Brevet FR2478931A1 — publié le 19810925

1i 2478931 La présente invention-se-rapporte à des dispositifs de soudage tels qu'u.ne machine à souder à électrode en métal sous atmosphère de gaz inerte (machine à-souder dite du type MIG)o une machine à souder à électrode en tungstène sous atmosphère de gaz inerte (machine à souder dite du type TIG), une machine à découper du type à fusion par-arc ou une machine à décharge électrique, dispositifs dans lesquels on traite une pièce par la décharge d'un arc électrique et, de façon plus précise, machines dans lesquelles on fait appel à une source de courant.électrique haute fréquence pour former des arcs électriques, sans con-tact. A titre d'exemple, la machine-que l'on dé- crira ci-après est une machine à souder du type MIG. En gros, dans une machine à souder du type MIG, une électrode en forme de fil métallique (que l'on appellera éventuellement ci-après "fil électrode") fond sous l'effet de la chaleur d'un arc-électrique ou par effet Joule en donnant des gouttelettes de métal liquide qui se.déposent sur. un métal de base ou pièce à souder. Dans une machine à souder MIG de type classique, on obtient la formation d'un arc électrique zn mettant momentanément le fil électrode au contact du métal de base de façon à provoquer un court-circuit qui chauffe et fait fondre ce- fil électrode. Le métal fondu se répartit sous la forme de particules qui risquent ainsi de se coller à la surface du métal de base. Si cela se produit, il faut les retirer de cette surface, mais une telle opération diminue le rendement général de l'opération de soudage. On peut remédier à cet inconvénient en utilisant, avec une machine à souder du type MIG, un mé- canisme servant à former un arc-électrique du type sans contact qui fait appel à une source de courant électrique 2 2478931 haute fréquence, mécanisme du genre utilisé dans les machines à souder du. type TIG. La Fig. I représente une- machine à souder du type MIG ainsi modifiée. Sur cette figure, la ràférence- I 'désigne un métal de base ou pièce à souder, la référence 2 désigne une-torche, 3 une source d'énergie pour soudage, 4a et 4b-des fils métalliques d'alimentation en courant électrique qui partent de cette source d'énergie et 5 une source de courant haute fréquence constituée par un circuit:série comprenant :une bobine oscillante 51, des éclateurs 52 et 53 et un condensateur haute fréquence 54. Cette source haute fréquence 5 oscille par exemple à la fréquence de 3 -MHz lorsqu'une tension élevée est appliquée aux bornes 55 par une source de courant haute tension (non.représentée). Une bobine de couplage 41 est cons-tituée par le fil-métallique 4a d'alimentation en courant et cette bobine est couplée à la bobine oscill-ante-51 de manière qu'une'.tension élevée, par exemple de.5kV, soit induite dans cette bobine de couplage 41. Un condensateur haute fréquence de dériva- tion 6 assure la protection de la source d'énergie 3. Un fil métallique électrode 8 (que l'on-désignera éven- tuellement ci-après simplement par l'expression "fil - métallique 8"1 est enroulé sur une bobitne 7. Un dispo- sitif 9 de déroulement de fil est constitué par -un moteur d'entraînement 91, un galet d'entraînement 92 commandé par ce moteur et un galet tendeur 93 ayant pour r8le d'appliquer ce fil métallique 8 fortement contre le galet d'entraînement 92. Le dispositif 9 de déroulement du fil métallique est commandé par un dispositif (non représenté) qui envoie le fil métallique 8 dans la torche 2 à une vitesse qui correspond aux conditions particulières du soudage. 