Brevet FR2470655A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne le soudage automatique à l'arc sous atmosphère protectrice, et notamment les dispositifs de soudage à l'arc à l'aide d'électrodes non fusibles. L'invention peut être appliquée avec succès dans le soudage par plusieurs couches de fortes épaisseurs dont les bords sont séparés par une fente étroite, de préférence par joints de petite longueur. L'application à grande échelle, dans les diverses branches de la construction mécanique, de structures soudées à éléments fortement chargés, en aciers à grande résistance et en alliages de titane, rend nécessaire la solution du problème de l'automatisation du soudage et de la stabilisation de la qualité des cordons multicolores sur de fortes épaisseurs. Ce problème est d'une acuité particulière dans le soudage des joints par cordon de petite longueur. La surchauffe des joints courts se produisant lors du soudage entraîne l'adoucissement de la zone attenant au cordon et l'abaissement des caractéristiques de résistance de la soudure. l'une des orientations considérée comme prometteuse dans la stabilisation de la qualité des cordons à plusieurs couches sur joints courts, est la réduction de l'apport de chaleur au métal à souder, obtenue en distribuant d'une manière rationnelle l'énergie électrique entre le métal à souder et le métal d'apport. On connaît un dispositif de soudage à l'arc à l'aide d'une électrode non fusible, comprenant une tête de soudage, dans le bottier de laquelle est montée une électrode non fusible de façon qu'elle puisse se déplacer le long de son axe et tourner autour de cet axe pour assurer une distribution commandée de la chaleur de l'arc entre les bords à souder et le fil d'apport, ainsi qu'un mécanisme de déplacement longitudinal de la tête de soudage, un mécanisme de déplacement vertical de la tête de soudage solidaire du mécanisme de dE- placement longitudinal et couplé à la tête de soudage, un mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible fixé au bot- tier de la tête de soudage et couplé à l'électrode non fusible et un régulateur de longueur d'arc près du bord à souder, relié électriquement au mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible. Ce dispositif comporte un guide-fil solidaire de l'électrode non fusible, le fil d'apport passant à travers ce guide de façon qu'il soit dirigé vers l'arc en faisant un angle plus petit que 900 par rapport à la surface du cordon. De ce fait, dans ce dispositif, la tête de soudage ne peut exécuter ses déplacements utiles que dans un seul sens, ce qui entraîne des interruptions forcées pour son retour à vide jusqu'à la position initiale après le soudage de chaque couche du cordon, et, par conséquent, un abaissement notable du rendement du soudage. En outre, chaque couche doit être commencée et achevée avec une certaine longueur supplémentaire dont la valeur peut atteindre 30% de la longueur du cordon, ce qui réduit également la productivité du travail et implique des dépenses supplémentaires de matériaux. Le but de l'invention est de créer un dispositif de soudage à l'arc avec électrode non fusible qui permet d'accroire le rendement du soudage. L'invention vise aussi à améliorer la qualité des soudures. L'invention a donc pour but de fournir un dispositif de soudage à l'arc avec électrode non fusible dont la conception est telle qu'elle permette d'accroitre le rendement du soudage et d'améliorer la qualité des soudures. L'invention a donc pour objet un dispositif de soudage à l'arc, comprenant une tête de soudage dans le boitier de laquelle est montée une électrode non fusible de façon qu'elle puisse se déplacer le long de son axe et tourner autour de cet axe pour assurer une distribution commandée de la chaleur de l'arc entre les bords à souder et le fil d'apport, ainsi qu'un mécanisme de déplacement longitudinal de la tête de soudage, un mécanisme de déplacement vertical de la tête de soudage so- lidaire du mécanisme de déplacement longitudinal et couplé à la tête de soudage, un mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible solidaire du boîtier de la tête de soudage et couplé à l'électrode non fusible, et un régulateur de longueur d'arc près du bord à souder, relié électriquement au mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible, caractérisé en ce que la tête de soudage comporte une électrode non fusible supplémentaire montée dans ledit boîtier de façon qu'elle puisse se déplacer le long de son axe et tourner autour de cet axe, en ce que le fil d'apport passe dans un canal réalisé dans le boîtier de la tête de soudage suivant son axe entre les électrodes non fusibles, qui font par rapport au canal un angle assurant la distance requise entre leurs extrémités actives et le fil d'apport, suffisante pour la fusion simultanée du fil d'apport et du cordon par chacune des électrodes non fusibles, et en ce qu'il est prévu en outre un stabilisateur de longueur d'arc, relié électriquement au mécanisme de déplacement vertical de la tête de soudage, un mécanisme d'inversion du déplacement longitudinal de la tête de soudage, à l'aide duquel chaque électrode non fusible est reliée électriquement audit régulateur de longueur d'arc et au stabilisateur de longueur d'arc, et un capteur de position angulaire des électrodes non fusibles, assurant le fonctionnement;alterné du régulateur de longueur d'arc et du stabilisateur de longueur de l'arc jusqu'à l'axe du cordon, par variation respective de l'angle d'oscillation des électrodes nun fusibles et de la distance entre leurs extrémités actives et la#surface du cordon, le mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible étant couplé à l'électrode non fusible supplémentaire. L'invention permet de déposer des couches uniformes de bonne qualité dans les deux sens de soudage, ce qui donne la possibilité de remplir le cordon en continu dans toute sa section et supprime la nécessité des longueurs supplémentaires du cordon, Il en résulte en définitive, une augmentation du rendement du soudage. En outre, l'invention permet d'abaisser la dépense d'énergie pour le soudage grâce à la modification programmée de la distribution de l'énergie aux électrodes et à une utilisa tion plus efficace de la chaleur de l'arc. De plus, grâce au changement du sens de soudage de chaque couche du cordon par rapport à celui de la couche précédente, invention aJél-ore les conditions de solidification du métal du cordon et contribue à l'abaissement de la déformation, ce qui améliore la qualité des soudures. D'autres caractéristiques de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référent aux dessins annexés sur lesquels - la Fig. 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif de soudage à l'arc à l'aide d'une électrode non fusible conforme à l'invention; - la Fig. 2 est une vue en coupe transversale de ce dispositif; - la Fig. 3 représente un schéma du dispositif suivant l'invention; - la Fig. 4 représente le schéma électrique de principe du mécanisme d'inversion du déplacement longitudinal de la tê- te de soudage conforme à l'invention; - la Fig. 5 représente le schéma électrique de principe d'alimentation du circuit de soudage conforme à l'invention; ; - la Fig. 6 représente le schéma cinématique du mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible conforme à l'invention. On décrira ci-dessous à titre d'exemple un dispositif de soudage à l'arc, utilisé, lors du montage d'une ossature porteuse d'une structure en acier inoxydable de grande résistance, ce dispositif étant utilisé pour ltexécution de soudures de forte épaisseur sur des poutrelles à section en I. le dispositif de soudage à l'arc avec électrode non fusible comprend une tête de soudage 1 (Fig. -1), comportant des électrodes non fusibles 2 et 3 à extrémités actives recourbées. Ces électrodes sont rescevtiveent fixées à l'aide de pinces 4 et 5 et d'écrous à épaulement 6, 7 dans des porte-électrode d'amenée de courant 8 et 9. les porte-électrode 8 et 9 sont montés à rotation, respectivement dans des douilles isolées 10 et 11 refroidies par eau, sous un certain angle par rapport à un canal 12 dans lequel passe un fil d'apport 13. les douilles 10 et ll sont rigidement fixées au boîtier 14 de la tête 1. le dispositif comporte un mécanisme 15 d'oscillation des électrodes non fusibles, rigidement fixé au boîtier 14 de la tête de soudage 1. Le mécanisme 15 est couplé aux électrodes non fusibles 2 et 3, au moyen d'un pignon menant 16, de pignons intermédiaires 17 et 18 et de pignons menés 19 et 