[Dossier] Soudage de goujons : souder sans contraintes

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Utilisé dans de nombreuses industries pour solidariser deux éléments entre eux, et dans le génie civil pour associer béton et structure métallique, le soudage de goujons est à la fois universel et adapté spécifiquement à chaque application. Techniques de soudage et goujons doivent être choisis en fonction des éléments à assembler. Avec un point commun : l’automatisation et la digitalisation des procédés.

Le soudage de goujons consiste à fusionner l’extrémité d’un goujon – une pièce d’assemblage en forme de tige – avec une surface métallique grâce à une forte source d’énergie. Une fois soudé, le goujon fait corps avec la pièce, assurant une fixation résistante et durable.

L’un des points forts du soudage de goujons : le gain de temps de production. Quelques secondes par soudure de goujon sont nécessaires contre plusieurs minutes pour les procédés traditionnels. En outre, ce procédé élimine le besoin de percer et de tarauder et le matériau support n’est pas affaibli par la présence des trous. Et l’accès aux deux côtés de la pièce n’est pas nécessaire.

Autre avantage du soudage de goujons – qui, facile à réaliser, ne nécessite pas de soudeurs qualifiés : la soudure est identique pour chaque opération, permettant ainsi fiabilité et répétabilité. Avec une soudure qui est plus résistante que le goujon ou le métal de base seul.

Selon les matériaux supports, et les dimensions des pièces (principalement épaisseur de la tôle et diamètre du goujon), trois principales techniques de soudage de goujons peuvent être mises en œuvre : par arc temps long, par arc temps court et par décharge de condensateurs.

Soudage à l’arc temps court pour de fortes épaisseurs

Le soudage à l’arc temps long, nommé également soudage à l’arc, ou procédé « arc fusion forgeage » (ou encore soudage de goujons à l’arc par étirement) permet de souder des goujons de diamètre important sur des supports de forte épaisseur, afin d’obtenir des assemblages particulièrement résistants. Ce procédé utilisé pour le travail sur acier ou inox, est idéal pour les applications de type chaudronnerie et éléments de structure.

Un arc électrique est utilisé pour faire fondre les métaux à souder et créer une liaison entre eux. L’arc électrique est amorcé entre l’extrémité du goujon et la pièce métallique support. L’énergie calorifique de l’arc fait fondre simultanément la pièce et l’extrémité du goujon. Après extinction de l’arc électrique, une action mécanique plonge le goujon dans le bain de fusion qui forme un bourrelet autour de celui-ci. La soudure électrique est créée en une fraction de seconde. Résultat : une liaison solide, homogène, sans ajout de matière.

« On parle de diamètre de goujons de 3 à 25 millimètres, voire de 6 à 25 millimètres, explique Eric Lefranc, responsable commercial France de la société CSTA, spécialisée dans la fabrication de goujons et partenaire exclusif de Köco en France, fabricant allemand de machines de soudage par goujons. « Et on est plutôt sur de fortes intensités, parce que l’on monte à 2 500 ampères, sur des temps de soudage relativement longs par rapport aux autres temps de soudage des autres procédés. Une à deux secondes suffisent pour souder. Des pistolets spéciaux permettent une action de forgeage à la fin de la soudure. La protection du bain se fait à l’aide d’une bague céramique ou éventuellement un gaz de protection comme sur certains procédés de soudage traditionnels. Chez CSTA, nous fournissons principalement des goujons d’ancrage de type SD de gros diamètre pour faire le lien entre le béton et le métal entre les structures des ponts, par exemple. »

« L’intérêt de ce procédé-là est que l’on rentre dans la tôle. On est vraiment en pleine masse avec une céramique de protection que l’on vient casser ensuite », précise Nicolas Frin, technico-commercial, chez Thomas Welding Systems, fabricant de goujons à souder et de machines de soudage de goujons basé en Belgique.