3 2478931 Sur la Fig. 1, la référence Ba désigne la partis ex- trême du fil électrode faisant saillie de la torche 2. Cette partie extrême sera éventuellement appelée ci- après "électrode 8a". Le fil métallique 8 est enfilé dans un tuyau de guidage (non représenté)-contigu au fil 4a d'alimentation en courant électrique qui pénètre dans la torche 2 o le contact électrique se fait avec le fil métallique 8. Le fonctionnement d'une telle machine à souder du type MIG est le suivant: Pour amorcer l'arc électrique, on dé-clenche la source 5 de courant électrique haute fréquence de manière que la tension haute fréquence fournie par cette source provoque une décharge haute fréquence entre l'électrode 'Sa et le métal de base.1. Sous l'effet de la formation d'une telle décharge haute fréquence, la source d'énergie 3 fournit-du courant électrique qui- donne naissance à un arc 1O' et entretient cet arc. Le fil métallique 8 provenant de la bobine 7 est entraîné par le dispositif de déroulement 9. L'élec- trode 8a fond sous l'action de l'arc 10 ainsi formé et la pièce à souder I est soudée suivant-une ligne de soudage par les gouttellettes 8b de métal fondu fournies par l'électrode 8a. Comme expliqué plus haut, il est possible d'appliquer à une machine à souder du type MIG un méca- nisme de formation.d'arc électrique sans contact-utilisant une source de courant électrique haute fréquence, mécanisme utilisé dans les machines à souder du type TIG. Mais, du fait que la tension haute fréquence est appliquée directement au fil métallique 8, il est indispensable d'isoler électriquement le dispositif 9 de déroulement du fil métallique ainsi que la bobine 7, autrement dit de prévoir pour ces pièces un mode d'iso- lation contre les hautes fréquences, de façon qu'elles 4 2478931 puissent supporter convenablement la tension élevée de fréquence-élevée. L'invention vise à emp char l'application d'une tension haute fréquence à un dispositif de soudage -muni d'un mécanisme de formation d'arc du type sans contact faisant appel.à une source de courant électrique haute fréquence et également à empocher l'application de cette tension à la source d'énergie de ce dispositif de soudage. ' - -L'invention vise-également un:-dispositif de soudage muni d'un mécanisme de formation d'arc électrique sans contactet à haute fréquence, dans lequel. ii n'y a pas lieu de prévoir un mode spécial d'isolation contre les hautes fréquences,-une telle-isolation étant assurée par un mécanisme de construction simpie et de fabrication- peu coOteuse. -L'invention vise également un dispositif muni d'un mécanisme de formation d'arc électrique sans contact. et à-haute fréquence, dans lequel l'installation des 20. moyens--d'isolation contre les hautes fréquences s'effec-_ tue facilement, ce dispositif ayant des dimensions faibles. L'invention se rapporte encore-à un dispo- sitif de- soudage muni d'un mécanisme de formation d'arc - lectrique-sans contact et à haute fré'quence, dans lequel est assurge l'isolation contre les fréquences élevées et dans. lequel l'intervalle d'éclatement pour entretenir la décharge de l'arc peut être grand. En particulier l'invention vise un dispositif de soudage muni d'un mécanisme de formation d'arc électrique sans contact et à haute fréquence, dans lequel le dispositif de déroulement du fil métallique et d'autres pièces sont protégés contre les tensions de haute fréquence. De façon plus précise, l'invention a pour 2478931 objet un dispositif de soudage muni d'un mécanisme de formation d'arc électrique sans contact et à haute fréquence, caractérisé par le faït qu'il comprend une électrode qui vient en regard d'une pièce à traiter dont elle est séparée par un intervalle d'éclatement, une source de courant électrique haute fréquence servant à appliquer entre cette électrode et la pièce à traiter une tension haute fréquence génératrice d'un arc électrique, une source principale d'énergie servant à fournir un courant électrique de traitement, un élément magnétique d'arrêt haute fréquence qui en- toure une partie donnée d'un conducteur électrique situé entre la source de courant électrique haute. fréquence et des.moyens servant à empêcher-une application intem- pestive de la tension haute fréquence fournie par ladite source de courant électrique-haute fréquence, et un condensateur haute fréquence dedérivation, monté sur le côté des moyens servant 3 empêcher une telle application intempestive d'une tension haute fréquence. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement-limi.tatif, des formes de réalisation. Sur ces dessins, - la Fig. 1 représente de façon schématique une machine à souder connue du type MIG munie d'une source de courant électrique haute fréquence génératrice d'arc électrique du genre qui est utilisé dans les machines à souder du type TIG; - la Fig. 2 représente de façon schématique une première forme de réalisation de l'invention: 6 2478931 - la Fig. 3 représente de façon schématique une seconde forme de réalisation de l'invention; - la fig. 4 représente en perspective un élément magnétique haute fréquence qui constitue une pièce essentielle du dispositif. de soudage selon l'invention; et - - la Fig. 5 est une courbe représentant les variations de la résistivité en fonction de l'épaisseur de l'élément magnétique de haute fréquence. i,Unepremire forme de réalisation de l'in- vention, telle que représentée sur la Fig-. 2, concerne unre machine à souder du type MIG. Sur cette figure, les éI ments et organes homologues de ceux de la Fig. 1 sont désignés par les mêmes numéros de référence et 15. l'on n'en donnera pas une description détaillée. Sur la Fig. 2, une source 3 d'énergie pour soudage comprend une source principale d'énergie 31 servant à fournir le courant de soudage, et une source auxiliaire d'énergie 32 servant à fournir : une tension supérieure -à celle de la source ptinci- pale 31 pour entretenir un arc électrique de soudage. Cette source principale 31 est reliée, par l'inter- médiaired'un:c ble 4b, à une pièce_à souder 1, appelée encore métal de base, et, par l:[intermédiaire d'un 2-5 c-ble 4a à une électrode 8a située en regard de cette pièce à souder I dont elle est séparée par un inter- valle d'éclatement. Par ailleurs, la source auxiliaire d'énergie 32 est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance de chute 33 et d'un fil métallique 4c - d'alimentation en courant électrique, à une torche 2 et cette même source auxiliaire est reliée à une source 5 de courant électrique haute fréquence par l'intermédiaire d'une bobine de couplage 41 montée en série avec le fil métallique 4c. Un élément magné- tique haute fréquence, qui se présente sous la forme 7 2478931 d'un cylindre en un matériau magnétique haute fré- quence (et appelé éventuellement ci-après élément d'arrêt il)? est percé d'un trou-par lequel peuvent passer le fil métallique 4a et un fil métallique 8. Cet élément l1 constitue un dispositif réacteur pour-les fréquences élevées. Sur la Fig. 2, la référence 12 désigne un écran de protection contre les fréquences élevées, la référence Sa désigne un condensateur haute fréquence de dérivation, servant 10. à mettre à la masse le fil. 4a d'alimentation en courant entre le réacteur 11 et la source principale d'énergie 31 et enfin la référence Sb désigne un condensateur haute fréquence de dérivation> servant à mettre à la masse le fil métallique 8 entre le réacteur 11 et un dispositif 9 de-déroulement de fil.. Lorsque l'on fait agir la source 5 de courant électrique haute fréquence dans la machine à souder ainsi disposée,.il se produit une décharge- haute fréquence entre l'électrode 8a et la pièce à souderA1 ou métal de base. Il en résulte d'abord la formation d'un arc électrique par la source auxi- liaire d'énergie, après quoi le courant de soudage fourni par la source principale d'énergie 31 forme et entretient un arc 10 au moyen duquel l'opération de soudage s'effectue comme dans les machines à souder de type classique. La présence de la source auxiliaire d'énergie 32 est avantageuse en ce que, du fait que l'intervalle d'éclatement servant à entretenir l'arc 10 peut être grand, il est facile d'entretenir l'arc électrique 10. Par ailleurs, la tension élevée de haute fréquence qui est appliquée, par l'intermédiaire de 8 2478931 la torche 2, du fil métallique d'alimentation 4a et du fil métallique 8, à la source principale d'énergie 31 et au dispositif 9 de déroulement du fil est nettement diminuée par le réacteur 11 et par les condensateurs de dérivation, Sa et 6b..Il n'y'a donc pas lieu de prévoir une isolation spéciale contre les hautes fréquences pour ces éléments. La Fig. 3 représente une seconde forme de réalisation avantageuse de l'invention, appliquée, comme la première forme de réalisation (Fig. 2) à une machine à souder du type MIG. Sur la Fig. 3, les éléments homologues de ceux de la Fig. 2, sont désignés par les m mes numéros de référence et l'on n'en donnera pas une description détaillée. 