Brevet FR2515553A1 — publié le 19830506

Perfectionnements aux dispositifs de soudage mettant en oeuvre une décharge électriciue L'invention concerne les dispositifs ou installations de soudage dans lesquels on utilise la chaleur produite par une décharge électrique dans un gaz, et notamment un arc électrique, pour porter à une température élevée une zone de métal sur laquelle on désire réaliser une soudure. L'emploi de dispositifs basés sur ce principe, tend à se développer pour la réalisation de soudures sur des pièces de hautes performances, dont la qualité doit être maintenue à un niveau très élevé avec une excellente fiabilité. Ils permettent de souder entre elles des pièces réalisées dans des matériaux habituellement très difficiles à travailler et qui se mélangent difficilement à d'autres constituants. Ils sont également utiles avec des métaux dont la soudure doit être pratiquée dans une atmosphère contrôlée pour éviter toute réaction indésirable avec l'air ambiant ou éventuellement des gaz dégagés au cours de l'opération de soudage. Afin de contrôler l'atmosphère régnant autour d'une soudure en formation, il est en effet courant d'injecter au-dessus du bain de soudure un gaz, par exemple un gaz inerte, à laide d'un tube terminé par une buse qui se trouve placé immediatement au voisinage de la soudure à réaliser. Cette buse fait partie intégrante de l'installation de soudage avec laquelle elle se déplace. Or, en raison des très hautes températures auxquelles se trouve porté le bain de fusion et de l'agitation de celui-ci, il se produit des projections de métal fondu qui s'éparpillent autour de la zone de soudure et viennent en contact avec les éléments constitutifs de l'installation de soudage dont ils peuvent, à plus ou moins brave échéance, perturber le fonctionnement. En particulier lorsque l'installation comporte une buse métallieue débouchant à proximité du bain de fusion, les projections atteignent les parois et la lèvre extrême de cette buse, s'y déposent en formant des amas dont l'importance ne fait que croître au fur et à mesure de l'opération. On a constaté que ces amas pouvaient être la cause de #ombreu- ses difficultés dont les deux principales sont les suivantes : D'une part, en se solidifiant dans l'ouverture de la buse, ils restreignent la section de passage de celle-ci et modifient les conditions de l'écoulement des fluides gazeux quelle est censée diriger vers le bain de soudure. Il en résulte que le débit de fluide gazeux dans l'atmosphère de la soudure devient insuffisant et velue la qualité des soudures obtenues tend à se dégrader progressivement. D'autre part, en raison des tensions élevées qui règnent dans l'environnement des soudures mettant en oeuvre des décharges électriques, et notamment dans le cas des installations de soudage à l'arc dans lestluelles l'arc jaillit entre la pièce et une électrode qui traverse l'ouverture de la buse ou dont l'extrémité est située au voisinage de cette dernière, les dépôts de métal qui se forment à la surface de cette buse forment des points d'amorçage d'arcs parasites entre l'électrode et la buse.Ces arcs parasites provoquent une modification de l'intensité du courant entre l'électrode et la pièce à souder et perturbent les conditions qui président à la formation de la soudure. Lorsque les installations de soudage sont équipées de dispositifs automatiques de compensation propres à maintenir les conditions d'entretien de l'arc principal aussi cons tantes que possible, le courant d'alimentation est alors augmenté, ce qui favorise également les amorçages d'arcs parasites ; les systèmes de réglage et d'asservissement des opérations sont alors déstabilisés, ce qui, bien entendu, nuit encore à la qualité des soudures exécutées. Dans certains installations, mettant en oeuvre un procédé connu sous le nom de TIG, une électrode centrale amène le courant de formation de l'arc à l'intérieur d'une buse réalisée en une matière céramique massive. Le métal d'apport est avancé transversalement par rapport à l'extrémité de cette électrode à la sortie de la buse pour entrer en fusion au contact de l'arc et venir se déposer à l'emplacement sélec tionné, pour former la soudure. Grâce à la constitution en céramique de la buse, les projections de métal qui émanent du bain de soudure ne collent pas sur la surface et les accumulations qui viennent d'être mentionnées ne sont pas à redouter. Les installations de ce type présentent l'inconvénient que les buses sont fréquemment brisées en raison de la fragilité de la céramique, sous l'effet de chocs thermiques ou mécaniques inévitables dans un environnement industriel. Enfin, on