Brevet FR2496521A1 — publié le 19820625

À Appareil de soudage électrique.e.t procédé d'obtention d'une source de courant de soudage. La présente invention concerne des appareils de sou- dage électriques. Des appareils de soudage à l'arc sont largement uti- lisés, tant industriellement que sur le plan domestique. Ces appareils sont alimentés par un secteur à courant mono ou triphasé, ou par un groupe électrogène ou une alimenta- tion en courant continu. Généralement, il est nécessaire de transformer la tension d'alimentation en une tension d'un- niveau approprié à des travaux de soudage. Les transformateurs de soudage utilisés dans ce but sont volumineux et lourds et doivent soit être munis de prises, soit être équipés d'un noyau de réactance variable pour obtenir une gamme de courants de soudage possibles. Divers appareils de soudage connus jusqu'à présent sont décrits dans les brevets américains n0s 3 211 953, 3 231 711, 3 304 485, 3 518 401, 3 818 177, 4 038 515, 4 047 096 et 4 117 303. La présente invention a pour objet de créer un appa- reil de soudage présentantune masse nettement plus faible que celui d'un appareil de soudage équivalent alimenté à partir d'une source de courant classique,et des dimensions considérablement réduites par rapport à celles d'un appareil de soudage classique. Ce but est atteint suivant l'invention en créant un appareil de soudage qui comprend un onduleur dont la fré- quence de sortie est supérieure à la gamme des fréquences acoustiques,et un transformateur présentant un enroulement primaire à prise centrale, relié à l'onduleur, et un enrou- lement secondaire muni de bornes de sortie permettant la connexion électrique avec une électrode et une pièce à sou- der. Ainsi la fréquence de sortie de l'onduleur est au moins de 3 kHz et de préférence comprise entre 15 kHz et kHz. Les limites de fréquence supérieures mentionnées peuvent être maîtrisées du point de vue de la commutation de puissance et se situent au-delà de la gamme des fréquen- ces acoustiques. Cependant, à mesure que des organes de commutation appropriés susceptibles d'être incorporés dans l'onduleur deviendront disponibles il sera possible de tra- vailler à des fréquences considérablement supérieures à kHz, par exemple de l'ordre de 100 kHz ou plus. Des fré- quences de fonctionnement de cet ordre sont envisagées dans le cadre de l'invention. L'onduleur peut être essentiellement du type à fonc- 1 5 tionnement libre et on peut avoir recours à un. moyen de- réaction pour commander le fonctionnement de l'onduleur avec un signal ob- tenu à partir du transformateur. Suivant une forme de réalisation préférée de l'inven- tion l'onduleur comporte au moins deux transistors qui sont alternativement mis en circuit et le moyen de réaction com- porte au moins un enroulement qui est couplé avec le trans- formateur par induction et qui influe sur le courant de ba- se appliqué aux transistors. L'invention a également trait à un procédé d'obten- tion d'une source de courant de soudage qui consiste à con- necter alternativement une source électrique de courant continu, d'une part, à une première borne et une prise cen- trale et, d'autre part, à une seconde borne et une prise centrale d'un enroulement primaire à prise centrale d'un transformateur et ce à une fréquence supérieure à 3 kHz, à commander l'établissement de ces connexions au moyen d'un signal de réaction obtenu à partir du transformateur, et à connecter un enroulement secondaire du transformateur à une électrode et la pièce à souder. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'aide d'un exemple de réalisation illustré aux dessins an- nexés sur lesquels: la figure 1 représente, sous forme de schéma-bloc, un appareil de soudage suivant l'invention; et la figure 2 représente, sous forme de schéma, des circuits d'onduleur et de commande utilisés dans l'appareil de soudage de l'invention. La figure 1 illustre, sous forme de schéma-blocs, le principe de l'appareil de soudage selon l'invention. Sur la figure 1 est représentée une source de courant alternatif 10 connectée à un redresseur 12. Le courant con- tinu débité par le redresseur est appliqué à un onduleur auto-oscillant 14. L'onduleur 14 présente un signal de sor- tie supérieur à la gamme des fréquences acoustiques et gé- néralement compris entre 15 et 20 kHz, ce qui est très net- tement supérieur à la fréquence de secteur habituelle de ou 60 Hz. Le signal de sortie de l'onduleur est appliqué à un transformateur à haute fréquence 16. Une