Brevet FR2481171A1 — publié le 19811030

*-1 _ Procédé et appareil -pour un soudage à plasma La présente invention concerne un procédé pour souder en bout des métaux de base à l'aide d'un soudage è plasma avec formation de trou. et elle a trait à un appareil destiné à Étre utilisé pour la mise en oeuvre de ce procédé, Le soudage à plasma avec formation de trou est large- ment utilisé pour le soudage de plaques épaisses, toutefois les applications de ce procédé pour le soudage de tubes à parois épaisses soulèvent des problèmes techniques difficiles et ne sont pas utilisés dans la pratique0 La raison de ceci est que le traitement du cratère formé au point terminal de la soudure effectuée par un soudage au plasma avec formation de trou diffère suivant qu'il s'agit de plaques o de tubes. Si les métaux de base sont des plaques, la partie terminale de la soudure o se trouve le cratère peut être éliminée après le soudagee Toutefois, dans le cas de tubes" le cordon de soudure forme un cercle autour du tube et le point terminal de la soudure se confond avec le point de départ de la soudure, de sorte que le cratère ne peut pas 8tre éliminée La demanderesse a étudié comment souder en bout des tubes à l'aide d'un soudage à plasma avec formation de trou et a déjà obtenu des résultats encourageants. La demanderesse a décrit dans la demande de brevet japonaise examinée et publiée SH0 52-15379, dans la demande de brevet japonaise non examinée publice SH0 50-2646 et dans la demande de brevet japonaise examinée et publiée SH0 52-9532 le procéde de traitement de crdbère appliqué au point terminal des soudures. De plus, la demanderesse a décrit dns la demande de brevet japonaise non examinée publiée SHO 51-32445 et dans la demande de modèle d'utilité japonaise non examinée et publiée SH0 54-152229 un procédé de formation de trous (keyhole.dans la langue anglo-saxonne) au début du soudage. De plus, la demande- resse a décrit dans la demande de brevet japonaise non examinéeer publiée SH0 52-120247 la configuration de la torche de soudage 248117 1 -2- a plasma dans le cas o les métaux de base sont des tubes. Un soudage à plasma avec formation de trou, doit être exécté en tenant compte de diverses forces, telles que la pesan- teur agissant sur le métal déposé, la tension superficielle, la pression du gaz formant le plasma, la pression du gaz arrière ou gaz se trouvant en dessous de la soudure, ainsi que de l'équilibre entre le débit du gaz de protection, le courant de soudage, la vitesse de soudage et la température de l'eau de refroidissement. Cependant, pour résoudre le problème des soufflures se formant dans la zone o commence la soudure, il est essen- tiel de former complètement un trou en arrêtant du sondage pendant un temps spécifié après l'amorçage de l'are à plasma, puis de continuer le soudage. Si le temps fixe TI compris entre le moment o l'arc à plasma es anmrcé et le momet oh le métal de base formant les tubes com- mence a tourner est trop court, le soudage a lieu alors que la formation du trou est insuffisante et une soufflure subsiste K la position de départ. Par contre, si le temps fixe TI est trop long, la croissance du trou est exagérée au point d'entralner un affaissement du cordon. Par conséquent, il est important de maintenir le temps fixe Tl ' une valeur appropriée. Pour obtenir un cordon optimal en maintenant constant le temps fixe Tl, il est toutefois essentiel que la température du gaz formant le plasma soit maintenue à un point élevé spécifié. Néanmoins, du fit que l'arc à plasma est refroidi sur sa circonférence par l'eau de refroidissement circulant K l'intérieur de la torche de soudage et est concentré de manière C atteindre une tempéra- ture élevée, si la température de l'eau de refroidissement fluctue, le degré de concentration et la température de l'arc à plasma varient, de sorte que le temps fixe précité Ti n'est pas constant, ce qui s'avère provoquer des fluctuations dans la qualité des produits. Dans la demande de modèle d'utilité japonaise non examinée publiée SHO 54152229, la demanderesse a décrit un matériel de soudage capable d'empocher le soudage pendant que la concentration du plasma est insuffisante par suite de l'élé- vation de la température de l'eau de refroidissement, cela en n'a- amorçant l'arc à plasma que lorsque la pression de l'eau de refroidissement devient supérieure à 10 kg/cm2. L'objet de la présente invention est de divulguer un procédé et un appareil qui est capable de maintenir constant le temps Ti de suspension de la progression du soudage en détectant la température de l'eau de refroidissement au côté d'entrée de la torche de soudage et en maintenant constante la température de cette eau de refroidissement. Un