Brevet FR2464783A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un procédé de soudage par faisceau d'électrons, à régulation par la puissance absorbée, ou par la puissance traversante, ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. On sait que les caractéristiques mécaniques d'une soudure, considérée à l'état brut de solidification, c'est-à-dire avant tout traitement thermique, caractéristiques telles que sa résistance à la traction, sa dureté ou sa résilience, sont tributairesde la composition chimique de la zone fondue, ainsi que du cycle thermique de soudage auquel la soudure a été soumise. De son c8té, le cycle thermique dont il s'agit est uniquement fonction de l'énergie réellement apportée à l'assemblage réalisé, ceci, pour une géo- métrie donnée de cet assemblage et lorsque le soudage est exécuté en une seule passe. Les différents paramètres entrant en ligne de compte pour une opéra- tion de soudage par faisceau d'électrons sont: - la tension d'accélération du canon à électrons (U) - l'intensité du courant, débité par le canon (I i) - le courant de focalisation (Ifoc) - la distance de tir (d), à savoir la distance entre, d'une part, le plan de la bobine de focalisation du faisceau d'électrons, et d'autre part la piè- ce à souder. - la vitesse de soudage (V) On peut également prendre aussi en considération des paramètres défi- nissant des vibrations éventuelles du faisceau d'électrons. L'une des grandeurs dérivées des précédentes est la puissance de tir du canon tir U.I On sait cependant que, seule une fraction Pabs de cette puissance sera effectivement absorbée par les pièces à assembler; l'importance relati- ve de Pab dépend essentiellement de la répartition de la densité de puissan- ce, répartition qui, de son côté, est fonction de la position exacte du point de focalisation du faisceau d'électrons, c'est-à-dire de la valeur du courant Ifoc; Pabs dépend en outre de la distance (d), mais le réglage de P abs dé- pend essentiellement du paramètre Ifoc' ce qui montre que l'importance de ce dernier doit être considérée comme étant prépondérante., Quant au faisceau d'électrons émis par le canon, on sait qu'en plus de la partie de ce faisceau correspondant à la puissance absorbée, il donne également naissance à un certain nombre de faisceau d'électrons dérivés, à savoir: des électrons rétrodiffusés auxquels correspond la puissance Pr - des électrons secondaires auxquels correspond la puissance P r - des électrons d'origine thermique auxquels correspond la puissance P - des électrons transmis au travers de la pièce, dans le cas d'une soudure débouchante, électrons correspondant à la puissance traversante Ptr. La puissance de tir (P tir) s'exprime ainsi par P. =P +P +P + P lP tir abs r s th tr Les intensités correspondant, en particulier à P tir' Pabs' Ptrv s'ob- tiennent en divisant la valeur de chacune de ces puissances par celle, toujours la même, de la tension d'accélération U du canon. La valeur de Pabs pouvant être tirée de cette égalité conditionne, pour une vitesse de soudage, pour un acier donné et pour une géométrie donnée des pièces à souder, le cycle thermique de l'opération. La valeur de la fraction Pr peut être considérée comme étant comprise entre 15 et 25 % de P., ce qui laisse pour l'ensemble de P + P une tir' abs tr valeur comprise entre 75 et 85 % de la dite puissance de tir, ceci, en négli- geant, dans une première approximation, les deux autres facteurs -P s dont les valeurs sont faibles th On sait encore que, pour obtenir, dans le cas d'aciers doux ou faible- ment alliés, une bonne soudure, il convient de tenir la puissance Pabs en des- sous d'une certaine limite, ceci pour accélérer le plus possible le cycle thermique et par conséquent pour réduire d'autant l'échauffement des pièces à assembler, en dehors de la zone de soudage. Il s'ensuit qu'il conviendra d'assigner à Pt dans le cas envisagé, une valeur plancher, la somme P abs + Ptr devant rester sensiblement constante. Ayant ainsi cerné les différents facteurs et paramètres intervenant dans une opération de soudage par faisceau d'électrons, on s'attachera plus particulièrement aux opérations de ce genre lorsqu'il leur sera