Brevet FR2026745A1 — publié le 19700918

la présente invention concerne le soudage électrique et plus précisément un soudage dans lequel des périodes de contact provoquant un court—circuit entre une électrode consommable et une pièce vers . laquelle l'électrode est avancée alternent avec des périodes 5d'amorçage d'un arc entre l'électrode et la pièce, ce qui sera désigné "soudage en court-circuit" dans la présente demande. Pour le soudage en court-circuit, deux sources d'énergie sont connectées électriquement en parallèle à l'électrode de soudage eonsommablp,i'une des sources étant destinée à fournir 10 principalement le courant de court-circuit et l'autre le courant d'arc. la présente invention a pour objet un appareil ayant les caractéristiques de fonctionnement voulues pour un soudage en court-circuit et qui n'utilise qu'une source dé courant monophasé. En conséquence, la présente invention concerne un appareil 15 de soudage électrique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation de l'invention. 20 Sur ces dessins : la figure 1 est un schéma synoptique d'une fonne de réalisation d'un appareil selon la présente invention ; / la figure 2 représente une foime de.circuit d'emmagasinage d'énergie convenant pour être incorporé . dans l'appareil de la 25 figure 1; les figures 3, 4, 5, 6 et 7 représentent des variantes du circuit d'emmagasinage d'énergie pouvant être utilisées dans l'appareil de la figure 1 ; la figure 8 est un schéma synoptique d'une autre foime 30 de circuit d'emmagasinage d'énergie ; la figure 9 est un schéma d'une forme convenable d'un circuit de filtrage et d'un circuit d'emmagasinage d'énergie ; les figures 10 et 11 représentent des courbes de perméabilité magnétique (p.) pour illuster le fonctionnement de l'appareil 35 de la présente invention ; Les figures 12 et 13 représentent des variantes des bobines d'induction utilisées pour obtenir des courbes de perméabilité magnétique de foime voulue; 69 44282 2 2026745 Les figures t4a et 14b représentent des formes d'ondes jobtenueB avec un- appareil connu de soudage en court-eircuit ; Les figures 15a et 15b représentent des formes d'ondes obtenues avec un appareil selon la présente invention ; 5 La figure 16 est up. schéma d'une autre variante d'un circuit combiné de filtrage et d'emmagasinage d'énergie ; et La figure 1.7est un schéma d'un autre circuit de l'invention utilisant un accumulateur pour emmagasiner de l'énergie. Le système connu a l'inconvénient» lorsqu'il est utilisé avec 10 une source de courant monophasé, de ne pas pouvoir souder une tôle mince d'une façon satisfaisante, du fait que l'arc est trop "chaud", c'est-à-dire qu'il dégage beaucoup trop d'énergie et a par suite tendance à percer ou à découper, plutôt que de souder. L'énergie d'un arc, dans un procédé en court-circuit, est en rapport avec la 15 fréquence à laquelle les périodes d'amorçage de l'arc et de court-circuit alternent, lorsqu'on ne peut obtenir des conditions stables de soudage qu'à des intensités et tensions relativement élevées, la chaleur dégagée est trop importante pour souder des tôles minces d'une façon satisfaisante. Une haute tension d'arc donne une faible 20 fréquence de court-circuit qui peut être de l'ordre de 50 à 60 Hz avec un fil métallique d'un diamètre de 0,8 mm. Au contraire, l'appareil de la présente invention donne un arc stable à une tension d'arc suffisamment basse pour produire une fréquence de court-circuit de l'ordre de 100 à 250 Hz de façon que 25 la chaleur dégagée soit suffisamment faible pour permettre de souder bout à bout une tôle mince d'acier doux (0,56 mm d'épaisseur) dans les conditions suivantes : fil d'un diamètre de 0,6 mm ; COp utilisé comme gaz protecteur ; 40 A, 16 v. Cela donne une fréquence de court-circuit de 210 Hz. 30 Dans le circuit fondamental représenté sur la figure 1, une source E à 50 Hz alimente un transformateur Œ -de secteur monophasé dont le secondaire est relié aux entrées d'un circuit redresseur à deux alternances Z destiné à alimenter eà courant.continu un circuit combiné de filtrage et d'emmagasinage d'énergie 