Brevet FR2027156A1 — publié le 19700925

i 2027156 La présente invention se rapporte à un procédé de soudage à l'arc au moyen d'une électrode protégée par un gaz, et plus particulièrement à un tel procédé de soudage utilisant du courant alternatif. 5 Le soudage en courant alternatif est particulièrement avanta geux dans les applications exigeant un décapage de la surface du métal à souder. Les métaux, tels que l'aluminium et le magnésium, ainsi que leurs alliages, exigent un tel traitement. Une pellicule d'oxyde réfractaire se forme aisément sur la surface de tels mé-10 taux et empêche la fusion. Pendant l'alternance du courant alternatif au cours de laquelle l'électrode est positive par rapport à la pièce, il se produit un flux électronique entre la pièce et l'électrode, ce qui disperse la couche d'oxyde en laissant subsister une surface nette pendant l'alternance opposée du courant de 15 soudage. Toutefois, cela présuppose l'existence d'un arc pendant les deux alternances* Or, l'arc s'éteint périodiquement à chaque instant auquel l'intensité du courant est nulle. Un rallumage de l'arc au début de l'alternance de polarité inverse, alors que l'électrode est positive par rapport à la pièce, exige une tension 20 disponible notablement plus élevée que la tension de circuit ouvert fournie par les blocs d'alimentation de soudage classiques. Les blocs d'alimentation de soudage sont conçus, pour des raisons de sécurité, avec une tension de circuit ouvert relativement basse. En conséquence, dans le soudage en courant alternatif, le rallumage 25 de l'arc doit être provoqué par des moyens auxiliaires. Jusqu'à présent, l'arc était rallumé, lors d'une alternance sur deux, par superposition de haute-fréquence ou à l'aide de moyens d'injection de surtension. Cette injection est coûteuse et exige un équipement complexe, tandis que la haute fréquence exige une protection pous-30 sée pour éviter des interférences radio gênantes et n'assure pas un rallumage positif et instantané. invention D'autres caractéristiques et avantages de la présente/ressor-tiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé et donnant à titre explicatif mais nullement limitatif, une 35 forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ce dessin : la fig. 1 est un schéma de câblage de la machine à souder illustrant l'invention ; la fig. 2 est un diagramme vectoriel des tensions du circuit, 40 et 69 .45091 2 2027156 la fig. 3 est un schéma de câblage modifié de la machine à souder de la fig„ 1. On va tout d'abord examiner la fig. 1 où l'on peut voir en E une électrode non consommable, en général en tungstène,fixée de 5 façon rigide à l'intérieur d'un chalumeau à une distance prédéterminée au-dessus de la pièce à souder W. L'électrode^ et la pièce à souder W sont montées en série avec la bobine d"' iftâuctiopi 14, le condensateur 16, la résistance 18 et la source d'alimentation en courant alternatif 12. La source d'alimentation en courant alter-10 natif 12 est une souree de courant alternatif classique qui peut être représentée sous sa forme la plus simple par un transformateur dont le primaire est connecté à une ligne d'alimentation en courant alternatif. Un arc A est initialement établi entre l'électrode E et la pièce W par des moyens convenables quelconques, par 15 exemple en touchant matériellement la pièce à souder W avec l'électrode E puis en retirant celle-ci, ou encore à l'aide de moyens haute-fréquence. On fait passer le gaz de protection à travers 4e chalumeau par des moyens (non représentés) pour protéger l'électrode, l'arc et le bain de soudure fondue contre toute contamina-20 tion atmosphérique. Pendant que le courant alterne en réponse à la tension alternative d'entrée, l'arc s'éteint à chaque instant d'intensité nulle Le gaz de protection occupant l'espace compris entre le bout de l'électrode E et la pièce à souder W reste conducteur après l'ex-25 tinction de l'arc pendant une brève période de temps, ce qui permet un rallumage de l'arc à des niveaux de tension notablement inférieurs à' celui qui serait nécessaire dans une atmosphère non conductrice. D'une manière analogue, l'extrémité chaude de l'électrode et la surface chaude de la pièce à souder permettent