Brevet FR2255137A1 — publié le 19750718

La présente invention concerne le perfectionnernent des procédés de soudage par faisceau électronique, et notamment un procédé de usure et de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sur les pièces à souder dans une installation de soudage par faisceau électronique, ainsi que les dispositifs automatiques pour la mise en oeuvre de ces procédés. Le procédé objet de l'invention peut etre appliqué- au soudage des pièces de peti#tes et grandes épaisseurs dans les installations de soudage de toutes puissances, tant à haute tension qu'à basse tension. On sait que pour obtenir un cordon de soudure de haute qualité au cours du soudage par faisceau électronique, le diamètre de la tache de chauffe sur la surface des pièces doit avoir, pour chaque pièce, une valeur déterminée dépendant des prescriptions technologiques et des propriétés du matériau. Ce diamètre de la tache de chauffe doit etre maintenu constant pendant le soudage. Par diamètre de la tache de chauffe on entend le diamètre du faisceau d'électrons à la surface des pièces. Dans les installations de soudage par faisceau électronique, le faisceau est formé par un canon à électrons doté d'un système de focalisation bt d'un système de déviation du faisceau d'électrons. Le diamètre de la tache de chauffe peut etre chosi expérimentalement par soudage dléchantillons-témoins imitant les pièces à souder. Le choix du diamètre de la tache de chauffe et un processus coûteux et laborieux, et, comme le diamètre choisi ne peut pratiquement pas etre reproduit avec précision lors du soudage des pièces, la focalisation est d'ordinaire exécutée par des méthodes visuelles jusqu'à obtention d'une tache de chauffe de diamètre minimal sur les pièces. Autrement dit, le soudage est exécuté avec un faisceau d'électrons très concentré, la tache de chauffe étant ponctuelle. Outre la méthode de focalisation visuelle, on applique des méthode exploitant des indices indirects de la focalisation, tels que le maximum de la luminance du cratère de soudage, le maximum de projections dans la zone de soudage. Dans nombre de cas on applique la méthode visuelle de réglage du diamètre de la tache de chauffe sous de faibles intensités du courant de soudage, l'intensité du courant de soudage étant ensuite augmentez jusqu'à la valeur noinle. Toutefois, cette méthode, tout en ne donnant qu'une focalisation peu précise, exclut presque totalemen le contrôle aux intensités de courant nominales (de trava l' par suite de la forte luminance de la zone de soudage. Il convient de ne pas perdre de vue que le soudage par faisceau très concentré entrain une instabilité de forme de la racine du cordon suivant sa lon > eur et l'apparition de sillons à Zayartie supérieure du cordon. pour supprimer les inoon#çnients- indiqués du soudage par faisceau électronique très concentré, on exécute le soudage avec un certain décalage du- plan focal par rapport à la surface du cordon, en obtenant une tache ayant un certain diamètre final. Toutefois, pour obtenir un cordon de haute qualité, il faut stabiliser pendant le soudage le diamètre de la tache de chauffe, lequel varie continuellement par suite de l'action d'une série de facteurs perturbateurs sur le faisceau d'électrons. Actuellement, on connaît une méthode de contrôle du diamètre de la tache de chauffe à l'aide d'une sonde tournante. Toutefois, ce procédé ne peut être appliqué avec succès à la mesure pendant le soudage, car dans ce cas il se forme sur la sonde un dépôt de matière provenant des pièces à souder. Ceci fausse les résultats des mesures par suite de le variation du diamètre de la sonde et des vibrations de la sonde dues aux vapeurs issues de la zone de soudage. La méthode de la sonde tournante, ou la méthode similaire de l'électrode oscillante, est appliquée pour déterminer le diamètre du faisceau d'électrons avant le soudage ; mais pendant le soudage, le diamètre de la tache de chauffe varie sans contrôle par suite des variationa de la tension d'accélération du canon, de la valeur du vide dans l'enceinte de soudage, de la quantité de vapeur, ainsi que d'autres pararnètres du processus de soudage. On connaît des tentatives visant la création de stabilisateurs du diamètre de la tache de chauffe, qui tiendraient compte des variations de la tension d'accélération. Toutefois, un tel procédé ne tient compte que de l'un des facteurs multiples influençant la variation -du diamètre de la tache de chauffe. Il faut donc reconnaître qu'à l'heure actuelle.il n'existe pas de procédé satisfaisant pour la stabilisation du diamètre de la tache de#chauffe sur les pièces pendant le soudage. Les tentatives de correction manuelle du diamètre de la tache de chauffe s'avèrent inefficaces, par suite de la rapidité d'action insuffisante de l'opérateur, qui n'a pas-le- temps de réagir aux changements des paramètres de soudage provoquant des variations du diamètre de la tache de chauffe. Le but de