Brevet FR2246349A1 — publié le 19750502

L'application du courant unidireetionnel à faible composante résiduelle de redressement en soudage électrique de type hexaphasé semble dater d'une vingtaine d'années et l'on en trouve un exemple d'utilisation en abnentation d'arc, dans une édition de 1953 des "Techniques de l'Ingénieur". Or il est apparu à la demanderesse que ltutiliaa tion d'un courant de ce genre à 300 Hz d'ondulation résiduelle pour le courant industriel à 50 Hz en France, pour le soudage par résistance présentait de nombreux avantages inconnus auparavant, sous réserve de l'application de certains paramètres qu'elle avait pu mettre en évidence. En effet, le soudage des assemblages métalliques à forts rapports d'épaisseurs de 20 et plus devenait alors possible de mme que le- soudage entre eux des feuillards minces en aciers réfractaires (genre RENE 41 aux USA) ou inoxydables présentait des caractéristiques bien meilleures que celles obtenues par les procédés antérieurs connus. - On sait qu'en matière de soudage par résistance, la sécurité des assemblages en général devient aléatoire au-delà du rapport de trois environ entre les épaisseurs. la mise au point des barèmes permettant d'obtenir des résultats en accord avec les -normes de soudage aéronautiques, deviens difficile lorsque l'on se rapproche de ce rapport de trois et ceci est rendu plus critique encore par la présence de matériaux diffi @ciles à souder tels que les alliages réfractaires à base de nickel ou cobalt du genre RENE 41 ou autres. Ces faits ont été particulièrement mis en évidence par DU. LOVELL et C.N. ANDERSON dans leur article "PROCESS AND DESIGN CRITERIA FOR RESISTANCE WELDlNG RENE 41" du Welding Journal de Juillet 1964 où il est indiqué entre autres " Le soudage devent difficile si le rapport des ctats- seurs à souder est supérieur à 2,5/1, par manque de pénétration. De même, les auteurs soulignent les difficultés intrin sèques au soudage des feuillards réfractaires, lorsqu'ils-ndi- quent " Les défauts de soudage des feuilles minces de 0,3 mm çu lmm apparaissent sous la forme de crachements provoqués par un temps de préchauffage trop court et/ou une intensité de soudage trop élevée. et que La La faible pénétration est attribuée à une intensité de soudage insuffisante et à des temps de chauffage longs La cwmanderesse a donc pu déterminer, gracie à de nombreux essais, les paramètres exacts conditionnant la réalisation de soudures correctes tant d'assemblages métalliques de grands rapports d'épaisseurs que d'assernblages aciers réfractaires ou inoxydables par courant de type hexaphasé, et elle propose, en conséquence, une machine à souder par résistance qui autorise la majeure partie des assemblages particuliers actuellement rencontrés dans 1'IndUstrie Aérospatiale. La machine à souder conforme à l'invention comporte essentiellement un montage en triangle des primaires de trois transformateurs monophasés, un montage des secondaires desdits transformateurs tel que triphasé 1/2 onde à self d'interphase ou triphasé étoile ou triangle ou encore tri-hexaphasé donnant dans tous les cas sur les électrodes de soudage une ondulation résiduelle à 4% d'amplitude de courant moyen et 300 Hz en fréquence (pour une-alimentation à 50 Hz),une commutation instantanée des primaires obtenue par des valves électroniques con trAolées montées teAte-beAche deux à deux, un montage de redressement du courant obtenu par des cellules redresseuses montées dans les branches des circuits secondaires, un équilibrage dynamique obtenu par une disposition géométrique telle que circulaire permettant d'obtenir des circuits identiques entre chacune des sorties secondaires des transformateurs et ltélectrode de soudage correspondante et un contrôle du courant de soudage autorisant d'une part 3;1 application de temps courts de soudage par 1/6ème de période et d'autre part la conformation de 11 onde de soudage en diverses phases de courant croissant ou constant ou décroissant afin de favoriser le préchauffage et le refroidissement de