égale-30 ment des tensions de rallumage plus basses à condition que l'arc soit immédiatement rallumé avant tout refroidissement. La tension spécifique nécessaire pour assurer un rallumage d'arc sûr diffère suivant le métal et varie avec l'état de surface, l'intensité, le gaz, le type et les dimensions de l'électrode ainsi que l'espace-35 ment entre l'électrode et la pièce» Si l'on utilise un,arc auxiliaire continu, l'espacement est un facteur moins critique. L'American Welding Society a indiqué dans son manuel Welding Handbook, cinquième édition 1963* Tome 2, Chapitre 27, Pages 8 à 12, que "Des essais complets ont montré que pendant les inversions du cou-40 rant impliquant le passage d'une électrode négative à une électro- 69 45091 3 2027156 de positive, environ 150 volts efficaces ou plus sont nécessaires pour permettre un rallumage sûr de l'arc. Les -machines à souder à courant alternatif standard ont généralement, une tension de circuit ouvert de 70 à 80 volts (tension efficace). Cette tension est 5 suffisante pour'assurer sans défaillance l'établissement de l'arc lors des alternances de polarité directe au cours desquelles l'électrode est négative, mais elle est insuffisante lorsque 1* électrode est positive, c'est-à-dire au cours des alternances de polarité inverse. Il en résulte un arc erratique très instable si l'on 10 n'utilise pas un procédé approprié pour injecter une tension convenablement élevée dans le circuit de soudage au débit de chaque alternance de polarité inverse. La tension élevée injectée sert à rétablir un parcours ionisé dans la région de l'arc et à produire un état d'arc stable". Il est, en outre, indiqué, chapitre 29, 15 page 10 du même manuel que les normes de la National Electric Manu-facturers' Association (NEMA) exigent pour la sécurité que la tension de circuit ouvert de soudage manuel ne dépasse pas 80 volts et que la tension de circuit ouvert pour les opérations de soudage automatiques et semi-automatiques ne dépasse pas 100 volts. 20 Comme précédemment décrit, le gaz protecteur reste conducteur pendant une brève période de temps après l'extinction de l'arc, ce qui permet l'application pendant cette période de tensions notablement plus basses que celles qui seraient nécessaires dans une atmosphère non conductrice pour provoquer le rallumage de l'arc. Pour 25 tirer avantage de ce qui précède, il est essentiel que la tension injectée soit appliquée sensiblement à un instant d'intensité nulle du courant. Même un retard d'une alternance peut exiger une tension plus élevée pour faciliter le rallumage que la tension nécessaire à l'instant d'intensité nulle. 30 En outre, l'angle de phase entre la tension et l'intensité est généralement utilisé dans les blocs d'alimentation classiques comme moyen de contrôle du courant. L'angle de phase varie généralement entre 60 et 80 degrés pour maintenir un facteur de puissance relativement faible. Cela est généralement désirable étant donné 35 que la tension de l'arc est très basse, ce qui exige une chute de tension réactive considérable dans le bloc d'alimentation de soudage pour limiter le courant, de soudage, à moins que d'autres moyens de limitation de ce courant ne soient utilisés. En soi, un déphasage n'a que peu ou pas d'influence sur le rallumage de l'arc. 40 Suivant l'invention, le seul facteur à considérer pour la 69 45091 4 2027156 stabilisation du courant alternatif est l'établissement d'une tension suffisamment élevée à chaque instant d'intensité nulle. Contrairement à ce qu'on pourrait attendre, la grandeur de l'inductance 14 de la fig. 1 s'est avérée particulièrement importante, 5 pour l'établissement d'une tension de rallumage appréciable. On a trouvé qu'une tension prévisible d'une grandeur désirée quelconque peut être établie à l'instant précis auquel le courant passe par zéro, quel que soit l'angle de phase, en rendant le produit de la valeur de crête du courant alternatif d'entrée et de la 10 réactance inductive dans le circuit inductance-capacité égal à la tension de rallumage désirée pour le type de milieu de protection utilisé. L'importance de l'inductance peut être expliquée qualitativement en considérant l'échange mutuel d'énergie entre la bobine 