Brevet FR2460740A1 — publié le 19810130

I La présente invention concerne les travaux de soudage et a notamment pour objet un procédé de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de matériau de soudage de composition variable et un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. Lors du dépôt d'une couchede rechargement superficiel- le de composition variable, le volume du bain de soudage influe sur l'étendue de la zone de transition entre secteurs de composition différente.Cette zone est toujours assez étendue ce qui ne permet pas d'obtenir une couche de métal de rechargement présentant des secteurs de composition différente nettement délimités entre eux, ces derniers devant naturellement posséder des propriétés différentes. Autrement dit, le fait que la zone de transi- tion soit d'une étendue considérable ne permet pas d'obtenir une couche de rechargement caractérisée par des propriétés suffisamment élevées. On connaît un procédé de rechargement pour le dépôt de métal de composition variable (cf. le recueil "Teoreticheskie i tekhnologicheskie osnovy naplavki. Novye protsessy mekhanizirovannoi naplavki". Pod red.I.I. Frumina, Kiev, izd. IES im.E.O. Patona AN USSR, 1977, pp. 102-108), dans lequel on propose de réduire la zone de transition en modifiant la quantité d'élément d'addition à introduire dans le bain de fusion par rapport à la quan- tité nécessaire de ces éléments dans les secteurs corres- pondants de la couche à déposer. La quantité d'éléments à introduire est modifiée d'une valeur proportionnelle à la première dérivée de la loi voulue de variation de ces éléments dans la couche de rechargement. En cas de gradients importants de variation des propriétés, c'est-à-dire de la composition de la couche de rechargement, le procédé connu ne donne pas le résultat escompté.Ceci provient de la limitation de la quantité d'éléments d'addition dans les matériaux d'électrode et d'apport réels et de la limitation de la vitesse d'amenée desdits matériaux dans le bain de fusion. En cas de variation discrète de la composition chimique de la couche de rechargement> la quantité d'éléments d'alliage à introduire doit, selon le procédé connu, tendre à l'infini, et la durée de leur introduction, à zéro, ce qui n'est pas réel. On connait aussi un dispositif de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de composition variable (voir "Avtomaticheskaya svarka ", 1978, No 3, pp. 59-60) qui permet de modifier, au cours du rechargement, les vitesses d'amenée des matériaux d'électrode et d'alliage. Ce dispositif comprend un mécanisme d'exécution pour l'amenéedes matériaux d'électrode et d'apport relié à un.bloc de commande, lui-même commandé par une unité de réglage du régime de rechargement par l'intermédiaire d'une unité de programmation reliée à un dispositif comparateur. Ce dispositif connu n'élargit pas lui non plus, les possibilités de réglage de l'étendue de la zone de transition)étant donné que les possibilités fonctionnelles d'un tel dispositif sont limitées par la technologie appli- quée. L'invention vise par conséquent un procédé et un dispositif de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de composition variable, qui, en créant les conditions nécessaire à une modification appropriée de la composition chimique de la couche de rechargement pendant un temps relativement court, permettrait de réduire la zone de transition et d'améliorer en conséquence la qualité de la couche de rechargement. Le problème ainsi posé est résolu en ce que le procé- dé de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de composition variable, du type dans lequel on introduit dans le bain de fusion au moins deux matières d'alliage et on modifie le rapport entre celles-ci, est caractérisé> selon l'invention, en ce qu'on modifie la quantité d'éléments d'alliage, par rapport à la quantité requise dans les, secteurs correspondants de la couche de recharge- ment, dans une plage de 0,01 à 20% en cas de réduction du taux d'alliage, et dans une plage de 0,01 à 100% en cas d'augmentation du taux d'alliage, et l'on maintient cette quantité pendant un délai déterminé par la relation V ci - C2 v.A n ci dans laquelle V est le volume du bain de fusion, v, la vitesse de rechargement, A, la section transversale de la couche de rechargement, C19 la quantité d'éléments d'alliage à intro- duire dans le bain de fusion, modifiée par rapport à la quantité requise, C2, la quantité initiale d'éléments d'alliageà introduire dans le bain de fusion qu'on désire modifier, C3, la quantité requise d'éléments d'alliage dans la couche de rechargement, après quoi on modifie la quantité d'éléments d'alliage jusqu'à obtention de la quantité requise. Un tel procédé