autre objet de la présente invention est de créer un procédé et un appareil pour exécuter le soudage en bout de métaux de base se présentant sous forme de tubes, cela à l'aide d'un soudage à plasma avec formation de trou et en traitant de façon appropriée le cratère au point terminal de la soudure par rapport aux métaux de base formant les tubes. On va maintenant décrire la présente invention en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe agrandie de la torche de soudage; - la figure 2 est un agencement illustrant la concep- tion générale de la présente invention; et - la figure 3 est un diagramme du programme de commande des éléments sur lesquels on exerce un réglage dans le mode de réalisation de la présente invention. En se référant tout d'abord à la figure 1, on voit qu'une torche de soudage classique à plasma est disposée avec un angle O compris entre 10 et 60 degrés, de préférence 20 et 30 degrés, par rapport à une ligne verticale située en avant dansle sens de rotation des tubes t formés par les métaux de base, ladite torche étant placée en regard de la ligne d'aboute- ment des tubes t placés bout à bout de manière à effectuer un soudage h plasma avec formation de trou. Les deux métaux de base tubulaires 1 placés bout h -4 - bout sont entraînés en rotation simultanément dans la direction de la flèche à une vitesse constante au moyen d'un mécanisme d'entraînement en rotation. La torche de soudage 2 comporte une chemise 4 d'eau de refroidissement formée à l'intérieur d'une buse 3, et une électrode 5 en tungstène et disposée au centre du trou de la buse, tandis qu'une buse 6 de soufflage de gaz protecteur est installée sur la circonférence extérieure de la buse 3. La torche 2 représentée sur la figure 1 permet d'ef- fectuer un soudage au plasma avec formation de trou., un soudage TIG ainsi qu'un soudage à l'arc doux et on a branché,comme dans la technique antérieure, une source d'alimentation 7 à courant continu conçu pour appliquer des tensions entre l'électrode 5 en tungstène et les métaux de base tubulaires 1, ainsi qu'entre l'électrode 5 en tungstène et la buse 3 à plasma, une commande 9 à distance destinée à' ouvrir et à fermer le circuit d'alimen- tation 8 formé entre la source d'alimentation à courant continu et les métaux de base tubulaires 1, un condensateur 10, un générateur 11 haute fréquence et une résistance 12. De plus, un galet 13 d'avance de fil d'âme est disposé au voisinage de la torche 2 de manière qu'un fil d'âme 14 puisse être avancé jus- qu'à la pièce à souder. Un circuit 15 de circulation d'eau de refroidissement représenté sur la figure 2 est branché à l'entrée et à la sortie de la chemise 4 d'eau de refroidissement de la torche 2. Ce circuit 15 de circulation d'eau de refroidissement est destiné à acheminer jusqu'à l'entrée 18 d'eau de refroidis- sement de la torche l'eau de refroidissement pompée du réservoir 16 d'eau par une pompe 17, puis à décharger par une sortie 19 l'eau réchauffée après son passage dans la chemise 4 d'eau de refroidissement de la torche 2, et à diriger l'eau déchargée jusque dans un radiateur 20 o elle est refroidie par l'air d'un ventilateur 21 avant de revenir au réservoir 16. Le réservoir 16 d'eau est muni d'un tuyau 22 d'amenée d'eau dans le but de compenser l'évaporation de l'eau de re- -5- froidissement et d'un échangeur de chaleur 23 dans lequel passe un réfrigérant tel que du dichlorofluorométhane. L'échangeur de chaleur 23 est raccordé à une machine classique 24 de réfrigéra- tion qui envoie le réfrigérant en vue d'un échange thermique avec l'eau de refroidissement renvoyée au réservoir 16 d'eau de manière qu'elle soit refroidie-jusqu'à une température spécifiée. Un détecteur 25 de température d'eau est fixé à l'en- trée 18 de la torche de soudage 2 au côté d'entrée du circuit 15 de circulation d'eau de refroidissement et est conçu pour définir l'amorçage de l'arc à plasma et le démarrage de la machine de réfrigération-24 en détectant la température de l'eau de refroidissement refroidie jusqu'à un point spécifié. On va décrire ci-après le procédé utilisé pour effec- tuer sur les métaux de base tubulaires 1 un soudage a plasma avec formation de trou en utilisant le matériel de soudage décrit ci-dessus. La figure 3, sur laquelle l'écoulement du temps est porté sur l'axe des abscisses, montre des éléments a k g des- tinés à être commandés pendant le soudage. Plus particulièrement, a concerne l'écoulement du gaz de protection, b concerne l'écou- lement du gaz central, c concerne l'arc pilote, d concerne un courant de sondage, e concerne la rotation des métaux de base, c'est-a-dire la vitesse de soudage, f concerne la vitesse d'avance du fil dI'me, et g concerne