), et un Américain, Charles Coffin (en) (1890). Vers 1900, A. P. Strohmenger a créé une électrode métallique revêtue en Grande-Bretagne, qui a donné un arc plus stable. En 1905, le scientifique russe Vladimir Mitkevich a proposé d'utiliser un arc électrique triphasé pour le soudage. En 1919, le courant alternatif de soudage a été inventé par C. J. Holslag , mais ne s'est pas développé avant la décennie suivante.

Le soudage par résistance a également été mis au point au cours des dernières décennies du XIX^e siècle, avec les premiers brevets de Elihu Thomson, en 1885, qui a produit de nouvelles avancées au cours des 15 années suivantes. La soudure aluminothermique (TW) a été inventée en 1893, et à cette époque un autre processus, le soudage oxycoupage, s'est diffusé.

L'acétylène a été découvert en 1836 par Edmund Davy, mais ce n'est qu'à partir des années 1890 qu'Henry Le Chatelier envisage la fabrication d'un chalumeau permettant de souder sous l'eau en utilisant sa température de combustion élevée. Aidé de Charles Picard[1], il tente d'abord en vain de résoudre les problèmes posés par les risques d'explosion en concevant un brûleur en matériau réfractaire (1898). Les deux hommes atteignent finalement les résultats espérés[2] (1901) avec Edmond Fouché[3] en portant le débit du mélange combustible air+acétylène à plus de 200 m/s. Dans un premier temps, le soudage oxyacétylénique a été l'un des procédés de soudage les plus populaires en raison de son coût et de sa facilité d'utilisation. Au cours du XX^e siècle il a régressé pour les applications industrielles. Il a été en grande partie remplacé par le soudage à l'arc, avec des électrodes revêtues qui stabilisent l'arc et protègent le matériau de base des impuretés.

Pont de Maurzyce

La Première Guerre mondiale a provoqué une hausse importante de l'utilisation des procédés de soudage, avec les différentes puissances militaires qui tentent de déterminer parmi les nouveaux procédés de soudage celui qui serait le plus efficace. Le plus utilisé a été le soudage à l'arc britannique, qui a servi à la construction d'un navire, le Fullagar avec une coque entièrement soudée. Le soudage à l'arc a été d'abord appliqué aux avions pendant la guerre et, par exemple, dans certains fuselages d'avions allemands qui ont été construits en utilisant ce processus. Il faut également noter le premier pont routier soudé dans le monde, le pont de Maurzyce conçu par Stefan Bryła de l'École polytechnique de Lwów en 1927, et construit à travers la rivière Słudwia près de Łowicz, en Pologne en 1928.

Durant les années 1920, des progrès importants ont été faits dans la technologie de soudage, y compris l'introduction de soudage automatique en 1920, dans lequel le fil d'électrode a été alimenté en continu. Le gaz de protection est devenu un sujet recevant beaucoup d'attention, que les scientifiques ont mis au point pour protéger les soudures des effets de l'oxygène et l' azote de l'atmosphère. La porosité et la fragilité étaient les principaux problèmes dus au soudage et des solutions qui ont été développées comme l'utilisation de l'hydrogène, l'argon et l'hélium comme atmosphères de soudage. Au cours de la décennie suivante, de nouvelles avancées sont permises pour le soudage des métaux réactifs comme l'aluminium et le magnésium. Les développements du soudage automatique, du soudage avec courant alternatif, et sous flux ont permis une expansion du soudage à l'arc au cours des années 1930, puis au cours de la Seconde Guerre mondiale. En 1930, le premier navire marchand entièrement soudé, M/S Carolinian, a été lancé.

Au milieu du XX^e siècle, de nombreuses nouvelles méthodes de soudage ont été inventés. La mise au point du soudage de goujons date de 1930, et s'est développé dans la construction navale et la construction. Le soudage à l'arc a été inventé la même année. En 1932, un Russe, Konstantin Khrenov (en), a mis au point le soudage à l'arc sous l'eau. Le soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode (infusible) de tungstène, après des décennies de développement, a finalement été perfectionné en 1941, et le soudage à l'arc métallique sous gaz a été mis au point en 1948, permettant le soudage rapide des matériaux non ferreux mais nécessitant des gaz de protection coûteux. Le soudage à l'arc métallique protégé a été développé au cours des années 1950, en utilisant une électrode consommable enrobée, et il est rapidement devenu le processus le plus populaire de soudage à l'arc métallique. En 1957, le processus de soudage à l'arc fourré a débuté, dans lequel l'électrode de fil auto-blindé peut être utilisée avec un équipement automatique, ce qui entraîne des vitesses beaucoup plus élevées de soudage, et cette même année, le soudage à l'arc de plasma a été inventé. Le soudage vertical sous gaz ou Electro Slag Welding (ESW) apparaît en 1958, et il a été suivi par son cousin, le soudage électrogaz, en 1961. En 1953, le scientifique soviétique N. F. Kazakov a proposé la liaison par diffusion méthode (DFW).

Un autre développement récent du soudage est la percée du soudage par faisceau d'électrons en 1958, qui rend possible un soudage profond et étroit grâce à la source de chaleur concentrée. À la suite de l'invention du laser en 1960, le soudage par faisceau laser a débuté plusieurs décennies plus tard, et a démontré être particulièrement utile à grande vitesse dans le soudage automatisé. Le soudage par impulsion magnétique (MPW) est utilisé industriellement depuis 1967. Le soudage par friction malaxage a été inventé en 1991 par Wayne Thomas au Welding Institute (TWI, Royaume-Uni) et a trouvé des applications de haute qualité partout dans le monde. Ces quatre nouveaux processus continuent d'être très coûteux en raison du coût élevé de l'équipement nécessaire, et cela a limité leurs applications.

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Welding#History » (voir la liste des auteurs).