Brevet FR2543862A1 — publié le 19841012

Procédé de commande de processus de soudage par friction ou par inertie. Le soudage par inertie est un procédé connu pour joindre deux composants mécaniques, et il comprend la fixation d'un composant sur un volant, coaxialement à ce dernier, l'entraînement du volant jusqu'à une vitesse de rotation don- née, engendrant ainsi une énergie de valeur donnée, et l'application du composant rotatif à force contre le com- posant statique après avoir déconnecté le volant de son dispositif d'entraînement L'énergie stockée dans le volant continue à faire tourner le composant et la friction résultante entre les composants qui tournent l'un par rapport à l'autre engendre de son côté suffisamment de chaleur, en premier lieu pour amollir l'interface, et en second lieu pour assister la pression appliquée en vue d'obtenir une soudure à phase solide. Le soudage par friction est un autre procédé de soudage connu, et il diffère du soudage par inertie en ce que l'en- trainement en rotation est provoqué par un moteur etron dérivé d'une énergie stockée, et en ce que l'on peut arrêter la rotation au moyen d'un frein plutôt que par dissipation de l'énergie stockée. Lors de la mise en oeuvre de ces deux procédés, du métal est déplacé ou "soulevé", le résultat étant une ré- duction de la longueur axiale d'ensemble des deux composants. La quantité totale de réduction de la longueur des composants peut être désignée par l'expression de "longueur soulevée". Quand il s'agit de soudage par friction au moins, elle peut être subdivisée en une longueur initiale "brûlée" ou "de friction" (réduction de longueur provoquée pendant une première période quand la chaleur est engendrée pour amollir l'inter- face), et une "longueur de forgeage" (réduction subséquente de longueur due à l'assemblage par forgeage des deux composants au moyen de la pression appliquée. Habituellement, on augmente la pression appliquée après avoir atteint la longueur brûlée, ce qui fait que la pression de forgeage est supérieure à la pression de friction Quant il s'agit de soudage par inertie, il y a en général une distinction moins marquée entre ces deux phases du procédé de soudage Un commentaire sur ces sujets peut être lu dans British Standard BS 6223: 1982 publié par la British Standard Institution. Le brevet-GB 1 254 022 décrit un exemple d'appareil de soudage par friction dans lequel la vitesse du moteur d'entraînement est commandée selon un rapport vitesse-temps pré-programmé Ces techniques sont utiles pour contrôler la qualité de la soudure obtenue Cependant, ces techniques ne permettent pas de contrôler la quantité résultante de métal soulevé et ne fournit pas en particulier de contrôle sur la longueur soulevée Par exemple, quand il s'agit d'un soudage par friction de deux composants typiques par un procédé classique, il peut y avoir une tolérance de + 0,5 mm sur la longueur soulevée En outre, la commande de la vitesse qui est indiquée dans le GB 1 254 022 n'est pas possible quand il s'agit de soudage par inertie, car il est impossible de commander avec précision la vitesse du volant massif utilisé, du fait de son inertie Quand il s'agit de soudage par inertie de deux composants typiques par un procédé classique et du fait qu'il n'y a pas de contrôle de la longueur brûlée initiale, la tolérance peut être de + 1 mm pour la longueur soulevée. En raison de cette tolérance de la longueur soulevée, il faut donner des dimensions plus importantes aux composants d'importance critique, et il faut avoir recours à un usinage coûteux pour amener la pièce aux dimensions après l'opération de soudage En outre, dans certaines applications telles que le soudage disque contre disque de rotors à disques pour turbomachines à gaz, l'usinage subséquent pour parvenir aux dimensions peut être impraticable ou impossible en raison des formes compliquées des composants. En conséquence, les procédés de soudage par inertie et par friction classiques ne peuvent pas être utilisés pour ces applications. Le brevet GB 1 293 141 concerne un