la température de l'eau. Quand on ferme un interrupteur de déclenchement de soudage (point A figure 3), le gaz de protection.a et le gaz central b sont soufflés à l'extérieur et, en mime temps, la machine de réfrigération 24 commence à refroidir le réservoir 16 de manière à abaisser ainsi la température de l'eau de re- froidissement traversant la torche 2 de soudage par suite du fonctionnement de la pompe 17. Comme la température de leeau de refroidissement influe sur la température du plasma, la température à l'entrée de la torche doit être réglée sur moins de 18 C et l'opération doit être exécutée.a 10+500C à savoir -6_ aux environs de 150C en été et aux environs de 50C en hiver. Si la température de l'eau dépasse 180C, la concentration du plasma devient insuffisante et des ondulations sont formées sur le côté inverse du cordon, de sorte que la pièce se trouve en dehors des normes de contrôle. C'est pourquoi la température de l'eau peut être réglée avec un très grand soin. D'autre part, si la température de l'eau est inférieure à 40Ce l'eau peut geler partiellement et l'écoulement de l'eau devenir instable. La pression de l'eau doit être maintenue au-dessus de 10 kg/cm2. Le gaz central doit commencer à s'écouler au moment même o l'on ferme l'interrupteur et son débit doit se maintenir à 0,2 litres/minute pendant toute la période de soudage. La pression du gaz de protection doit se maintenir I 1,5 kg/cm2. La pression du gaz arrière, ctest-à-dire le gaz rem- plissant les tubes formés par les métaux de bases doit étre supérieure à 1,5 kg/cm2, compte tenu de la vitesse de remplis- sage depuis le début de lVinjection jusqu'à la fin du remplissage. Après fermeture de l'interrupteur de déclenchement de soudage, la circulation de l'eau de refroidissement et le fonc- tionnement de la machine de réfrigération commence, puis la température de l'eau diminue jusqu'au point spécifié (point B sur la figure 3), o* le courant de soudage d commence à augmen- ter progressivement. L'écoulement du gaz central b augmente, et au moment- même oh l'arc pilote c jaillit, un arc à plasma est engendré. Du fait que les métaux de base tubulaires restent à l'arr#t, la chaleur d'entrée de l'arc à plasma se-trouve concentré sur le point de départ de la soudure et, après un certain temps Tl, le plasma traverse les métaux de base tubulaires de manière à former un petit trou (appelé keyhole dans la technique anglo- saxonne). Le temps T- de formation de trou. est toujours cons- tant,-car la température d'entrée de l'eau de refroidissement est maintenue à une valeur constante. Si on suppose que l'épais- seur des métaux de base des tubes est d'environ 12 mm et que le -7courant fixe es; de 160 à 200 A, la durée de T1 est d'environ 3 secondes. Par conséquent, lorsque le dispositif de commande est programmé pour commencer le soudage avec formation de trou a un temps T1 après la réception d'un signal de détection du détec- teur 25 de température d'eau, le soudage peut être effectué dans des conditions optimales, grâce à quoi on peut supprimer les fluctuations habituelles qui affectent le début du soudage et entraînent une formation incomplète ou. bien exagérée du trou. Le courant de soudage initial est de 30 A. Après un laps de temps T1 auquel il est mis fin par une minuterie déclenchée à partir du point A de détection de tempé- rature réglée d'eau par le détecteur 25 de température d'eau, les deux métaux de base placés bout à bout sont entraînés en rotation en synchronisme à une vitesse périphérique de 70 à 180 mm/minute. La ligne d'aboutement des métaux de base formant les tubes est soudée au fur et à mesure que le soudage avec forma- tion de trou progresse et, lorsque les métaux de base ont effectué une rotation complète et que le trou coïncide avec le point de départ de la soudure (point C sur la figure 3), l'opé- ration de traitement de cratère commence. La rotation des métaux de base est alors arrêtée pen- dant un temps spécifié T2, et le bain de fusion s'élargit de sorte que le gaz se trouvant dans le métal en fusion peut se dégager facilement. Si le débit du gaz central reste le même à ce moment, la puissance de pénétration de l'arc à plasma est trop importante et un phénomène de fusion avec affaissement (appelé melt-down dans la technique anglo-saxonne) peut avoir lieu. Pour éviter ce phénomène, on réduit l'écoulement du gaz central. Toutefois, à ce stade, du fait que la viscosité du bain de fusion diminue au point de rendre possible ce phénomène, le fil d'âme 14 est avancé dans cette partie. Si la durée du temps T2 à ce stade est trop long, le traitement ultérieur à la meule devient difficile mais, s'il est trop court, le gaz. n'est pas complètement libéré de sorte