2 entouré par 35 un rectangle en pointillé. Une sortie du circuit 2 est connectée électriquement à une électrode consommable 4 qui est avancée par des rouleaux d'avance 6 vers une pièce 8 à laquelle l'autre sortie est connectée. Pour plus de commodité, une zone de soudage 10 est représentée entre l'extrémité de l'électrode 4 et la pièce 8, bien qu'en 40 pratique elles ne soient pas espacées lorsque l'électrode est en contact de court-circuit avec la pièce. Le circuit 2 comporte un filtre S dont l'entrée est connectée à un régulateur 12 qui est connecté à une jonction entre un ^cumulateur d'énergie 14 et un interrupteur de décharge 16, 45 l'accumulateur et l'interrupteur étant montés en série et étant 69 44282 3 2026745 connectés à la sortie du filtre S. lorsque l'interrupteur 16 est ouvert, l'accumulateur 14 est déconnecté par rapport à l'électrode 4»mais peut recevoir l'énergie sous la forme d'un courant de charge par l'intermédiaire du régulateur 12. En consé-5 quence, l'électrode 4 ne reçoit que le courant circulant à travers le filtre depuis le redresseur Z. La tension et la valeur de ce courant sont suffisantes pour entretenir un arc entre l'électrode 4 et la pièce 6, mais la quantité d'énergie dégagée par l'arc ne suffit qu'à faire fondre l'extrémité de l'électrode 4»sans '10 en détacher la pointe fondue. La vitesse d'avance de l'électrode 4 est également calculée de façon que l'électrode soit avancée vers la pièce à une vitesse supérieure à. la vitesse à laquelle la pointe de l'électrode est fondue,de façon qu'au bout d'un certain temps, la pointe fondue de l'électrode plonge dans la masse 15 en fusion produite par l'arc sur la pièce. Lorsque ce court-circuit se produit, le changement de tension aux bornes de l'interrupteur 16 est suffisant pour le fermer et par suite le courant passant à travers le filtre S est alimenté par le courant produit par la décharge de l'accumula-20 teur 14. Ce courant accru de court-circuit libère l'énergie d'une façon suffisante pour empêcher l'électrode de se solidifier et de se souder à la pièce et ainsi, la pointe fondue,se détachant de la partie encore solide de l'électrode, a pour effet d'espacer ladite électrode de la pièce. Lorsque cela se produit, le courant 25 de court-circuit est interrompu. Les valeurs des composants du filtre sont telles que des sautes de courant excessives sont empêchées lorsque l'arc est court-circuité. Le rétablissement de l'intervalle entre l'électrode et la . pièce provoque un changement de tension aux bornes de l'interrupteur 30 16 qui est ainsi ouvert pour déconnecter l'accumulateur de l'électrode. Cet accumulateur est ensuite rechargé par le courant passant à travers le régulateur 12 pendant que le courant d'arc continue à circuler à travers le filtre S. Ainsi, les périodes d'arc alternent automatiquement avec les périodes de contact 35 de court-circuit pour mettre en oeuvre le processus le soudage dans le mode appelé "soudage en court-circuit". 69 44282 4 2026745 La forme de circuit d'emmagasinage d'énergie de la figure 2 comporte des résistances réglables R1 et B2 disposées sous forme d'un diviseur de potentiel. La jonction médiane du diviseur est connectée à une jonction entre un condensateur d'emmagasinage 5 C1 et un redresseur à diode D1. Le filtre S n'est représenté que schématiquement. Dans un circuit particulier, R1 =0,5 ohms ; R2 = 10 ohms ; le condensateur C1 = 80 000 pF et le redresseur D1 est estimé à 100 A et 100~V de tension inverse de crête. En pratique, la résistance R2 peut avoir une valeur com-10 prise entre une valeur inférieure à 1 ohm et l'infini ; la résistance R1 a une valeur comprise entre 0,1 ohm et 20 ohms, et la valeur de C1 peut être'comprise entre 1 000 et 160.000 jiF. La valeur de chacun de ces composants est choisie de façon que la charge accumulée soit suffisante pour engendrer un courant de décharge 15 qui, lorsqu'il est ajouté au courant d'arc, est suffisant pour supprimer le court—circuit» afin de produire rapidement une tension suffisamment élevée pour obtenir une fréquence relativement élevée de court-circuit (par exemple de 100 à 150 Hz environ)»mais pas suffisamment, rapide pour qu'il 20 se produise une projection importante. Ceci donne un arc suffisamment froid pour souder une tôle mince. Dans le circuit de la figure 3, le diviseur de potentiel est remplacé par un condensateur C2 en parallèle avec C1 et connecté par l'intermédiaire d'une résistance R3 à un circuit 25 d'emmagasinage d'énergie. Avec cette disposition, le condensateur C2 est destiné à fournir une correction peimettant au transformateur T d'avoir une longue constante de temps. La résistance R3 est nécessaire pour régler le courant chargeant le condensateur 01. 30 La disposition représentée sur la figure 4 est essentielle ment une variante de celle représentée sur la figure 2 et fonda-• mentalement elle comprend un condensateur C3 (qui peut être réglable) connecté en parallèle avec la résistance R1. Le conden-teur C3 règle la vitesse à laquelle le condensateur C1 est chargé. 69 44282 5 2026745 Ainsi, lorsque le condensateur 03 a une valeur beaucoup plus grande que celle du condensateur 01, la vitesse à laquelle C1 est chargé dépend dans une large mesure de la vitesse à laquelle le condensateur 03 se décharge à travers la résistance R1. En 5 pratique, le condensateur 03 peut avoir une capacité fixe comprise entre 1/4 et 20 fois celle du condensateur 01. Dans la disposition de la figure 5, le condensateur 03 est shunté par une résistance R4 pour permettre un réglage supplémentaire de la vitesse à laquelle le condensateur 01 est chargé. 10 les redresseurs D2 et D3 sont ajoutés pour découper la combinaison du condensateur 03 et de la résistance R4.0n peut supprimer l'un ou l'autre de ces redresseurs D2 et D3. - Dans la disposition de la figure 6, le redresseur D1 est remplacé par un thyristor TH1 dont la grille (ou électrode de 15 commande) est connectée à un circuit d'amorçage P. Le circuit d'amorçage est classique et est connecté électriquement à l'électrode 4 de façon qu'il fonctionne indépendamment du mode de fonctionnement à un moment quelconque. Le circuit d'amorçage P peut aussi être modifié en incorporant un élément de temporisation 20 de façon que le signal déclenchant le thyristor TH1 soit retardé d'une période de temps choisie après le changement du mode de fonctionnement du mode d'arc au mode de court-circuit ou inversement. / La figure 7 représente un autre, circuit destiné à modifier la vitesse à laquelle le courant d'arc est augaenté par le.courant 25 de court-circuit. Dans cette disposition, le circuit de la figure 2 est modifié en remplaçant la résistance R2 par des résistances R5, R6, R7 montées en série . Les jonctions entre ces résistances sont reliées»comme représenté,à des connexions supplémentaires en séries du redresseur D4 et du condensateur 04> et d'un 30 redresseur D5 et d'un condensateur 05. Les valeurs des condensateurs d'emmagasinage 01, 04 et 05 sont choisies de façon que lorsqu'ils sont entièrement chargés, leur tension diminue du condensateur 01 au condensateur 05. Ainsi, lorsque l'arc est court-circuité pour la première fois, et qu'un courant de court-35 circuit circule à travers le redresseur D1, le condensateur 01 est déchargé jusqu'à ce qu'il atteigne une valeur à laquelle le redresseur D4 devient conducteur et le condensateur 04 44282 6 2026745 commence à se décharger. Le même processas est suivi pour provoquer également la décharge du condensateur C5. A cause de la synchronisation inhérente des décharges de ces condensateurs, on peut donner une forme voulue à l'onde du courant de décharge de court-circuité Evidemment, on pourrait ajouter d'autres 5 combinaisons de résistances, de redresseurs et de condensateurs, comme voulu. La capacité combinée des condensateurs C1, C4 et 05 est choisie de façon qu'elle soit égale à celle du condensateur 01 de la disposition représentée sur la figure 2. Sur le schéma synoptique de la figure 8, le régulateur 12 10 est destiné à tirer le courant de charge du dispositif d'emmagasinage d'une façon indirecte par l'intermédiaire du filtre S. Par ailleurs, le circuit fonctionne comme décrit en se référant à la figure 1. Dans le montage représenté sur la figure 9, on a représenté 15 en détail un filtre sous une fonne qui s'est avérée avantageuse. IH/komprend deux bobines d'induction L1 et L2 montées en série , leur jonction médiane étant connectée à un condensateur de filtrage 06. Comme représenté, une résistance chutrice R8 est connectée dans le circuit de charge du condensateur 01. 