la zone fusionnée. L'invention va de toutes manières être bien comprise dans la suite du texte qui va montrer , à titre d'exemple et à l'appui des dessins annexés, des formes de réalisation visant une machine à souder par résistance particulièrement adaptée au soudage des -assemblages de grands rapports d'épaisseurs ainsi qu'au soudage des aciers réfractaires de faible épaisseur. Sur les dessins la figure 1 est un diagramme montrant la forme d'onde du courant d'un circuit monophasé redressé classique où l'on voit que le temps de conduction est au rr..aximum égal à It la figure 2 est un diagramme montrant la forme d'onde du courant d'un circuit triphasé redressé classique où lton voit que le temps de conduction est égal à- ; la figure 3 est un diagramme montrant la forme du cou rant d'un circuit trihaxaphasé redressé où l'on voit que le temps de conduction est cette fois égal à la figure 4 est un schéma électrique montrant un cir cuit triphasé redressé double alternance étoile;; la figure 5 est un schéma électrique montrant un cir cuit triphasé redressé double alternance triangle; la figure 6 est un schéma électrique montrant un cir- - cuit tri-hexaphasé redressé une alternance ; la figure 7 est un schéma électrique montrant un cir cuit tri-hexaphasé redressé avec self dtinterphase; la figure 8 est un schéma électrique montrant le mon tage des valves électroniques alimentant les primaires des trois transformateurs monophasés utilisés dans les circuits précités; la figure 9 est un diagramme type montrant les carac téristiques d'une diode silicium en surcharge en fonction de la la température de la jonction;; la figure 10 est un diagramme montrant des caractéris à rupture tiques/d assemblage par soudage en courant monophasé et hexa phasé en fcnction de l'affichage du courant de soudage pour un assemblage donné ; la figure li est un diagramme montrant les caractéris tiques limites dtassemblage par soudage en courant monophasé Pilet hexaphasé en fonction du temps de soudage pour un assemblage donné; les figures 12, 13 et 14 sont des reproductions d'os cillogrammes de courants de soudage en olldes non conformées et on ondes conformees; ; la figure 15 est un diagramme type montrant les zones caractéristique dc soudage d'un assemblage donné de feuilles minces. Si. l'on se reporte à la figure 8, on voit que le montage de soudage par résistance conforme à l'invention comporte, tout d'abord, une première partic comprenant un circuit primaire à trois transformateurs 1 132, 3- montés c-n triangle, que ces transformateus sont alimentés à travers des valves électroniques montées tête-bêche 4a, 5a, 6a et 4b,5b,6b du type triode à gaz ou à vapeur métallique (ignitron, thyratron) ou bien encore du type cristallin à électrode de commande (thyristor) et que la commande du temps de soudage et le réglage du courant de ces valves sont réalisés par un commutateur électronique 7 dont le fonctionnement est connu en lui-même. En examinant ensuite les figures 4,5,6 et T on peut voir qu a un montage unique des primaires 1,2,3 des trois transformateurs monophasés de la figure 8, peuvent correspondre différents montages (connus) des secondaires de manière à produire, dans tous les cas, un courant à faible ondulation résiduelle de l'ordre de 4% du courant moyen et de fréquence 300 Hz pour une alimentation à 50 Hz en usage en France. La figure 4 montre un schéma classique selon-lequel les primaires 1,2,3 des transformateurs, qui sont repérés la, 2a,3a sur cette figure 4, sont disposés dans un circuit connu de type triphasé amenant une disposition en étoile des secon- daires 8a,9a et 10a desdits transSormateurs. La figure 5 montre un deuxième schéma classique selon lequel les primaires 1,2,3 des transformateurs monohasés,qui sont repérés lb,2b,3b sur cette figure 5, sont disposés dans un circuit connu de type triphasé amenant une disposition en triangle des secondaires Bb,9b,10b desdits transformateurs. La figure 6 montre un troisième schéma classique selon lequel les primaires 1,2,3 des transformateurs