Brevet FR2284875A1 — publié le 19760409

la présente invention concerne le perfectionnement du soudage par bombardement électronique, et notamment les procédés de contré et de stabilisation de la profondeur de pénétration dans le soudage par faisceau d'électrons, et les dispositifs pour les réaliser. Elle peut etre appliquée à la commande et à la stabilisation de la profondeur de pénétration, surtout dans le soudage de pièces en métaux et alliages de petits et moyennes épaisseurs dans des installations à basse tension d'une puissance de 15 à 2O kW, avec des tensions d'accélération de 50 à 60kV. On sait qu'il est très important d'obtenir une information sur la qualité du soudage, notamment sur la profondeur de pénétration, directement pendant le soudage, tant du point de vue conduite du soudage que du point de vue détection et localisation des portions incomplètement soudées, pour l'élimination ultérieure des défauts de la soudure par une seconde passe de soudage. Toutefois, il n'existe pas actuelleient de procédé de mesure directe de la profondeur de pénétration pendant le soudage, qui permettrait d'assurer le contre et la commande et qui n'altèrerait pas la soudure. Dernièrement il a été fait une série de recherches dont le but était de trouver des paramètres indirects du processus de soudage, qui seraient en corrélation avec la profondeur de pénétration. On connatt, en particulier, des travaux faits pour mettre en évidence des relations entre la profondeur de pénétra tion et les courants d1 émission électronique secondaire apparaissant lcrs du bombardeent électronique du matériau à souder pendant le soudage. On connatt également un procédé consistant à engager dans le cordon, à une profondeur prédéterminée, un matériau différent de celui des pièces à souder. Pendant le soudage, on contre par des méthodes spectroscopiques les vapeurs se formant dans la zone de soudage et, d'après le moment où les raies correspondant aux raies spectrales du matériau engagé apparaissent dans le spectre analysé, on yge de la profondeur de pénétration. On a aussiaussi tenté de déterminer la profondeur de pénétration pendant le soudage en exploitant le rayonnement X provoqué par le freinage du faisceau d'électrons dans le cratère de soudage. Toutefois, ce procédé s'est avéré peu approprié dans le cas du soudage de pièces en matériaux absorbant les rayons X. Tous ces procédés se sont avérés insatisfaisants par suite de leur complexité, de leur basse précision, du caractère complexe de la relation des paramètres influant sur les indications des capteurs. Plus d'extension a été donnée au procédé de contrôle de la pénétration d'après la quantité d'électrons du faisceau de soudage ayant passé à travers le cordon de soudure. Ce procédé n'est applicable qu'au soudage de pièces permettant l'accès au cordon du ctté opposé à celui frappé par le faisceau d'électrons. En outre, ce procédé n'est applicable que dans le cas de pénétration complète ou presque complète de la soudure. Pour la majorité des pièces, ce procédé s'avère inapplicable par suite des limitations indiquées. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de contrôle de la profondeur de pénétration du cordon de soudure au cours du soudage par faisceau d'électrons, dans lequel la profondeur de pénétration serait déterminée en fonction des conditions physiques dans la zone de soudage pendant le soudage. Ce problème est maintenant résolu gr2ce à un procédé de contrale et de stabilisation de la profondeur de pénétration dans les pièces soudées par faisceau d'électrons, caractérisé, d'après l'invention, en ce qu'une tache de chauffe de diamètre constant étant maintenu sur la pièce, on mesure simultanément la concentration des vapeurs de métal en transformant en un courant alternatif ou une tension alternative le flux d'électons apparaissant dans la zone de soudage par suite de l'interaction du faisceau d'électrons de soudage avec les vapeurs, on discrimine la composante à haute fréquence, supérieure à 200 Hz, de ce courant ou de cette tension, on mesure son amplitude et, selon ses variations, on règle l'énergie linéique fournie au cordon de soudure. l'avantage du procédé proposé de contrôle consiste en ce qu'il permet d'obtenir une information sur la profondeur de pénétration directement pendant le soudage, aussi bien dans le cas de pénétration complète dans la pièce que dans le cas de pénétration incomplète. Le procédé proposé permet de réaliser des cordons à profondeur de pénétration prédéterminée. En utilisant un appareil enregistreur, on peut obtenir