permet d'obtenir une couche déposée présentant des différences minimales entre le caractère voulu et le caractère réel de la variation de la composition chimique et par conséquent desprpriétés, grâce à la possibilité de réduire la zone de transition. Des éléments tels que le carbone, même en cas de faible variation de leur proportion dans le métal déposéj peuvent modifier sensiblement les propriétés de celui-ci. C'es*ette circonstance qui a déterminé le choix de la limite inférieure (0,01%) de la teneur en éléments d'alliage des matièresd'électrode ou d'apport. D'autres éléments d'alliage, tels que, par exemple, le chrome, le nickel, modifient sensiblement les proprié- tés du métal déposé quand la teneur de celui-ci en ces éléments est considérable. C'est pourquoi on a choisi une limite supérieure de la teneur en éléments d'alliage égale à 20% quand il s'agit de réduire le taux d'alliage, et égale à 100% quand il s'agit de l'augmenter. La diminution la plus efficace de l'étendue de la zone de transition) en cas d'augmentation du taux d'alliage, peut être obtenue quand l'une des électrodes contient 100% d'élément d'alliage, et en cas de réduction du taux d'alliage, 0,01%. Si la variation de la composition chimique ne revêt pas un caractère discret on divise la courbe de variation de la composition en différents tronçons sur lesquels on effectue la modification de la composition de façon discrète d'une valeur à une autre. La fréquence de la variation de la composition est choisie en fonction de l'allure de la courbe et de la précision voulue de correspondance entre la composition réelle et la composition requise. Le procédé selon l'invention est/mis en oeuvre à l'aide d'un dispositif de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de composition variable, du type comprenant un mécanisme d'exécution pour l'amenée de matièresd'électrode et d'apport relié à un dispositif de commande qui est lui-même commandé par une unité de réglage du régime de rechargement par l'intermédiaire d'une unité deprogrammation reliée à un dispositif comparateur, caractérise selon l'invention, en ce qu'il comporte un élément additionneur-différentiateur, un limiteur de tension>un commutateur et un élément apériodique, l'élément additionneurdifférentiateur étant connecté à la sortie de l'unité de programmation et au limiteur de tension, la sortie de ce dernier étant reliée, par l'intermédaire du commutateur commandé par le dispositif comparateur, à l'élément apériodique et au dispositif de commande du mécanisme d'exécution, les deux autres entrées du commutateur étant reliées à l'unité de réglage du régime de rechargement, et la sortie de l'élément apériodique étant reliée au dispositif comparateur. Un tel mode de réalisation du dispositif de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de composition variable permet, grâce à l'insertion d'un élément apériodique simulant le bain de fusion, de prendre en compte les condition déterminant l'étendue de la zone de transition et par conséquent de régler la quantité d'éléments d'alliage dans des limites permettant de réduire ladite étendue. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente les courbes de variation de la teneur de la couche de rechargement en éléments d'alliage; - la figure 2 représente le schéma fonctionnel du dispositif conforme à l'invention; la figure 3 représente le schéma électrique de principe du dispositif conforme à l'invention. Sur l'axe des abscisses (figure 1) sont portées les valeurs du temps t, et sur l'axe sordonnées, les valeurs de la teneur C en éléments d'alliage (%). Les courbes I et II montrent le caractère de la variation de la teneur de la couche de rechargement en éléments d'alliage en cas de modification discrète du taux d'alliage de C2 à C3 et de C2 à C1, respectivement.La courbe III en trait forts montre le caractère de la variation de la teneur de la couche de rechargement en éléments d'alliage en cas d'augmenta-ion du taux d'alliage au-dessus de la valeur requise jusqu'à C1 pendant le temps t, après quoi la quantité d'éléments d'alliage à introduire dans le bain de fusion est diminuée jusqu'à la valeur C0. Ci-dessous est décrit un exemple concret mais non limitatif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Exemple On a exécuté le dépôt d'une couche de rechargement à l'aide de deux électrodes de composition chimique diffé- rente, notamment une électrode I en acier non allié à base carbone et une électrode II en acier à bas carbone et for- tement allié Enconbmt25% de Cr et 13% de Ni. En faisant varier le rapport des vitesses d'avance des électrodes (la vitesse totale étant maintenue à un même niveau)t on a réglé la teneur de la couche de rechargement en