20 qui sont fixés sur les extrémités des porte-électrode 8 et 9 éloignées du canal 12. Sur le pignon intermédiaire 18, est fixée co-axialement une tige 21 sur laquelle est monté un aimant permanent 22 d'un capteur 23 de position angulaire des électrodes non fusibles. Le capteur 23 est fixé au boîtier 14 de la tête de soudage 1. Le capteur 23 comprend également des interrupteurs à lames souples 24, 25 et 26 (Fig. 2) , montés autour de la tige 21 (Fig. 1 et 2), à une distance suffisante pour qu'ils puissent basculer lors de leur coopération avec l'aimant permanent 22. le boîtier 14 est couplé à un mécanisme 29 de déplacement vertical de la tête de soudage 1, par un écrou 27 et une vis 28 de ce mécanisme. le mécanisme 29 est rigidement fixé sur un plateau mobile 30, qui est couplé à un plateau fixe 31.En outre, sur le plateau 30 est rigidement fixé un mécanisme 32 (Fig. 1) de déplacement longitudinal de la tête 1, couplé par un engrenage à vis sans fin 33 et un pignon 34 à une crémaillère 35 solidaire du plateau 31. Sur le plateau 31 sont fixés des patins 36 et 37 (Fig. 2) de protection gazeuse et des interrupteurs 38 et 39 (Fig. 1) manoeuvrés respectivement par des touches 40 et 41 fixées au plateau 30 et réglables en position. les interrupteurs 38 et 39 et les touches 40 et 41 font partie d'un mécanisme 42 d'inversion du déplacement longitudinal de la tête de soudage. Le dispositif est fixé dans l'alignement dSun cordon 43 (Fig. 1 et 2) de telle façon que les électrodes 2 et 3 et le fil d'apport 13 se trouvent entre les bords à souder 44 et 45 de la pièce 46. Pour la conduite automatique du soudage par arc court, le dispositif comporte un régulateur 47 (Fig. 3) de la longueur d'arc près du bord à souder et un stabilisateur 48 de la longueur de l'arc. le régulateur 47 comprend un comparateur 49 auquel sont connectés deux commutateurs 50 et 51. Le stabilisateur 48 comprend un circuit comparateur 52 auquel est connecté un commutateur 53. les commutateur 50 et 51 sont reliés au mécanisme 15 (Fig. 1) d'oscillation des électrodes non fusibles, qui est couplé aux électrodes non fusibles 2 et 3 et à la tête de-soudage 1.Le commutateur 53 est relié à un actionneur électrique 54 du mécanisme 29 de déplacement vertical de la tête de soudage. le mécanisme 29 comporte également deux interrupteurs 55 et 56 couplés à la tête 1. les interrupteurs à lames souples 24, 25 et 26 sont reliés électriquement aux commutateurs 50, 51 et 53. l'aimant 22 est couplé aux électrodes 2 et 3. La tête de soudage 1 est couplé au mécanisme 32 assurant son déplacement longitudinal. le mécanisme 32 est relié au mécanism#e 42 d'inversion du déplacement longitudinal de la tête de soudage 1, comprenant un circuit 57 de commande d'inversion, auquel sont connectés les interrupteurs 38 et 39 couplés à la tête 1. le circuit 57 du mécanisme 42 est relié à un commutateur 58 qui est relié aux électrodes 2 et 3 par les arcs électriques de soudage 59 et 60, ainsi qu'aux circuits 49 et 52. le circuit 57 de commande d'inversion comprend deux relais 61 et 62 (Fig. 4) qui sont reliés électriquement aux interrupteurs 38 et 39, respectivement. Des contacts de travail 63 et 64 et des contacts de repos 65 et 66 sont reliés électriquement au mécanisme 32 et aux interrupteurs 38 et 39. le dispositif comprend des régulateurs 67 et 68 (Fig. 5) du courant de soudage circulant respectivement dans les circuits des électrodes 2 et 3. les contacts de travail 69 et 70 des relais 61 et 62 respectivement, font partie du circuit 57 (Fig. 3) et sont reliés électriquement, respectivement, aux régulateurs 67 et 68, aux électrodes 2 et 3 et aux circuits 49 et 52. la Fig. 6 représente le schéma d'oscillation des électrodes non fusibles 2 et 3. le dispositif fonctionne de la façon suivante. les électrodes non fusibles 2 et 5 (Fig. 1) sont respectivement montées dans les pinces 4 et 5, d'après un gabarit déterminant leur déplacement,et immobilisées à l'aide d'écrous 6 et 7, de telle façon que leurs extrémités actives recourbées soient orientées vers le fil d'apport 13 (Fig. 1 et 6) et se trouvent dans le même plan que celui-ci. La distance entre les électrodes 2 et 3 et le fil d'apport 13 doit être de 5 à 7 mm. Avant le montage et la fixation des électrodes 2 et 3, l'axe de