15. Comme on le voit en comparant les Fig. 2 et 3, la machine à souder de la Fig. 3 s'obtient en modifiant la machine à souder de la Fig. 2 de la manière suivante: on supprime la source auxiliaire d'énergie 32, mais on utilise la source principale d'énergie 31 servant à fournir le courant de soudage. La tension élevée à haute fréquence est appliquée directement à la torche 2 par la source 15 de courant électrique-haute fréquence. De plus, il est prévu dans le circuit deux éléments d'arrêt ou réacteurs 11 et 11a au lieu d'un seul. Sur la Fig. 3, la référence 11a désigne un réacteur associé au fil métallique d'alimentation en courant 4b et la référence Bc désigne un condensateur haute fréquence de dérivation, branché entre les fils métalliques 4a et 4b qui sont disposes respectivement, d'une part entre la source 31 d'énergie pour soudage et le réacteur 11, et, d'autre part, entre cette source 31 et le réacteur 11a. Dans la machine à souder ainsi réalisée, l'amorçage de l'arc électrique est assuré et cet arc 9 2478931 est entretenu par le- courant électrique fourni par la source 31 d'énergie pour soudage sous l'effet de la décharge haute fréquence provoquée par la source 5 de courant électrique haute fréquence. L'arc électrique étant en action, l'opération de soudage se poursuit, La source 31 d'énergie pour soudage est protégée contre les tensions élevées à haute fréquence par les éléments d'arrêt 11 et 11:la et par le condensateur de dérivation 6:a.,;Le dispositif 9 de déroulement du fil a10 métallique et une bobine 7 sont protégés par l'élément d'arrêt 11 et par le condensateur de dérivation, 6b. D'une façon générale, on peut prévoir des isolateurs en divers endroits ou répartis régulièrement dans le. circuit. La Fig. 4 représente un mode possible de réalisation-de l'élément d'arrêt qui constitue une des principales caractéristiques de l'invention. Comme représenté sur la Fig. 4, cet élément d'arrêt ou isolateur, est obtenu en empilant les uns sur les autres plusieurs disques.de forme annulaire, sur une longueur L. Chacun de-ces disques a-un - diamètre extérieur égal. à D, un diamètre intérieur d et une épaisseur '. L'impédance du dispositif- réacteur pour les fréquences élevées constitué. par l'élément d'arrêt 11, est représentée par l'expression suivante: Z li PrWL log d (1)-. 2n O r expression dans laquelle P0 est la perméabilité ma- gnétique du vide (4i X 10-7 H/m), pr est la perméabilité relative du matériau magnétique et w est la pulsation (1,88 X 107 rad/sec corres- pondant à une fréquence de 3 MHz de la source 5 de courant électrique. l0 2478931 Si l'on suppose par exemple que la fréquence émise par llsource 5 de courant..électrique haute fréquence est de 3 MHz, que-la. tension de sortJe est de 5 kV, que l'impédance. nécessaire Z du dispositif réacteur pour haute fréquence est de 2 kP et que l'élé- ment d'arrêt a.pour dimensions D_= 40 mm, d = 5 mm et L = 500mm, la relation, pour de-telles valeurs, entre l'épaisseur ú et la résistivité.-p d'une ferrite utilisée est fournie par la courbe de la.,Fig. 5. C'est ainsi par exemple que, si la perméabilit.é..relative pr de la ferrite a pour valeur 760, l'épaisseur Z a alors pour valeur 50-mm. Le diamètre intérieur d est fixé à 5 mm de manière à pouvoir enfiler le fil de cuivre creux et dénudé- qui constitue le fil 4a d'alimentation en courant. Le matériau dont est-constitué le dispositif réacteur pour. haute fréquence est de. préférence une ferrite magnétique de résistivité élevée, La forme à donner à ce dispositif-réacteur pour.haute fréquence dépend des-dimensions de la.