Brevet FR2614569A1 — publié le 19881104

La présente invention concerne le soudage électrique à l'arc et plus particulièrement des procédés de soudage électrique à l'arc par décharge de choc de condensateurs, destinés au soudage des goujons. Le procédé de soudage électrique à l'arc par décharge de choc de condensateurs destiné au soudage de goujons trouvera des applications pour la réalisation des struc- tures soudées dans les constructions mécaniques, navales, en instrumentation, dans le bâtiment. Il existe un procédé bien connu de soudage élec- trique à l'arc par décharge de choc de consensateurs destiné au soudage de goujons à des tôles et à d'autres types de pièces (cf. "Soudage des goujons et des goupilles par décharge de choc de condensateurs " par Chvertko N.A., "Avtomaticheskaya svarka", n S, 1973, "Naukova dumka,Kiev pages 51 à 53) selon lequel la face terminale d'un goujon à souder est munie, en vue de fiabiliser l'amorçage de l'arc entre cette face et la pièce, d'un téton obtenu par refoulement à froid et dont la lon- gueur et le diamètre dépendent du diamètre principal et du matériau constituant les pièces à souder. Le téton en bout à souder du goujon est cunéiforme ou a une autre forme. Le téton du goujon est positionné sur la surface de la pièce par un mécanisme à ressort. Une batterie de conden- sateurs de soudage, chargés à la tension nécessaire, est branchée sur le goujon et sur la pièce. Le téton du goujon et la pièce sont traversés par un courant de soudage. Lorsque le courant de décharge de la batterie de conden- sateurs atteint son maximum, il y a une évaporation explosive du téton par l'effet d'une densité élevée de courant (jusqu'à 106 A/cm2) à cet endroit du goujon. Grâce à la température élevée des vapeurs métalliques, l'espace entre le goujon et la pièce est ionisé et un arc électrique s'amorce dans les vapeurs métalliques dégagées par le goujon et la pièce à souder. La longueur de l'arc et sa durée sont fonction de la longueur et du diamètre du téton du goujon. La face terminale du goujon et la surface de la pièce au-dessous de ce dernier entrent en fusion. Sous l'effet du mécanisme à ressort, la face terminale du goujon et la pièce se rapprochent et la longueur de l'arc diminue de plus en plus pour s'éteindre lorsque la face terminale du goujon plonge dans le bain fondu à la surface de la pièce. Le soudage se termine sur la solidification complète du métal fondu. Le téton sur la face terminale de goujons est d'une technologie délicate, étant donnée la grande précision nécessaire à assurer sur la longueur et le diamètre du téton en vue d'une bonne répétabilité d'une soudage de haute qualité. Il existe encore un procédé, bien connu lui aussi, de soudage automatique à l'arc à électrode fusible d'un joint bout-à-bout sur chanfrein en V, curviligne, de lar- geur variable (cf. SU, A 941052). Le soudage se fait par courant continu sous mélange gazeux protecteur. L'arc électrique est amorcé d'abord entre l'électrode et la structure à souder. Après l'amorçage, l'électrode subit, en même temps qu'elle est déplacée le long du joint, un mouvement de vaet-vient en travers de celui-ci. Au cours du soudage, on mesure la tension de l'arc de soudage et, lorsque celle-ci diminue de 10 à 20 % par rapport à la consigne et que la durée de cet écart est de 0,025 à 0,1 à cause de la modification de la longueur de l'arc à l'approche de l'électrode du bord de la structure à souder, on renverse le déplacement de l'électrode. Il en résulte un guidage suffisamment précis de l'électrode le long du joint et un remplissage régulier suivant la largeur de l'espacement variable entre les bords de la structure à souder. Pour chaque cordon (le soudage s'effectue par passes successives), il y a un changement automatique de la vitesse de soudage. Le renversement de marche de l'électrode suivant la variation de la tension de l'arc n'est possible que si cette tension diminue de 10-à 20 %. Une baisse plus impor- tante de la tension de l'arc entraîne la perturbation du régime de soudage. L'émission de l'ordre de renversement du déplacement de l'électrode est retardée de 0,025 à 0,1 s, ce qui conduit au ralentissement du processus. Il existe un procédé bien connu de soudage élec- trique à l'arc par décharge de choc de condensateurs destiné au soudage de goujons (cf. Thyssen Technische Berichte, n 2, 1982, A.Frings et autres "Lichtbogenbol- zenschweissen an kaltgewalzten Stahifeinblechen", ges 161-170) consistant à positionner aux pa- préalable