borne de sor- tie du transformateur est-connectée à une électrode de sou- dage 18 alors que l'autre borne de sortie du transformateur est reliée à une pièce à souder 20. L'invention a principalement pour but de créer un appareil de soudage dont le poids et les dimensions sont ré- duits par rapport à la technique antérieure et ce but est atteint en utilisant des fréquences comparativement élevées, ce qui permet à son tour de réduire en conséquence les di- mensions du transformateur. Le transformateur n'utilise pas des noyaux métalliques feuilletés usuels mais est plutôt fondé sur l'utilisation d'un noyau de ferrite magnétique doux. Cette matière convient particulièrement pour des ap- plications à fréquences élevées car elle possède une très grande résistivité de sorte que des courants de Foucault sont pratiquement négligeables. Le transformateur est conçu de façon à présenter une réactance de fuite primaire/secon- daire adéquate de sorte que si ses bornes sont court-cir- cuitées un quelconque accroissement de courant dans l'ondu- leur se produit de manière contrôlée de façon à éviter des dégâts à l'onduleur. La figure 2 illustre le montage de l'appareil de sou- dage d'une manière plus détaillée. Il convient à présent d'observer que le câblage du redresseur 12 est sensiblement de type courant, raison pour laquelle il n'est pas spécia- lement illustré sur la figure 2. Par conséquent, la figure 2 ne représente essentiellement que l'onduleur 14 et le transformateur 16. - L'onduleur utilise deux commutateurs à transistor comportant respectivement au moins un transistor 22, 24 pour appliquer le signal de sortie de courant continu, dé- signé par V sur la figure 2, du redresseur 12 alternative- ment entre une première borne 26 et une prisec entrale 28 d'un enroulement primaire 30 du transformateur 16, et entre une seconde borne 32 et la prise centrale 28 de l'enroule- ment primaire. Au collecteur de chaque transistor sont connectés des circuits d'amortissement réactifs désignés dans leur ensemble respectivement par 34 et 36. Chaque circuit d'a- mortissement se compose d'un condensateur 38, de deux diodes et 42 et d'une inductance 44. Des circuits 46 et 48 sont montés respectivement entre la base et le collecteur de chacun des transistors 22 et 24. Chaque circuit est destiné à mettre les transistors rapidement hors d'action, quand il le faut, et se compose d'une diode 50, d'un transistor à effet de champ 52 et d'un condensator 54 montés en série et auxquels sont associées une résistance 56 et une diode de Zener 58 montées en parallèle. Un enroulement de base 60 est couplé avec le trans- formateur 16 par induction. L'enroulement 60 est connecté à la base de chacun des transistors 22 et 24 par l'intermé- diaire d'une diode respective 62 ainsi que d'une résistance- 64 et d'un condensateur 66 montés en parallèle. Des diodes 68 et 70 disposées respectivement de part et d'autre de l'enroulement de base sont reliées par l'intermédiaire d'une résistance 72 à la terre. Des d iod e s d e r o u e libre 74 et 76 sont re- liées en antiparallèle aux transistors 22 et 24 respective- ment par l'intermédiaire du collecteur et des émetteurs res- pectifs. Un commutateur 78 est interposé entre la tension d'alimentation en courant continu et un point 80 situé entre l'enroulement de base 60 et le transistor 22. Il convient de noter que l'onduleur 14 est à fonc- tionnement libre et que, mis à part les transistors 52, il n'y a pes de composants actifs dans ses circuits de commande. Ceci sim- plifie la construction de l'appareil de soudage car le be- soin en sources d'énergie auxiliaires est très faible. D'au- tre part, cela a pour conséquence que la fréquence d'oscil- lation de l'onduleur dépend de la charge et, lorsqu'un arc jaillit lors du soudage à travers les bornes de sortie de l'enroulement secondaire 82 (fig. 1) du transformateur, la fréquence de sortie change. D'une manière générale on peut dire que l'onduleur oscille à une fréquence caractéristique qui est fonction de la tension du primaire, du nombre de spires du primaire, de la section effective du noyau de ferrite doux et de la densité du flux de saturation du noyau. Des oscillations sont amenées à se produire en fer- mant momentanément le commutateur 78. Ceci élève la tension de la base du transistor 22 et le courant de collecteur du transistor augmente. Le courant ainsi produit dans la moi- tié gauche de l'enroulement primaire 30 induit un signal dans l'enroulement de base 60 qui fournit alors