la courbe (diagramme) des variations de la profondeur de pénétration pendant le soudage et, Si des défauts sont remarqués, on peut prendre les mesures nécessaires pour les éliminer. Si la vitesse de déplacement du faisceau d'électrons sur la pièce est étale à la vitesse d'enregistrement de la courbe par l'appareil enregistreur, le défaut peut être localisé en appliquant le diagramme sur le cordon de soudure. Dans les cas où il est nécessaire de stabiliser la profondeur de pénétration, quand la concentration des vapeurs est supérieure à la valeur prescrite, il faut diminuer l'énergie linéique fournie à la zone de soudage, et quand la concentration des vapeurs diminue par rapport à la valeur prescrite, il faut augmenter l'énergie linéique. Un tel procédé permet de réaliser la mesure de la concentration des vapeurs à l'aide de capteurs de quantité d'électrons avec une résistance et un circuit de mesure élémentaire. Pour améliorer encore plus la qualité du cordon, surtout à sa racine, il est avantageux de faire sortir périodiquement le faisceau d'électrons de la zone de soudage, à une fréquence égale à celle de la composante à haute fréquence. le dispositif pour la stabilisation de la profondeur de pénétration conforme à l'invention comprend un capteur de quantité d'électrons à la sortie duquel se trouve une résistance à sa sortie et qui est raccordé, par l'intermédiaire d'un filtre électrique discriminant les fréquences supérieures à 200 Hz, à un redresseur connecté à un circuit de comparaison, celui-ci étant également connecté à un consignateur à courant continu. En fonction du signal de désaccord à la sortie du circuit de comparaison raccordé au canon à électrons, on change le courant du faisceau d'électrons issu de ce canon. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples non limitatifs de réalisation du procédé et par les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente le schéma synoptique d'un dispositif pour le contre et la stabilisation de la profondeur de pénétration, et une partie de l'installation de soudage par faisceau d'électrons - la figure 2 représente,en coupe, un tronçon de cordon obtenu en appliquant le procédé proposé - la figure 3 représente, en coupe, un tronçon de cordon obtenu sans appliquer le procédé proposé ; - la figure 4 représente en coupe un tronçon de cordon obtenu avec interruption périodique du faisceau d'électrons ;; - la figure 5 représente le schéma synoptique d'un dispositif pour le contrôle et la stabilisation de la profondeur de pénétration, prévoyant la sortie périodique du faisceau d'électrons hors de la zone de soudage - la figure 6 représente, en coupe, un tronçon de cordon obtenu en utilisant le dispositif de la figure 5. L'installation pour le soudage par faisceau d'électrons comporte un canon à électrons 1 (figure 1) de soudage, placé dans une chambre à vide 2 et possédant une cathode 3, une électrode de blocage 4, une anode 5 et un système focalisateur 6. Le faisceau d'électrons 7 de soudage est focalisé, par le système focalisateur 6 commandé par le système d'auto-focalisation 8, sur la pièce 9 qui est placée dans la chambre à vide 2. Dans la zone du bain de soudage 10 de la pièce 9, apparaissent des vapeurs qui dispersent les électrons du faisceau de soudage 7. Le dispositif de contrôle et de stabilisation de la profondeur de pénétration du cordon de soudure comprend un capteur il de quantité d'électrons, placé à l'intérieur de la chambre à vide 2. Ce capteur peut être, par exemple, un piège de Faraday. Le capteur il reçoit les électrons dispersés et sépare les électrons secondaires provenant du bain de soudage 10. Une résistance 12 est connectée d'un c8té au capteur 11, et de l'autre, au potentiel zéro (à la masse). Dans le dispositif de contrôle et de stabilisation sont aussi prévus un filtre électrique 13 connecté au circuit de sortie du capteur Il et laissant passer les fréquences à partir de 200 Hz, en discriminant ainsi une composante alternative de la chute de tension dans la résistance 12, un amplificateur 14 et un redresseur 15. La tension continue est utilisée pour l'indication de la profondeur de pénétration par un appareil O. En outre, le dispositif de contrôle comprend un circuit électrique 17 de comparaison des signsux électriques, connecté à la sortie du redresseur 15 par l'intermédiaire d'un filtre 16, et à un consignateur 18 de courant (de tension). le consignateur 18 de courant (de tension) peut etre n'importe quelle source connue réglable de courant ou de tension. Au préalable, en soudant des éprouvettes