Brevet FR2610230A1 — publié le 19880805

L'invention concerne un procédé de soudage en chan- frein étroit et un appareil permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Cette invention s'applique aux techniques de souda- ge à l'arc sous gaz protecteur à électrode consommable et plus particulièrement au soudage dit en chanfrein étroit toutes positions ( position à plat, verticale et plafond). On connait divers procédés de soudage, décrits par exemple dans le brevet FR 2 514 280 et dans le brevet FR 2 163 435. Le premier document présente un procédé de soudage, en chanfrein étroit ou faible écartement à fil préformé sous forme d'onde et un appareil permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Son avantage est d'éviter les défauts du type manque de fusion, l'origine de ces défauts étant le manque de mobilité de l'extrémité de l'électrode. En effet, à cause de l'importance du rapport entre la hauteur du chanfrein et sa largeur, il est impossible d'incliner le porte-électrode de sorte que celui-ci dirige l'arc électrique vers les parois des pièces à souder. Il ap- parait ainsi des zones de discontinuités, ou manques de ma- tière, entraînant une fragilisation de l'ensemble préjudiciable à une bonne tenue mécanique. La figure 1 est une illustration de ce procédé de soudage classique. Le porte électrode 1.1 est disposé entre les deux pièces à souder 2.A et 2.B, l'électrode 4.1 dépose un cordon de soudure 3.1. La figure 1.A est une mise en évi- dence du défaut type manque de fusion, tandis que la figure 2 est une vue en coupe du dispositif connu décrit dans le document FR 2 514 280. Afin de pallier à cet inconvénient, il est présenté une solution qui consiste à donner au fil-électrode un pro- fil préformé spécial. Ce profil, obtenu par déformation plastique, se présente sous une forme ondulée avec un pas et une amplitude prédéterminée. Il en résulte que l'extrémité de l'électrode oscille en même temps qu'elle se consomme. Cette oscillation, quelles que soient les applications -2- présentées, se produit toujours alternativement vers l'un, puis vers l'autre bord des pièces destinées à être soudées et de part et d'autre d'un axe principal Yp toujours paral- lèle au bord d'une des pièces ou & l'axe du porte-électrode. Cependant, cette solution a pour inconvénient ma- jeur de ne pas être adaptée à la position de soudage au plafond. En effet, la géometrie d'un cordon de soudure dé- posé dans un chanfrein est considérée comme correcte lorsque l'angle de raccordement entre la surface libre du cordon et le bord de la pièce est supérieur à 90 . Ceci permet une re- fusion suffisante du cordon par le cordon suivant lors des passes ultérieures, or dans la solution présentée, la combi- naison de la gravité d'une part, et des tensions superfi- cielles du bain de fusion d'autre part, engendre inévitablement un angle de raccordement x inférieur à 90 et donc une géometrie inacceptable. La figure 2.B illustre une représentation du résul- tat recherché dans les conditions du soudage en position plafond, présentant un angle de raccordement x supérieur à , tandis que la figure 2.A est une représentation du ré- sultat obtenu, présentant alors un angle de raccordement x inacceptable. Le résultat figure 2.B est donc physiquement impossible à obtenir avec ce procédé, le cordon de soudure n'étant pas en équilibre. Le deuxième document montre un procédé et un appa- reil d'entrainement de fil de soudure. La solution proposée dans ce procédé, illustrée figure 3, est de donner au fil-électrode une certaine incur- vation de sorte que l'extrémité de celui-ci soit orientable dans la direction d'une des pièces à souder. Cette extrémité est donc inclinée par rapport au bord d'une des pièces à souder dans le plan P perpendiculai- re à l'avance D du porte-électrode 1.3 d'un angle I qui doit être constant. La figure 3.A est une représentation du résultat obtenu avec ce procédé en position plafond. - 3 Son avantage est donc de permettre le dépot d'un cordon de soudure dont la géométrie et la dimension du bain sont compatibles avec le soudage en toutes positions. Cependant, l'inconvénient de ce