Soudage à l’arc temps court pour de fins supports

Le soudage à l’arc temps court s’effectue sur une période plus courte de 20 à 30 ms. L’arc n’est maintenu que quelques millisecondes pour que la chaleur ne se propage trop loin dans la pièce. Ce procédé est destiné aux tôles fines (jusqu’à 1 mm d’épaisseur) qui peuvent accueillir des goujons sans risque de déformation ni perçage. Il est utilisé dans les applications industrielles et automobiles avec des goujons de petit diamètre. L’arc n’est maintenu que quelques millisecondes pour que la chaleur ne se propage trop loin dans la pièce. Les matériaux sensibles à la chaleur, comme l’aluminium ou l’inox, sont mieux préservés.

Avec le soudage à l’arc temps court, la productivité est décuplée : les robots sur lignes automobiles peuvent souder plusieurs goujons par seconde. Les applications sont nombreuses : la fixation de clips ou isolants sur les carrosseries automobiles en tôle fine, par exemple ; le montage de composants internes sans percer ni fragiliser les parois en acier inoxydable dans l’électroménager ; ou dans l’électronique pour des applications de précision, où chaque millimètre compte.

Dans le secteur automobile, le soudage de goujons est omniprésent. Les goujons permettent d’assembler facilement des éléments secondaires (câblage, gaines, pièces en plastique, gyrophare, etc.), tout en évitant le perçage des tôles. « Dans un véhicule automobile, il y a entre 200 et 400 goujons. Le principal avantage est que ce procédé permet de ne pas faire de trous. Un perçage c’est un départ de corrosion. Le soudage de goujons permet d’éviter cela. Il permet, en outre, une fixation rapide (quelques millisecondes) avec un bel aspect. Une fois le goujon soudé, il n’y a rien à retoucher sur la face opposée, » précise Jean-Charles Nogues, responsable commercial chez Ivostud France, société spécialisée dans l’arc tiré temps court pour le domaine automobile. « Nos clients du secteur automobile apprécient l’efficacité de notre système de soudage de goujons pneumatiques qui permet de fixer un goujon en 18 ms et de réapprovisionner le goujon suivant automatiquement. »

Soudage de goujons par décharge capacitive pour de fines tôles sans grande résistance requise

Dans le cas du soudage de goujons par décharge capacitive, le soudage est effectué en déchargeant la batterie de condensateurs par l’intermédiaire de la pointe d’allumage du goujon. Le temps de soudage est compris entre 1 et 3 ms. Adapté aux productions de masse rapides et reproductibles, exigeant des tolérances dimensionnelles strictes, ce procédé est utilisé lorsque les goujons sont soudés sur des tôles très fines pour des éléments de décoration, par exemple. La soudure ne laisse pratiquement aucune coloration, marque ou déformation sur ce qui est visible.

« Le soudage par goujons à décharge de condensateur est une technologie éprouvée, en particulier pour les tôles minces. En général, il est possible de souder des goujons d’un diamètre maximal de huit millimètres ou M8. Soyer a perfectionné ce procédé pour des goujons d’un diamètre maximal de 12 millimètres ou M12 », argumente la société Soyer, fabricant allemand de machines de soudure de goujon, dans l’une de ses documentations.

« Le procédé de soudage par goujons à décharge de condensateur n’est pas adapté au domaine automobile, » prévient toutefois Jean-Charles Nogues. « Ce procédé a été mis au point pour souder des goujons sur des tôles fines mais il générait trop de rebuts (entre 18 et 20 %) dans le secteur automobile. Le procédé arc temps court a alors été développé. Il est fiable à 99,99 %. »

Le soudage par goujons à décharge de condensateur nécessite des équipements peu onéreux. « Il s’agit de petits équipements basiques vendus à des clients qui ont besoin de ne pas avoir de marquage derrière. Ils ne sont souvent plus fabriqués en France. En ce qui nous concerne, nous préférons nous positionner sur des équipements à plus grande valeur ajoutée, destinés à des clients confrontés à des problèmes techniques », explique Laurent Ibert, directeur commercial de Carnière et Defossez, spécialiste de la frappe à froid et distributeur de la gamme de matériels Soyer pour le soudage des goujons.

SIG et SRM, de nouveaux procédés

D’autres procédés existent par ailleurs. Le soudage de goujons SIG « Stud Inert Gaz » a récemment été créé par la société C2G Innovation. Il améliore la qualité et la sécurité des liaisons grâce à une atmosphère inerte protégeant la zone de fusion. Un gaz protecteur est utilisé pour amorcer le processus de soudage.

