Brevet FR2607043A1 — publié le 19880527

L'invention concerne le matériel de soudage par pression et, plus particulièrement, elle a pour objet un entraînement électromagnétique pour machine de soudage par friction. La présente invention peut être utilisée dans la construction mécanique, dans la fabrication des outils et dans l'industrie chimique. L'utilisation de l'entraInement électromagnétique revendiqué est la plus efficace dans le soudage par friction des matériaux de nature différente ayant des propriétés thermophysi- ques fortement différentes et dans le soudage de métaux recouverts de films d'oxydes. A l'heure actuelle, on prête une attention particulière au soudage par friction des matériaux de nature différente qui diffèrent sensiblement par leurs propriétés thermophysiques. L'utilisation à ces fins des entraînements électromagnétiques développant un ef- fort axial d'une valeur stable lors du chauffage au soudage par friction ne permet pas d'obtenir une soudu- re de qualité par suite d'une répartition irrégulière du champ thermique suivant la section des pièces à sou- der. L'utilisation des entraînements électromagnétiques développant un effort axial à valeur pulsée permet de répartir d'une façon plus uniforme le champ thermique dans la zone de la soudure. Cependant, dans les entraî- nements électromagnétiques existants, on n'arrive pas à régler les paramètres de l'effort axial pulsé dans la plage nécessaire lors du soudage de matériaux de diffé- rente nature. Il existe un entraînement électromagnétique développant un effort axial (cf. le certificat d'auteur d'invention de i1U. R. S. S. No 715 261, Cl. int. B23K /12, publié en 1980) utilisé dans une machine de sou- dage par friction et comportant deux circuits magnéti- ques, dont le premier est immobile et le second a une possibilité de déplacement axial et de rotation par rapport au premier, une bobine d'alimentation étant placée sur le premier circuit magnétique et alimentée en un courant de valeur constante. Dans cet entralnement électromagnétique, l'effort axial pulsé proportionnel au flux magnétique est créé par l'interaction magnétique des circuits ma- gnétiques qui ont une forme géométrique déterminée de leurs faces en bout, lesquelles, en fonction de la vi- tesse de rotation du second circuit magnétique et de la fréquence de pulsation à obtenir peuvent être réali- sées sous la forme de polygones, d'ellipses, etc. Cepen- dant, un tel entraînement électromagnétique ne permet pas de régler l'effort axial pulsé dans une large pla- ge. Il existe également un entraînement électro- magnétique d'une machine de soudage par friction (cf. le certificat d'auteur d'invention de i'U. R. S. S. N 948 584 C1. Int. B23K 20/12 publié en 1982) qui compor- te deux circuits magnétiques dont le premier est immo- bile et le second a une possibilité de déplacement axial et de rotation par rapport au premier circuit ma- gnétique, le premier circuit magnétique portant une bo- bine d'alimentation branchée sur la sortie d'un régula- teur de tension et, au moins, une bobine de mesure branchée sur l'entrée d'un intégrateur qui forme une tension proportionnelle à la valeur instantanée du flux magnétique durant le soudage par friction, la sortie de l'intégrateur étant branché sur l'entrée d'un disposi- tif de comparaison dont l'entrée de consigne est atta- quée par une tension proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnétique durant le soudage par fric- tion et dont la sortie est électriquement couplée à une entrée de commande du régulateur de tension. Sur le circuit magnétique ayant deux pôles disposés concentriquement se disposent trois bobines de mesure mises en série dont une est disposée sur la sur- face extérieure du pôle se trouvant dans la partie cen- trale du circuit magnétique, alors que la deuxième et t60704 ' la troisième sont disposées respectivement sur les sur- faces intérieure et extérieure du pa1e entourant le pô- le central. De telles disposition et connexion des bobi- nes de mesure permettent de réaliser une mesure plus précise des valeurs courantes des flux magnétiques des pbles de l'électroaimant durant le soudage par friction