a pu constater que l'utilisation de buses en matière céramique avec d'autres procédés de soudage à l'arc, tels que par exemple le procédé connu sous le nom de MIG, l'utilisation de buses en céramitlue était inacceptable en raison de la tendance de ces buses à se fragmenter ou à exploser sous l'action des nombreuses contraintes auxquelles elles sont soumises dans l'environnement de la soudure. Au regard de cas de difficultés, l'invention vise à améliorer la qualité des soudures obtenues à l'aide d'installations mettant en oeuvre des décharges électriques et à accrottre la fiabilité de ces dernières. A cet effet, elle prévoit d'équiper ces installations de buses pour l'insufflation de gaz sur les bains de soudure, qui comprennent un embout tubulaire métallique dont la surface externe, la surface interne et leur lèvre de racc~rdement au voisinage de bain de soudure sont recôuvertes d'un rev8te- ment en un matériau isolant réfractaire aux hautes températures tel qu'une céramique. Ces buses sont, de préférence, constituées, de manière classique1 avec une terminaison de profil tronconique se rétrécissant en direction de l'ouverture délimitée pa#r ladite lèvre. L'invention permet d'obtenir des buses non fragiles en raison de- leur constitution métallique de base, alliée à une très grande résistance aux hautes températures qui règnent au voisinage du bain de soudure et aux effets des projections de métal en fusion qui atteignent les parois de cette buse dans sa partie exposée à la soudure. En particulier, on a remarqué qu'un revetement de céramique satisfaisant pouvait etre réalisé à l'aide de procédés de projection, par exemple au-pistolet, de céramique sur une matière métallique convenahlement traitée, par exemple un support en acier sensiblement moins cher que les cuivre, bronze ou laitons habituels. Les revêtements ainsi obtenus ne s'écaillent pas sous l'effet des chocs et on a constaté que des buses réalis-ées sous la forme ainsi décrite pouvaient résister pendant de très longues périodes aux impacts et contraintes thermiques ou autres aux- quels elles sont soumises dans l'environnement d'une installation de soudage de pièces industrielles. L'un des avantages essentiel des buses constituées selon vent ion est qu'outre leur résistance propre à la haute te ture des projections de matière en fusion, elles n'offrent aucune adhérence à ces dernières et empêchent donc la formation d'accumulations de matière susceptibles d'obstruer l'ouverture de sortie de la buse comme il a été exposé ci-dessus. Le cas ractère forteraent isolant des revêtements de céramique utilisés empêche l'forçage d'arcs entre des points de cette buse et les autres parties de l'appareil de soudage ou la zone de la pièce dans laluclle la soudure est en cours de réalisation. Les explications suivantes sont données à titre complémentaire et non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une buse selon l'invention ; la figure 2 illustre l'utilisation de la buse de la figure 1 dans une installation de soudage suivant le procédé TIG la figure 3 illustre l'utilisation de la buse dans une installation de soudage suivant le procédé MIG la figure 4 illustre l'utilisation de la buse selon l'inven- tion dans une installation de soudage à plasma. Une buse 10 (figure 1) pour l'insufflation d'un gaz dans une installation de soudage comprend un corps massif 12 en acier tel qu'un inox réfractaire, de forme général tubulaire et se terminant à sa partie postérieure par un embout fileté 14 permettant de la monter à l'extrémité d'une conduite d'amenée de gaz non représentée. La paroi extérieure du corps 12 comprend une partie cylindrique 16 raccordée par un décrochement 17 à l'embout fileté 14. Vers l'avant, la surface extérieure 18 du corps 12 adopte un profil tronconique qui va en se rétrécissant de la surface cylindrique 16 à une lèvre d'extrémité arrondie 20 définissant une ouverture circulaire 27, et qui raccorde la surface externe 18 du corps 12 à la paroi interne d'un canal cylindrique 22 traversant axialement la buse 10.L'extrémité postérieure 24 du canal 22 est reliée à un perçage cylindrique 26 de plus grand diamètre dont l'embouchure 28 est reliée à la conduite d'amenée de gaz lorsque l'embout 14 est associé. La surface extérieure du corps 12 est entièrement revêtue d'une couche d'un matériau du type céramique, dans cet exemple constitué par de l' alumine, sur une épaisseur de 2 à 3/10ème de millimètre. Ce revêtement forme une couche de couleur blanchâtre qui protège non seulement la partie cylindrique 16 et son prolongement tronconique 18 de la face externe du corps 12, mais également s'étend sur toute la