Soyer détient plusieurs brevets pour le procédé de soudage de goujons dans un champ magnétique radialement symétrique, “Stud Welding in a Radially Symmetric Magnetic Field” (SRM), une évolution du soudage de goujons par arc étiré et gaz inerte. Associé au goujon de soudage universel innovant HZ-1 Soyer, doté d’une face d’extrémité plane et d’une pointe de centrage, ce procédé permet de souder des goujons jusqu’à M16. Soyer précise que l’utilisation d’anneaux en céramique n’est plus nécessaire (50 % d’énergie de soudage en moins par rapport au soudage de douilles en céramique) et que le rapport entre l’épaisseur minimale de la tôle et le diamètre du goujon est de 1:10 au lieu de 1:4 auparavant. « Ce procédé ouvre de toutes nouvelles possibilités, en particulier dans les installations de soudage de goujons automatisées et la production de composants à grande échelle », indique le fabricant.

Allègement du matériel, automatisation et digitalisation

Les générateurs sont aujourd’hui compacts et suffisamment légers pour un travail même en hauteur. Les techniques de soudage de goujons évoluent peu, les évolutions technologiques concernent plutôt vers l’ergonomie du poste. Depuis plus de 10 ans, le poids, la taille des pistolets se sont réduits et permettent aujourd’hui de travailler dans des espaces difficiles d’accès ou simplement avec plus de sécurité.

« À titre d’exemple, nous proposions un matériel d’une capacité M12, qui travaillait en 32 ampères. Or, cela nécessitait parfois l’intervention d’un électricien pour faire une mise en route. Ce matériel pesait 48 kilos. Aujourd’hui, nous proposons un générateur équivalent qui pèse moins de 20 kilos et qui pompe moins d’énergie car équipé d’une technologie onduleur », indique Laurent Ibert.

« Nous ingénieurs travaillent sur l’ergonomie des machines, » confirme Nicolas Frin, technico-commercial chez Thomas Welding Systems. « Avec les technologies d’inverters, nous essayons de réduire au maximum l’encombrement des générateurs et surtout leur poids. Aujourd’hui, nous sommes en mesure de proposer des machines qui ne font que 16 kilos. »

Autres avancées récentes dans le soudage de goujons : l’automatisation et l’intelligence embarquée. « Auparavant, vous pouviez poser des goujons en manuel. Aujourd’hui, un bol vibrant envoie le goujon directement dans le pistolet, » rappelle Laurent Ibert. « Il existe également des tables à commandes numériques. Il suffit de poser une plaque sur la table de travail, de paramétrer le logiciel : des têtes automatiques posent ensuite les goujons aux emplacements souhaités. »

Face à la pénurie de main-d’œuvre, les générateurs sont également plus faciles à utiliser et proposent des réglages préétablis. « Gys a été l’un des premiers à amener des techniques du soudage à l’arc dans la soudage par fusion forgeage. Les réglages de force, de vitesse ou de puissance, par exemple, sont intégrés directement dans les machines. Pour ce procédé de soudage de goujons, la connaissance métier est dans la machine », explique Bruno Bouygues, Pdg de la société Gys, entreprise spécialisée dans la fabrication d’équipement de soudage.

« Le soudage de goujons est un marché de niche. Chez Gys, il bénéficie des apports technologiques d’autres formes de soudage, » ajoute Bruno Bouygues. « Le soudage de goujon n’aurait pas les moyens de faire la R&D sinon. La théorie des synergies de soudage, par exemple, est une théorie MiG. Des écrans qui se sont développés pour des gammes de chargeurs de batterie arrivent également dans ces gammes de soudage de goujons, etc. Par ailleurs, dans la mesure où nous fabriquons nos cartes électroniques pour l’ensemble de notre offre, nous pouvons acheter nos composants avec des gros volumes, à des prix compétitifs. »

Quid de la partie logicielle ? Comme pour les autres équipements industriels, la part l’informatisation est croissante, pour apporter des données et des aides à la prise de décision. « L’un de nos clients, fabricant d’armoires, nous a, par exemple, réclamé l’intégration d’une alarme qui se déclenche tous les 98 goujons pour que l’opérateur passe à l’armoire suivante sans oublier de goujons. D’autres, travaillant dans des environnements plus bruyants, ont opté pour un compteur. D’autres encore, aimeraient une pré-programmation permettant d’intégrer de nouveaux mandrins. Avec le numérique, on nous en demande toujours plus. Nos clients sont de plus en plus exigeants », note Bruno Bouygues.