du courant de base au transistor 22. Le flux dans le noyau du trans- formateur croit lorsque la pleine tension est appliquée à travers les bornes 26 et 28. Si le courant maximal du col- lecteur est atteint avant que le noyau ne devienne saturé la tension collecteur-émetteur du transistor 22 augmente également. Lorsque cette tension atteint une valeur maximale la polarité de la tension à travers l'enroulement de base 60 s'inverse et le transistor 24 est mis en marche. La tension collecteur-émetteur de ce dernier décroît jusqu'à ce que la diode 76 devienne conducteur et offre au courant de collec- teur du transistor 22 une voie de passage vers la terre. A cet instant la tension collecteur-émetteur du transistor 22 est de 2 V. Le transistor 24 est alors conducteur et le pro- cessus se poursuit de la manière décrite. Le montage est conçu de façon que la vitesse de com- mutation des transistor 22 et 24 soit comprise entre 15 et kHz. Pour cette fréquence les composants magnétiques pré- sentent des dimensions aussi réduites que possible sur le plan pratique et le câblage pour la commutation des cou- rants de soudage, du côté primaire du transformateur, est maniable et économique. Il en résulte une diminution signi- ficative des dimensions et du poids de l'appareil de sou- dage suivant l'invention par rapport à des mesures analogues prises pour un appareil de soudage classique fonctionnant à la fréquence du secteur. Ainsi, un appareil de soudage construit conformément aux principes de l'invention présen.- te, par exemple, une puissance de sortie allant jusqu'à kilowatts et une masse de 5 kilogrammes seulement. La fré- quence d'oscillation de l'onduleur qui, comme déjà indiqué, dépend de la charge-varie pour ledit appareil de soudage entre 10 et 20 kHz. Le volume occupé par l'appareil de sou- dage est de 220 x 150 x 150 mm. Le transformateur est conçu de façon à présenter une réactance de fuite primaire/secondaire d'une valeur appro- priée pour réduire le risque pour l'appareil de soudage de subir des dégâts si l'enroulement secondaire est court-cir- cuité. La figure 1 montre que l'enroulement primaire 30 et l'enroulement secondaire 82 sont placés sur des branches op- posées d'un noyau de ferrite doux rectangulaire 84. La ré- actance de fuite totale est la somme de la réactance de fuite due à l'espacement des spires des enroulements mêmes, et de la réactance de fuite due à l'espacement des enroule- ments l'un par rapport à l'autre. Cette dernière composante est préétablie et déterminée par le choix des dimensions du noyau du transformateur. Comme déjà indiqué, des circuits d'amortissement ré- actifs 34 et 36 sont utilisés pour empocher les transistors d'être exposés en cours de commutation à des pointes d'exci- tation élevées, c'est-à-dire pour limiter le rapport dv/dt. L'avantage de ce type de circuit d'amortissement par rapport au circuit d'amortissement dissipateur (R-C) réside dans la plus grande efficacité du premier. Etant donné que l'ondu- leur fonctionne à des fréquences ultrasonores, des circuits d'amortissement dissipateurs sont de par leur nature inef- ficaces de façon à conduire à de fortes pertes d'énergie. Les circuits d'amortissement réactifs 34 et 36 sont régéné- rateurs et restituent l'énergie en excès à la source V. Les courants de base des transistors sont obtenus par la tension induite dans l'enroulement de base 60. Il est con- nu que le temps de coupure des transistors joue un râle im- portant dans la détermination des pertes dues à la commuta- tion de sorte qu'il est souhaitable de rendre le temps de décroissance des courants de collecteur aussi court que pos- sible. Lorsque l'un ou l'autre transistor est mis en marche il est amené à l'état de saturation et les circuits 46 et 48 sont conçus pour détecter l'instant o les transistors respectifs commencent à ne plus se trouver à l'état saturé et pour appliquer à cet instant un potentiel négatif à la base du transistor concerné afin de réduire son temps de descente. Ainsi, par exemple, dans le cas du transistor 22, lorsque la tension collecteurémetteur commence à croître un courant passe par le condensateur 54 et maintient la tension grille-source du transistor 52 à la tension de Zener de la diode 58. Le transistor 52 est mis en marche et appli- que un potentiel négatif existant au niveau de sa source à la base du transistor 22. Il en résulte un net raccourcisse- ment du temps de descente du transistor. La tension négati- ve de la source est aisément obtenue au moyen