avec des intensités de courant (des tensions) différentes au consignateur, on détermine la profondeur de pénétratión. Pour le soudage des pièces on met le consignateur à la valeur voulue, en imposant ainsi la profondeur de pénétration requise. La sortie du circuit de comparaison 17 est raccordée par l'intermédiaire d'un amplificateur 19 à la cathode 4 du canon 1 pour la régulation du courant du faisceau de soudage, de telle façon que la profondeur de pénétration reste constante Par variation de la tension de consigne, on peut obtenir un cordon à profondeur de pénétration variant suivant une loi prédéterminée. La description suivant du principe de fonctionnement du dispositif de l'invention mettra en évidence l'essentiel du procédé proposé. Quand un faisceau d'électrons de puissance déterminée agit sur le métal, son action thermique produit une désintégration périodique du métal, qui provoque la formation d'un canal par lequel les électrons peuvent pénétrer dans le métal. Au cours de la désintégration, le métal est éjecté du canal périodiquement. Les auteurs de l'invention ont établi que les variations de la concentration des vapeurs de métal dans le nuage de vapeur au-dessus de la zone de soudage sont directement proportionnelles aux variations de la profondeur de pénétration quand le diamètre de la tache de chauffe est constant sur la pièce. En mesurant le flux d'électrons apparaissant dans la zone de soudage par suite de l'interaction du faisceau d'électrons de soudage avec les vapeurs, on peut déterminer la concentration des vapeurs de métal. Les électrons dispersés par les vapeurs vont au capteur 11 de quantité d'électrons. Les recherches exécutées par les auteurs ont montré que la composante alternative du courant (de la tension) du capteur Il est une suite d'impulsions qui peut être approximativement représentée comme ayant une première composante harmonique de 0,2 à 10 ou 15 kHz, selon le matériau des pièces à souder. Ainsi, dans le soudage du tungstène, la composante alternative peut être chiffrée à 5-7kHz, dans le soudage du cuivre elle peut être chiffrée à 1-2 kHz, et dans le soudage de l'aluminium et de ses alliages, à 0,5-1 kHz. l'amplitude de la composante alternative du courant (de la tension) du capteur 11 est tributaire du degré de dispersion des électrons du faisceau de soudage et, par conséquent, de la concentration du métal dans le nuage de vapeurs ; aussi croît-elle au fur et à mesure que la profondeur du cordon de soudure augmente. De la sorte, le circuit capteur il - masse est parcouru par un courant dont la valeur de crête est proportionnelle à la quantité d'électrons piégés par le capteur il et, par conséquent, proportionnelle à la profondeur de pénétration.La composante alternative de ce courant est discriminée par le filtre 13 et transmise au redresseur 15 par l'intermédiaire de l'amplificateur 14. ha tension fournie par le redresseur est utilisée pour indiquer la profondeur de pénétration, ainsi que pour la comparaison avec le signal du consignateur 18 par le circuit de comparaison 17. Le signal de désaccord du circuit de comparaison 17 est transmis par l'amplificateur 19 au canon à électrons 1 pour changer l'intensité du courant de soudage dans le faisceau d'électrons 7. Ce changement du courant se prolongera jusqu a ce que le signal de désaccord disparaisse à la sortie du circuit de comparaison 17. Le changement du courant provoque le changement de l'énergie linéique fournie à la zone de soudage. I1 convient de ne pas perdre de vue que le changement de l'énergie linéique peut être réalisé par des procédés autres que le changement du courant dans le faisceau d'électrons 7. il convient aussi de ne pas perdre de vue que lors de l'augrentation de la concentration des vapeurs de métal, l'énergie linéique doit être diminuée, et que lors de la diminution de la concentration des vapeurs de métal, l'énergie linéique doit être augrentée. Les figures L et 3 représertentg en coupe, des cordons obtenus par scudage au faisceau d'électrons avec application du procédé proposé (figure 2) et des procédés connus auparavant (figure 3). la comparaison de ces figures fait apparaitre que le cordon obtenu en appliquant le procédé proposé a un profil bien plus régulier à sa racine. les petites pointes de ce profil sont dues au retard de la régulation de l'énergie linéique par rapport aux variations de la profondeur de pénotration. Une forme plus F rfaite de la racine du cordon (voir figure 4) et de meilleures sections polies macrographiques (figure 6) peuvent ttre obtenues en