=machine à souder et du câble utilisé avec-cette machine ainsi que du prix maximum:de fabrication. Les -dimensions maxima du dispositif réacteur'pour haute fréquence sont 40-mm pour le diamètre extérieur, 15 mm pour le diamètre 25. intérieur et 0,5 m pour la longueur. En raison des caractéristiques de la source 5 de courant électrique haute fréquence, il est préférable que l'impédance Z de l'élément d'arrêt 11 pour une fréquence de-3 MHz soit au moins de 2 kn. En raison des limitations indiquées ci-dessus et.compte tenu de l'équation (1), il convient que la perméabilité relative Vr soit au moins de 1100. Toute- fois, étant donné que la perméabilité relative Pr de la ferrite n'est pas supérieure à environ 5 000, il faut que le,quotient du diamètre extérieur du dispositif 11 2478931 réacteur pour haute fréquence par le diamètre intérieur soit d'au moins 1,2, comme cela ressort de l'ex- pression (1) L'élément d'arr t 11 produit un effet de courant de Foucault et un effet de peau. Par conséquent, lorsque la fréquence augmente, la perméabilité relative ir diminue.Il convient donc que cet élément d'arr t 11 soit réalisé en empilant plusieurs disques de -ferrite les uns sur les autres, comme-représenté sur la Fig. 4, ces disques étant isolés électriquement les uns des autres. On expliquera ci-après la diminution de la perméabilité relative pr en raison de l'effet de courant de Foucault et de l'effet de peau. Une épaisseur de peau 6 est représentée par l'expression suivante: - 2p2 6 = 'lTfll0r (2] expression dans laquelle p désigne la résistivité de la ferrite, f la fréquence du courant appliqué, P0 la perméabilité du vide et pr la perméa- bilité relative. On suppose que Pe représente la perméabilité efficace dans lescas -o on ne peut pas négliger d. Dans ce cas; comme cela ressort de la Fig. 5, le quotient décroissant de perméabilité () peut s'exprimer en fonction du rapport r = /6 entre l'épaisseur k de la ferrite et 6. Par exemple, si r est égal à 3, le quotient ( pe] a pour valeur 0,52 PoPr et, dans ce cas pe a pour valeur 0,52 po11pr. Par consé- quent, on voit d'après la Fig. 5 que, pour empêcher 12 2478931 ie de diminuer (c'est-à-dire en faisant pe égal à pOpt on ne peut pa.s utiliser de façon efficace la ferrite si l'on ne donne pas à r la valeur I ou une valeur inférieure. D'une façon générale, la perméabilité relative Pr des ferrites disponiblessur le marché varie sensiblement en fonction-inverse de la résistivité p..Dans le cas d'une r'Atà particulière pouvant être utilisée pour l'in- vention, on a p égal. à 100 a-cm avec Pr = 1100. Si l'on reporte ces valeurs dans. l'expression suivante (3), l'épaisseur maxima P que l'on peut donner à la ferrite pour que r soit égal à I ou moins, doit être au maximum de 10. mm: ú P -1'> 4Q V rf-p. 3) On. a décrit l'invention dans son application à une machine à souder du type MIG, mais il est bien entendu qu'elle ne se limite pas à ce cas. En particulier, le principe de l'invention peut s'appliquer à une machine-à décharge à arc électrique dans laquelle on utili-se une source de courant électrique haute fréquence pour engendrer des arcs électriques sans contact, par exemple une- machinesà souder du type TIG, une machine - à découper à fusion par arc ou toute machine à décharge électrique. 13. 