d'un simple enroulement auxiliaire à prise centrale couplé avec le trans- formateur 16. Evidemment, bien d'autres circuits pourraient être conçus afin d'obtenir des fréquences de fonctionnement ap- propriées pour le transformateur à haute fréquence 16. Tou- tefois, l'utilisation d'un onduleur non asservi du type dé- crit a pour avantages particuliers d'être simple et écono- mique. L'appareil de soudage ainsi obtenu est, comme déjà indiqué, compact et d'un faible poids. Le courant de souda- ge effectivement débité par le transformateur 16 peut être facilement réglé en faisant varier les courants de base alimentant les transistors 22 et 24. Ceci peut se faire par exemple en ajustant la valeur de la résistance 64 ou 72 ou de chacune d'elles. Ainsi des courants de soudage standard de, par exemple, 40, 60, 80 et 100 ampères peuvent être aisément sélectionnés par exemple en actionnant un commuta- teur qui fait varier la valeur de l'une ou de plusieurs de ces résistances d'une manière déterminée et appropriée. L'appareil de soudage fonctionne à des fréquences qui sont supérieures à la gamme des audiofréquences et se si- tuent généralement dans la gamme ultrasonore. Ainsi toute pollution acoustique est évitée. Dans l'appareil de soudage évoqué ci-dessus aucun bruit audible notable n'est produit par le câblage de l'appareil. REVENDICATIONS 1 - Appareil de soudage, caractérisé en ce qu'il com- prend un onduleur (12) dont la fréquence de sortie est su- périeure à la gamme des fréquences acoustiques, et un trans- formateur présentant un enroulement primaire à prise cen- trale (30), relié à l'onduleur, et un enroulement secondai- re (82) muni de bornes de sortie permettant la connexion électrique avec une électrode (18) et une pièce (20) à sou- der. 2 - Appareil de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de sortie de l'onduleur est supérieure à 3 kHz. 3 - Appareil de soudage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fréquence de sortie de l'onduleur est supérieure à 15 kHz. 4 - Appareil de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un moyen de réaction (60) pour commander le fonctionnement de l'onduleur avec un signal obtenu à partir du transformateur. 5 - Appareil de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'onduleur comporte au moins deux transistors (22, 24) et en ce que le moyen de réaction (60) comporte au moins un enroulement (60) qui est couplé avec le transformateur par induction et qui influe sur le courant de base alimentant les transistors. 6 - Appareil de soudage, caractérisé en ce qu'il comprend un transformateur équipé d'un enroulement primaire à prise centrale (30) et d'un enroulement secondaire (82) muni de bornes de sortie en vue de la connexion électrique avec une électrode (18) et une pièce (20) à souder, un on- duleur (14), une source d'énergie à courant continu (V) re- liée à l'onduleur, et un moyen de réaction (60) couplé avec le transformateur par induction pour commander le fonctionne- ment de l'onduleur dont le signal de sortie présente une fréquence supérieure à 3 kHz et est appliqué à l'enroulement primaire (30) du transformateur. 7 - Appareil de soudage selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'onduleur (14) comporte au moins deux transistors (22, 24) qui sont tour à tour mis en marche et amenés à l'état saturé, les courants de base des deux-tran- sistors étant sous la dépendance du moyen de réaction (60), et des circuits (46, 48) pour appliquer un signal convena- ble à la base de chacun des transistors (22, 24) afin de réduire son temps de descente lorsque le transistor concer- né cesse d'être saturé. 8 - Appareil de soudage selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que le transformateur comporte un noyau de ferrite magnétique (84), les enroulements primaire et secondaire (30, 82) étant situés sur des branches oppo- sées du noyau. 9 - Procédé d'obtention d'une source de courant de soudage qui consiste à connecter alternativement une source électrique de courant continu (V), d'une part, à une pre- mière borne (26) et une prise centrale (28) et, d'autre part, à une seconde borne (32) et une prise centrale (28) d'un enroulement primaire à prise centrale (30) d'un trans- formateur et ce à une fréquence supérieure à 3 kHz, à com- mander l'établissement de ces connexions au moyen d'un si- gnal de réaction obtenu à partir du transformateur, et à connecter un enroulement secondaire (82) du transformateur à une électrode (18) et à la pièce (20) à souder.