Brevet FR2560089A1 — publié le 19850830

Procédé et dispositif de controle d'une opération de soudure à arc L'invention a pour objet un procédé et une installation de controle d'une opération de soudure à arc électrique. Pour réaliser la soudure d'un joint entre deux pièces métalliques accolées, on utilise une tête de soudure comprenant une électrode et des moyens d'amenée du métal d'apport qui, d'ailleurs, peut constituer lui-même l'électrode . La tête de soudure est normalement placée sur un organe de support lui permettant de défiler à vitesse réglable le long du joint à souder, soit par déplacement de la tête de soudure, soit par déplacement de la pièce. La réalisation de la soudure dépend d'un certain nombre de paramètres tels que l'intensité du courant de soudage, la vitesse d'amenée du métal d'apport, la vitesse de défilement de la tête de soudure le long du joint ou la distance de l'électrode à la pièce. En effet, dans une opération de soudure, l'arc électrique réalise une zone de fusion pénétrant à l'intérieur de l'épaisseur du métal sur une profondeur qui dépend en premier lieu du courant de soudage mais également de la vitesse d'amenée du métal d'apport, qui refroidit la zone de fusion, et de la vitesse de défilement de la tête de soudure le long du joint, dont dépend le temps pendant lequel l'arc électrique est appliqué en un point donné. Normalement, l'énergie de l'arc électrique étant absorbée par le métal, la température de la zone de fusion est limitée et correspond à un simple ramollissement du métal, suffisant pour permettre la soudure des deux parties de la pièce. Cependant, si la température devient trop élevée, le métal peut couler et il se produit, du côté opposé à l'arc électrique, des gouttes qui se détachent en saillie et doivent être éliminées. Pour éviter cet inconvénient, on a l'habitude de chanfreiner les deux bords de la pièce à souder de façon à former sur les deux parties de la pièce deux talons qui viennent s'accoler, pour former, sur les deux faces opposées de la pièce, deux sillons dans lesquels sont réalisés deux cordons de soudure. De la sorte, si le métal vient à couler, il se forme des gouttelettes dans la partie chanfreinée de l'autre coté du talon et celles-ci peuvent être éliminées par meulage et recouvertes par le deuxième cordon de soudure effectué ensuite par reprise de la soudure à l'envers de la pièce. Celle-ci doit, pour cela, être généralement retournée à moins d'effectuer une soudure à l'envers ce qui présente des difficultés. Il est donc préférable, quand on le peut, de réaliser le chanfrein sur une seule face de la pièce métallique, les deux talons étant accolés sur l'autre face.Mais, dans ce cas, il est plus difficile d'éliminer les inconvénients dûs à des coulées locales du métal puisque l'on ne prévoit pas de reprise à l'envers. En outre, cette disposition augmente les problèmes dûs à des défauts d'accostage par manque de rotondité et aux défauts d'usinage. D'une façon générale, les préparations avant soudage et la réparation des défauts de celui-ci représentent un coût élevé. Pour éviter ces inconvénients et faciliter la réalisation de soudure sur une seule face de la pièce, l'invention a pour objet un procédé de contrôle de la soudure permettant, en jouant sur l'un au moins des paramètres de soudure, de controler et d'ajuster en permanence la pénétration de l'arc de façon à éviter la coulée du métal. On peut de la sorte simplifier la forme des préparations et éviter les reprises envers. Conformément à l'invention, on mesure, au cours du soudage, la température de la pièce à souder sur la face opposée à l'arc électrique, on compare la température mesurée à une température de référence déterminée à l'avance et correspondant à la pénétration maximale de l'arc dans ltépais- seur de la pièce sans risque de coulée du métal et, dès que l'on enregistre une variation de la température mesurée par rapport à la température de référence supérieure à un écart donné dans un sens ou dans l'autre, on agit dans le sens voulu sur l'un au moins des paramètres de soudage pour ramener la température mesurée à la température de référence. On a observé en effet que les coulées de métal étaient dues à une pénétration trop grande de l'arc électrique dans l'épaisseur de la pièce car, lorsque l'épaisseur de métal n'est plus suffisante pour absorber l'énergie de l'arc, la température monte brutalement et produit une coulée du métal. Or, la profondeur de pénétration de l'arc dépend, d'une façon assez régulière, des paramètres de soudage et de la composition du métal soudé. Il est donc possible, en faisant des essais sur un échantillon de la pièce soumis à des conditions de soudure analogues à celles de l'opération à effectuer, de déterminer à l'avance la profondeur de pénétration optimale permettant d'assurer le soudage de la pièce dans les meilleures conditions sans risque de coulée du métal. On peut alors, selon les caractéristiques essentielles de l'invention, mesurer la température de la pièce sur la face opposée à l'arc électrique ou, en tout cas, à proximité de celle-ci. On s aperçoit en effet que, à