Une pluralité de goujons

« CSTA commercialise des goujons de 6 à 25 mm. La société Köco que nous représentons en France est plutôt spécialisée dans les goujons d’ancrage de type SD1. Carnières et Defossez propose de plus petits goujons filetés. Nous travaillons parfois ensemble lorsque la société a des demandes pour des goujons plus gros », indique Eric Lefranc.

« Les goujons évoluent avec des matériaux et des formes de plus en plus complexes. Selon leur conception, ils offrent ou non une liberté de mouvement plus ou moins grande, la possibilité d’obtenir un clic ou non. Certains goujons sont de type charnières, etc. Le choix des goujons, en fonction de la forme et des caractéristiques mécaniques recherchées, est infini », observe Bruno Bouygues avant de conclure : « L’évolution des techniques de soudage concerne finalement trois sujets : les goujons ; la compréhension du problème du client afin de dessiner ou trouver le bon goujon, et d’y associer le bon générateur et les bons mandrins ; la conception de générateurs qui deviennent plus sophistiqués et plus digitaux. »

Le soudage de goujons, une histoire industrielle
L’histoire du soudage de goujons est liée à l’évolution de l’industrie au début du XXe siècle. Des premiers essais réussis auraient été réalisés en 1915 par un ingénieur britannique, Harold Martin. Des informations selon lesquelles la technologie du soudage par arc de goujons trouve son origine dans des applications industrielles datant de 1930, réalisées par des ouvriers du chantier naval américain de New York circulent également. Toutefois c’est Ted Nelson qui est entré dans l’histoire. D’après plusieurs sources, le soudeur Edward « Ted » Nelson a inventé le procédé de soudage par goujons au chantier naval Mare Island à Vallejo, en Californie, en 1939.
Son idée : utiliser un arc électrique pour chauffer le métal de base et l’extrémité d’un goujon métallique, leur permettant ainsi de fusionner au contact et de créer une liaison solide et fiable. Avec, pour corollaire, une réduction importante du temps de construction et de la main-d’œuvre nécessaires.
La division Nelson Stud Welding du groupe Stanley Engineered Fastening qui porte le nom du soudeur rappelle que cette technique a joué un rôle déterminant dans la construction rapide de navires de guerre, contribuant à l’effort de guerre en améliorant la vitesse de production et l’intégrité structurelle.
Les travaux pionniers de Nelson ont jeté les bases de la technologie moderne de soudage par goujons. Le procédé à l’arc traditionnel est resté longtemps la référence, permettant de fixer des goujons en acier, inox, aluminium et alliages sur des structures de grande dimension.

Tableau comparatif des procédés de soudage à l’arc des goujons

Selon la documentation fournie par la société CSTA

Révision technique de la norme EN ISO 14555
La norme EN ISO 14555 s’applique au soudage à l’arc des goujons en matériau métallique soumis à des chargements statiques et de fatigue.
Sa cinquième édition, publiée en 2025, annule et remplace la quatrième édition (ISO 14555:2017), qui a fait l’objet d’une révision technique.
Les principales modifications sont les suivantes:
– les références normatives et la bibliographie ont été mises à jour ;
– l’article 3 sur les termes et définitions a été révisé ;
– réorganisation et révision de l’article 9 ;
– regroupement en un seul tableau des tableaux 1 à 3 relatifs aux examens et essais ;
– l’article 11 a été révisé ;
– suppression de l’annexe informative A ;
– fusion des annexes informatives D et E en une seule annexe D ;
– fusion des annexes informatives F et G en une seule annexe E.

Dossier réalisé avec le soutien de :

Yaël Zajac