et, lors de la comparaison avec la valeur de consigne du flux magnétique, d'obtenir un signal de commande at- taquant le régulateur de tension ce qui donne la possi- bilité de stabiliser la valeur de l'effort axial lequel ne dépend ps de la valeur de l'entrefer entre les cir- cuits magnétiques. Or, au soudage par friction des matériaux de différente nature, surtout si leurs propriétés thermo- physiques diffèrent fortement, la valeur stable de l'ef- fort axial n'assure pas l'obtention de soudures de qua- lité par suite d'une répartition irrégulière du champ thermique suivant la section des pièces soudées. L'invention vise à fournir un entraînement électromagnétique pour une machine de soudage par fric- tion dont le dispositif de comparaison et le régulateur de tension assurent le développement d'un effort axial réglé pour une large plage de valeurs durant le soudage par friction, ce qui permet d'élever la qualité des joints soudés, essentiellement, des matériaux de diffé- rente nature à propriétés thermophysiques fortement dif- férentes. L'invention a donc pour objet un entraînement électromagnétique pour machine de soudage par friction qui comporte deux circuits magnétiques dont un premier est immobile et le second peut se déplacer axialement et en rotation par rapport au premier circuit magnéti- que, ce dernier portant une bobine d'alimentation bran- chée sur l'entrée d'un régulateur de tension et, au moins, une bobine de mesure branchée sur l'entrée d'un intégrateur produisant une tension proportionnelle à 4 160Y043 la valeur instantanée du flux magnétique durant le sou- dage par friction, la sortie de l'intégrateur étant branché sur une entrée d'un dispositif de comparaison dont l'entrée de consigne est attaquée par une tension proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnéti- que durant le soudage par friction et la sortie est électriquement reliée à l'entrée de commande du régula- teur de tension, comme en ce que le dispositif de compa- raison comporte deux comparateurs dont les entrées sont réunies et servent d'entrée au dispositif de comparai- son, l'entrée de consigne de l'un des comparateurs ser- vant d'entrée de consigne du dispositif de comparaison, alors que l'entrée de consigne de l'autre comparateur est attaquée par une tension proportionnelle à une autre valeur de consigne du flux magnétique lors du soudage par friction, et un conformateur de signaux de commande dont la caractéristique de sortie se présente sous la forme d'une boucle d'hystérésis et dont l'entrée est branchée sur les sorties des comparateurs, et dont la sortie sert de sortie au dispositif de comparaison, le régulateur de tension étant réalisé sous la forme d'un commutateur commuté par des signaux de commande fournis par le conformateur de signaux de commande. L'entraînement électromagnétique pour machine de soudage par friction revendiqué permet de développer un effort axial pulsé dont les valeurs maximale et mi- nimale peuvent être réglées sur une large plage, du zé- ro jusqu'à la valeur nominale déterminée par les dimen- sions des circuits magnétiques et permet d'assurer lors du soudage par friction des valeurs maximale et minima- le stables de l'effort axial lors du déplacement de circuits magnétiques l'un par rapport à lautre. L'ap- plication d'un tel effort axial aux pièces à souder au chauffage durant le soudage par friction permet d'obte- nir une répartition plus uniforme du champ thermique suivant les sections des pièces, ce qui entraîne une uniformité de la zone d'action thermique du centre vers la périphérie de la soudure. Ainsi, se trouve amélio- rée la qualité des soudures, surtout des joints sou- dés des matériaux de nature différente à propriétés thermophysiques fortement différentes, par exemple, des joints vanadium + acier, molybdène + tungstène ou des matériaux de même nature recouverts de films d'oxydes. L'invention ressortira de la description qui suit d'un exemple concret d'exécution schématisé sur les dessins annexés dont: - la Figure 1 représente un schéma structurel d'un entraînement électromagnétique pour machine de soudage par friction, selon l'invention; - la Figure 2 représente