le goujon sur la pièce. Le goujon à souder est écarté de la pièce en simultanéité avec l'amorçage entre eux d'un arc auxiliaire. Sous l'effet du mécanisme à ressort de la tête de soudage, le goujon est déplacé vers la pièce. Au bout d'un temps prédéterminé d'existence de l'arc auxiliaire, se déclenche la décharge de la batterie de condensateurs. Un courant de soudage s'établit entre le goujon et la pièce à souder. La face terminale du goujon et la surface de la pièce se mettent à fondre. Au bout d'un certain temps de l'arc de soudage, le goujon plonge dans le bain fondu à la surface de la pièce. Ensuite, il y a un rapprochement entre le goujon et la pièce, dont résulte la soudure. La mise en position haute du goujon oblige à utiliser des calibres spéciaux de haute précision, l'instant d'établissement du courant de soudage dû à la décharge de la batterie de condensateurs étant déterminé par le temps de déplacement du goujon par rapport à la pièce. Ce procédé ne permet pas d'assurer une bonne répétabilité du processus de jonction et de choc du goujon et de la pièce à cause de l'instabilité des conditions dans le mécanisme à ressort de la tête de soudage. Le changement du diamètre du goujon entraînant celui de la masse du mécanisme à ressort, un réglage supplémentaire s'impose pour modifier l'élasticité du mécanisme à ressort de la tête de soudage. La présente invention vise à fournir un procédé de soudage des goujons à l'arc par décharge de choc de condensateurs offrant, grâce au déclenchement de la charge de condensateurs à un certain moment, un rendement effectif de soudage plus grand et une gamme de diamètres des goujons à souder plus étendue. Le but posé est atteint par le fait que dans un procédé de soudage électrique à l'arc par décharge de choc de condensateurs destiné au soudage de goujons, consistant à placer au préalable le goujon à souder sur la pièce, à écarter le goujon à souder de la pièce, à amorcer en même temps un arc auxiliaire entre la face terminale du goujon et la pièce, à rapprocher le g96ujon de la pièce, à déclencher une décharge de condensateurs entre la face terminale du goujon et la pièce, à plonger ensuite le goujon dans le bain fondu à la surface de la pièce et à réaliser la jonction entre la face terminale du goujon et la pièce en vue d'obtenir la soudure, selon l'invention, on mesure, pendant le rapprochement du goujon et de la pièce,la chute de tension dans l'arc auxiliaire, on soustrait de la mesure de chute de tension dans l'arc auxiliaire, la somme des chutes de tension d'électrode à la face terminale du goujon et à la pièce et, dès que la chute de tension ainsi obtenue s'écarte de 10 à 90 % de la première mesure de chute de tension, on déclenche la décharge des condensateurs. Le procédé selon l'invention de soudage des goujons. à l'arc par décharge de choc de condensateurs permet d'amé- liorer le rendement effectif du soudage par le temps accru de l'arc de soudage et d'étendre ainsi la gamme de diamètres des goujons à souder. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux. dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention, et dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma synoptique d'un dispositif mettant en application un procédé de soudage électrique à l'arc par décharge de choc de condensateurs destiné au soudage des goujons selon l'invention; - la figure 2 (a, b, c, d), montre des chronogrammes du déplacement du goujon par rapport à la pièce, de la tension de la colonne de l'arc auxiliaire, de la tension des condensateurs, du courant de so.udage de l'arc de soudage, selon l'invention. Le procédé de soudage électrique 'à l'arc par déchar- ge de choc des condensateurs destiné au soudage des goujoos consiste en ce qui suit. Au préalable, un goujon 1 (figure 1) serré dans une pince 2 d'une tête de soudage (non figurée) est placé par sa face terminale 3 sur une pièce 4 à souder. Le courant servant à amorcer l'arc auxiliaire vient d'une source de courant 6 en série avec un thyristor de commutation 5. Le courant pour amorcer l'arc de soudage est amené à travers une suite d'un thyristor de commuta- tion 7, d'une batterie de condensateurs 8, à partir d'une source de courant 9. En parallèle sur l'intervalle entre la face terminale 3 du goujon 1 et la pièce 4 se trouve un voltmètre 10 relié aux thyristors de commutation 5 et 7. On amorce le thyristor de commutation 5 relié à la source de courant 6. Le goujon I est écarté de la pièce 4 à l'aide d'un électro-aimant 11 de la