procédé de contrôle de la qualité du soudage par friction et indique que le taux du brûlage initial est plus important que la longueur brûlée effective En conséquence, ce brevet propose de surveiller le taux de brûlage (taux de changement de longueur par rap- port au temps pendant la période de-brûlage initiale) On compare le taux du brûlage à une valeur de -référence pré- établie et on ajuste la pression de soudage axiale pour maintenir la caractéristique de brûlage suivant une ligne droite désirée Pour deux raisons, ce procédé ne peut pas con- trôler la longueur de soulèvement d'ensemble résultante En premier lieu, on ne commande que le taux de soulèvement du métal, pour des raisons de qualité du soudage Ceci ne fournit aucune possibilité de contrôle direct sur la longueur soulevée, et le brevet ne concerne pas le contrôle de la longueur sou- levée En second lieu, le contrôle ne s'effectue que pendant la phase de brûlage, et il n'est pas suggéré d'effectuer un contrôle pendant la phase de forgeage qui a un effet important sur la longueur soulevée totale. Un autre procédé de soudage par inertie est décrit dans le brevet GB 1 439 277 Dans ce brevet et pour être assuré de la qualité de la soudure, on surveille la pression, la vitesse et le soulèvement pendant tout le processus de soudage Si la pression, la vitesse ou le soulèvement sortent de plages prédéterminées à l'intérieur desquelles on est assuré d'une bonne qualité de-la soudure, on obtient une indication sur ce fait et l'on peut mettre fin automatiquement au processus de soudage Il n'y a pas de commande à rétro- action sur les paramètres du soudage Ce procédé de commande de qualité est seulement acceptable du fait qu'en pratique les plages prédéterminées à l'intérieur desquelles les para- mètres peuvent varier tout en continuant de produire une soudure de bonne qualité sont très larges Si cela n'est pas le cas, on est dans l'obligation de rejeter une grande partie des composants soudés Par exemple, des plages de + 7 ,o de variations admissibles des paramètres nominaux et "idéaux" de soudage sont habituelles Le problème qui concerne la présente invention est cependant le contrôle de la longueur de soulèvement totale dans des situations o cette variation peut devenir intolérable. Selon la présente invention, il est proposé un procédé de commande d'un processus au cours duquel deux composants sont entraînés en rotation l'un par rapport à l'autre et pres- sés l'un contre l'autre de manière à être soudés l'un à l'autre par un soudage par inertie ou par friction, comprenant la surveillance de la valeur instantanée de la longueur de soulèvement des composants en plusieurs points prédéterminés pendant que se déroule le soudage, la comparaison de chaque valeur surveillée de longueur soulevée avec une valeur pré- déterminée de longueur soulevée en un point correspondant d'une opération de soudage idéale, la création d'un signal à partir d'une différence quelconque entre elles, et l'uti- lisation de ce signal pour modifier la pression appliquée entre les composants de manière au moins à réduire toute différence pouvant apparaître. De préférence, quand le procédé de soudage est un pro- cédé de soudage par inertie, la force appliquée est contrôlée en fonction de signaux dérivés de différences d'amplitude effectives et idéales de soulèvement du métal par rapport à- une vitesse de rotation donnée. De préférence, quand le procédé de soudage est un pro- cédé de soudage par friction, la force appliquée est commandée par des signaux dérivés de différences, s'il y en a, d'ampli- tude effective et idéale de soulèvement du métal par rapport au temps. L'invention sera ci-après décrite-à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la Figure 1 est une vue schématique de l'appareil utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, la Figure 2 est un graphique montrant la courbe de la vitesse de rotation relative des composants, du taux idéal de soulèvement du métal et de la force appliquée, par rapport à un temps donné selon un aspect de la présente