15 d'induction et le condensateur. Sans inductance, le condensateur ne peut être chargé à une tension supérieure à la tension injectée. Cette inductance se comporte comme une source d'énergie. Elle absorbe de l'énergie pendant la partie du cycle au cours de laquelle le courant croît et libère cette énergie dans le circuit lorsque 20 le courant décroît. Lorsque l'intensité du courant est nulle, le condensateur a absorbé la majeure partie de l'énergie libérée par la bobine d'induction et peut, en fait, engendrer à ses armatures une tension largement supérieure à la tension injectée. La grandeur de la tension instantanée du condensateur aux instants d'in-25 tensité nulle est ainsi principalement déterminée par la réactance inductive. Au début de l'alternance de polarité inverse, il est avéré que la tension du condensateur est toujours disponible pour rallumer l'arc. A condition que la grandeur de l'inductance soit . choisie en rendant le produit de la réactance inductive par l'in-30 tensité de crête instantanée égal à la tension de rallumage désirée, la valeur choisie pour le condensateur est sans importance. Toutefois, la "grandeur du condensateur affecte directement l'angle de phase, comme il ressort clairement de la fig. 2, où l'on constate immédiatement que : 35 (1) e sin© = l(XL-Xc) et que (2) ... cos 0 = IR + Va où e = tension d'entrée (efficace ou de crête instantanée) 9 = angle de phase I = intensite du courant (efficace ou de crête instantanée) 40 R = résistance 69 45091 5 2027156 Va = tension de l'arc £ = fréquence en hertz X^ = réactance inductive -L = inductance en henrys 5 Xc = réactance capacitive = g C = capacité en farads La grandeur du condensateur peut donc être arbitrairement choisie pour n'importe quel angle de phase, ou bien la capacité peut être directement calculée d'après l'équation (l) pour un an-10 gle de phase particulier donné. Une autre variante consisterait à ajouter une seconde bobine d'induction variable en série avec une inductance et une capacité minimales fixes pour faciliter le rallumage instantané. La bobine d'induction variable assurerait alors le contrôle du courant et de l'angle de phase ainsi que le trans-15 fert d'une certaine énergie de rallumage supplémentaire au condensateur. La résistance 18 n'a pas été mentionnée jusqu'à présent étant donné que la tension qui règne à ses bornes aux instants d'intensité nulle est également nulle et/ en conséquence, n'a aucun effet 20 sur la tension de rallumage. Toutefois, comme on le voit d'après l'équation (2), la valeur de la résistance peut affecter d'autres variables, tels que l'angle de phase et l'intensité. Même si la résistance 18 était réduite à zéro,, il existerait encore dans le circuit une certaine résistance interne qui aurait un effet de li-25 mitation sur le passage du courant même pour l'angle de phase zéro Bien que l'addition d'une résistance d'une faible valeur ohmique prédéterminée soit préférable dans certaines circonstances, son incorporation n'est pas essentielle à la mise en oeuvre pratique de l'invention. Conformément à l'équation (2), on peut modifier 30 l'intensité du courant en faisant varier 9 ou la résistance R. On peut faire varier l'angle de phase '©en ajustant la grandeur de la capacité ou celle de l'inductance. Des blocs d'alimentation moins coûteux utilisent une résistance variable pour le contrôle du courant . 35 Le tableau I ci- après indique les valeurs nécessaires des composants 14, 16 et 18 pour différents angles de phase. Ces valeurs ont été déterminées en utilisant la spécification donnée ci-dessous et en rendant tout d'abord le produit de la réactance inductive par l'intensité de crête égale à la tension de rallumage 40 désirée. 