chrome dansuneplage de 0à25 etcelledu rickelde 0 à 13%. On supposera qu'au cours du rechargement il est nécessaire de modifier brusquement la teneur de la couche de rechargement en chrome de O à 10%. Si, au moment voulu onmcdfelerIvirtvj/vIi des vitesses d'avance des électrodes en le portant de 1 à 0,6, le temps de variation de la teneur de la couche en chrome de O à 9,5% sera égal à peu près à 6 s, la longueur du secteur de transition étant de 6 cm pour v= 1cm/s, V=3 cm3, A= 1,5 cm2, tandis qu'en cas de variation de la teneur en chrome de O à 9, 9%, ces valeurs seront respectivement 9s et 9 cm. Pour accélérer le processus transitoire on a in- troduit dans le bain de fusion, par unité de temps) non pas 60% de matière de l'électrode I et 40% de matière de l'électrode II, mais 0% de matière de l'électrode I et 100% de matière de l'électrode II, jusqu'à ce que la teneur de la couche de rechargement en chrome atteigne %. Ensuite on a fait varier le rapport des vitesses d'avance desdites électrodes jusqu'à la valeur requise, c'est-à-dire jusqu'à vi/vII = 0,6. Le temps durant lequel on a réalisé l'alliage au niveau ou taux extrême (maximal ou minimal), et par conséquent, la durée du processus transitoire, a été: =1 - C2 3 l 250 V_ __ _ _ 25-0 v.A C1 -C2 1.1,5. 25-10 ou V est le volume du bain de fusion, v, la vitesse de rechargement, A, la section transversale de la couche de rechargement, C1, la quantité d'éléments d'alliage à introduire dans le bain de fusion, modifiée par rapport à la valeur requise. C2, la quantité initiale d'éléments d'alliage à introduire dans le bain de fusion, à soumettre aux modifications, C3ila quantité requise d'éléments d'alliage dans la couche de rechargement. La longueur du secteur transitoire devenant ainsi égale à 1 cm. Cet exemple montre qu'après avoir augmenté le taux d'alliage requis de seulement 2,5 fois pendant le temps t = ls, on est parvenu à réduire la longueur de la zone transitoire de 6 à 9 fois. Il est évident que dans le cas cosidéré il est impossible d'augmenter le taux d'alliage de plus de 2,5 fois tout en maintenant à un niveau constant la vitesse massique totale d'avance des électrodes. En d'autres mots la durée de l'alliage juqu'au niveau (taux) extrême est déterminée par le volume du bain de fusion, par l'aire de section de la couche à recharger, par la vitesse de rechargement, ainsi que par la quantité maximale de l'élé- ment requis dans les matières d'électrode et d'alliage et par la plage requise de variation de la quantité de cet élément dans la couche à recharger. Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, dont le schéma synoptique est représenté sur la figure 2, comprend une unité 1 de réglage du régime -de rechargement, qui détermine la vitesse massique totale d'amenée des éléments d'alliage dans le bain de fusion et est constitué, dans le présent exemple de réalisation, par un diviseur de tension réglable (figure 3) et une unité de programmation 2 reliée à la sortie de l'unité 1. L'unité de programmation 2 peut être, par exemple, à base de convertisseurs photo, inductifs et autres. A la sortie de l'unité de programmation 2, sont connectés un dispositif comparateur 3 et un élément additionneur-différentiateur 4. La sortie de l'élément 4 est reliée aux entrées d'un limiteur de tension réglable 5 commandé par le signal de sortie de l'unité 1. La sortie du limiteur de tension 5 est reliée, par l'intermédiaire d'un commutateur 6, à l'entrée d'une unité 7 consistant en un élément apériodique. Le dispositif selon l'invention comprend en outre un dispositif 8 de commande d'un mécanisme d'exécution 9. L'élément 7 est aussi relié au dispositif comparateur 3. Les éléments 3, 4, 5, 7, dans le présent exemple non limitatif de réalisation de l'invention, sont à base d'amplificateurs opérationnels (figure 3). Le dispositif 8 peut être une commande à thyristor, à transistor, à amplificateurs magnétiques, etc., tandis que le mécanisme d'exécution est constitué par un nombre approprié de moteurs électriques dépendant du nombre d'électrodes ou de la construction préférée de ce mécanisme. Le dispositifobjet de l'invention, fonctionne comme suit. Quand à l'entrée de l'élément additionneur- différentiateur 4 est appliqué un signal U1 provenant de l'unité de programmation 2 et dont les valeurs extrêmes sont proportionnelles au régime de rechargement établi par l'unité 1, on obtient à la sortie de l'élément 4 un signal U2 (figures 2 et 3). Dans le même temps, le signal U1 est appliqué au dispositif comparateur 3. Le signal de sortie v de l'élément 4 attaque l'entrée du limiteur de tension réglable 5 qui limite le signal U12 à un niveau proportionnel au régime de rechargement établi par l'unité 1. Le