monophasés,qui sont repérés 1c,2c,3c sur cette figure 6, sDnt disposés selon un circuit connu de type tri-hexaphasé dans lequel les milieux des secondaires 8c'-8c", 9ct-9c" et 10c'-10c" sont réunis en un point commun 11. La figure 7 montre enfin un dernier schéma classique selon lequel les primaires i > 2,3 des transformateurs monophasés, qui sont repérés ld,2d,3d sur cette figure 7, sont disposés selon un circuit connu de type triphasé 1/2 onde double étoile dans lequel les demi-secondaires 8d'-8d", 9d'-9dW et 10d1-10d' sont réunis aux points 12 et 13 reliés entre eux par une self interphase 14. Le courant issu des secondaires de ces transformateurs est redressé, selon les schémas indiqués sur les figures 4 à 7, par des cellules redresseuses 15a,15b, 15c, 15d et 16a,16b, 16,16d comportant chacune au moins une diode au silicium (repérée 19 dans la cellule 15a) de telle sorte que toutes les anodes desdites diodes soient dirigées vers les électrodes négatives de soudage17a, i7b, Ilc, 17d et les cathodes desdites diodes soient réunies aux électrodes positives de soudage 18a,18b,18c,18d, un autre cas restant possible avec inversion des diodes Il est à noter que la conception géométrique d'ensemble, qui ressort des schémas de ces figures 4 à 7, est telle que les impédances des branches de chaque circuit secondaire sont rigoureusement équilibrées entre elles de manière à obtenir ainsi un courant à ondulation non perturbée en charge sur les électrodes de soudage. A titre de comparaison entre les montages fournissant un courant monophasé redressé indiqué sur la figure 1 et un courant triphasé redressé indiqué sur la figure 2, la figure 3 montre maintenant la forme d'onde du courant à faible taux d'ondulation résiduelle fourni par des des montages représentés sur les figures 4 à 7. Sur la figure 1, on.voit que l'angle de conduction correspondant au passage du courant dans une diode de redressement en courant/monophasé est au maximum de # alors que le taux d'ondulation est maximal à / 48 % (sur charge résistive). Sur la figure 2, on voit que l'angle de conduction correspondant au passage du courant dans chaque diode, en courant triphasé, a lieu aux instants 1' - 2' et se trouve de alors que le taux d'ondulation est cette fois ramené à environ est La figure 3 montre quater courant hexaphasé les instants de communation se produisent aux instants 1"-2"-3"-4" que Que le taux d'ondulation-est cette fois très faible à environ 4 et que ltangle de conduction est réduit à Il est ainsi aisé de constater, sur cette figure 3, que le contrôle de ce courant hexaphasé va pouvoir s'effectuer en 1/6ème de période à #/3 ( 0,0033 seconde) au lieu d'une 1/2 période monophasée(2 it ) donnant ainsi un réglage plus fin du temps de soudage pour les montages des figures 5, 6 et 7. Le fait que chaque cellule redresseuse comportant les diodes ne conduise qu'une fraction de période réduite ( 3 ) va permettre une utilisation en surcharge des dites diodes et ceci est mis en évidence sur le diagramme de la figure 9. Sur cette figure 9 représentant les caractéristiques de surcharge d'une diode silicium de 275 Amp. moyen, on voit que le courant admissible dépend étroitement de la durée de passage de ce courant (ou conduction) liée à la température de la jonction.Ainsi, avec un redroidissement forcé par radiateur à eau par exemple de la diode maintenant la jonction à 850 C, le courant admissible peut atteindre 4 200 Amp. pendant une durée de l'ordre de 10 millisecondes ou s En comparant ces ordres de grandeur avec la durée de conduction d'une diode d'un circuit hexaphasé, il est aisé de constater que la conduction à #/3 ou 3 millisecondes est encore très inférieure aux 10 millisecondes autorisées par la diode ci-dessus en surcharge, donc que la commutation entre les diodes des cellules redresseuses s'effectuera sans que le taux de travail maximal de chaque diode soit atteint. Ainsi des courants très élevés, de 11 ordre de 100 000 Amp ou plus pourront être atteints aux électrodes par l'uti- lisation de 10 ou 