demandé la constance des caractéristiques morphologiques et mécaniques des soudures ob- tenues, ainsi que de présenter une bonne reproductibilité de ces mêmes carac- téristiques, d'une opération à la suivante. Or, l'expérience prouve que, dans certains cas, la connaissance des paramètres habituels (U, Itir' If d, v) s'avère insuffisante pour garan- tir une constance et une reproductibilité suffisantes des dites caractéristi- ques,ceci, en raison de l'effet d'amplification important existant entre les valeurs des dits paramètres et facteurs et celles des caractéristiques visées de très faibles variations des premières provoquent des variations franchement inacceptables des secondes. C'est ainsi par exemple que l'effet d'amplification est de l'ordre de entre les variation de I fo et celles d'une caractéristique mécanique donnée, la dureté Rv 5 d'un acier, dont la composition chimique est: C 0,14; Mn 1,23; Si 0,22; Ni 0,43; Mo 0,18; B 17 ppm, ceci pour une puis- sance de tir de 22,4 kW, une vitesse de soudage de 40cm/minute, une distance de 600mm et une épaisseur de 32 mm de chacune des pièces à souder. L'effet d'amplification, dans le même exemple, est de 150, entre les variations de Ifoc et celles de Pabs. La présente invention se propose de mettre à profit cette particula- rité. En se servant de l'exemple précédent comme illustration, on constate que l'effet d'amplification entre les variations de Pabs et celles de la ca- ractéristique mécanique envisagée n'est que de 0,33 c'est-à-dire que la carac- téristique mécanique dont il s'agit varie trois fois moins vite que P S abs Si, à une certaine variation de la valeur de If correspond une va- riation sensiblement supérieur de la valeur de la caractéristique mécanique considérée, cette dernière pouvant être par exemple 20 à 50 fois supérieure, la variation de Pabs qui lui correspond est encore plus importante, de l'or- dre de trois fois plus. Il s'en suit qu'à une certaine variation de Pabs correspond une varia- tion nettement plus faible de la caractéristique mécanique, ce qui permet d'as- surer, à cette dernière, une bonne stabilité, en fonction des dites variations de Pab et, par conséquent, une reproductibilité pouvant être garantie en toute tranquillité. Si donc l'on pouvait maintenir les variations de P b à l'intérieur d'une marge meilleure que 1 % par exemple, la variation correspondante de la caractéristique considérée sera encore bien meilleure ce qui équivaudrait pra- tiquement au maintien pur et simple de la dite caractéristique à sa valeur initiale. C'est ce résultat qui peut être obtenu, selon la présente invention, en procédant conformément à l'une des caractéristiques de celle-ci: il con- viendra de maintenir, par tous moyens appropriés et tout au long d'une opéra- tion de soudage, la puissance absorbée à une valeur constante et ce, avec un degré de précision fixé à l'avance. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'on devra, lors de toute opération qui suivra la première, et si l'on désire retrouver la même valeur de la caractéristique mécanique ou métallurgique considérée, régler les différents paramètres précédemment définis de manière à leur faire prendre les mêmes valeurs que lors de la première opération, ceci, étant fait en parti- culier pour la valeur de P b avec le même degré de précision que dans la di- te première opération. Selon une autre caractéristique de l'invention, on substituera au main- tien de la constance de P bs celui du maintien de la constance P, ce qui, compte tenu des considérations qui précèdent, et notamment de la relation cons- tante entre P et P, doit revenir sensiblement au même. abs tr' L'avantage est, alors, que la mesure de Ptr est plus facile que celle de Pabs' L'expérience a montré que pour une bonne focalisation, la valeur de Ptr peut atteindre 40 % de Ptir' ce qui laisse, par différence, une valeur du même ordre pour P abs' Selon une autre caractéristique de l'invention, on établit une boucle de règlage dans laquelle, après avoir assigné à P une valeur constante défi- nie à l'avance, on injecte en feed-back le signal d'erreur dont on fait dépen- dre, par exemple, le paramètre Ifoc' ayant la certitude que les variations de la caractéristique mécanique considérée qui en résulteront resteront à l'inté- rieur des limites prescrites, ce qui, en raison de l'extrême étroitesse de ces limites, revient à dire que cette caractéristique sera maintenue constante. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés, description et dessins étant donnés à titre d'exemple illustratifs et nullement limitatifs de divers modes de réalisation de l'invention. C'est ainsi que l'on pourra procéder à la détermination du paramètre If à partir de mesures de tensions proportionnelles à l'intensité du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder au moyen de dispositifs, dont le dé- tail sera exposé plus loin. Sur les dessins: - la figure 1 représente les courbes de variation de P et P en fonction - abs tr' de Ifoc - la figure 2 est un diagramme développé des valeurs respectives prises par Pabs' Ptr' au cours d'une opération de soudage par faisceau d'électrons sur une section droite d'un tube qui sera assemblé à un autre tube identique - la figure 3 est le schéma bloc de la partie caractéristique d'un dispositif de régulation de Ptr conforme à l'invention. - la figure 4 est un diagramme résumant les résultats obtenus par application du procédé selon l'invention au métal dont la composition chimique a été définie précédemment. On voit en 1, sur la figure 1, la courbe de variation de Pabs en fonc- tion de Ifoc Cette courbe présente une valeur minimale. On voit sur la même figure à une échelle sensiblement la même, la courbe des variations corrélati- ves de Ptr courbe symétrique de la première et présentant par conséquent un maximum en regard du minimum de celle de P bs' Dans la pratique, l'on se donne à l'avance la valeur de P que l'on abs se propose de maintenir constante; il lui correspond la valeur de Ptr dédui- te du diagramme, pour une même valeur de I On a porté sur le diagramme de la figure 2, en 3 et 4, les tracés déve- loppés respectifs des valeurs absolues prises par P et P en fonction de abs tr l'avancement du canon à électrons le long de la ligne de soudage, c'est-a-dire en fonction du temps, la vitesse d'avancement du canon étant supposée constan- te, ceci, au cours d'une opération d'assemblage par soudage de deux éléments tubulaires de même section l'un sur l'autre. Le tour complet du cordon de sou- dure va ainsi de 0 , correspondant à l'abcisse c à 3600, correspondant à l'ab- cisse i de Ptr il y a également un recouvrement, d'une durée moindre. On a représenté, en trait plein de référence 3 les variations de la puissance Pabs le long de l'opération considérée, et en trait tireté, les va- riations de la puissance Ptr. A l'instant j du début de l'opération, les puissances P tir et Pabs sont encore nulles. A partir de cet instant, l'on commence par donner à P tir une certaine valeur, ce qui provoque l'apparition deP b. Les deux puissances augmentent ensuite et l'on voit, sur le diagramme l'accroissement de P b en A - C, ceci jusqu'à une certaine valeur de P tir' valeur à laquelle correspond l'ordonnée du point C sur le diagramme. Cet instant désigné par Y! correspond au début de la traversée des pièces à souder par le faisceau d'électrons, c'est-à-dire à l'apparition d'une puissance P.tr Les accroissements corrélatifs desdeux puissances P abs et Ptr sont visibles respectivement en C - B1 - C' - B'(point instant), la pente de C - B étant sensiblement moins élevée que celle de A - C. A partir des points respectifs B et B', les puissances concernées se maintiennent à des valeurs constantes, jusqu'en D et D' respectivement (instant t). A partir de cet instant qui marque la fin de la durée prévue pour le recouvrement et le début de l'évanouissement du faisceau d'électrons, par diminution de Ptir' lequel décroit progressivement jusqu'à l'instant: o l'on constate que le faisceau d'électrons ne traverse plus les pièces à souder. b 2 46 478 3- P b décroit selon D - E ce qui correspond également à la décroissance, en D' et E' de P t laquelle par définition s'annule a point E'. L'évanouissement se produit pour P bs de E à F, comme conséquence de la décroissance correspondante de Ptir' Les pentes des différents segments mentionnées