la caractéristique de sortie d'un dispositif de comparaison, selon l'inven- tion; - la Figure 3 représente un diagramme temporel du flux magnétique dans les circuits magnétiques de l'en- traînement électromagnétique d'une machine de soudage par friction, selon l'invention. L'entraînement électromagnétique pour machine de soudage par frottement comporte deux circuits magné- tiques 1, 2 (Fig. 1) dont le premier est immobile et le second peut se déplacer axialement et tourner par rap- port au premier circuit magnétique 1 qui porte une bo- bine d'alimentation 3 branchée sur la sortie d'un régu- lateur de tension 4 et, dans la variante examinée, une bobine de mesure 5 branchée sur l'entrée d'un intégra- teur 6. Le nombre de bobines de mesure 5 dans d'autres variantes d'exécution peut être supérieur à 1 et dépend, essentiellement, de la configuration du circuit magnéti- que 1. L'intégrateur 6, dont la constante de temps est déterminée par les valeurs de la capacité d'un condensa- teur 7 et de la résistance d'une résistance 8 branchés sur un amplificateur opérationnel 9, forme une tension proportionnelle à la valeur instantanée du flux magnéti- que durant le soudage par friction. La sortie de l'inté- grateur 6 est branché sur une entrée 10 d'un dispositif de comparaison 11 dont une entrée de consigne 12 est attaquée par une tension proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnétique lors du soudage par fric- tion. Le dispositif de comparaison 11 comporte deux com- parateurs 13, 14 dont les entrées de comparaison sont réunies et servent d'entrée 10 au dispositif de comparai- son 11. L'entrée de consigne du comparateur 13 sert d'entrée de consigne 12 du dispositif de comparaison 11, alors que l'entrée de consigne de l'autre comparateur 14, servant comme autre entrée de consigne 15 du dispo- sitif de comparaison 11, est attaquée par une tension proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnéti- que durant le soudage. Le dispositif de comparaison 11 comporte également un conformateur de signaux de comman- de 16 dont la caractéristique de sortie a la forme d'une boucle d'hystérésis et est formée, dans la variante exa- minée, à la mise en marche d'un amplificateur opération- nel additonneur 17 réalisé suivant un montage de bascule de Schmitt. Le conformateur de signaux de commande 16 comporte également une résistance de réaction 18 dont la valeur nominale est égale aux valeurs nominales des ré- sistances 19 et 20 reliant les sorties des comparateurs 13, 14 à l'entrée de l'amplificateur opérationnel 17. La sortie de l'amplificateur opérationnel 17 sert de sortie au conformateur d'impulsions de commande 16 la- quelle, à son tour, sert de sortie au dispositif de com- paraison 11 reliée à l'entrée de commande du régulateur de tension 4 via un amplificateur de puissance 21. Le conformateur 16 de signaux de commande peut être réalisé autrement, par exemple, suivant le schéma d'une bascule (RS) à entrées d'établissement. Le régulateur de tension 4 est réalisé sous la forme d'un commutateur se présentant, dans la variante décrite, sous la forme d'un pont redresseur semi-comman- dé qui comporte des diodes commandées 22 et 23 et des diodes non commandées 24, 25, le pont étant shunté par 7 Vq702v 43 une diode 26. Le commutateur peut être réalisé, par exem- ple, comme un montage à transistor de commutation ou à un autre élément de commutation. Le régulateur de tension 4 est commuté par des signaux de commande fournis par le conformateur de signaux de commande 16. Les Figures 2, 3 sont données pour exliquer le fonctionnement de l'entraînement électromagnétique pour machine de soudage par friction. La Figure 2 représente une caractéristique de sortie du dispositif de comparai- son 11, ou sur l'axe des abscisses est portée la valeur instantanée de la tension de sortie U de l'intégrateur 6, proportionnelle à la valeur instantanée du flux magné- tique 0 dans les circuits magnétiques 1, 2 durant le soudage par friction, et sur l'axe des ordonnées, le si- gnal logique de sortie du dispositif de comparaison 11. La Figure 3 représente le diagramme de la valeur instan- tanée du flux magnétique dans les