20 diodes convenables en parallèle groupées dans les cellules redresseuses. L'obtention d'un courant unidirectionnel, de forte in tensité, à' faible taux d'ondulation (S 0) et parfaitement équilibré, autorise des assemblages dont il a déjà été fait menti on et qui vont maintenant être mieux explicités dans la suite du présent texte. Si l'on se reporte à la figure 11,on voit à titre d1exemple,sur le diagramme issu d'essais faits par la demanderesse, que 11 assemblage par soudage par points de deux feuilles d'acier inoxydable Z12CN18-8 à 120 h bar de 0,2 + 0,2mm, pcnte de bien meilleures caractéristiques en courant hexa phasé qu'en courant monophasé. Il est clair selon ce diagramme que, pour un temps de soudage de 1 période monophasée correspondant à 4/6ème de période hexaphasée (se reporter à la figure 3), la résistance à la rupture du joint soudé passe de 99 daIl à 109 daN à la limite du crachement. Sur cette même figure ll, les résistances à rupture sont confondues (88 daN) pour un temps de soudage court correspondant à 1/6ème de période hexaphaséc ou 1/2 de période monophasée. La figure 10 montre maintenant les variations de résistance à la rupture des joints soudés d'un assemblage identique au précédent en fonction du réglage du courant dans cet assemblage. Il a été porté en outre, sur les diagrammes, les points caractéristiques des résultats de soudage ç correspon dant au diamètre des points de soudure en fonction du courant utilisé sur cet assemblage: # 2 ## 3 : Résultats/conformes aux spécifications. 3 3 : Extrême limite avant les expulsions de métal. # 3 ## 4 : Expulsion de métal. On peut constater que la résistance à la rupture du joint soudé demeure toujours supérieure en courant hexaphasé dès la deuxième alternance. Le courant hexaphasé obtenu, et réglé conformément à la présente invention, peut par ailleurs être conformé pour 'ajuster aux paramètres de soudage difficile comportant des phases de pré chauffage et de refroidissement de la zone fusionnée. Ainsi les figures 12 et 13 montrent des diagrammes rai; sant intervenir conformément à l'invention une conformation de l'onde de soudage, c'est-à-dire und phase en courant décrois sant I correspondant a une période de chauffage, une phase en courant stable II correspondant à un palier et enfin une phase en courant décroissant I;1:I correspondant à une période de refroidissement. La figure 14 montre comparativement une onde non conformée. On sait qu'en soudage pa résistance, pour un effort sur l'assemblage et pour un type dSélect-rodes de soudage donné, le phénomène de projection de métal fondu fait apparaître mie notion d'intensité eritique instantanée à ne pas dépasser. Le diagramme de la ligure 15 rappelle à cet effet en fonction de l'intensit@ et du temps et pour un assemblage don- nc,que5 d'une part: . Ier est 11 intensité critique instantanée que peut supporter l'assemblage. . Idf est l'intensité provoquant le début de la fusion. . I barème est la loi de courant la mieux appropriée pour le soudage et, d'autre part . A est la zone de soudabilité. . B est la zone de projection de métal fondu. . C est la zone de collage où toute $l'énergie est dissapée par conduction thefliique et rayonnement. . D est une zone très étroite liée à la disparition rapide de la résistance de contact à 11 interface des tôles. . E est une zone à éviter où le diamètre du point n'augmente que très peu et où l'on rencontre une affectation thermique et des déformations importantes. Ce diagramme met bien ainsi en évidence le fait que, des trois courants représentés: monophasé, triphasé et hexaphasé, c'est bien ce dernier qui permet d'approcher au plus près la courbe critique, donc d1 apporter le maximum d1 énergie pour un temps de soudage imposé par la-zone E. Ceci peut d'ailleurs être une explication à l'accrois- sement de la pénétration pour les assemblages à forts rapports d'épaisseurs déjà mentionnés dans le début de ce texte. On voit encore que5 lorsque la zone de soudabllité se réduit selon Idf' et Icrt dans le cas d1 assemblages