l'invention est d'élaborer un procédé de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe, qui rendrait possible la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe pendant le soudage, en tenant compte de tous les facteurs provoquant la variation du aiamètre ~de la tache de chauffe, ainsi que de créer un dispositif qui permettrait d'automatiser la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe. Un autre but de l'invention est d'accroStre la précision de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sur les pièces au cours du soudage par faisceau électronique. Parmi les autres objectifs de l'invention on notera l'accroissement de la fiabilité et de la rapidité de la stabilisation, la diminution du nombre d'essais technologiques pour le choix des régimes de soudage. On s'est donc proposé d'élaborer un procédé de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe, dans lequel la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe s'effectuerait d'après les résultats des mesures du diamètre du faisceau d'électrons pendant le soudage, et qui assurerait ainsi la prise en considération de tous les facteurs provoquant des variations du diamètre de la tache de chauffe. la solution consiste en ce que dans un procédé de stabilisation du diamètre de la tache de-chauffe sur les pièces à souder dans une installation de soudage par faisceau électronique, procédé consistant à changer la position du plan focal du faisceau~d'électrons issu du canon à électrons, d'après l'invention on effectue pendant le soudage, à l'aide d'une impulsion à croissance linéaire, une déviation périodique du faisceau-électFonique de soudage sur un capteur de quantité d'électrons, lequel élabore des impulsions proportionnelles à la durée de son bombardement par les électrons, ladite déviation étant exécutée de telle façon qu'au cours du déplacement du faisceau, les électrons dsau moins la moitié de sa section transversale viennent frapper le capteur, dont l'impulsion de sortie a ainsi une durée proportionnelle -au diamètre du faisceau d'électrons, on enregistre ce signal de sortie et, s'il s'écarte d'une valeur prédéterminée, on change la position du plan focal du faisceau d'électrons issu du canon, ce qui modifie le diamètre de la tache de chauffe sur la pièce. Un avantage de l'invention consiste en ce que la stabilisation du diamètre s'effectue en tenant compte de toutes ler perturbations provoquant des variations du diamètre de la tache de chauffe pendant le soudage, indépendamment des causes de ces perturbations. Le procédé faisant l'objet de l'invention permet aussi d'automatiser la stabilisation du diamètre de la-tache de chauffe et d'élaborer des programmes normalisés pour le ~soudage de pièces-types. En outre, le procédé faisant l'objet de l'invention assure le réglage précis du diamètre de la tache de chauffe. 'Les impulsions à croissance linéaire peuvent titre des impulsions en dents de scie. Le facteur de forme des impulsions à-croissance linéaire peut aller d'environ t/60 à environ i/100, pour une durée d'impulsion de 5 à 100 ffi s. Le procédéproosé de stablisation de la tache de chauffe peut être mis en oeuvre à l'aide d'un dispositif au#tomatique pour la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe dans une installation de soudage par faisceau dlectronique comprenant un canon à électrons avec un système de focalisation et un système de déviation du faisceau d'électrons, dispositif dans lequel, d'après l'invention, il est prévu un générateur d'impulsìons en dents de scie, branché sur le système de déviation du faisceau d'électrons pour assurer la déviation périodique du faisceau d'électrons, et un capteur de quantité d'électrons placé sur le trajet du faisceau dévié et élaborant un signal proportionnel à la durée de son bombardement par les électrons du faisceau, laquelle est fonction du diamètre du faisceau, la sortie dudit capteur étant raccordée, de même que celle d'un dispositif de consigne fournissant un signal de référence proportionnel au diamètre stabilisé du faisceau, à un circuit de comparaison dont la sortie est raccordée au système de focalisation du canon à électrons et qui élabore un signal pour la modification de la focalisation en fonction du désaccord des signaux l'attaquant. Le dispositif proposé permet de mesurer directement le diamètre du faisceau d'électrons pendant le soudage et de compenser toutes les actions perturbatricess provoquant des variations du diamètre du faisceau d'électrons dans le plan de soudage, indépendamment des causes de ces actions, ainsi que de stabiliser le diamètre avec une haute précision. Il est avantageux que le canon à électrons ait deux systèmes de déviation disposés l'un à la suite de l'autre, avec un certain écartement, le long du faisceau électronique de soudage et branchés sur le générateur d'impulsions en dents de scie en opposition de phase, et que le capteur soit placé sur le trajet du faisceau dévié, dans l'écartement entre les systèmes de déviation. Dans une telle variante de réalisation, le faisceau électronique de soudage reste en permanence dans la zone du cordon. de soudure, ce qui permet d'augmenter la durée des impulsions de déviation, de diminuer leur facteur de forme, d'accroître la#rapidité et la précision d'action du dispositif sans diminuer la profondeur de pénétration. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples de raalisation du procédé et du dispositif proposés pour la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe, avec références aux dessins dans lesquels - la figure 1 représente une partie d'une installation pour le soudage de pièces par faisceau électioniqu e et le schéma synoptique du dispositif automatique stabilisant le diamètre de la tache de chauffe - la fi#gure 2 montre la forme des impulsions élaborées par le générateur de déviation ;; - la figure 3 montre la forme du signal à la sortie du capteur de quantité d'électrons - la figure 4 montre la forme du signal du capteur après conversion - la figure 5 représente la tension à la sortie du convertisseur - la figure 6 représente une partie d'une installation pour le soudage de pièces par faisceau électronique sous vide et le schéma synoptique du dispositif automatique stabilisant le diamètre de la tache de chauffe. Les pièces à souder 1 (figure t) sont placées dans une enceinte à vide 2 d'une installation pour le soudage par faisceau d'électrons, et elles se déplacent dans cette enceinte. Le soudage est assuré par un faisceau électronique de soudage 3, produit par un canon à électrons 4 qui comprend un sous-ensemble cathodique 5, une électrode de commande 6 et une anode 7. Le canon à électrons 4 est aussi doté d'un système de focalisation 8 et d'un système de déviation 9. Le dispositif stabilisant le diamètre de la tache de chauffe sur les pièces 1 comprend un capteur 10 de quantité d'électrons, un convertisseur alternatif-continu il de courant ou de tens on, dont la sortie est branchée sur un circuit de comparaison 12, lequel est également raccordé à un dispositif 13 de consigne de courant ou de tension dont la valeur est proportionnelle à la valeur stabilisée du diamètre de la tache de chauffe. Le dispositif de consigne 13 peut être une source réglable de tension continue. Le dispositif de stabilisation comprend aussi un amplificateur 14 pour le signal provenant du circuit de comparaison 12. L'amplificateur 14 est connecté au système de focalisation 8. le capteur 10 de quantité d'électrons est monté fixe dans l'enceinte à vide 2, et sa sortie de courant 15 sort de l'enceinte 12 à travers une douille d'étanchéité et d'isolement 16. Dans le circuit de cette sortie de courant est montée une résistance t7 reliée électriquement (mise à la terre)-à la paroi de l'enceinte 2. En tant que capteur tO de quantité d'électrons on utilise un piège à électrons à fente de Faraday. la fente de ce piège est disposée perpendiculairement à la direction suivant laquelle steffectue la déviation du faisceau d'électrons 3 sous l'action du système de déviation-9. A la place d'un piège de Faraday on peut utiliser en tant que capteur une sonde constituée par un fil fin en matériau réfractaire, par exemple en tungstène, doté d'un système de refroidissement. Quand les électrons du faisceau d'électrons 3 viennent frapper le capteur, il apparait dans le circuit capteur-résistance-terre un courant électrique dont la durée correspond (est pro-portionnelle) à la durée d'interaction du faisceau d'électrons 3 et du capteur tO. Si le faisceau d'électrons est dévié de telle façon qu'il coupe la fente du piège de Faraday ou le fil fin précité perpendiculairement à leur axe longitudinal, il est évident que la durée d'interaction des électrons et du capteur et, par conséquent, la durée du signal de sortie de celui-ci, seront proportionnelles au diamètre du faisceau d'électrons. Pour la déviation du faisceau d'électrons 3 sur le capteur 10, il est prévu dans le dispositif un générateur t8 d'impulsions de tension à croissance linéaire, branché sur le système ae déviation 9. Le générateur 18 peut être un générateur d'impulsions en dents de scie. Etant donné que, lors de'sa déviation, le faisceau dwélectrons 3 est écarté de la zone de soudage,-il convient de faire en sorte que cette déviation n'ait pas d'influence sur la qualité du cordon de soudure. Les auteurs de l'invention oit établi que la qualité du cordon et la précision des mesures sont -suffisamment élevées quand la durée de déviation est de 5 à 100 j s et le facteur de forme des impulsions est compris entre t/60 et t/tOO environ. Selon les conditions de soudage et la puissance de l'installation de soudage, le facteur de forme des impulsions peut évidemment aller au-delà, et même notablement, des limites indiquées. Le convertisseur il est un circuit électronique élaborant un signal proportionnel à la durée de 'l'impulsion dans le circuit capteur-résistance et, par conséquent, proportionnel