20 Dans le filtre, la bobine d'induction L1 et le condensateur 06 exécutent leur fonction normale. Cependant, la bobine d'induction L2, outre le filtrage, est également destinée à avoir un effet stabilisateur sur l'arc en fournissant une meilleure tension de réamorçage. Ceci est représenté sur les figures 10 et 11 25 sur lesquelles le champ appliqué (H) est tracé en fonction du flux produit (B) dans le noyau de la bobine d'induction. La courbe de la figure 10 représente une courbe particulière de perméabilité magnétique d'une bobine d'induction utilisée pour un filtrage classiquë, tandis que la figure 11 représente la 30 courbe de perméabilité magnétique pour la forme spéciale de la bobine d'induction qui s'est avérée particulièrement avantageuse dans le circuit de la présente invention. La principale différence entre ces deux courbes réside dans le fait que la valeur de l'inductance croissante sur la première partie 18 de la courbe 35 de la figure 11 est supérieure à celle de la partie suivante 20 et est normalement deux fois plus grande. 69 44282 7 2026745 La figure 12 représente une bobine d'induction d'une forme qui donne la courbe de perméabilité magnétique représentée sur la figure 11. Dans cette bobine d'induction, le noyau 22 présente un entrefer à gradin 24. Lorsqu'un courant passe à travers la bobine 5 excitatrice 26, le flux résultant a tendance à se concentrer dans l'espace compris entre les faces polaires partielles les plus rapprochées pour les faibles valeurs du champ appliqué, ce qui aboutit à la partie 18 de la courbe, tandis que pour les valeurs plus élevées de H, ces pôles sont saturés et le flux s'accumule ensuite sur 10 les faces polaires plus éloignées, ce qui donne la partie normale 20 de la courbe. La transition relativement brusque entre les parties 18 et 20 de la figure 11 peut être.réduite pour donner une courbe qui augmente encore plus rapidement au début, en comparaison de la courbe traditionnelle de perméabilité magnétique, par 15 exemple en donnant à l'entrefer une forme effilée, comme représenté sur la figure 13. Les formes d'ondes représentées sur les figures 14,a et 14b sont des tracés d'oscillogrammes obtenus à partir d'un procédé classique de soudage par transfert et au trempé utilisant une source 20 d'énergie triphasée. La figure 14a représente la forme d'onde d'intensité en fonction du temps et la figure 14b représente la forme d'onde de la tension en fonction du temps. Un procédé de soudage par transfert et au trempé utilisant une source d'énergie monopha- ' sée manifesterait fondamentalement les mêmes formes d'ondes mais 25 avec une plus faible fréquence de trempage. Les figures 15a et 15b montrent des formes d'ondes analogues à celles des figures 14a et 14b, mais pour l'appareil de soudage par transfert et au trempé de la présente invention, en utilisant une source d'énergie monophasée. Ces figures montrent plusieurs 30 différences importantes, en particulier la variation rapide du courant de soudage (figure 15a) lorsque l'arc est court-circuité. Une autre caractéristique réside dans l'amplitude de la tension de soudage immédiatement après l'interruption du court-circuit. Même avec des bobines d'induction classiques (ou bobines d'arrêt), 35 cette tension de réamorçage est élevée, en aboutissant à une stabilité de l'arc, et avec des bobines d'arrêt du type représenté sur les figures 12 et 13, cette 69 44282 8 2026745 tension est encore plus élevée. On peut obtenir le même effet qu'avec la bobine d'induction spéciale 12 en utilisant deux bobines d'induction séparées ou plus, montées en série . Dans ce cas, il est alors souvent commode 5 de monter les bobines d'induction produisant la partie 18 de la