l'aimant permanent 22 est mis en coincidence avec l'axe de l'interrupteur à lames souples 25 d'après un repère dans le capteur 23, ce qui correspond à la mise en coincidence des extrémités actives recourbées des électrodes 2 et 3 avec l'axe du cordon 43.Le dispositif est alors mis en place et fixé sur la pièce 46, de telle façon que le plan dans lequel se trouvent les électrodes 2 et 3 et le fil d'apport 13 coln- cide avec l'axe du joint à souder. Après fixation du dispositif sur la pièce 46, on règle le mécanisme 42 d'inversion du déplacement longitudinal de la t8- te de soudage 1. On met les touches 40 et 41 à des positions choisies en fonction de la longueur du cordon 43 c'est-à-dire à une distance de 7 à lOmm des extrémités du joint. On place la tête de soudage 1 et le plateau mobile 30 à l'une des positions extrêmes suivant la longueur du cordon 43, position pour laquelle bascule, par exemple, l'interrupteur 38. Puis on admet le gaz protecteur, l'eau de refroidissement et, à l'aide d'un oscillateur (non représenté), on amorce les arcs électriques 59 et 60, respectivement entre les électrodes 2 et 3. et la pièce 46. L'intensité du courant dans les arcs 59 et 60 est alors de 10 à 20. Après stabilisation de l'arc aux électrodes 2 et 3, on augmente le courant des arcs 59 et 60 jusqu'à la valeur de travail. Ensuite, on met successivement en action le mécanisme 15 d'oscillation des électrodes non fusibles, le ré gulateur 47 (Fig. tv de longueur d'arc jusqu'au bord à souder et le stabilisateur 48 de longueur d'arc, le mécanisme (non représenté) d'alirlentatior en fil d'apport 13 et le mécanisme 32 de déplacement longitudinal de la tête de soudage. Etant donné que la tête de soudage 1 est à l'une des positions extrêmes et que l'interrupteur 58 est fermé, le circuit d'a alimentation au relais 61 est fermé et le contact 65 coupe le circuit d'alimentation du relais 62. Avec ses contacts 63, le relais 61 branche le mécanisme 32, et avec son contact de repos 69, il tranche le régulateur 47 et le stabilisateur 48 pour leur alimentation à partir de l'arc 59 de l'électrode 2 située en arrière du fil d'apport 13. La téte de soudage 1 commence àse déplacer dans le sens interrupteur 38 - interrupteur 39, et le soudage de la première couche du cordon 43 commence.Pendant le soudage, la tension de l'arc 59 de lté- lectrode 2 est appliquée au circuit 49 et au circuit 52 qui sont branchés alternativement lors du basculement des commutateurs 5G, 51 et 53 provoqué par le signal issu du capteur 23. les extrémités actives des électrodes 2 et 3 se trouvent alors respectivement au voisinage du bord 44 , sur l'axe du cordon 43 et au voisinage du bord 45. le stabilisateur 48 fonctionne périodiquement, quand l'interrupteur à lames souples 25 est est fermé par l'aimant permanent 22. Dans ce cas, la distance verticale prescrite entre l'extrémité active de l'électrode 2 et la surface du cordon 43 est maintenue automatiquement par le circuit 52, l'actionneur électrique 54 du mécanisme 29 fonctionnant par intermittence. Le circuit 49 mesure la tension de l'arc 59 entre les bords 44 et 45 et l'électrode quand l'interrupteur 24 ou 26 est fermé, puis il émet le signal d'inversion de la rotation des électrodes 2 et 3, quand la valeur de cette tension devient plus petite qu'à l'axe du cordon 43 et atteint une valeur prédéterminée, l'électrode 2 se rapprochant des bords 44 et 45 alternativement.Ainsi le dispositif soude la première couche avec stabilisation de la longueur des arcs 59 et 60 sur chacun des bords à souder 44 et 45, par variation de l'angle d'oscillation des électrodes 2 et 3, et sur l'axe du cordon 43, 2e stabilisateur 48 agissant par intermittence. Quand la tête de soudage 1 arrive à la fin du joint de la pièce à souder 46, c'est-à-dire quand l'axe du fil d'apport s'en approche d'une distance de 7 à 10 mm, la touche 41 ferme l'interrupteur 39. les relais 61 et 62 basculent (le relais 62 est excité et le relais 61 est désexcité)et la marche du mécanisme 32 s'inverse. La tête de soudage 1 commence à se déplacer en sens inverse, de l'interrupteur 39 à l'interrupteur 38. le dispositif commence le soudage de la seconde couche du cordon 43.Après inversion du mécanisme 32,les contacts 70 du relais 62 branchent le stabilisateur 48 et