paroi interne du canal 22, entre son extrémité postérieure 24 et la lèvre 20 formant l'extrémité antérieure de la buse. Cette lèvT*e cie racoxodement 20 est également entièrèment revêtue du dépôt d'alumine de telle sorte qu'aucune partie du corps métallique 12 n'est exposée à l'extérieur de la buse, si l'on parcourt la surface de celle-ci depuis la surface externe cylindrique l6 jusqu'à l'extrémité postérieure 24 du canal 22 en passant par l'ex trémité frontale de cette buse autour de la lèvre 20. Sur la figure 1, la couche d'alumine a été représentée- -par la référence 25. Elle est obtenue aisément par une projection au pistolet à l'aide d'un matériel d'un type couramment disponible pour les traitements de surface, #par exemple un pistolet CHPOLANSKI. L'application s'effectue à partir d'un cordon d'alumine solidifié qui est pulvérisé par brûlage et projeté à l'aide d'une pression d'air élevée sur la surface à protéger préalablement traitée par nettoyage et sablage. La couche d'alumine 25 forme une pellicule continue très fortement isolante du point de vue électrique et capable de résister thermiquement à des températures sensiblement supérieures à 1000 ou 1100 et pouvant s'étendre jusqu'à 20000. Cette propricté la rend particulièrement adaptée pour protéger les parties de la buse exposée aux projections de soudure, et plus particulièrement la lèvre 20, la partie antérieure du canal 22 et la surface tronconique 18 externe de cette buse. Le revêtement ainsi obtenu est très peu fragile et possède une excellente adhérence sur la surface de la buse à protéger. Par ailleurs, cette buse possède une bonne résis- tance aux chocs et aux déformations. Ces propriétés rendent une buse telle que représentée à la figure 1 particulièrement bien adaptée à différentes installations de soudage mettant en oeuvre des décharges électriques et telles -#e représentées aux figures 2, 3 et 4. Sur la figure 2 on a représenté l'utilisation de la buse 12 dans une installation de type TIG (Tungsten, Inert Gas). Dans une telle installation, une électrode en tungstène 30 est montée axialement à l'intérieur du corps de buse 12 de telle sorte t,ue sa pointe extrême 32 affleure à l'extrémité de la buse au niveau de l'ouverture 27. L'électrode 30 est portée à un potentiel suffisant pour qu'un arc électrique 33 s'établisse entre la pointe 32 et un jeu de pièces 35, 36 mises à la masse et destinées à être reliées par un cordon de soudure 38. Transversalement à la direction de l'électrode 30 est avancé un fil de métal d'apport 40 dont l'extrémité 42 s'échauffe au contact de l'arc 33 et fond pour venir se déposer sous la forme du cordon de soudure 38 sur les bords des pièces 35 et 36 échauffées par l'arc 33.Celui-ci jaillit dans une atmosphère contrôlée d'un gaz amené dans-le sens de la flèche 45 à travers la buse 12. Il vient frapper la soudure 38 perpendiculairement à la surface des pièces 35 et 36 et s'échappe latéralement comme indiqué par les flèches 44. On constate que, dans cet environnement, la buse 10 permet d'accomplir sa fonction habituelle en vue de l'exécution d'une soudure de haute qualité#à très faible dilution des métaux joints par la soudure et sans présenter aucun des in convénients rencontrés auparavant notsamment sur le plan de la fragilité avec ce typo de procédé. Dans le cas de la figure 3, la buse 10 est employée dans une installation de soudure connue sous le nom de MIG (etali Inert Gas). Un cordon ou un fil de métal d'apport 50 est amené avec son extrémité 52 au devant de la zone de soudure 38 par guidage à travers un tube de contact 54 percé d'un canal longitudinal à l'intérieur duquel avance le fil 50. Le tube contact 54 est alimenté, par une source de puissance convenable en un courant électrique propre à permettre le jaillissement et l'entretien d'un arc 55 entre l'extrémité 52 du fil de métal d'apport et la zone des pièces 35 et 36 à souder. Le tube contact 54 est monté axialement à l'intérieur de la buse lo. Un gaz inerte à l'égard des métaux mis en oeuvre dans la soudure 38 est insufflé dans le sens de la flèche 56 à travers la buse 10. L'arc 55 se forme dans le courant de gaz insufflé, lequel s'échappe latéralement après son impact avec la soudure 38. On constate que de nombreuses projections jaillissent de la zone de soudure 38 et viennent frapper la lèvre 20 de la buse ainsi ue sa surface antérieure externe et interne, sans s'y attacher ni former aucune accumula:i-ion sus ceptible de favoriser un jaillissement d'arcs parasites. L'ouverture 27 reste à sa dimension normale sans danger d'obstruction par de telles projections. En outre, on a prévu, dans l'exemple représenté sur