mesure qu'augmente la pénétration de l'arc dans l'épaisseur de la pièce, la température mesurée sur la face opposée aug mente régulièrement.Mais si la pénétration est trop forte et qu'il se produit une coulée du métal, on enregistre à cet instant une augmentation brusque de la température qui peut être facilement repérée. Si l'on reproduit la soudure sur une pièce du même métal et dans des conditions analogues, cette température est conservée. On peut donc déterminer à l'avance, sur un échantillon, une température de référence correspondant à la pénétration optimale de l'arc électrique sans risque de coulée du métal. D'une façon plus générale, on peut aussi déterminer une fourchette de température entre une température minimale pour laquelle la pénétration ne serait pas suffisante et une température maximale à partir de laquelle la coulée du métal serait imminente. Pour controler en permanence l'opération de soudure, on peut alors, ayant mesuré la température de la face de la pièce à souder opposée à l'arc électrique, la comparer à une température de référence et utiliser un dispositif de régulation permettant d'agir sur l'un au moins des paramètres de soudure tels que le courant de soudage, la vitesse d'amenée du métal d'apport ou la vitesse de défilement, pour agir dans le sens permettant de ramener la température mesurée à la température de référence ou en tout cas dans une fourchette donnée. Pour mesurer les températures, il est particulièrement avantageux, selon une caractéristique de l'invention, d'utiliser un capteur du rayonnement infra-rouge émis par la zone soudée. Ce capteur peut être placé derrière le joint de soudage et relié par une fibre optique à un convertisseur qui transforme le rayonnement capté en une tension proportionnelle à la température. Cette tension peut être comparée à une tension de référence correspondant à la température déterminée par les essais, la différence de tension étant affichée sur le dispositif de régulation des paramètres de soudure. Mais l'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier, donné à titre d'exemple et représenté sur les dessins annexés. La figure 1 est une vue générale schématique#d'une installation de soudage munie d'un dispositif selon l'invention. La figure 2 est une vue schématique de l'ensemble du dispositif de controle. La figure 3 est une vue de détail du joint à souder, à échelle agrandie. Sur la figure 1, on a représenté une installation de soudure com prenant une tête de soudure 1 montée sur un support 2 de façon à exécuter une soudure sur une pièce métallique 3 qui, dans l'exemple représenté, est une virole montée sur des galets 24. La tête de soudure 1 comprend, de façon schématique, un fil enroulé sur un treuil 12 et constituant l'électrode et le métal d'apport. La vitesse de rotation du treuil 12 peut être commandée par un moteur 13 pour déterminer l'avancement à vitesse réglable de l'électrode 11 dans un guide 14 solidaire de l'organe de support 2, de façon à obtenir une distance pièce-électrode constante au fur et à mesure de la fusion de l'électrode consommable 11. On peut réaliser un soudage sous flux ou en fil fourré. L'électrode est reliée d'autre part à une borne d'un générateur électrique 18 fournissant une tension réglable et dont l'autre borne est reliée à la pièce. L'ensemble est monté sur le support 2 qui peut comprendre un bras horizontal 21 monté coulissant suivant deux ou trois directions sur un pilier 22 de façon à pouvoir venir se placer à l'endroit voulu devant le joint à souder et à se déplacer le long de celui-ci avec une vitesse de défilement variable. Sur la figure 2, on a représenté schématiquement le moyen de commande du défilement à vitesse variable par un moteur 23 commandant les galets 24 d'entrainement en rotation de la virole 3 mais il est bien évident que l'on pourrait employer tout autre moyen de commande du défilement de la tête de soudure le long du joint ; par exemple, la pièce à souder 3 étant fixe, on pourrait déplacer la tête de soudure 1 le long du joint 30 au moyen d'un pignon entrainé par un moteur à vitesse réglable et engrenant sur une crémaillère solidaire du bras 21. On voit ainsi que l'on dispose d'un certain nombre de moyens permettant de régler les différents paramètres de soudure - le moteur 13 et le treuil 12 règlent la distance de l'électrode à la pièce métallique et la vitesse d'amenée du métal d'apport lorsque celui-ci est porté par le même fil 11. - le générateur 18 règle la tension de l'arc électrique ; - des moyens tel que le moteur 23 règlent la vitesse de défilement de la tête de soudure le long du joint. Comme on l'a représenté sur la figure 3, les deux pièces 32, 33 sont munies de chanfreins 31 sur une seule face, du côté de l'arc électrique 10 de façon à ménager deux talons 34 qui viennent en contact sur l'autre face 35. C'est de ce coté, opposé à l'arc électrique 10, que l'on place, selon l'invention, un capteur de température 4, aussi près que possible de la face 35 des pièces à souder. Sur la figure 3 qui est une vue de détail à échelle agrandie, du joint 30 , on a représenté les deux parties 