procédé est de ne jamais ga- rantir parfaitement l'absence de défaut de type manque de fusion car l'extrémité de l'électrode ne peut être maintenue mécaniquement dans un plan P, perpendiculaire à l'avance D. En effet, à cause de contraintes résiduelles inter- nes existant au sein du fil de soudure, celui-ci tourne en oscillant autour de l'axe principal Yp. Cette rotation R a pour conséquence directe de ne jamais garantir la parfaite perpendicularité du plan P, dé- fini par l'extrémité de l'électrode e et l'axe Yp, par rap- port à l'avance D. La fig 3.B illustre en vue de dessus cet iconvé- nient. La fig 3.C est une perspective des différents plans et axes définis ci-dessus. L'extrémité e prend au cours de l'opération de sou- dage, successivement et d'une façon aléatoire, les positions el et e2 définissant ainsi des plans P1 et P2 alors inadap- tés au besoin de perpendicularité du plan P par rapport à l'avance D. Le but de l'invention est donc de permettre le sou- dage en toutes positions tout en évitant les défauts de type manque de fusion. L'invention a donc pour objet un procédé de soudage par dépôt de cordons successifs entre une premiè- re pièce et une deuxième pièce en regard l'une de l'autre espacées par un chanfrein étroit, mettant en oeuvre au moins un fil-électrode et au moins un tube guide-fil. Elle est ca- ractérisée en ce que l'extrémité du fil-électrode en coopé- rant avec le tube guide-fil oscille dans un plan perpendiculaire à son avance et de part et d'autre d'une droite moyenne présentant une inclinaison par rapport à l'axe principal du tube guide-fil, cette oscillation étant limitée alternativement du bord d'une des pièces au cordon précédent. -4- Selon une autre caractéristique, le fil-électrode se présente sous une forme d'onde périodique présentant un rayon de courbure moyen inférieur à 0,4 m, la période de l'onde étant inférieure à 0,2 m. Ce procédé présente de nombreux avantages. Il permet d'associer les effets positifs des deux réalisations connues decrites précédemment.En effet, le fil oscille d'un bord de la pièce au cordon précédent et il est maintenu dans un plan perpendiculaire à la vitesse d'avance de la torche comme dans le procédé du brevet FR 2 514 280 mais il dépose un cordon de géométrie analogue à celui dé- posé par le procédé du brevet FR 2 163 435. Le procédé selon l'invention permet donc d'effectuer un soudage dans toutes les positions et sans manque de fusion. La description qui suit, en référence au dessin an- nexé, présente, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation de l'invention, les figures 1 à 3 illustrant les réalisations connues décrites plus haut. La figure 4 est une vue en coupe du type de soudure réalisé grâce au procédé selon l'invention. La figure 5 est une vue en section du tube-contact. La figure 6 est une vue de côté d'un fil-électrode mis en oeuvre dans le procédé selon l'invention, obtenu à la sortie du tube-contact en l'absence de source électrique. La figure 7 est une vue schématique du dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé. Les figures 8 à 10 représentent quelques profils de dentures des engrenages pouvant être utilisés dans le dispo- sitif selon l'invention. Selon la figure 4, le tube guide-fil 1 est disposé entre les pièces à souder 2A et 2B se faisant face, étroite- ment espacées afin de minimiser la durée de l'opération de soudage formant ainsi un chanfrein étroit 12 de largeur E. A l'extrémité du tube guide-fil 1 est fixé de façon classique un tube contact 5 qui, selon la figure 5, présente un orifice 3 de forme oblongue présentant ainsi deux surfa- ces planes 3A et 3B parallèles entre elles et perpendiculai- res à l'avance D du tube guide-fil. - Un fil-électrode 4, représenté figure 6, est inséré à l'intérieur du tube guide-fil et glisse lors de l'opéra- tion de soudage à l'intérieur de la forme oblongue du tube- contact. Ce fil-électrode, ayant une forme plane, il coopère avec les plans 3A et 3B du tube-contact assurant ainsi le maintien de l'extrémité de l'électrode dans le plan d'oscillation P. L'électrode 4 reçoit une énergie électrique, dont l'origine est une