invention con- cernant un soudage par inertie, la Figure 3 est un diagramme d'un programme de micro- processeur utilisé pour la mise en oeuvre du procédé décrit à la Figure 2, et la Figure 4 est un graphique semblable à celui de la Figure 2, sauf qu'il concerne le soudage par friction. A la Figure 1, un mandrin 10 entraîné par un volant supporte un premier composant 12 en rotation Un autre com- posant 14 est maintenu rigidement dans un étau 16 qui, de son côté, fait partie d'un mécanisme à vérin hydraulique 18, dont la fonction est de permettre à l'étau 16 et donc au composant 14 de se rapprocher ou de s'éloigner du composant 12. Le mécanisme à vérin 18 est relié à un système à fluide sous pression consistant en une alimentation en huile 20, une pompe 21 et une servo-valve 22. Un microprocesseur 24 comprend une mémoire 25 et une console de commande 27 Il est relié à la servo-valve 22 en vue de commander la pression de l'huile envoyée au mécanisme à vérin 18 Le microprocesseur 24 est en outre relié de façon à recevoir les signaux provenant d'un transducteur de pression 26 au moyen duquel le microprocesseur 24 sur- veille la pression de l'huile dans le cylindre 28 du mécanisme à vérin 18 Un transducteur linéaire 30 qui indique la vitesse et l'amplitude du mouvement relatif des composants 12 et 14 en direction l'un de l'autre et un tachimètre 32 qui indique la vitesse de rotation du mandrin 10 et donc la vitesse de rotation relative des composants 12 et 14 sont également reliés au microprocesseur 24. En référence maintenant à la Figure 2, avant d'utiliser l'appareil pour souder deux composants donnés dans des con- ditions de production effectives on détermine les valeurs idéales du soulèvement du métal pendant l'ensemble de l'opération de soudage, de même que les valeurs idéales de la rotation relative entre les deux composants 12 et 14 (Figure 1) qui leur correspondent, pour une force nominale et donnée appliquée par l'intermédiaire du mécanisme à vérin 18 (Figure 1) On obtient ce résultat de manière connue de l'Homme de l'Art au moyen de soudages d'essai sur des composants échantillons de mêmes dimensions, forme et matériau que les composants de production. Les valeurs de soulèvement idéales sont indiquées par la ligne continue 34 et le taux idéal de baisse de la rotation relative est indiqué par la ligne continue 36 Les données ainsi obtenues sont stockées dans la mémoire 25 du microprocesseur sous forme d'une table de valeurs concernant la rotation relative et une table concernant les valeurs de soulèvement idéales correspondantes La force nominale ap- pliquée est représentée par la ligne continue 38 et elle est limitée par des lignes frontières de valeur positive et négative 40 et 42 respectivement, qui peuvent être par exem- ple de + 10 % de la valeur nominale 38 Ces valeurs fron- tières supérieure et inférieure sont également introduites dans la mémoire 25. Au début de l'opération, les composants 12 et 14 sont séparés, et le composant 12 est amené à une vitesse de rotation idéale prédéterminée par l'intermédiaire d'un volant (non représenté) entraîné par un moteur, la vitesse de rotation étant indiquée au point R à la Figure 2 En ce point, on déconnecte le moteur de manière que le volant, le mandrin et le composant 12 commencent à tourner librement, et dans le même temps on rapproche les composants 12 et 14 sous l'action du mécanisme à vérin 18 La force ainsi appliquée est la force nominale indiquée au point P. La rencontre initiale des composants 12 et 14 (Figurel) dans les conditions décrites ici engendre une friction, ré- duit la vitesse de rotation du composant 12 et détermine un amollissement des composants au niveau de leur interface En conséquence, la force appliquée rapproche encore plus le composant 14 du composant 12, ce mouvement étant détecté par le transducteur linéaire 30 et envoyé sous forme d'un signal au microprocesseur 24 on il est comparé à la valeur correspon- dant au point approprié sur la ligne 34 de la Figure 2. Le microprocesseur 24 surveille la force appliquée par