interrompant le fasceau de soudage 7 avec une fréquence égale à la fréquence des variations de la concentration des vapeurs de métal au-dessus du bain de soudage. Qur le tronçon AB (voir figure 6), le soudage a été exécuté par un procédé ordinaire ; sur le tronçon OC le soudage a été exécuté avec un réglage optimal du système de blocage du canon de soudage, à une fréquence égale à la fréquence des variations de la concentration des vapeurs de métal. Sur les tronçons CD et DE le cordon a été obtenu en changeant la profondeur de pénétration afin de démontrer les possibilités de con:nnde de la profondeur de pcnétration dans le soudage avec interruptiors courtes du faisceau de soudage. L'installation pour la réalisation du soudage par faisceau d'électrons avec une réponse plus rapide du système de régulation compensant les perturbations auxquelles sont dues les variations de la profondeur de pénétration (figure 5), comprend un canon à électrons t de soudage, placé dans une chambre à vide 2 et comportant une cathode 3, une électrode de blocage 4, une anode 5 et un système focalisateur 6 avec un module d'auto-focalisation 8 commandant le diamètre de la tache de chauffe sur la pièce 9 placée dans la chambre 2. Dans la zone du bain de soudage 10 de la pièce 9 apparaissent des vapeurs qui, par interaction avec le faisceau de soudage 7, dispersent les électrons du faisceau de soudage 7. Le dispositif de contrôle et de stabilisation de la profondeur de pénétration à réponse rapide comprend un capteur de quantité d'électrons il placé dans la chambre 2. Ce capteur peut être, par exemple, un piège de Faraday. I1 reçoit les électrons dispersés et sépare les électons secondaires provenant du bain de soudage 10. Une résistance 12 est connectée d'un ctté au capteur 11, et de l'autre, au potentiel zéro (à la masse). Le dispositif de contrôle et de stabilisation de la profondeur de pénétration dans le soudage par faisceau d'électrons comprend également un filtre électrique t3 connecté au circuit de sortie du capteur 11. Ce filtre laisse passer les fréquences supérieures ou égales à 200 Hz et discrimine ainsi une composante alternative de la chute de tension dans la résistance 12. La sortie du filtre il est connectée à un amplificateur 14. Un formeur d'impulsions 20 assure l'obtention d'impulsions en synchronisme avec le début des demi-ondes de la composante alternative obtenue à la sortie de l'amplificateur 14 connecté au redresseur 15. La tension continue obtenue après lissage par le filtre 16 est utilisée pour l'indication de la profondeur de énétr:ition par l'appareil Q. Le circuit électrique de comparaison 17 est connecté au filtre 16 et au consignateur 18. Le consignateur 18 peut être n'importe quel consignateur connu de courant ou de tension. La détermination de la valeur à laquelle doit être réglé le consignateur a été examinée plus haut. La sortie du circuit de comparaison 17 est raccordée à un générateur 21 d'impulsions de blocage ou de déviation, lequel change la durée des impulsions en fonction de la tension continue l'attaquant à partir du circuit de comparaison 17, et est synchronisé avec le fonctionnement du formeur dtimpulsions 20 de telle façon que chaque impulsion à la sortie du formeur 20 corresponde au début d'une demi-onde. La sortie du générateur 21 est raccordee, par l'intermédiaire de l'amplificateur 22 ou 23, à l'électrode de blocage 4 du canon 1 ou à son système déviateur 24 respectivement. Dans le cas où l'amplificateur est connecté au système déviateur 24, le soudage peut étre exécuté avec des canons diodes. L'essentiel du fonctionnement du dispositif consiste en ce qui suit. L'interruption du faisceau ou sa déviation le long ou en travers de l'axe du cordon est effectuée d'après un signal caractérisant la fréquence et les éjections de vapeurs à partir de la zone de soudage, pour diminuer l'interaction des vapeurs avec le faisceau de soudage faisant apparartre des pointes dans le profil de la racine du cordon. Ta déviation ou l'interruption du faisceau s'effectue en synchronisme avec l'éjection ; la durée des impulsions de déviation ou de blocage est déterminée par le consignateur 18 et varie en fonction de la valeur moyenne de la composante alternative du signal obtenu à la sortie de l'amplificateur 74. Pendant le soudage, a' la sortie de l'amplificateur 14 apparat la composante variable de la tension prélevée sur la résistance 12 ; le formeur 20 élabore des impulsions de tension courtes en synchronisme avec le début des demi-ondes de la composante alternative et, par