32 et 33 à souder sur lesquelles ont été ménagé les chanfreins 31, ainsi que l'électrode 11 produisant un arc électrique 10 . Celui-ci pénètre dans l'épaisseur de la pièce métallique sur une zone 36 qui s'étend jusqu'd une distance (e) de la face 35 de la pièce opposée à l'arc électrique 10. Comme on l'a indiqué, la chaleur de l'arc électrique est absorbée par le métal qui se met à couler si liépais- seur (e) est trop faible. Pour régler cette distance (e) et par conséquent la profondeur de pénétration de l'arc électrique dans le joint, on utilise un dispositif de régulation 40 commandé par le capteur de température 4. A cet effet, de façon avantageuse, le capteur 4 placé derrière le joint 30 capte le rayonnement infra-rouge émis par le joint 30 et qui est fonction de la température du métal sur la face 35 et par conséquent de la distance (e) et de la profondeur de pénétration de l'arc. Le rayonnement capté est transmis par une fibre optique 41 à un transmetteur dXinfra-rouge 42 constitué par un convertisseur transformant le rayonnement capté en une tension électrique proportionnelle à la température (t).Cette tension est appliquée à un compara teur 43 pour être comparée à une tension fixe correspondant à une température de référence (t') et affichée en permanence sur le comparateur 43. Le résultat de la comparaison (t - t') est appliqué à des éléments d'interface 44 qui donnent un ordre de réglage à l'un au moins des moyens 13s 18, 23 pour faire varier l'un au moins des paramètres de soudage de façon à annuler la différence comparée (t - t') ou bien à la maintenir dans une fourchette fixée.Si par exemple, on constate que la température mesurée (t) dépasse la température de référence (t') d'une valeur trop élevée, un élément d'interface 44 peut commander, par exemple, le réglage du générateur électrique 18 pour déterminer une légère baisse de tension ou bien faire varier la vitesse du moteur 17 ou du moteur 23 pour augmenter la vitesse d'amenée du métal d'apport ou bien la vitesse de défilement de la tête de soudure devant le joint 30 Il en est de même en sens inverse, si la température mesurée (t) descend trop bas au-dessous de la température de référence (t') ce qui voudrait dire que la distance (e) est trop grande, la profondeur de pénétration de l'arc étant insuffisante. On peut choisir le paramètre de soudage sur lequel on agit pour obtenir une réaction quasiimmédiate du dispositif. Grâce à une telle disposition, il est possible de réaliser dans d'excellentes conditions un joint de la forme représentée sur la figure, c'est à dire dans lequel le cordon de soudure est réalisé sur une seule face de la pièce sans qu'il soit nécessaire d'exécuter un cordon sur l'autre face ni d'usiner celle-ci pour éliminer les parties où le métal aurait coulé et traversé le joint. On notera, comme on l'a indiqué dans la figure 1, que l'ensemble du dispositif de régulation 40 peut être écarté de la soudure et placé par exemple sur le bras horizontal 21, seul le capteur 4 étant disposé audessous du joint à souder et soumis à une haute température, par exemple à l'extrémité d'un tube de support dans lequel est placée la fibre optique 41 assurant la liaison avec le dispositif de régulation 40. L'utilisation d'une fibre optique permet également de viser le joint de façon à placer le capteur avec une grande précision dans les conditions les plus hostiles, la visée pouvant être réalisée par un spot lumineux. D'autre part, le transmetteur 42 est associé avantageusement à un enregistreur 48 et à un dispositif d'affichage digital 46. Avant de faire une soudure, on prend une éprouvette du même métal que la pièce à souder 3 et l'on réalise la soudure dans des conditions analogues à celles qui doivent être employées. A la fin de l'essai, on peut vérifier en chaque point la pénétration de l'arc, par exemple au moyen d'un examen radiographique ou macrographique. On en déduit donc une relation entre la pénétration de l'arc et la température mesurée ou la tension fournie par le transmetteur 42. On peut aussi faire varier successivement les paramètres de soudure pour vérifier leurs influences sur la pénétration de l'arc. De la sorte, on définit la fourchette de température qui doit régner sous la pièce pour que la pénétration de l'arc se trouve dans les limites fixées. On définit ainsi la température de référence (t') ou bien la fourchette dans laquelle la température mesurée doit être maintenue. On peut alors procéder à la soudure sur la pièce à souder 3 qui est de même nature et de même épaisseur que l'éprouvette. Ayant mis en place la tête de soudure et le capteur de température, on choisit une vitesse de défilement et on augmente l'intensité de l'arc jusqu'à avoir une température mesurée comprise dans la fourchette prévue. La soudure peut alors se poursuivre automatiquement, le dispositif de régulation agissant sur l'un des paramètres de soudage, par exemple l'intensité de l1arc, pour maintenir la température au niveau souhaité. De la sorte, on peut obtenir tout le long du joint de soudure une profondeur optimale de pénétration sans risque de coulée du métal. On