sont toutes prédétermi- nées. On a représenté sur la figure 3 la partie caractéristique du schéma bloc d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Les facteurs pris en considération sont les tensions proportionnelles aux intensités des deux puissances en présence Ptir et P t C'est ainsi qu'on a schématiquement représenté, en 5, la tension pro- portionnelle, à l'intensité de la puissance traversante P tr. Selon l'invention, cette intensité a été recueillie sur le trajet du faisceau d'électrons, trajet sur lequel on interpose, derrière l'ensemble des pièces à assembler, un capteur constitué par une plaque pare-feu, éventuellement entourée d'une cage de Faraday, sur la face frontale de laquelle est ménagée une ouverture pour le passage du dit faisceau. Le captage proprement dit se fait sur une résistance, branchée entre la dite plaque et la masse, étant précisé que c'est par son pôle + que la sour- ce à très haute tension du dispositif est elle-mêàme connectée à la masse, son p6le - étant branché, comme connu, sur la cathode du canon à électrons. La dite tension, proportionnelle à l'intensité ainsi captée, est introduite dans un système soustracteur électronique désigné par 6 et dans lequel on fait égale- ment entrer une fraction prédéterminée d'une tension proportionnelle à l'inten- sité du flux total correspondant à la puissance P tir du canon à électrons. Le coefficient de proportionnalité étant le même que pour la tension représentati- ve de Ptr, la dite fraction étant désignée par 9 et obtenue à la sortie d'un système multiplicateur électronique de type connu désigné par 8 dans lequel on aura au préalable introduit une tension proportionnelle à l'intensité corres- pondant à la puissance P tir intensité désignéepar 7. Comme précisé plus haut, la dite fraction 9 représente environ 80 % de celle entrée en 7 dans le systè- me multiplicateur 8. On a représenté par 10 la tension à la sortie du système soustracteur 6, tension correspondant à P et introduite dans le système comparateur électro- abs nique 11, dans lequel on introduit par ailleurs, en 12, la valeur de consigne de cette même tension, valeur correspondant à celle que l'on cherche à mainte- nir constante èt correspond à P bs' Le signal d'erreur, c'est-à-dire la différence entre les deux tensions introduites dans le comparateur 11, représenté par 13, sera injecté en feed- back dans le système régulateur du courant de focalisation 'foc; la boucle de 2464783- réglage est ainsi fermée et permet le maintien de P abs à un niveau rigoureuse- ment constant, ce qui est le but recherché. Le schéma de la figure 3 est complété par un bloc 16 destiné à limiter le signal 13 à une valeur-plafond qui est la valeur de consigne maximale, la dite valeur étant introduite en 14 dans le bloc 16. Le signal 17 sortant du bloc 16 qui est constant pendant toute l'opéra- tion de soudage en amont des points D - D' est introduit dans un bloc de mémori- sation 18 dont la fonction est de conserver la valeur de ce signal à l'instant précis J du début de l'évanouissement. Jusqu'à cet instant les valeurs d'entrée et de sortie du bloc 18, soit respectivement 17 et 19, sont égales et constan- tes. Le signal 19 est introduit dans un bloc de programmation 20, lequel vient se substituer à l'asservissement tel que décrit précédemment, et ce au cours du régime de fonctionnement à puissance de tir P tir constante du canon à électrons. Cette substitution a lieu, d'une part, pendant la phase initiale de montée en puissance du canon, d'autre part, pendant la phase finale d'éva- nouissement de cette puissance. La fonction de ce bloc étant de déterminer les pentes des phases opératoires correspondantes, en fonction des différents para- mètres du soudage, du positionnement des pièces à souder et du temps. Le signal 21 sortant du bloc 20 est introduit dans un amplificateur 22, qui est en même temps un convertisseur tension/courant. Le signal 22 sortant du bloc 22 est précisément le courant Ifoc lequel alimente la bobine de foca- lisation 23, le circuit se refermant sur le bloc 22 à travers la résistance 24 dont l'extrémité c8té bloc 22 est mis à la masse. La boucle 26, se fermant également sur