alimentation de type classique, par l'intermédiaire du tube contact 5. De façon connue, cette énergie génère un arc élec- trique entre l'extrémité 6 de l'électrode et la pièce à sou- der, créant ainsi une fusion du matériau constitutif de l'électrode et de la pièce recevant le cordon, l'électrode en se consommant déposant ainsi le matériau en fusion. Selon l'invention, le fil-électrode présente dans le prolongement de ses parties droites (50,51,52,...) des points (39,40,41,...), formant trois à trois et de part et d'autre du fil-électrode des triangles isocèles (60, 61,62,...), chacun constitué par une base et par une hauteur, cette dernière étant appelée flèche. Le fil-électrode est conçu de sorte qu'il présente d'un côté une flèche fl et de l'autre une flèche f2, l'une étant inégale à l'autre. Ainsi, celui-ci possède un rayon de courbure R du côté de la flèche la plus grande. En se consommant, l'extrémité de l'électrode oscil- le de part et d'autre d'un axe Ye grâce à son profil de li- gne brisée, l'axe Ye étant incliné d'un angle I prédéterminé par rapport à l'axe principal Yg du tube guide-fil grâce au rayon de courbure R. Cette oscillation se produit du bord d'une des piè- ces au cordon précédent sans jamais atteindre le bord de la pièce opposée. Ainsi, grace à l'association du mouvement d'avance D du tube guide-fil et de l'oscillation de l'extrémité de l'électrode dans un plan perpendiculaire à cette avance, - 6 - on dépose un cordon 7 prenant appui sur l'un des deux bords 2B ou 2A des pièces à souder et sur les deux cordons précé- dents. Peuvent être associés, l'un derrière l'autre, deux ou plusieurs tubes guide-fil avec chacun leur électrode et leur alimentation, un seul tube guide-fil pouvant suffire mais il lui devrait alors faire une rotation de 180 o au- tour de son axe Yg en bout de chanfrein. Les cordons déposés sont donc du type cordons d'angles. La géométrie de ces cordons correspond aux exigen- ces du soudage toutes positions, et garantit grâce à l'agitation du bain, au mouvement alternatif du bord de la pièce au cordon précédent, et au guidage du tube-contact, une absence des défauts du type manque de fusion. Pour des applications courantes de soudage sous at- mosphère active ou inerte, des buses de géométrie adaptées sont introduites dans le chanfrein en avant et en arrière du tube. Elles débitent du gaz capable de protéger l'arc de l'air ambiant et permettent ainsi de donner une bonne compa- cité au cordon. Le profil spécial de l'électrode consommable est obtenu grâce à un appareil comprenant un système d'engrenage et un guidage de l'électrode en amont des deux engrenages. La figure 7 est une représentation en élévation de ce dispositif. Ce dispositif permet une déformation plastique du fil-électrode par formage ainsi que son entrainement. Le fil-électrode 4 est disposée au travers d'un diaphragme d'entrée 10 permettant de la diriger entre deux roues den- tées 8 et 9 formant un engrenage à axes parallèles dont la rotation est synchronisée par un dispositif moteur de type classique. Le diaphragme d'entrée 10 assure une bonne tenue latérale du fil-électrode et permet un meilleur rendement du dispositif de formage. Il évite le battement du fil- électrode dû aux actions alternativement opposées des dents contre lui et améliore ainsi leur prise en évitant les phé- nomènes de glissement. - 7 - Après avoir été formé, le fil-électrode se place à l'intérieur du tube guide-fil et du tube-contact, pour en- suite se dévider à la sortie de ce dernier. Les axes des engrenages sont perpendiculaires à la direction d'arrivée du fil et leur distance est réglable par un dispositif connu du type visécrou. Les roues dentées sont positionnées de façon à ce que les dents de l'une vien- nent en vis-à-vis des creux de l'autre tout en ménageant un léger espace entre elles afin de laisser passer le fil. Ces roues dentées ont la particularité de présenter des profils différents de sorte que deux flèches consécutives obtenues sur le fil-électrode soient inégales. La distancenentre axe des roues dentées varie comme l'engagement ENG de l'engrenage. Cette variation permet de faire