qu'une soufflure peut prendre naissance. C'est pourquoi la durée de T2 doit être d'environ - 8 - 1 à 3 secondes. Après un laps de temps T2, on entraîne de nouveau en rotation les métaux de base et on diminue progres- sivement le courant de soudage d, la vitesse f d'avance d'âme d'électrode et le débit b du gaz central,et le soudage se termine au point D de la figure 3. A cenoment, le plasma n'est plus un arc puissant au point de créer un trou ou perforation, mais il est un arc doux similaire à celui d'un arc ordinaire TIG. La présente invention peut être appliquée non seule- ment à des tubes, mais également à des plaques. Dans la présente invention, du fait que la température de l'eau de refroidisse- ment à l'entrée de la torche de soudage est détectée par le détecteur 25 de température d'eau et que l'arc à plasma commence à jaillir à une température réglée supérieure à 40C et inférieure IL 180 C, uniquement par interruption de la progression de sou- dage pendant une durée de temps spécifié T1, un bain de fusion à l'état optimal peut toujours être formé et une soudure de haute qualité exempte de soufflure peut être obtenue par un soudage à plasma avec formation de trou au moyen d'un équipe- ment automatique qui est extrêmement avantageux du point de vue industriel. Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif, et que des variantes et des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. -9 REVENDICATIONS 1. Procédé pour un soudage à plasma avec formation d'un trou dans les métaux de base à l'aide d'un arc à plasma, caractérisé par le fait que l'on règle sur une valeur supérieure à 40C et inférieure à 180C la température, au côté d'entrée, de l'eau de refroidissement devant être introduite dans la torche de soudage à plasma, onfait jaillir l'arc à plasma lorsque la température de refroidissement atteint la température de réglage et on commence le déplacement relatif des métaux de base et de la torche après un laps de temps spécifié de manière à former un trou après l'amorçage de l'arc à plasmas 2. Procédé de soudage selon la revendication 1s caractérisé par le fait que l'on règle la température de l'eau selon une valeur de l'ordre de 10+5OG. 3. Procédé pour un soudage L plasma de tubes avec formation d'un trou dans les métaux de base par un arc d plasse caractérisé par le fait qu'il consiste essentiellement k amorcer un arc à plasma en plaçant la torchede soudage à plasma à un endroit compris entre 10 et 60 degrés par rapport à la ligne verticale située en avant dans le sens de rotation des tubes formés par les métaux de base, à remplir le côté arrière des métaux de base avec un gaz arrière sous une pression supérieure à 1,5 kg/em2, à souffler de la torche de soudage à plasma un gaz de protection sous une pression supérieure à 1,5 kg/cm2, z5 et à régler la température d'entrée de l'eau de refroidissement à une valeur de l'ordre de 10+5 C, à former un trou dans les métaux de base des tubes tout en continuant d'engendrer l1are à plasma pendant que la rotation des tubes est arrêtée, à pro- céder au soudage à plasma aecformation de trou, autour des tubes en les faisant - tourner à une vitesse spécifiée pen- dant un temps réglé après que l'arc à plasma a commencé à jaillir, à réduire progressivement le débit du gaz central en arr9tant la rotation des tubes lorsque le sondage a effectué un cercle-autour des tubes et est revenu au point de départ et, en même temps, à avancer le fil d'âme d'électrode, et à _ 10 - reprendre la rotation à vitesse constante des tubes pendant un temps réglé après l'arrêt des tubes tout en obtenant un arc doux par diminution progressive du courant de soudage et de la vitesse d'avance du fil d'âme d'électrode. 4. Procédé de soudage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle la température de l'eau à une valeur de l'ordre de 1O+50C. 5. Matériel de soudage à, plasma comportant une torche de soudage à plasma munie d'une chemise d'eau de refroidisse- ment entourant l'électrode de ladite torche et un passage pour le gaz central, caractérisé par le fait qu'il comprend un dé- tecteur de température d'eau de refroidissement disposé au côté d'entrée de l'eau de refroidissement dans la torche de soudage a plasma et que ledit détecteur communique avec des moyens destinés à faire jaillir un arc à plasma. - 6. Matériel de soudage à plasma suivant la revendication , caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit de circula- tion d'eau de refroidissement comportant un dispositif de re- froidissement pour refroidir l'eau ainsi qu'une pompe communi- quant avec la torche de soudage à plasma, le dispositif de refroidissement précité étant commandé par le détecteur de température d'eau de refroidissement.