le régulateur 47 pour leur alimentation à partir de l'arc 60 de 1'électrode 3, qui après l'inversion du déplacement longitudinal se trouve située en arrière du fil d'apport 13. Quand la tête de soudage 1 arrive au début du joint de la pièce à souder 46, la touche 40 ferme l'interrupteur 38.Il s'ensuit une nouvelle inversion du déplacement longitudinal de la tête de soudage 1, et le soudage de la couche suivante du cordon 43 commence. le mouvement de va-et-vient de la tête de soudage 1 et le remplissage progressif du cordon 43 continuent ainsi jusqu a remplissage complet du cordon 43, après quoi le soudage est interrompu. le déplacement vertical de la tête de soudage 1 au fur et à mesure du remplissage du cordon 43 est exécuté automatiquement par le circuit 52, grâce à la stabilisation de la longueur des arcs 59 et 60 vis-à-vis de l'axe du cordon 43. En faisant varier le régime du courant de soudage dans les arcs 59 et 60 à l'aide des régulateurs 67 et 68, c'est-à-dire dans les circuits de soudage de chacune des électrodes 2 et 3, on peut faire varier automatiquement le courant de soudage dans ces électrodes et réguler dans une plage étendue la quantité de chaleur apportée à la pièce 46, accroître l'efficacité de la pénétration et, ainsi réduire notablement l'énergie nécessaire au processus et la surchauffe du joint court. Ainsi, par exemple, puisque l'arc 59 ou 60 de l'électrode située en avant du fil d'apport 13 agit selon l'invention sur la surface nue de la couche précédente du cordon 43 pratique ment non recouverte de métal d'apport liquide, l'intensité du courant de soudage dans l'électrode 2 ou 3 peut être diminuée. Dans le cas de soudage d'un joint de 40 mm d'épaisseur sur un acier inoxydable de grande résistance, on a obtenu de bons résultats avec un rapport des courants de 1/2 (courant dans l'électrode avant T = 100 A, courant dans l'électrode arrière I2 = 200 A, pour V = 7 à 1C m/h). - RBVENDICATION Dispositif de soudage à l'arc, comprenant une tête de soudage, dans le boîtier de laquelle est montée une électrode non fusible de façon qu'elle puisse se déplacer le long de son axe et tourner autour de cet axe pour assurer une distribution commandée de la chaleur de l'arc entre les bords à souder et le fil d'apport, ainsi qu'un mécanisme de déplacement longitudinal de la tête de soudage, un mécanisme de déplacement vertical de la tête de soudage solidaire du mécanisme de déplacement longitudinal et couplé à la tête de soudage, un mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible solidaire duboitierde la tête de soudage et couplé à l'électrode non fusible, et un régulateur de longueur de l'arc jusqu'au bord à souder, ce régulateur étant relié électriquement au mécanisme d'oscillation de l'électrode non fusible, caractérisé en ce que la tête de soudage comporte une électrode non fusible supplémentaire (2 ou 3) montée dans ledit boStier(l4) de fa çon qu'elle puisse se déplacer le long de son axe et tourner autour de cet axe, en ce que le fil d'apport (13) passe dans un canal réalisé dans le boîtier (14) de la tête de soudage (1) suivant son axe entre les électrodes non fusibles (2, 3) qui font par rapport au canal un angle assurant la distance requise entre leurs extrémités actives et le fil d'apport, suffisante pour la fusion simultanée du fil d'apport et du cordon (43) par chacune des électrodes non fusibles, et en ce qu'il est prévu en outre un stabilisateur de longueur d'arc (48) relié électriquement au mécanisme (29) de déplacement vertical de la tête de soudage, un mécanisme (42) d'inversion du déplacement longitudinal de la tête de soudage, à l'aide duquel chaque électrode non fusible est reliée électriquement au régulateur (47) de longueur de l'arc jusqu'au bord à souder et au stabilisateur de longueur d'arc (48) et un capteur (23) de position angulaire des électrodes non fusibles, assurant le fonctionnement alterné dudit régulateur (47) et dudit stabilisateur (48) de longueur d'arc jusqu'à l'axe du cordon 43, par variation respective de l'angle d'oscillation des électrodes non fusibles (2,3) et de la distance entre leurs extrémités actives et la surface du cordon (43, e mécanisme (i5) d'oscillation de l'électrode non fusible étant couplé à l'électrode non fusible supplémentaire.