l'intermédiaire du transducteur de pression 26 et manoeuvre ainsi la servo-valve 22 de manière à assurer une alimentation en huile correcte du mécanisme à vérin 18 Mais si la valeur effective de soulèvement du métal change par rapport à la valeur indiquée par la ligne 34, par exemple du fait d'une augmentation comme indiqué par la ligne discontinue 44, ce changement devient immédiatement apparent du fait que le micro- processeur 24 compare le signal provenant du tranducteur linéaire 30 à celui contenu dans sa mémoire. L'augmentation de la valeur de soulèvement du métal pour des valeurs spécifiques de la vitesse de rotation produit, par l'intermédiaire du microprocesseur 24, des changements du signal envoyé à la servo-valve 22 qui, de son côté, ajuste la pression de l'huile et donc la force appliquée par le mécanisme à vérin 18 Dans l'exemple spécifique décrit, quand la vitesse de rotation tombe au point R 1 sur la ligne 36, la valeur de soulèvement du métal au point U 1 sur la ligne 44 est élevée- par rapport à la valeur idéale de soulèvement du métal sur la ligne 34. Le microprocesseur 24 compare la valeur effective sur la ligne discontinue 44 à la valeur idéale sur la ligne 34 et manoeuvre la servo- valve 22 pour diminuer la pression à partir de Pl selon des étapes discrètes prédéterminées Quand la vitesse de rotation est ensuite tombée au point R 2 sur la ligne 36, le soulèvement effectif du métal U 2 est à nouveau comme indiqué sur la ligne 34 et la pression est tombée à la pression P 2 Le microprocesseur 24 manoeuvre la servo-valve 22 en vue de maintenir la pression à P 2 Quand la vitesse de rotation tombe à R 3 sur la ligne 36, la valeur du soulèvement effectif U 3 sur la ligne 48 est alors bas par rapport à la valeur idéale de soulèvement du métal sur la ligne 34 Le microprocesseur 24 compare la valeur effective U 3 sur la ligne 48 à la valeur idéale sur la ligne 34 et manoeuvre la servo-valve 28 en vue d'augmenter la pression à partir de P 3, là encore sous forme d'étapes discrètes prédéterminées Quand la valeur du soulève- ment effectif du métal UC co ncide à nouveau avec la valeur idéale sur la ligne 34 et quand la pression est montée jusqu'à la pression P 4, Je microprocesseur 24 manoeuvre la servo-valve 22 de façon à maintenir la pression à P Cependant, la force appliquée ne doit pas être modifiée de façon telle qu'elle passe au-dessus ou au-dessous des valeurs représentées respectivement par les lignes 40 et 42. La Figure 3 est un diagramme simplifié montrant le pro- gramme du microprocesseur pour obtenir ce qui a été indiqué ci-dessus A la première étape 70 du programme, le micro- processeur s'initialise et attend le commencement du cycle de soudage A cette étape, des pointeurs des tables concernant la vitesse de rotation relative et le soulèvement sont initialisés Quand le cycle de soudage a commencé, ces poin-. teurs de table sont incrémentés-(étape 72) de manière à pointer les premières valeurs sur les tables, et une lecture est effectuée à partir du tachimètre 32 (étape 74) A l'étape de décision 76, le microprocesseur détermine si la vitesse de rotation (RPM) est tombée à la valeur courante de la table si cela n'est pas le cas, le programme forme une boucle jusqu'à ce que le test soit bon La valeur de soulèvement qui a été obtenue est alors lue par le transducteur linéaire 30 (étape 78). Si l'on souhaite simplement commander la pression, alors que le soudage est effectivement en cours et-avant et après cetteiégion de commande du procédé, le microprocesseur peut être programmé simplement pour surveiller et enregistrer les divers paramètres (par des étapes du programme qui ne sont pas indiquées à la Figure 3) Ainsi, le microprocesseur teste ensuite (étape 80) si le processus se trouve dans cette région de commande et revient en arrière par une boucle si cela n'est pas le cas. S'il faut une commande, la valeur de soulèvement effective qui est lue à l'étape 78 est comparée (à l'étape 82) à la valeur de soulèvement idéale stockée à l'emplacement en cours dans la table On comprendra