conséquent, avec le début de l'éjection de vapeurs à partir de la zone de soudage. Les impulsions de synchronisation pilotent le générateur 21 de blocage ou de déviation, dont les impulsions ont une durée déterminée par la tension continue prélevée au circuit de comparaison 17. La valeur de cette tension continue est déterminée par la différence entre la tension proportionnelle à la profondeur de pénétration prescrite, fournie par le consignateur 18, et la tension proportionnelle à la profondeur de pénétration réelle, provenant du filtre 16. Le générateur 2t élabore des impulsions bloquant le canon 1 ou faisant dévier le faisceau de telle façon que la profondeur de pénétration corresponde à celle prescrite, avec un nombre de pointes minimal dans le profil de la racine du cordon. Dans le cas de stabilisation de la profondeur de pénétration avec déviation du faisceau, la liaison de l'appareillage du commande avec les parties sous haute tension est exclue, ce qui accroît la sécurité des travaux et rend possible la stabilisation de la profondeur de pénétration dans le soudage avec des canons diodes avec réchauffage et recuit simultanés du cordon pendant le soudage. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui n'a été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATI0NS 1. Procédé de contrôle et de stabilisation de la profondeur de pénétration dans des pièces soudées par faisceau d'élctrons, caractérisé en ce qu'une tache de chauffe de diamètre constant étant maintenue sur la pièce, on mesure ;imult mément la concentration des vapeurs de métal en transformant en un courant alternatif ou une tension alternative le flux d'électrons dpparaissant dans la zone de soudage par suite de l'interaction entre le faisceau d'électrons de soudage et les vapeurs, on discrimine la composante à haute fréquence, supérieure à 200 Hz, de ce ccurant ou de cette tension, on mesure son amplitude et, d'après sa valeur, on juge de la profondeur de pénétration. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on transforme ladte composante à haute fréquence en signaux de courant continu ou de tension continue, on compare ces signaux à une certaine valeur de consigne et, selon la différence entre ces signaux, on diminue ou on augmente l'énergie linéique fournie à la zone de soudage, en assurant ainsi une profondeur de pénétration stable. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, périodiouerent et avec une fréquence égale à celle de ladite composante alternative à haute fréquence du courant ou de la tension, on écarte le faisceau d'électrons de la zone de soudage. 4. Dispositif pour la stabilisation de la profondeur de pénétration lors du soudage de pièces par faisceau d'électrons à l'aide d'une installation comportant un canon à électrons, caractérisé en ce ou'il comprend un capteur de quantité d'électrons à la sortie duquel se trouve une résistance et, qui étant placé au voisinage de la zone de soudage, transforme en un courant alternatif le flux d'électrons apparaissant dans la zone de soudaepar suite de l'interaction entre le faisceau d'électrons de soudage avec les vapeurs, ledit capteur étant relié à un filtre électrique discriminant les fréquences supérieures à 200 Hz et connecté à un redresseur raccordé à un circuit de comparaison relié en outre à un consignateur de courant continu, ledit circuit de comparaison étant raccordé au canon à électrons et élaborant un signal modifiant le courant du faisceau d'électrons émis par ledit canon, de telle façon que lorsqu'un signal de désaccord apparaît à la sortie du circuit de comparaison, l'énergie linéique fournie à la zone de soudage est modifiée. 5. Dispositif selon la revendication 4., caractérisé en ce que le capteur de quantité d'électrons est un piège de Faraday dont la fente est orientée vers la zone de soudage. 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la sortie du filtre est en outre raccordée à un formeur d'impulsions, élaborant une impulsion au début de chaque demi-onde du signal de sortie du filtre et connecté, de pair avec la sortie du circuit de comparaison, à un générateur de signaux électriques qui, lorsqutil est attaqué par le signal au formeur, élabore des impulsions directement proportionnelles au signal issu du circuit de comparaison, la sortie dudit générateur étant-raccordée à l'électrode de blocage d'un canon diode, ou bien à un système déviateur du canon, ce qui permet de modifier la valeur moyenne du courant de soudage dans la zone de soudage, et, par cela-même, l'énergie linéique fournie à la zone de soudage.