le bloc 22 sert à la mesure du courant I réel. foc Dans une réalisation variante il est également possible de réguler ainsi de la m9me manière la tension du Wehnelt du canon à électrons, au lieu d'agir sur Ifoc Il est également possible de procéder d'une manière analogue en ré- glant à une valeur de consigne, constante, la puissance absorbée P abs La figure 4 est un diagramme sur lequel on a porté le résultat obtenu en appliquant le procédé selon l'invention au métal dont la composition chimi- que a été définie au début du présent exposé. La courbe 27 est celle du courant désigné par I pare-feu' valeur ser- vant à illustrer les variations de Ptr, en fonction de celles de I c Ce cou- rant est donné en milliampères. La courbe 28 donne les variations de la dureté du métal, en valeurs HV5. 2464783- La courbe 29 est celle de la résilience exprimée en unités Kcv, à -10eC. On voit donc, d'une manière t-rès nette, que pour une valeur de If représentée par l'ordonnée de référence 30 et égale à environ 2,165 A, la dureté et la résilience présentent des valeurs très proches des valeurs ma- ximales, ce qui montre bien l'intérêt que présente le procédé selon l'in- vention. On a également présenté en 31, une zone étroite, de part et d'autre de la valeur 30 de Ifoc' zone de fonctionnement, à l'intérieur de laquelle les valeurs de la dureté et de la résilience restent encore exploitables. Il reste entendu que la présente invention ne saurait être limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, des modifications de détail pouvant encore y être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention, ni en dépasser la portée. C'est ainsi que,pour affiner encore la régulation du procédé, on peut se proposer de tenir également compte des puissances P, Pth et Ps. A cet ef- fet, on mesure les intensités correspondant, en interposant sur le trajet du faisceau d'électrons une première électrode, comportant une ouverture en son centre et disposée en amont des pièces à souder, puis une seconde électrode comportant également une ouverture centrale et disposée en aval des dites piè- ces. Ces deux électrodes sont reliées électriquement entre elles ainsi qu'à la plaque pare-feu. La mesure de l'intensité traversant la résistance de capta- ge 24 donne alors directement la somme r + 1s + Ith + Itr On peut également interposer, dans le même but, entre les pièces à sou- der d'une part et le capteur d'autre part, un écran relié à la masse et compor- tant une ouverture centrale, pour le passage du faisceau d'électrons traversants. Il est clair, d'autre part, que dans une autre variante de réalisation du dispositif de mise en oeuvre, tel que décrit précédemment, et représenté paré la figure 3, on peut injecter directement la tension désignée par 5 à l'entrée du comparateur 11, dans lequel on injecte par ailleurs, en 12 la valeur de con- signe de cette même tension, ceci, sans faire intervenir le soustracteur 6, ni le multiplicateur 8. - D'autres variantes de réalisation peuvent également être envisagées. C'est par exemple ainsi qu'il est possible de capter la tension propor- tionnelle à l'intensité du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder, tension receuillie aux bornes d'une résistance qui relie à la masse un capteur constitué par une plaque pare-feu, disposé derrière les dites pièces, cette tension étant directement injectée dans un comparateur, dans lequel on intro- duit par ailleurs, la valeur de consigne prédéterminée pour cette tension, - la suite du traitement du signal ainsi obtenue restant inchangée. On peut également améliorer la précision des résultats obtenus en en- tourant la plaque pare-feu d'une cage Faraday reliée électriquement à la dite plaque et comportant un orifice de passage du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder. On peut aussi interposer, immédiatement après les pièces à souder un écran comprenant un orifice de passage du faisceau et relié électriquement à la masse, ou encore interposer un tel écran en avant des pièces à souder et le relier électriquement à la plaque pare-feu. REVENDICATIONS 1 ) Procédé de soudage par faisceau d'électrons, dans lequel on s'assu- re du maintien à