au diamètre de la tache de chauffe. Le convertisseur il peut être réalisé de telle façon que le signal obtenu à sa sortie soit un courant (une tension) continu ou alternatif. Le plus commode pour le traitement ultérieur est d'utiliser un signal en courant continu. On peut utiliser un convertisseur élaborant un-signal de sortie sous forme d'impulsions de type analogique ou numérique. Au besoin, on peut brancher sur le convertisseur 11, comme montré en figure 1, un indicateur 19 de signal de sortie. Cet indicateur peut être n'importe quel appareil à aiguille ou numérique pour la mesure du courant (de la tension). Il est avantageux de graduer l'indicateur en unités de longueur, ce qui permet de lire le diamètre de la tache de chauffe après étalonage du dispositif. Le principe de fonctionn#ement du dispositif de mesure et de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sur les pièces va maintenant être examiné en mettant en lumière l'essentiel du procédé faisant l'objet de l'invention. On place les pièces à souder 1 dans l'enceinte à vide 2 et l'on branche le canon à électrons 4. Par déplacement vertical des pièces t ou par modification de la focalisation à l'aide du système de focalisation 8, on règle à la valeur prescrite le diamètre de la tache de chauffe. Au dispositif de consigne 13 on affiche la valeur du courant (de la tension) correspondant à la valeur du diamètre à stabiliser. la valeur du courant (de la tension) à afficher au dispositif de consigne 13 est déterminée au préalable en soudant des échant1.'llons-témoins. Ceci-fait, l'installation est prête au soudage des pièces. Le canon à électrons 4 étant mis en action, on commence le soudage. Simultanément on met en action le générateur 18, et le système de déviation 9 est attaqué par des impulsions en dents de scie A (figure 2), qui provoquent un déplacement linéaire périodique du faisceau d'électrons 3 jusqu'à la position 3'. Pendant sa déviation, le faisceau d'électrons 3 rencontre la fente du capteur 10. Il apparaît alors à la résistance 17 des impulsions de courant (de ten-sion) représentées Ear les courbes B (figure 3). La forme des impulsions correspond à la distribution des électrons dans le faisceau 3. La durée de ces impulsions à un niveau déterminé (ligne a-b) est proportionnelle au diamètre de la tache de chauffe pour une vitesse constante de déviation du faisceau et des dimensions géométriques constantes de la fente du capteur 10. Le convertisseur Il transforme les impulsions B en impulsions rectangulaires C (figure 4) de tension U#, -plus commodes pour le traitement ultérieur, puis en tension continue U (figure 5). 2 l'indicateur 19 mesure la tension continue à la sortie du convertisseur 11. les indications de l'indicateur peuvent aussi être utilisées lors du réglage de l'installation au diamètre prescif de la tache de chauffe. La tension continue U2 issue du convertisseur arrive au circuit de comparaison 12, où elle est comparée à la tension du dispositif de consigne 13. Te signal d'écart àpparaissant à la sortie du circuit 12 est amplifié par l'amplificateur 14 et vientattaquer le système de focalisation 8. il s'ensuit une modification de la focalisation du faisceau, c'est-à-dire un changement de la posi-tion du plan-focal du faisceau d'électrons. Aux déviations suivantes, le processus et la modification de la focalisation se répètent jusqutà ce que le signal d'écart devienne nul à la sortie du circuit de comparaison 12. Le signal d'écart devient nul quand le diamètre de la tache de chauffe a pris la valeur prescrite. Dans le dispositif examiné plus haut, la mesure et la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sur les pièces dans le plan de soudage sont obtenues en écartant périodlquement le faisceau d'électrons de la zone du cordon de soudure. Afin de diminuer les pertes de puissance linéique dues aux déviations périodiques du faisceau, ces déviations sont sites rarement et pendant un temps très court, ce qui abaisse la précision des mesures et ireplique l'emploi d'un montage électronique relativement compliqué dans le convertisseur. Da figure 6 représente une autre variante de réalisation du dispositif de mesure et de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe conformément à l'invention, dont le principe de fonctionnemenz est analogue à celui décrit plus haut. Cependant, ce second dispositif permet de mesurer et de stabiliser le diamètre du faisceau d'électrons sans l'écarter de la zone du cordon de soudure, et de supprimer ainsi les inconvénients IndIqués plus haut. Dans ce dispositif, le générateur 18 est branché sur deux systèmes de déviation 9 et 9', disposés l'un à la suite ,de l'autre le long de l'axe du faisceau électronique de soudage et ayant des pouvoirs déviateurs différents. les deux systèmes de déviation sont branchés en opposition de phase sur la sortie du générateur 18 d'impulsions en dents de scie. le capteur 10 de quantité d'électrons est disposé