circuits magnétiques 1, 2 (Fig. 1) portée sur l'axe des ordonnées en fonction du temps t porté sur l'axe des abscisses. L'entrainement électromagnétique pour machine de soudage par friction revendiqué fonctionne de la fa- çon suivante. Avant la mise en marche de l'entraînement élec- tromagnétique, aux entrées de consigne 12, 15 (Fig. 1) du dispositif de comparaison 11 une tension de consigne est appliquée U1 et U2 (Fig. 2), proportionnelle, dans la variante examinée, à la valeur de consigne de flux ma- gnétique maximal 1 et à la valeur de consigne de flux magnétique minimal P 1 et 2 (Fig. 3) durant le souda- ge par friction. Dans ce cas, la tension est nulle à la sortie 10 (Fig. 1) du dispositif de comparaison 11 et les tensions de sortie des comparateurs 13, 14 correspondant au 0 logique arrivent, via les résistances 19 et 20, vers l'entrée de l'amplificateur opérationnel 17 qui comporte une résistance de réaction 18. Ainsi, grâce à la présence dans le dispositif de comparaison du conformateur de si- gnaux de commande 16 dont la caractéristique de sortie se présente SQUS la forme d'une boucle d'hystérésis, la tension de sortie, avant la mise en marche de l'entrai- nement électromagnétique, prend la valeur "1"' logique (Fig. 2). A l'application de l'alimentation de l'entral- nement électromagnétique, ce signal de sortie du dispo- sitif de comparaison 11 (Fig. 1) attaque, via l'amplifi- cateur de puissance 21, l'entrée de commande du régula- teur de tension 4 et débloque les diodes commandées 22, 23. La tension d'alimentation U redressée par le pont redresseur semi-commandé du régulateur de tension 4 est appliquée à la bobine d'alimentation 3 dans laquelle a lieu un processus transitoire d'accroissement du cou- rant et, par conséquent, du flux magnétique dans les circuits magnétiques 1 et 2. Dans la bobine de mesure 5, il est alors induit une forme électromotrice "e" propor- tionnelle à la variation du flux magnétique.t et dé- terminée à l'aide du rapport: dt e = - W--- dt o W est le nombre de spires de la bobine de mesure 5. Le signal électrique fourni par la bobine de mesure 5 attaque l'entrée de l'intégrateur 6 dont la tension de sortie, déterminée par le rapport: U = RC o R est la valeur de la résistance 8 et C est la capa- cité du condensateur 7, est appliquée à l'entrée 10 du dispositif de comparaison 11. Lorsque la tension de sortie U de l'intégrateur 6 atteint la valeur de con- signe U2 à l'entrée de consigne 15 du comparateur 14, son signal de sortie prend la valeur "1" logique, mais le signal de sortie du dispositif de comparaison 11 (point A de la Figure 2) ne change pas de valeur et le processus d'accroissement du flux magnétique 0 (tron- çon AB de la Figure 3) dans l'entraînement électromagné- 9 2607043 tique continue. Lorsque la tension de sortie UP de l'intégrateur 6 atteint la valeur de la tension de con- signe U1 (point B de la Figure 2), proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnétique q1 (Fig. 3), le signal de sortie du comparateur 13 prend la valeur "1" logique et attaque l'entrée du conformateur de si- gnaux de commande 16, ce qui provoque l'apparition du signal de "0" logique à sortie de celui-ci et le blo- cage des diodes commandées 22, 23 du régulateur de ten- sion 4. A ce moment, commence le processus transitoire de diminution du courant dans la bobine d'alimentation 3 via la diode de shuntage 26 du régulateur de tension 4, ce qui entraîne la réduction de la valeur du flux magnétique P dans les circuits magnétiques 1, 2 et correspond au tronçon BC du diagramme (Fig. 3). A la réduction de la valeur du flux magnétique dans les circuits magnétiques 1, 2 jusqu'à la valeur mi- nimale (point C de la Figure 3), la tension de sortie de l'intégrateur 6 diminue jusqu'à la valeur de la ten- sion de consigne U2 (point C de la Figure 2) à l'entrée de consigne 15 du commutateur 14. Le dispositif de com- paraison 11 est commuté dans l'état identique à celui décrit plus haut tel avant la mise en marche de l'en- traînement électromagnétique puissant, son signal de sortie prend de nouveau la valeur "1" logique et déblo- que les diodes commandées 22, 23 du régulateur de