des valeurs constantes, ainsi que de la reproductibilité des caractéristiques mécaniques et métallurgiques d'une soudure, procédé caractéri- sé en ce que l'on maintient à une valeur constante la puissance absorbée par la soudure. ) Procédé de soudage par faisceau d'électrons, dans lequel on s'assu- re du maintien à des valeurs constantes, ainsi que de la reproductibilité des caractéristiques mécaniques et métallurgiques d'une soudure, procédé caractéri- sé en ce que l'on maintient à une valeur constante la puissance traversant les pièces à souder. ) Procédé de soudage selon la revendication 2, dans lequel on déter- mine l'intensité du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder, par la mesure de la tension prélevée aux bornes d'une résistance parcourue par la dite intensité, résistance branchée entre un capteur interceptant le dit faisceau et la masse. 4 ) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un bloc soustracteur destiné à fournir la dif- férence entre d'une part, la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau d'électrons émanant du canon, après réduction de celle-ci dans un rapport pré- déterminé, d'autre part, la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder et recueillie par un capteur consti- tué par une plaque pare-feu, disposée derrière les pièces à souder, le signal ainsi obtenu étant traité dans un comparateur dans lequel on introduit la va- leur de consigne de la dite différence, le signal d'erreur correspondant devant traverser successivement un bloc limiteur de ce signal, un bloc de mémorisation, puis parvenir à un convertisseur tension/courant fournissant le courant destiné à alimenter la bobine de focalisation du faisceau d'électrons, lors de l'impact de ce faisceau sur la ligne de soudage. ) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau d'é- lectrons traversant les pièces à souder et recueillie aux bornes d'une résistan- ce reliant à la masse un capteur, constitué par une plaque pare-feu, disposée derrière les pièces à souder, la dite tension étant tra tée dans un comparateur dans lequel on introduit par ailleurs, la valeur de consigne prédéterminée, le signal d'erreur correspondant devant traverser successivement un bloc limiteur de ce signal, un bloc de mémorisation, puis parvenir à un convertisseur tension/ courant fournissant le courant destiné à alimenter la bobine de focalisation du faisceau d'électrons, lors de l'impact de ce faisceau sur la ligne de soudage. il 6 ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4,5 caractéri- sé en ce qu'il comporte un bloc soustracteur destiné à fournir la différence entre d'une part, la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau d'élec- trons émanant du canon, après réduction de celle-ci dans un rapport prédétermi- né, d'autre part, la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau d'élec- trons traversant les pièces à souder et recueillie par un capteur constitué par une plaque-feu, disposée derrière les pièces à souder, le signal ainsi obtenu étant traîté dans un comparateur dans lequel on introduit la valeur de consigne de la dite différence, le signal d'erreur correspondant devant traverser suces- sivement un bloc limiteur de ce signal, un bloc de mémorisation, un bloc de programmation. 7 ) Dispositif de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 6 caractérisé en ce que la plaque pare-feu est entourée d'une cage Faraday, à laquelle elle est reliée électriquement, la dite cage comportant un orifice destiné à livrer passage au faisceau d'électrons traversant les pièces à souder. ) Dispositif de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 7 caractérisé en ce que l'on interpose, immédiatement après les piè- ces à souder un écran comportant un orifice de passage du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder, le dit écran étant relié électriquement à la masse. ) Dispositif de mise en oeuvre selon l'une quelconque des revendica- tions 4 à 8 caractérisé en ce que l'on interpose, en avant des pièces à souder un écran comportant un orifice de passage du faisceau d'électrons traversant les pièces à souder, écran relié électriquement à la plaque pare-feu.