courbe de la figure 11 en série avec la sortie du filtre S et celle du circuit d'emmagasinage d'énergie. la figure 16 montre une autre variante du circuit de la figure 9 dans laquellqia bobine d'induction L2 est remplacée par une 10 bobine d'induction à prise 13, les courants d'arc et de court-circuit passant à travers la prise. Avec cette disposition, le courant de court-circuit allant vers la prise passe par une partie de l'enroulement de la bobine d'induction L3, en produisant des ampères-tours, en opposition avec ceux produits par le courant d'are- circulant 15 à travers le filtre. Ces ampères-tours en opposition ont pour effet d'augmenter provisoirement le courant provenant du filtre, en augmentant ainsi le courant de court-circuit, le rapport des spires entre les deux parties de la bobine d'induction 13 peut être compris entre une faible valeur (moins de 1:1) et une valeur 20 très élevée (plus de 100:1) en fonction du prix et d'autres facteurs. Le circuit représenté sur la figure 17 comporte une source E de courant alternatif à la tension du secteur, qui est connectée à un transformateur de puissance î , connecté à son tour aux bornes 25 d'un pont redresseur à deux alternances Z. Le côté positif du pont Z est connecté par l'intermédiaire d'une bobine d'arrêt 13 à une borne de sortie positive 30. le côté négatif du pont Z est . connecté à une borne de sortie négative 32. Un redresseur D6 est monté en parallèle avec le pont Z et les bornes de sortie et il 30 est connecté en série avec un accumulateur 34. le redresseur D6 est shunté par une résistance de dérivation R9. le circuit produisant le courant alternatif redressé, qui comporte la bobine d'arrêt 13, est tel qu'il présente une courbe caractéristique de tension/intensité légèrement • 35 descendante, afin de limiter le courant de court-circuit, bien qu'on puisse avoir recours à des sources de courant ayant d'autres formes de courbes caractéristiques. Ainsi, avant que l'arc de soudage soit amorcé, la haute tension aux bornes de sortie 69 44282 9 2026745 applique une polarisation inverse au redresseur D6 pour empêcher la décharge de l'électricité depuis l'accumulateur 34. En outre, la résistance R9 permet à l'accumulateur de se charger. Avec l'augmentation du courant de soudage, la tension aux bornes de 5 sortie diminue jusqu'à ce que, lorsque l'électrode de soudage est sensiblement en court-circuit avec la pièce, la tension soit tombée suffisamment bas pour que le redresseur D6 devienne conducteur et que le courant de soudage circule depuis l'accumulateur 16. Dans le circuit de la figure 17 , la bobine d'induction 10 L3 constitue un filtre, entre autres choses. Si on le désire, on pourrait utiliser un condensateur en parallèle pour former un réseau en n/2». En outre, la charge et la résistance R9 pourraient être connectées à l'entrée de la bobine d'induction 13 ou à un autre endroit, si on le désire. 15 L'accumulateur fonctionne fondamentalement comme un condensa teur d'un type particulier, mais les différences entre ledit accumulateur et un condensateur réel, pourraient être importantes dans certaines applications. 442è2 10 2026745 REVENDICATIONS 1. Appareil de soudage électrique utilisé dans un procédé dans lequel des périodes de contact de court-circuit entre une électrode/aMiscjBmaKLe et une pièce alternent avec des périodes 5 d'arc, appareil caractérisé en ce qu'il comporte une source de courant alternatif monophasé redressé connectée à un circuit combiné de filtrage et d'emmagasinage d'énergie* aux bornes duquel sont connectées l'électrode de soudage et la pièce, le circuit combiné comportant un interrupteur commandant la circulation 10 du courant depuis au moins un composant d'emmagasinage d'énergie vers la sortie d'un filtre en fonction des caractéristiques ou paramètres du processus de soudage à l'instant considéré.. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur est un redresseur. 15 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur est un thyristor dont l'électrode de commande est connectée à lTélectrode de soudage. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant d'emmagasinage 20 d'énergie est un condensateur," I*înterrupteur et le condensateur étant montés en série l'un avec l'autre et étant connectés électriquement en parallèle avec l'électrode et la pièce. 5. Appareil de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un trajet de ladite source à une jonction 25 entre le redresseur et le condensateur, ledit trajet présentant une impédance résistive. 6. Appareil de soudage selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'impédance résistive est réglable. 7. Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendica- 30 tioiB précédentes,caractérisé en ce que le filtre comprend un circuit présentant au moins une bobine d'induction sur le trajet en série entre la source et l'électrode et un condensateur sur le trajet en parallèle. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que 35 le filtre est un réseau en T comportant deux bobines d'induction en série sur le trajet compris entre la source et l'électrode de soudage et ayant un condensateur sur le trajet en parallèle. 442Ô2 11 2026745 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que chacune des bobines d'induction est une bobine d'arrêt à noyau de fer et en ce que les deux bobines d'arrêt présentent des entrefers ayant des impédances différentes et des niveaux de 5 saturation différents. • 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'un au moins des entrefers a une section droite et régulière dans sa dimension parallèle aux faces polaires qui le définissent. 11.Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce 10 que l'une au moins des faces polaires est à gradin. 12. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les faces polaires divergent le long d'un axe au moins. 13. Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que l'une au moins des bobines d'induction 15 est à prise ou est réglable d'une autre façon. 14. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes , caractérisé en ce que la capacité d'emmagasinage d'énergie est représentée par un accumulateur. 15. Appareil selon l'une quelconque des revendications 20 précédentes,caractérisé en ce qu'il est prévu plus d'une combinaison de redresseur et de condensateur montés en série , chaque combinaison ne shuntant que le condensateur de la combinaison suivante. 16. Appareil de soudage électrique dans un procédé dans -lequel 25 des périodes de contact de court-circuit entre une électrode consommable et une pièce alternent avec des périodes d'arc, appareil caractérisé en ce qu'il comporte une source de courant alternatif monophasé redressé connectée à un circuit combiné de filtrage et d'emmagasinage d'énergie,aux bornes duquel 30 sont connectées l'électrode de soudage et la pièce et dans lequel le filtre est un réseau en ï comportant deux bobines d'arrêt sur les bras en série et un condensateur sur le bras en parallèle , sur lequel une résistance de charge est connectée entra l'entrée du réseau en T et une jonction entre un redresseur monté en série 35 et un condensateur d'emmagasinage monté en parallèle avec l'électrode de soudage et la pièce , les valeurs des composants étant choisies de façon' que la fréquence du contact de court-circuit soit sensiblement supérieure à celle de la source monophasée 69 44282 12 2026745 et de façon que le redresseur devienne conducteur à des instants déterminés par le fonctionnement du procédé de soudage. 17. Procédé de soudage électrique dans lequel des périodes de contact de court-circuit entre une électrode consommable et une 5 pièce alternent avec des périodes d'arc, procédé caractérisé en ce que,pendant les périodes de court-circuit, le courant circulant directement vers l'électrode depuis une source de courant monophasé» est augmenté par le courant provenant d'un circuit d'emmagasinage d'énergie par l'intermédiaire d'un interrupteur commandé automa-10 tiquement en fonction du mode de fonctionnement du procédé de soudage. 18. Pièces caractérisées en ce qu'elles sont soudées par l'appareil ou le procédé selon l'une quelconque des revendications 15 précédentes.