peut aussi faire des essais à l'avance pour des natures de métal utilisées couramment et pour différentes épaisseurs. On pourra en tirer des courbes qui permettront, pour un métal et une épaisseur déterminés, de définir les températures de référence sans avoir à faire un nouvel essai. Mais l'invention ne se limite évidemment pas aux détails du mode de réalisation qui vient d'être décrit, d'autres variantes et d'autres perfectionnements pouvant être imaginés sans sortir du cadre de protection revendiqué. En particulier, le système qui a été décrit est adaptable à tout type de soudage et permet de choisir le paramètre de soudage sur lequel on désire agir. D'autre part, il est facile, dans le procédé selon l'invention, de prendre en compte la température de préchauffage, ou la présence par exemple d'une latte de protection, puisqu'il suffit de faire l'essai préalable dans les mêmes conditions. On notera également que le dispositif permet de mesurer en permanence la température de la pièce et qu'il est facile, si l'on enregistre les températures en fonction du déplacement de la tête de soudure le long du joint, de situer des défauts qui pourraient être décelés par la suite et qui seraient dûs à une pénétration insuffisante ou trop importante. REVENDICATIONS 1.- Procédé de contrôle d'une opération de soudure à arc électrique dans une installation comportant des moyens (1) de formation d'un arc électrique entre une électrode (11) et un joint (30) à souder sur une pièce métallique (3), des moyens d'amenée d'un métal d'apport, des moyens de commande du défilement de l'électrode (11) le long du joint à souder (30), et des moyens de réglage des paramètres de soudage tels que la tension de l'arc électrique, la vitesse d'amenée du métal d'apport et la vitesse de défilement, caractérisé par le fait que l'on mesure, au cours du soudage, la température de la pièce à souder (3) sur la face (35) opposée à l'arc électrique(10), que l'on compare la température mesurée (t) à une température de référence (t') déterminée à l'avance et correspondant à la pénétration maximale de l'arc (10) dans l'épaisseur de la pièce (3) sans risque de coulée du métal et que, dès que l'on enregistre une variation (t-t') de la température mesurée (t) par rapport à la température de référence (t') supérieure à un écart donné dans un sens ou dans l'autre, on agit dans le sens voulu sur l'un au moins des paramètres de soudage pour ramener la température mesurée à la température de référence. 2.- Procédé de contrale de soudure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la température de référence (t') est déterminée à l'avance par observation du comportement d'un échantillon du métal de la pièce (3) soumis à des conditions de soudure analogues à celles de l'opération à effectuer. 3.- Procédé de contrôle de soudure selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on détermine la température à partir du rayonnement infra-rouge capté derrière le joint de soudage (30) et transformé en une tension proportionnelle à la température mesurée (t) que l'on compare à une tension de référence correspondant à la température de référence (t') pour assurer la régulation de l'un au moins des paramètres de soudage à partir de la différence des tensions comparées. 4.- Installation de soudure électrique d'un joint (30) sur une pièce métallique (3), comprenant une tête de soudure (1) munie de moyens (18) de formation d'un arc (10) sous une tension #réglable entre le joint (30) à souder et une électrode (11) et des moyens (12, 13) d'amenée d'un métal d'apport à une vitesse réglable, un organe (2) de support de la tête de soudure (1) et des moyens (23) de commande du défilement à vitesse réglable de la tête de soudure (1) le long du joint à souder(30), caractérisé par le fait qu'elle comporte un dispositif (4) de mesure de la température (t) de la pièce à souder (3) sur la face (35) du joint (30) opposée à l'arc électrique (10) et un dispositif de régulation (40) comprenant un moyen (43) de comparaison de la température mesurée (t) avec une température de référence (t') déterminée à l'avance et correspondant å la pénétration optimale de l'arc électrique (10) sans risque de coulée du métal et des moyens (13, 18, 23) de réglage de l'un au moins des paramètres de soudure dans le sens permettant de maintenir le résultat (t-t') de la comparaison des tenp4- ratures dans une fourchette donnée 5.- Installation de soudure électrique selon la revendication 43 caractérisé par le fait que le dispositif de mesure de la température comprend un capteur (4) du rayonnement infra-rouge émis derrière le Joint à souder (30), relié par une fibre optique (41) à un convertisseur (42) du rayonnement capté en une tension électriquey le dispositif de régulation (40) comprenant un comparateur (43) de la tension correspondant au rayonnement à une tension de comparaison correspondant à la température de réfé- rence (t') et un moyen (44) de réglage de l'un au moins des paramètres de soudure commandé à partir du résultat de la comparaison dans le sens permettant le maintien de celui-ci dans une fourchette donnée.