ten- sion 4. On observe l'accroissement du courant dans la bobine d'alimentation 3 et, par conséquent, du flux ma- gnétique dans les circuits magnétiques 1, 2 jusqu'à la valeur déterminée par la tension de consigne U1 à l'en- trée de consigne 12 du comparateur 13 du dispositif de comparaison 11. Grace à l'exécution du dispositif de comparai- son 11 avec deux entrées de consigne 12, 15 et avec un conformateur de signaux de commande 16 dont la caracté- ristique de sortie se présente sous la forme d'un bou- cle d'hystérésis, et grâce à l'exécution du régulateur 1O 2607043 de tension 4 sous la forme d'un commutateur, le proces- sus de variation du flux magnétique dans les circuits magnétiques 1, 2 se répète d'une façon cyclique. A noter qu'à la caractéristique de variation de la valeur du flux magnétique 0 dans les circuits magnétiques 1, 2, correspond la caractéristique de va- riation de l'effort axial F développé dans l'entrefer entre les circuits magnétiques 1, 2 lors du soudage par friction, ce que montre la relation: 2 DO 2 F = 2 y S o S est la surface des pôles des circuits magnétiques 1, 2; et o est la perméabilité magnétique absolue. Ainsi, la valeur de l'effort axial F durant le soudage par friction est déterminée par la valeur instantanée du flux magnétique 0 dans les circuits magnétiques 1, 2 et ne dépend pas de la grandeur de l'entrefer entre eux et les valeurs minimale et maxi- male de l'effort axial pulsé F peuvent être réglées * dans de larges limites par réglage des tensions de con- signe U1, U2 aux entrées de consigne 12, 15 du disposi- tif de comparaison 11, du zéro jusqu'à la valeur cor- respondant à la valeur nominale de l'effort axial déve- loppé par l'entraînement électromagnétique. L'utilisation de l'effort axial pulsé au chauf- fage durant le soudage par friction de pièces à souder en différents matériaux à propriétés thermophysiques fortement différentes provoque des déplacements périodi- ques de la zone de dégagement maximal de chaleur du cen- tre vers la périphérie et vice versa, ce qui égalise le champ thermique, et donc assure un chauffage plus régu- lier de la zone de contact, la destruction des films d'oxydes et la création d'une structure homogène à grains fins de la zone de jonction améliorant la qualité du joint soudé. REVENDICATION Entralnement électromagnétique pour machine de soudage par friction comportant deux circuits magnéti- ques (1, 2) dont un premier est immobile et l'autre a la possibilité de se déplacer axialement et de tourner par rapport au premier circuit magnétique (1) qui porte une bobine d'alimentation (3) branchée sur la sortie d'un régulateur de tension (4) et, au moins, une bobine de mesure (5) branchée sur l'entrée d'un intégrateur (6) qui forme une tension proportionnelle à la valeur ins- tantanée du flux magnétique durant le soudage par fric- tion et dont la sortie est branchée sur une entrée (10) d'un dispositif de comparaison (11) comportant une en- trée de consigne (12) à laquelle est appliquée une ten- sion proportionnelle à la valeur de consigne du flux magnétique durant le soudage par friction, alors que la sortie du dispositif de comparaison étant électrique- ment reliée à l'entrée de commande du régulateur de tension (4), caractérisé en ce que le dispositif de com- paraison (11) comporte deux comparateurs (13, 14) dont les entrées sont réunies et servent d'entrée (10) au dispositif de comparaison (11), l'entrée de consigne de l'un des comparateurs (13) servant d'entrée de consigne (12) au dispositif de comparaison (11), alors que l'en- trée de consigne de l'autre comparateur (14) est atta- quee par une tension proportionnelle à une autre valeur de consigne du flux magnétique durant le soudage par friction, et un conformateur de signaux de commande (16) dont la caractéristique de sortie se présente sous la forme d'une boucle d'hystérésis et dont l'entrée est branchée sur les sorties des comparateurs (13, 14), et. dont la sortie sert de sortie au dispositif de comparai- son (11), le régulateur de tension (4) étant réalisé sous la forme d'un commutateur commuté par les signaux de commande issus du conformateur de signaux de comman- de (16).