la figure 3,,de revêtir le corps métallique du tube contact 54 d'une couche d'alumine 58 s'étendant jusque sur l'extrémité frontale r9 du tube au voisinage du point de sortie du fil 50. Le tube contact se trouve ainsi également protégé par l'alumine 53 contre le collage des projections qui atteignent sa surface et pourraient, à défaut de cette protection ,s'opposer à un avancement régulier de l'extrémité 52 du fil 50 et provoquer des accuntulations de matière- tendant à obstruer l'intervalle entre le tube contact et la buse. Dans l'eelaple illustré par-la figure 4, on a représenté un corps de buse 10 dans un chalumeau à plasma. Un tube 60 disposé axialement à l'intérieur de la buse 10 avec son extrémité 62 au voisinage de 11 ouverture 27 face à la zone à souder entre les pièces 35 et 36, est connecté à l'extrémité d'un gcnérateur de plasma. On sait qu'un tel générateur est propre à produire une décharge électrique dans un gaz qui. entraîne la formation d'un fort courant ionise ou plasma amené par le tube 60 dans le sens de la flèche 64 directement sur la soudure 38, la forte température de ce plasma permettant un échauffement convenable de la zone de soudure.Dans la zone ainsi & chauffée sont projetées des particules -de poudre d'un métal d'apport à l'aide d'un tube 66 passant à l'intérieur de la buse 10 et débouchant latéralement par rapport au jet de plasma 65 à l'embouchure 27 de la buse. Les poudres-sont ainsi projetées dans le sens de la flèche 67 sur la zone de soudure à très haute température 38, tandis qu'un courant de gaz est amené dans le sens de la flèche 68 à travers la buse 10 au contact de cette zone de soudure pour la plonger dans une atmosphère convenable.Il va sans dire que les turbulences créées par l'impact-des différents jets de plasma, de poudre et de gaz au niveau de la zone de soudure 38 ne manquent pas de produire des projections de particules qui tendent à venir s'amalgamer sur les organes de 1'installati#n de soudage. Comme on l'a vu, la buse 10 reste parfaitement protégée contre les effets de telles projections par sa couverture d'alumine. On a ainsi, par des moyens simples, augmenté considérablement la durée de vie de buses utilisées dans différents procédés de soudage mettant en oeuvre des décharges électriques. Il en résulte une économie non seulement sur les buses el#es-mêmes mais également sur le temps perdu par la nécessité de les remplacer lorsqu'elles sont devenues impropres au travail, ainsi qu'un gain lié à la qualité du travail effectue. En variante, on peut utiliser comme revêtement une couche de bioxyde de chrome appliquée soit par projection ou par un traitement thermique par diffusion sous vide dans un four. Ces revêtements présentent l'avantage d'une résistance tout à fait exceptionnelle à la tendance des projections de métal en fusion à adhérer à la surface de la buse ainsi revêtue. Revendications 1. Machine de soudaye notamment par décharge électrique du type comprenant des moyens propres à créer une forte éleva tion de température dans la zone de la soudure à réaliser, un moyen d'apport de métal de soudure au voisinage de cette zone pour être déposé par fusion dans la zone à souder, et un conduit tubulaire terminez par une buse (10) pour amener un courant de gaz dans l'environnement de ladite soudure, caractérisée en ce que cette buse (10) est réalisée sous la forme d'un embout tubulaire en un matériau métallique dont une portion de la surface externe (18), une portion de la surface interne (22) et la lèvre de raccordement (20) de ces deux portions de surface vis-à-vis de la zone de soudure sont recouvertes d'un revêtement (25) en un matériau isolant réfractaire aux très hautes températures, tel qu'une céramique. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite buse (10) a un profil externe tronconique (18), se rétrécissant en direction de ladite lèvre. 3. Machine selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que le revêtement de ladite buse est obtenu par projection d'un matériau du type céramique sur la surface du corps métallique de la buse. 4. Machine selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ledit revêtement est constitué par de l'alumine ou du bioxyde de chrome. 5. Buse d'amenée d'un gaz sur une soudure pour une installation de soudage notamment par décharge électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps métallique (12), dont la surface (20) destinée à être exposée à l'environnement immédiat de la soudure, est revêtue tant intérieurement qu'extérieurement dtune couche (25) d'un matériau électriquement isolant et réfractaire aux très hautes températures, du type céramique.