69 45091 6 2027156 e = Tension d'entrée (circuit ouvert) = 70 volts (efficaces) I = Courant de soudage = 100 ampères (efficaces) VAR = Potentiel de rallumage désiré = 200 volts = ImXL £ = Fréquence = 60 hertz 5 Va = tension de l'arc - 40 volts (efficaces) TABLEAU I e L(mh) cUtt) R I2R " (ohms) (watts) + 45 3,74 2880 0,095 950 - 10 +25 J>,lh 2380 0,234 2340 0 (résonance) 3,74 1880 0,3 3000 - 25 3,74 1550 0,234 2340 - 45 3,74 1390 0,095 "950 f X 4 15 On remarquera que le potentiel de rallumage est constant à tous les angles de phase. Onffait varier l'angle de phase en modifiant la grandeur du condensateur. La résistance a également été légèrement ajustée pour maintenir le courant et la tension de l'arc constants. Il est clair qu'on pourrait également fixer L et 20 C et faire varier R pour contrôler le courant. Dans ce cas, la bobine d'induction serait choisie de mainière à fournir une tension de rallumage appropriée pour 1'intensité minimale désirée du courant de commande. Le condensateur pourrait alors être choisi pour un angle de phase © particulier. 25 Le tableau II ci-après indique des valeurs de composants types pour un bloc d'alimentation à résistance fixe et à capacité variable pour différents réglages de la tension de l'arc, compte tenu des exigences suivantes du montage e = Tension d'entrée (circuit ouvert ) = 70 volts (efficaces) 30 I = Courant de soudage = 100 ampères (efficaces) VAR = Potentiel de rallumage nominal =200 volts Ç - Fréquence = 60 herts R = Résistance = 0,05 °hm Le tableau donne des exemples de valeurs nominales représen-35 tatives pour un bloc d'alimentation de. 100 ampères au maximum et pour l'étalonnage maximal. 69 45091 7 2027156 TABLEAU II ImXT ■ ImX em sin © Jj c Va e L(mh) cm t) volts volts volts 10 77,6 3,7^ 3630 200 103 97 5 20 69 3,7^ 3480 200 107 93- 40 50 3,74 3000 200 124 76 D'une manière générale, l'invention enseigne comment on peut obtenir un potentiel de rallumage désiré à l'instant d'intensité 10 nulle quel que soit l'angle de phase. En conséquence, si l'on connaît le courant minimal à utiliser dans une application particulière quelconque, on peut déterminer la réactance inductive en divisant le potentiel de rallumage minimal nécessaire pour le gaz de protection particulier utilisé -par le courant minimal. Ceci 15 donne l'inductance minimale nécessaire pour le bloc d'alimentation. Le bloc d'alimentation peut être de type quelconque, c'est-à-dire qu'il peut être à bobine d'induction variable, à condensateur variable, à résistance variable ou une combinaison de ces trois types. Lorsqu'on utilise de l'argon comme gaz de protection, le 20 produit minimal convenable de la réactance inductive par le courant de crête instantané s'est avéré d'au moins 100 volts, bien que 150 volts soient préférables. Pour l'hélium, le produit de la réactance inductive pour le courant doit être d'au moins 125 volts mais, de préférence, de 175 volts. En conséquence, dans le cas de 25 l'argon, par exemple, si le courant est de 80 ampères et la fréquence de 60 hertz, une inductance minimale d'environ 4 mh est satisfaisante. Par contre, pour les travaux à faible intensité, en particulier dans lesquels l'arc est enfermé dans un ajutage (un tel arc est parfois dénommé "arc à aiguille") des inductances in-30 habituellement élevées sont nécessaires. Par exemple, dans une atmosphère d'argon avec un courant de soudage de 3 ampères, une inductance d'environ 75 mh serait nécessaire pour assurer un rallumage instantané conformément aux principes de l'invention. La grandeur préférée du condensateur série qui s'est avérée fonction-35 ner de la façon la plus satisfaisante est comprise dans une gamme ne dépassant pas 60 microfarads par ampère de courant de soudage. Comme précédemment décrit, il est de pratique courante dans cette technique d'adjoindre un condensateur série au circuit de soudage pour produire un passage de courant alternatif à onde 40 équilibrée. L'onde équilibrée n'est toutefois pas indispensable et 45091 8 2027156 même en fait elle est dans certains cas indésirable étant donné que pendant l'alternance de polarité inverse, l'électrode tend à chauffer dans une mesure excessive. On a également trouvé que, lors du soudage de différents types de joint, par exemple de soudures bord à bord, une plus petite fraction de l'alternance de polarité inverse est désirable que, par exemple, dans le cas de soudures bout-à-bout. On peut déséquilibrer de façon contrôlée le système suivant l'invention en modifiant le montage de la fig. 1, comme représenté sur ia fig. 3. La seule différence entre les deux montages réside dans l'addition d'une diode shunt D1 et d'une résistance variable RI, cette combinaison en série étant à son