2478931 REVENDICATIONS 1. Dispositif muni d'un mécanisme de formation d'arc électrique sans contact et à haute fréquence, carac- térisé par le fait qu'il comprend: - une électrode (Ba) disposée en regard d'un matériau (1) conducteur de l'électricité destiné à être traité par cette électrode dont il est séparé par un intervalle d'éclatement; - une source principale d'énergie (31) servant à fournir un courant de décharge entre ladite électrode (8a) et ledit matériau (1); - un conducteur électrique (4a) servant à associer ladite source principale d'énergie (31) à ladite électrode (8a); - une source (5) de courant électrique haute fréquence servant à appliquer une tension élevée de haute fréquence entre ladite électrode (Ba) et ledit matériau (1) de manière à produire une décharge haute fréquence pour l'amorçage d'un arc électrique dans ledit intervalle d'éclatement - un élément magnétique d'arrêt (11) pout hautes fréquences, cet élément entourant une partie donnée dudit conducteur électrique (4a); et, - un condensateur haute fréquence (6a) de dérivation dont l'un des plateaux est relié audit conducteur électrique (11) et ladite source princiaple d'énergie (31). 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que ledit élément magnétique d'arrêt (11) pour haute fréquence est en ferrite. 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que ledit élément magnétique d'arrêt (11) pour haute fréquence est constitué par plusieurs disques de ferrite empilés les uns sur les autres de manière 14 2478931 à constituer un cylindre, chacun de ces disques en ferrite étant percé d'un trou en son centre. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit condensateur haute fréquence (6a) de dérivation a son second plateau accouplé directement à une borne à la masse de ladite source principale d'énergie (31). 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend, en outre, un it second élément magnétique d'arrêt pour haute fréquence (11a) monté sur un second conducteur électrique (4b) qui relie ladite source principale d'énergie audit matériau (1) à traiter et par le fait que le second plateau dudit condensateur est accouplé audit second conducteur électrique (4b) entre ladite source principale d'énergie (31) et ce second conducteur électrique. -6. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par la fait que ledit élément magnétique d'arrgt pour haute fréquence (11) est constitué par une série de disques empilés les uns sur les autres de manière à constituer un cylindre, chacun de ces disques étant percé en son centre d'un trou et ayant un diamètre extérieur égal à au moins 1,2 fois son diamètre intérieur et une épaisseur d'au plus 10 mm. 7. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé par le fait que ladite électrode (8a) comprend une électrode de soudage et que ledit matériau (1) à traiter est un matériau à souder. S. Dispositif muni d'un mécanisme de formation d'un arc électrique sans contact et à haute fréquence, caractérisé par la fait qu'il comprend: une électrode (Sa) située en regard d'un matériau (1) conducteur de l'électricité destiné à être traité par cette électrode, dont il est séparé par un intervalle d'éclatement; 2478931 - une source principale d'énergie (313 servant à fournir un courant de décharge d!a.rc entre ladite électrode et ce matériau (1) - une source (53 de courant électrique haute fréquence servant à appliquer une tension élevée de haute fréquence entre ladite électrode et ledit matériau de manière à provoquer une décharge haute fréquence pour l'amorçage d'un arc dans ledit. intervalle d'écla- tement; - une résistance de chute (333) - une source auxiliaire d'énergie (323 servant à appliquer une tension supérieure à celle qui est fournie par ladite source principale, entre ladite électrode,(8a) et ledit matériau par l'intermédiaire de ladite résistance de chute, de façon à entretenir un arc électrique dans ledit intervalle d'éclatement; - une bobine de couplage (413 servant à superposer ladite tension élevée de haute fréquence fournie par ladite source électrique de haute fréquence 20.: (5), à un fil (4c) métallique d'alimentation en courant électrique qui part de ladite source auxiliaire d'énergie (32); - un élément. magnétique d'arrêt pour haute fréquence (11) entourant une partie donnée d'un conduc- teur électrique (4a) de manière-à transmettre ladite tension élevée de haute fréquence z et, - un condensateur (6a) haute fréquence, de dérivation pour mettre à la masse un côté dudit conducteur électrique (4a).