signal U3 obtenu à la sortie du limiteur de tension 5 n'est égal au signal U2 que jusqu'au moment o se produit la limitation. En effet alors que le signal U12 continue de varier, le signal U3 se maintient à son niveau extrême. Ensuite le signal U3 est appliqué à l'élément apériodique 7 dont le rôle est de simuler le bain de fusion. Le signal de sortie U4 de l'élément 7 est appliqué à la seconde entrée du dispositif comparateur 3. Jusqu'au moment o se produit la- limitation du signal U,, les signaux U1 et U4 appliqués aux entrées du dispositif comparateur 3 sont égaux entre eux et aucun signal utile n'apparaît à la sortie de ce dispositif. Si la somme du signal différentié et du signal de programme, obtenue dans l'élément 4, égale à U12 et propor- tionnelle au taux requis d'alliage, dépasse les possibilités réelles des commandes d'amenée des éléments d'alliage ainsi que la quantité maximale possible de matières d'alliage à introduire dans le bain de fusion, il se produit une limitation du signal U2 dans le limiteur de tension 5. Dans ce cas, le signal U4 n'est pas égal au signal U1, et à la sortie du dispositif comparateur 3 apparaît un signal U5 dont la polarité correspond au signe de la différence entre les signaux U1 et U4. Le signal U5 commande le fonctionnement du commuta- teur 6 déconnectant l'entrée de l'élément 7 de la sortie du limiteur de tension 5 et la connectant à l'unité 1. Selon le signe du signal U5, les signaux U6 et U7 fournis par l'unité 1 sont appliqués aux entrées de l'élément 7 et du dispositif de commande 8. Les signaux U6 et U7 sont égaux aux signaux nécessaires pour assurer les valeurs extrêmes de la vitesse d'amenée des matières d'alliage (par exemple vitesse minimale ou maximale de rotation des moteurs d'avance des électrodes). La durée d'introduction des éléments d'alliage dans le bain de fusion à la vitesse extrême est déterminée par la durée de la connexion de la source des signaux U6 et U7 à l'élément 7 et prend fin au moment o les valeurs des taux d'alliage réel et requis correspondent l'une à l'autre1 après quoi l'entrée de l'élément 7 est à nouveau connectée à la sortie du limiteur de tension 5. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant 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 de la protection comme revendiquée. R E V E N D I C A T IONS ___________________________ I. Procédé de rechargement pour le dépôt d'une couche superficielle de matériau de soudage de composition variable, du type consistant à introduire dans le bain de fusion au moins deux matériaux d'alliage et à modifier le rapport entre ceux-ci, caractérisé en ce qu'on modifie la quantité d'éléments d'alliage, par rapport à la quantité requise dans les secteurs correspondants de la couche de rechargement à obtenir, dans une plage de 0,01 à 20% quand il s'agit de réduire le taux d'alliage et dans une plage de 0,01 à 100% quand il s'agit d'augmenter le taux d'alliage, et on maintient cette quantité pendant un temps déterminé d'après la relation: V V C1-C2 t =. ln v.A C1C3 dans laquelle V est le volume du bain de fusion, v,la vitesse de rechargement, A>la section transversale de la couche de rechargement, C1jla quantité d'éléments d'alliage à introduire dans le bain de fusion, modifiée par rapport à la quantité requise, C2La quantité initiale d'éléments d'alliage à introduire dans le bain de fusion et à modifier, C3#a quantité requise d'éléments d'alliage dans la couche de rechargement, après quoi on modifie la quantité d'éléments d'alliage jusqu'à obtentknde la quantité requise. 2. Dispositif de rechargement pour la mise en oeuvre du procédé conforme à la revendication 1, du type comprenant un mécanisme d'exécution servant à amener les matériaux d'électrode et d'apport et relié à un dispositif de commande qui est lui-même commandé par une unité de réglage du régime de rechargement par l'intermédiaire d'une unité de programmation reliée à un dispositif comparateur, caractérisé en ce qu'il est doté d'un élément additionneur-différentiateur, d'un limiteur de tension, d'un commutateur et d'un élément apériodique, l'élément additionneur-différentiateur étant relié à la sortie de l'unité de programmation et au limiteur de tension, la sortie de ce dernier étant raccordée, par l'intermédiaire du commutateur commandé par le dispositif comparateur, à l'élément apériodique et au dispositif de commande du mécanisme d'exécution, deux autres entrées du commutateur étant reliées à l'unité de réglage du régime de recharge- ment, et la sortie de l'élément apériodique étant connectée au dispositif comparateur. 3. Produits, pièces ou articles caractérisés en ce qu'ils sont rechargés conformément au procédé faisant l'objet de la revendication 1.