que cette valeur de soulève- ment idéale est celle qui aurait été obtenue au cours d'une opération de soudage idéale avec la valeur courante de la vites- se de rotation, comme indiqué à la Figure 2 Si le soulèvement effectif est supérieur au soulèvement idéal (étape 84 du test) et si la pression mesurée est supérieure à la ligne limite in- férieure 42 (étape 86 du test), la servo-valve 22 est alors réglée de manière à abaisser la presson appliquée au vérin 18 d'une quantité prédéterminée (étape 88) De même, on fait monter la pression d'une quantité prédéterminée (étape 94) si le soulèvement effectif est inférieur au soulèvement idéal (étape 90 du test) et si la pression est au-dessous de la limite supérieure 40 En tout cas, le programme forme une boucle à l'étape 72, étape au cours de laquelle les pointeurs de table sont incrémentés, et le programme attend ensuite que la vitesse de rotation tombe jusqu'au point de surveillance suivant, indiqué par la nouvelle valeur dans la table RPM ainsi pointée. Le fait de maintenir une commande précise comme indiqué ci-dessus pendant qu'il y a soulèvement du métal permet d'être certain que la quantité idéale de métal a été déplacée La longueur finale d'ensemble des composants soudés 12 et 14 peut être ainsi prédite et obtenue avec plus de précision Ceci permet d'éliminer ou du moins de réduire à un minimum l'usinage nécessaire pour parvenir à la dimension voulue En pratique, il a été constaté qu'il était possible de commander le soulèvement total dans les limites de + 127 pm On pense que cette tolérance est déterminée par l'équipement utilisé plutôt que par un paramètre particulier d'une opération de soudage ou de composants particuliers, et qu'elle est relative- ment indépendante de la valeur effective de soulèvement total. Au cours de soudages d'essai de cylindres en acier doux d'un diamètre de 51 mm, cette tolérance a été obtenue de façon ré- pétée sur une longueur de soulèvement total de 4,75 mm; qui dans ce cas particulier constitue une tolérance de 2,7 '%. Cette tolérance se compare très favorablement aux tolérances des procédés classiques. Si on se réfère maintenant à la Figure 4 le graphique indique sur l'axe vertical X les valeurs de la rotation rela- tive entre les composants 12 et 14 de la Figure 1, la force appliquée et l'amplitude du soulèvement du métal par rapport aux temps idéaux indiqués sur l'axe horizontal Y et auxquels ces valeurs devraient être obtenues Le graphique concerne une opération de soudage par friction, c'est-à-dire un pro- cédé dans lequel on obtient la rotation relative des com- posants par entraînement continu de l'un d'entre eux. La ligne 62 représente la vitesse idéale pour la rotation relative des composants 12 et 14; la ligne 64 re- présente la force idéale, dont l'application commence au point F quand la vitesse de rotation idéale a été stabilisée. La ligne 66 représente l'amplitude du soulèvement du métal qui dot être obtenue pendant une période donnée re- présentée par la ligne 68 qui coïncide avec l'axe Y. Les valeurs idéales de chaque fonction sont introduites dans la mémoire d'un microprocesseur du type décrit en liaison avec la Figure 1 On prévoit des moyens d'application de force 18 du type décrit à la Figure 1, avec un trans- ducteur linéaire 30, un transducteur de pression 26 et un tachimètre 32. Dans le présent exemple, la vitesse de rotation est obtenue par des moyens moteurs (non représentés) et n'est donc pas affectée par les conditions de l'interface Mais si la valeur de soulèvement du métal varie par rapport à celle représentée par la ligne 66 à la Figure 3, c'est-à- dire si le soulèvement qui doit être obtenu en un temps représenté par la ligne 68 n'a pas été obtenu ou a été dépassé, les signaux correspondants sont envoyés au microprocesseur 24, sont com- parés, et un signal correcteur approprié émis par le micro- processeur 24 est envoyé à la servo-valve 22 et au moyen d'application de force 18 Ainsi, si l'on se rapproche de la dimension A qui représente la quantité de métal que l'on désire déplacer