très diffi- ciles, c'est encore le courant hexaphasé qui s'intègre le mieux dans une telle zone très étroite. La conformation de l'onde de courant soudage est bien entendu possible on agissant sur l'organe de commande 7 qui contrôle l'énergie du courant par 1/6ème de période ainsi que le nombre d'alternances à appliquer pour un type de courant donné. A titre indicatif, la figure 14 montre un relevé d'os- cillogrammes I/t montrant une onde non conformée à courant hexaphasé constant pendant 12/6ème de période. Lorsque l'onde doit être conformée pour assurer un préchauffage puis 'un refroidissement de la zone soudée, on peut appliquer une onde dont la conformation peut alors autre celle des diagrammes des figures 12 et 13. Sur le diagramme de la figure 12, le préchauffage I en courant croissant est de 3/6ème de période, le soudage Il en courant constant-de 6/6ème de période et le refroidissement III en courant décroissant de 3/6ème de période. Sur le diagramme de la figure 13, le préchauffage I en eourant croissant est de 6/6ème de période, le soudage Il en courant constant de 3/6ème de période et le refroidissement III en courant décroissant de 3/6ème de période. Bien entendu, toutes les allures de conformation d'une onde de soudage peuvent être obtenues par réglage convenable de 1' organe de commande 7 qui règle l'intensité ainsi que le nombre de périodes à appliquer en fonction de ce type courant Il est bien évident que la présente invention n'a été donnée qu'à titre indicatif pour bien montrer les avantages qui découlaient de l'application de la machine à souder selon l'invention et que toutes les adaptations ou transformations qui seraient effectuées dans son esprit resteraient dans le cadre de cette invention. REVENDICATIONS 1 - Machine à souder par résistance en courant alternatif redressé pour assemblages difficiles en particulier de types aérospatiauxss caractérisée en ce qu'elle comprend un non- tage en triangle des primaires de trois transformateurs monophasés, un montage des secondaires desdits transformateurs tel que triphasé 1/2 onde à self d'interphase5 triphasé étoile ou triangle ou encore tri-hexaphasé donnant dans tous les cas sur les électrodes de soudage une ondulation résiduelle à 4% d'amplitude de courant moyen et 300 Hz pour une alimentation à 50 Hz, un contrôle des primaires obtenu par des valves électroniques montées tete-bêche deux à deux, un montage de redressement -du courant obtenu par des cellules redresseuses montées dans les branches des circuits secondaires, un équilibrage dynamique total obtenu par une disposition géométrique telle que circulaire permettant d'obtenir des circuits identiques entre chacune des sorties secondaires des transformateurs et ltélectrode de soudage correspondante, un contrôle du courant de soudage autorisant d'une part ltap- plication de temps courts de soudage par-1/6e'me de période et d'autre part la conformation de I1 onde de soudage en diverses phases de courant croissant ou constant ou décroissant afin de favoriser le préchauffage et le refroidissement de la zone fusionnée ou permettre un deuxième cycle de traitement thermique. 2 - Machine à souder par résistance selon la revendica- tion l, caractérisée en ce que chaque cellule redresseuse com- porte une pluralité de diodes à fortes surcharges montées en parallèle. 3 - Machine à souder par résistance selon la revendication 1, caractérisée en ce que les valves électroniques sont soit du type triode à gaz ou vapeur métallique tel que redresseur à vapeur de mercure à grille de commande, ignition, thyratron, soit du type cristallin tel que thyristor 4 - A titre de produits industriels nt?veaux/les assemblages obtenus à l'aide de la machine selon l'une quelconQue des revendications 1 à 3 caraqtérisés en ce que les matériaux métalliques en présence présentent des cas difficiles de sou dabilité, soit du fait de leurs grande rapports d'épaisseurs, soit du fait de leur @ature réfra@taire ou inoxydable, les deux das ci-dessus pouvant en outre se présenter conjointement.