évouler la valeur des flèches fl et f2 du fil-électrode afin de moduler l'amplitude k d'oscillation. On constate que cette évolution des flèches se fait à fl- f2 quasi constante, impliquant une variation de R presque nulle et garantissant ainsi une posi- tion quand même constante de l'axe Ye grace à la formule suivante obtenue par approximation: p2 R = - fl-f2 A titre d'exemple non limitatif, les figures 8 à 10 illustrent une série de profils selon l'invention. La figure 8 montre des roues tronquées à leurs ex- trémités, présentant ainsi des méplats dont les longueurs respectives L et 1 sont différentes: Df étant le diamètre du fil électrode, L peut être compris entre 0,5Df et 2ODf et 1 entre 0,lDf et 3Df. La figure 9 représente les profils de deux roues dont les extrémités sont arrondies à des rayons R et r dif- férents, R pouvant varier entre 2Df et 30Df et r entre 0,1Df et 3Df. La figure 10 représente une combinaison des deux formes précédentes avec un premier profil arrondi dont le rayon r est compris entre 0,1Df et 3Df et un deuxième profil -8- en forme de méplat dont la longueur L est comprise entre 0,5Df et 20Df. Un mode préféré de réalisation du dispositif selon l'invention présente les valeurs suivantes: Largeur du chanfrein e=10 mm Diamètre du fil électrode Dfl=1,2 mm Longueur de chaque segment P=10 mm Distance d'engagement ENG=1 mm Flèche fl=l mm Rayon r=l mm (cas selon la fig 10) Angle d'oscillation I compris entre 5 et 30 Evolution de la flèche f2 et du rayon de courbure R en mm en fonction de la limite élastique Re du filélectrode et de la longueur L du méplat: IRe I en Mpa | I L I I I I I en 0,5 1 1,5| 2 |mm| L!im_ _ _ _ i_ _ _i_ _ _ _I[_ _ I f I I I f I i f0, 8 0,7 1 0,7 0,6 f2 oolI I I__f I I I I I I 500 1 400 1330 1 250 2R I I I fIII I I0,8 1 0,8 0,7 0,7 f2 f 7 0o l, I_ _ I! _ _ 700 I I I I | 600 450 360 290 2R _I I I Ii_ - 9 - REVENDICATIONS 1- Procédé de soudage électrique par dépôt de cordons succes- sifs entre une première pièce (2A) et une deuxième pièce (2B) en regard l'une de l'autre espacées par un chanfrein étroit (12), mettant en oeuvre au moins un fil-électrode (4) et un tube guide-fil (1) avançant à l'intérieur du chanfrein, carac- térisd en ce que l'extrémité (6) du fil-électrode en coopérant avec le tube guide-fil oscille dans un plan (P) perpendiculai- re à l'avance (D) et de part et d'autre d'une droite moyenne (Ye) présentant une inclinaison (I) par rapport à l'axe (Yg) du tube guide-fil, cette oscillation étant limitée alternati- vement du bord d'une des pièces au cordon précédent. 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filélectrode (4) se présente sous une forme d'onde périodique possédant un rayon de courbure moyen R inférieur à 0,4 m et en ce que la période de cette onde est inférieure à 0,2 m. 3- Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le tube guide-fil présente à son extrémité un tube contact (5) dont la forme intérieure (3) a au moins deux sur- faces planes (3A) et (3B) disposées perpendiculairement à l'avance (D), assurant le guidage et le maintien du fil- électrode dans le plan d'oscillation (P). 4- Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une des re- vendications 1 à 3, permettant le formage et l'entrainement du filélectrode, comprenant deux roues dentées (8) et (9) synchronisées en rotation formant un engrenage à axes parallè- les et perpendiculaires à la direction d'arrivée du fil, dis- positif caractérisé en ce que les roues dentées présentent des profils différents. - 10 - 2610230 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'un diaphragme d'entrée (10) du fil-électrode est disposé en amont des roues dentées afin de maintenir le fil-électrode dans une position constante. 6- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dents d'une des roues ont leurs sommets tronqués. 7- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les extrémités des dents de chaque roue sont arrondies & des rayons différents. 8- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les dents d'une des roues ont leurs sommets tronqués et en ce que les extrémités des dents de l'autre sont arrondies.