tour montée en parallèle avec l'arc. Pendant l'alternance de polarité inverse, du courant est dévié à travers la combinaison diode-résistance, dans une mesure déterminée par le réglage de la résistance variable RI. L'alternance de polarité directe n'est pas affectée. Le condensateur C et la bobine d'induction L agissent de la manière précédemment exposée à propos de la fig. 1, en rallumant l'arc à l'instant d'intensité nulle. A titre de sécurité supplémentaire,•si l'arc est délibérément éteint pour une raison quelconque pendant l'opération de soudage, un transistor de fuite peut être placé en parallèle avec le condensateur C pour éliminer toute charge résiduelle. En général, le transistor de fuite doit être choisi de telle façon que la relation R x C soit inférieure à 10 secondes et, de préférence, de l'ordre de 2 secondes. Il est évident que ceci n'affecte pas le fonctionnement des montages des fig. 1 ou 3. L'invention vise seulement l'établissement d'une tension suffisante lors des passages par zéro des alternances du courant alternatif d'entrée pour assurer le rétablissement instantané d'un passage de courant à chacune des alternances du courant alternatif d'entrée respectivement," quel que soit l'angle de phase entre la tension et l'intensité. En conséquence, l'invention est applicable à tous les procédés d'usinage à l'arc en courant alternatif. 69 45091 9 2027156 REVENDICATIONS 1. Procédé d'usinage à l'arc avec une électrode alimentée en courant alternatif dans lequel ladite électrode est montée en circuit avec une source d'alimentation en courant alternatif ayant 5 une tension de circuit ouvert prédéterminée relativement' faible, un circuit inductance-capacité série et une pièce à usiner, et dans lequel un arc de courant alternatif est établi entre l'électrode et la pièce, caractérisé par la superposition à l'arc, à l'instant d'intensité nulle du courant, d'une tension au moins égale à la 10 valeur obtenue en rendant le produit de la valeur de crête du courant alternatif d'entrée par la réactance inductive présente dans le circuit inductance-capacité égal à là tension de rallumage désirée pour rétablir la conduction de telle manière que ledit arc de courant alternatif se rallume instantanément à chaque instant 15 d'intensité nulle quel que soit l'angle de phase entre la tension et l'intensité. 2. Procédé tel que défini dans la revendication 1, caractérisé en ce que l'arc est protégé par un .gaz et dans lequel la tension de rallumage désirée permettant de rétablir la conduction est déter- 20 minée par le gaz de protection utilisé. 3. Procédé tel que défini dans la revendication 2, caractérisé par le fait que le condensateur série du circuit inductance-capacité a une grandeur ne dépassant pas 60 microfarads par ampère du courant de soudage. 25 4. Procédé tel que défini dans la revendication 3, caracté risé par le fait que la grandeur minimale de la réactance inductive est au moins égale au quotient de 100 volts par la valeur de crête minimale du courant alternatif d'entrée pour une atmosphère protégée par du gaz argon. 30 5. Procédé tel que défini dans la revendication 3» caracté risé par le fait que la grandeur minimale de la réactance inductive est au moins égale au quotient de 125 volts par la valeur de crête minimale du courant alternatif d'entrée pour une atmosphère protégée par un gaz choisi qui peut être de l'hélium ou une combi-35 naison hélium-argon. 6. Procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications .1 à 5 ,, caractérisé par l'addition d'une résistance montée en série avec la bobine d'induction et le condensateur. 7. Procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendi-40 cations ' î à 6 caractérisé par le fait qu'une combinaison en 69 45091 10 2027156 série comprenant une résistance variable et une diode shunt est montée en parallèle directement avec l'are de telle façon que pendant l'alternance de polarité inverse, une quantité de courant prédéterminée soit déviée à travers la combinaison résistanee-5 diode en série. 8. Procédé tel que défini dajis l'une quelconque des revendications 1 al, caractérisé par le fait qu'une résistance de fuite est directement montée en parallèle avec le condensateur.