entre les systèmes de déviation 9 et9'. Les autres éléments du dispositif sont analogues à ceux représentés en-figure 1. Quand le générateur 18 est en action, le premier système de déviation 9 dévie le faisceau d'électrons sur le capteur 10. Le diamètre de la tache de chauffe est alors contrôlé comme décrit plus haut.Le second système de déviation 9' dévie le faisceau en sens inverse, et les électrons viennent bombarder le meme point du cordon de soudure qu'en l'absence de signaux du générateur 18. L'application du procédé faisant l'objet de l'invention permet de supprimer le contrôle visuel, par l'opérateur, du diamètre de la tache de chauffe sur les pièces pendant le soudage, d'élever la qualité des cordons de soudure tout en améliorant leur reproductibilité. De plus, le travail du soudeur est facilité, car l'observation delta zone de soudage à grande l finance fatigue assez vite la vue. Un avantage notable de l'invention consiste aussi en la possibilité de diminuer le nombre d'essais technologiques pour le choix du régime de soudage, ainsi que de supprimer tout à fait ces essais pour des pièces de formes déterminées. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n1 ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituants des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, Si c-elles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICAT IONS 1. Procédé de mesure et de stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sur des pièces à souder dans une installation de soudage par faisceau électronique, du type consistant à changer la position du plan focal du faisceau électronique de soudage issu d'un canon à électrons, caractérisé en ce qu'on procède pendant le soudage, à l'aide d'une impulsion à croissance linéaire, à une déviation du faisceau électronique de soudage de manière à le diriger- sur un capteur de quantité d'électrons conçu pour élaborer des impulsions proportionnelles à la durée de son bombardement par les électrons, ladite déviation étant exécutées de telle façon que, au cours du déplacement du faisceau, 1es électrons d'au moins la moitié de sa section transversal viennent frapper ledit capteur, dont l'impulsion de sortie a ainsi unedurée proportionnelle au diamètre du faisceau d'électrons, on enregistre cette impulsion de sortie du capteur et, s'il s'écarte d'une valeur prédéterminée, on change la position du plan focal du faisceau d'électrons issu du canon. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites impulsions à croissance linéaire sont des impulsions en dents de scie. 3; Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le facteur de forme des impulsions'à croissance linéaire se situe entre environ 1/60 et environ 1/100, la durée des impulsions étant de 5 à 100 9 s. 4. Dispositif automatique pour la stabilisation du diamètre de la tac#he de chauffe dans une installation de soudage par faisceau électronique, du type comprenant un canon à électrons avec un système de focalisation et un système de déviation du faisceau issu dudit canon, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur d'impulsions en dents de scie, branché sur ledit système de déviation du faisceau d'électrons pour assurer la déviation périodique de ce dernier, et-un capteur de quantité d'électrons placé sur le trajet du faisceau dévié et élaborant des impulsions électriques proportionnelles à la durée de son bombardement par les électrons du faisceau, laquelle est fonction du diamètre du faisceau, la sortie dudit capteur étant raccordée, de meme que celle d'un dispositif de consigne fournissant un signal de référence proportionnel au diamètre stabilisé du faisceau, à un circuit de comparaison dont la sortie est raccordée au système de focalisation du faisceau d'électrons et qui élabore un signal pour la modification de la focalisation en fonction du désaccord des signaux l'attaquarnft. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il c#omporte deux systèmes de déviation disposés l'un à la suite de l'autre, avec un certain écartement entre eux, le long du faisceau électronique de soudage, et branchés sur le générateur d'impulsiors en dents de scie en opposition de phase, et en ce que le capteur précité est placé sur le trajet du faisceau dévié, dans ledit écartement entre les systèmes de déviation, ce qui permet de réaliser la mesure et la stabilisation du diamètre de la tache de chauffe sans éloigner de la zone de soudage le faisceau électronique de soudage. 6. Dispositif selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu'entre la sortie du capteur et le circuit de comparaison est monté un convertisseur transformant les signaux Impulsi onnels en signaux de courant continu ou de tension continue, et en ce que le disyositif de consigne élabore des signaux de courant continu ou de tension continue. 7. Dispo-sitif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de consigne est une source réglable de tension continue ou de courant continu.