à une vitesse qui indique qu'elle sera atteinte avant le temps 'T' la force appliquée est réduite sur 1.1 instruction provenant du microprocesseur 24 (Figure 1) De même, si la dimension B qui représente l'amplitude du soulèvement de métal désirée pendant J'étape de jonction finale du procédé est obtenue pendant une-durée qui est différente de celle indiquée en T 1, la force appliquée est modifiée de façon appropriée par les signaux engendrés dans le microprocesseur 24 (Figure 1) De même, si la dimension B qui représente l'amplitude de soulèvement du métal désirée pendant l'étape de jonction finale du procédé est atteinte à un moment quelconque différent de celui indiqué en T 1, la force appliquée est modifiée de façon appropriée par des signaux engendrés dans le microprocesseur 24 (Figure 1) Le microprocesseur permet ainsi d'être certain que l'amplitude totale de soulèvement du métal est limitée à celle indiquée par la dimension C, et quand elle est obtenue, un signal est engendré et maintient une force pendant une durée T 2 avant de mettre l'appareil hors tension On verra alors que l'ap- pareil de la Figure 1 compare les valeurs de soulèvement effectives et idéales à des valeurs prédéterminées de RPM; le présent appareil effectue cette comparaison à des moments prédéterminés Le programme qui doit être suivi est en général semblable à celui de la Figure 3, sauf qu'au lieu d'attendre que la RPM tombe jusqu'à la valeur surveillée suivante, le programme échantillonne et compare le soulèvement à des moments appropriés et prédéterminés pendant toute l'opération de soudage. Alors que les modes de réalisation ci-dessus ont été décrits sous forme de dispositifs à base de microprocesseur, on comprendra que d'autres formes de moyens de traitement de données puissent être utilisées si on le désire. REVENDICATIONS 1. Procédé pour commander un processus au cours duquel deux composants sont entraînés en rotation l'un par rapport à l'autre et pressés l'un contre l'autre-de manière à être soudés l'un à l'autre par soudage par inertie ou par friction, comprenant la surveillance d'un paramètre de soulèvement des composants, sa comparaison avec une valeur idéale prédéter- minée de ce paramètre, la création d'un signal à partir d'une différence quelconque entre eux et l'utilisation de ce signal pour modifier la pression appliquée entre les com- posants de manière à réduire au moins ladite différence, caractérisé en ce que le paramètre de soulèvement est la valeur instantanée de la longueur soulevée des composants ( 12, 14) qui est surveillée en plusieurs points prédéterminés pendant que se déroule le soudage, et en ce que chaque valeur surveillée est comparée à une valeur prédéterminée de longueur de soulèvement au point correspondant d'une opération de soudage idéale, ce qui permet de commander la longueur de soulèvement totale. 2 Procédé selon la revendication 1, pour commander un procédé de soudage par inertie, caractérisé en ce que la longueur de soulèvement est surveillée et comparée en plusieurs points correspondant à des valeurs prédéterminées de la vitesse de rotation relative des composants. 3 Procédé selon la revendication 1, pour commander un procédé de soudage par friction à entraînement continu, caractérisé en ce que la longueur soulevée est surveillée et comparée à plusieurs moments prédéterminés pendant l'opération de soudage. 4 Procédé selon l'une quelconque-des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend la détermination de la pression appliquée entre les composants et utilise seule- ment ledit signal pour élever la pression si l a pression est au-dessous d'une limite supérieure-prédéterminée, et utilise seulement ledit signal pour abaisser la pression si la pression est au-dessus d'une limite inférieure prédéterminée. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites valeurs prédéterminées sont stockées dans une mémoire ( 25) de moyens de traitement de données ( 24) qui sont programmés pour effectuer lesdites étapes de surveillance, de comparaison et de création dudit signal.