tête de soudage et entre la face terminale du goujon 1 et la pièce 4 s'allume un arc auxiliaire. L'arc auxiliaire produit l'ionisation de l'inter- valle de décharge face terminale 3 du goujon 1 - pièce 4. A l'instant o le goujon 1 écarté de làa pièce 4 atteint sa position extrême, l'électro-aimant 11 est désalimenté et le goujon 1, sous l'effet du mécanisme à ressort de la tête de soudage (non figurée) se déplace vers la pièce 4 (figures 1, 2a), l'arc auxiliaire étant allumé. Lors du déplacement du goujon 1 vers la pièce 4, à partir de l'instant to, on mesure la chute de tension dans l'arc auxiliaire et on soustrait de la chute de tension mesurée, la somme des chutes de tension d'électrode à la face terminale 3 du goujon 1 et à la pièce 4, ce qui correspond à la chute de tension U1 (figure. 2a) dans la colonne de l'arc auxiliaire, directement proportionnelle à la longueur de l'arc, c'est-à-dire à la distance L1 entre la face terminale 3 du goujon 1 et la pièce 4; dès que cette chute de tension atteint la consigne U2 à laquelle correspond la distance L2 entre la face terminale 3 du goujon 1 et la pièce 4, on déclenche la décharge de la batterie de condensateurs 8. La chute de tension de consigne U2 est choisie en fonction de la tension de charge de la batterie de conden- sateurs 8, du diamètre du goujon à souder 1, et de l'induc- tance du câble de raccordement de l'alimentation par condensateurs 9 à la tête de soudage. On détermine la distance L1 par la diminution rela- tive de la chute de tension U1 (figure 2b) dans la colonne de l'arc auxiliaire à l'aide du voltmètre 10. Dès que la chute de tension U1 rejoint la valeur U2 (instant t1), proportionnelle à la distance L2, le voltmètre 10 (figure 1) fournit un ordre d'amorçage du thyristor de commutation 7 relié à la batterie de condensateurs 8. La batterie de condensateurs 8, chargée au préalable par la source d'alimentation 9, se décharge dans l'intervalle face terminale 3 du goujon I - pièce 4 ionisé par l'arc 2 6 1 4 5 6 9 auxiliaire (figure 2c). L'arc de soudage s'alimente par le courant de décharge de la batterie de condensateurs 8 (figure 2d). La face terminale 3 du goujon 1 et la surface de la pièce 4 entrent en fusion et à un instant t2, lorsque la pression des vapeurs métalliques. dans l'espace de l'arc devient inférieure à l'effort de compression du ressort dans la tête de soudage, le goujon 1 plonge dans le bain fondu à la surface de la pièce 4 de façon que le goujon 1 et la pièce 4 fassent la jonction. Il se produit l'extinc- tion de l'arc de soudage et on obtient une soudure entre la face terminale du goujon 1 et la pièce 4. Le courant de décharge de la batterie de condensateurs 8 dans le joint soudé face terminale 3 du goujon 1 - pièce 4 diminue exponentiellement. Après la solidification du métal de la soudure, le soudage est terminé. Selon ce procédé, la mesure de la distance entre le goujon 1 et la pièce 4 s'effectue par la diminution relative de la chute de tension dans la colonne de l'arc auxiliaire. L'arc auxiliaire est utilisé dans ces condi- tions, comme un instrument indépendant de mesure. La tension de l'arc est déterminée d'après la formule d'Ireton U3 = a +bL (1) o a est la somme des chutes de tension d'électrode comportant les chutes de tension cathodique et anodique à la face terminale 3 du goujon 1 et à la pièce 4 et est pratiquement indépendante de la longueur de l'arc. (La valeur absolue des chutes de tension d'électrode est de 10 à 17 V); b est le facteur de proportionnalité qui tient aux ambiances, au courant de soudage et à la longueur de l'arc. (cf. "Phénomènes électriques dans les gaz et le 261456? vide" par Kaptsov N.A., Editions d'Etat de la littérature technique et théorique, 1950, Moscou-Léningrad, page 524). Si l'établissement du courant de soudage se fait à l'instant o la tension de l'arc auxiliaire atteint la consigne U4, la longueur de l'arc, c'est-à-dire la distance entre la face terminale 3 du goujon 1 et la pièce 4, est égale à: U4 - a(2 L2 b (2) Alors: U4: kUo (3) u4 K (4) Uo o U est la chute de tension dans l'arc correspon- o dant à l'écartement maximal entre la pièce 4 et le goujon 1. En portant l'expression (1) dans l'expression (3) on peut déterminer: U4= k(bL + a) (5) o.L est la longueur de l'arc dans le cas o le goujon 1 est écarté au maximum de la pièce 4. Par substitution de (5) en (2): U4 - a (1 - k)a L 4 _ _ _ kL - (__ _ L2 =b o b (6) La chute de tension dans la colonne de l'arc est égale à: U1 = U3a = bL Alors: bL1 L =2=b = kL (7) K =- -6-: LI kL (7)' -- '[ o U1 est la chute de tension dans la colonne de l'arc correspondant à l'écartement maximal entre la pièce 4 et le goujon 1 et U2 est la'chute de tension dans la colonne de l'arc à laquelle on établit le courant de soudage par décharge de condensateurs. De la formule (7), on voit que si l'on mesure la chute de tension dans l'arc lors du rapprochement du goujon 1 et de la pièce 4 en même-temps que l'on soustrait de la mesure, la somme des chutes de tension d'électrode et que l'on compare la chute de tension ainsi obtenue à la consigne, la dépendance de ces grandeurs à l'égard des ambiances est compensée. L'instant d'établissement du courant de soudage par décharge de la batterie de condensateurs 8 doit être adapté de façon qu'à la jonction de la face terminale 3 du goujon 1 et de la pièce 4, leurs surfaces à souder soient complètement en fusion. Une décharge tardive de la batterie de condensateurs 8 fait que les pièces à souder n'arrivent pas à entrer complètement en fusion et l'on a une mauvaise soudure. La part d'énergie de la batterie de condensateurs 8 absorbée par la jonction en courtcircuit de la face terminale 3 du goujon 1 et de la pièce 4 s'en trouve augmentée. Or, l'établissement anticipé du courant de soudage par décharge de la batterie de condensateurs 8 conduit à ce que la jonction entre la face terminale cu goujon 1 et la surface de la pièce 4 a lieu au moment o elles sont traversées par un courant de soudage insuffisant pour les maintenir en fusion, d'o une soudure défectueuse. La chute de tension dans la colonne de l'arc auxiliaire qui produit le courant de soudage par décharge de la batterie de condensateurs 8 est de 10 à 90 % de la première mesure de la chute de tension à l'écartement maximal entre la pièce 4 et le goujon 1, donc le courant de soudage peut s'établir à toute distance et à tout instant lors du déplacement du goujon vers la pièce 4. La chute de tension dans l'arc auxiliaire en courant continu peut varier entre 16 et 40 V. La limite inférieure de cette chute de tension, qui est voisine de la somme des chutes de tension d'électrode de 10 à 17 V à la face terminale 3 du goujon 1 et à la pièce 4,dépend du matériau constituant le goujon 1 et la pièce 4 à souder et est comprise entre 10 et 17 V. La diminution de la limite inférieure de cette chute de tension au-dessous de 10 % est prohibitive sous peine d'un court-circuit dans l'intervalle face terminale 3 du goujon 1 - pièce 4 sans amorçage de l'arc de soudage. La limite supérieure de variation de la chute de tension dans la colonne de l'arc auxiliaire, de 90 %, est fonction de la durée maximale de l'arc de soudage qui tient à la longueur maximale de l'arc pour laquelle l'amorçage et l'existence de l'arc restent fiables. La longueur maximale de l'arc auxiliaire est de 3 à 5 mm. Le temps maximal de l'arc dépend également de l'inductance du circuit de soudage du câble électrique et pour une longueur de 20 m de celui-ci, elle est de 6 à 8 ms. -TABLEAU - N0 Diamètre du Matériau Epaisseur Matériau de Tension à la Tension à la % de Longueur Energie goujon, mm du goujon de la la pièce colonne de colonne de régla- du absorbée pièce, mm l'arc l'arc ge câble par le auxiliaire auxiliaire électri- soudage, à l'écarte- à laquelle que, m J ment maximal on déclenche entre le la décharge goujon et des conden- la pièce, V sateurs; V I 2 3 4 5 6 7 8 9 10 i 3 Acier 3 Acier 40 4 10 20 480 àà 2 8 faible -"- faible " 20 50 -"- 3100 teneur teneur en en 3 10 carbone -"- carbone -"- 36 90 -"- 3920 rts L'application du procédé de soudage des goujons à l'arc par soudage de choc de condensateurs permet de réduire les frais de travail au cours du soudage, d'améliorer la productivité du soudage, d'étendre la zone opératoire en augmentant la longueur du câble de soudage et d'économiser l'énergie électrique. - REVENDICATION - Procédé de soudage électrique à l'arc par décharge de choc de condensateurs, destiné au soudage des goujons, consistant à placer au préalable un goujon sur une pièce, à écarter le goujon de la pièce, à amorcer un arc auxiliaire entre la face terminale du goujon et la pièce, à rapprocher le goujon de la pièce, à déclencher la décharge de condensateurs entre la face terminale du goujon et la pièce, à plonger ensuite le goujon dans le bain fondu à la surface de la pièce et à réaliser la jonction entre la face terminale du goujon et la pièce en vue d'obtenir une soudure, caractérisé en ce que, lors du rapprochement du goujon (1) et de la pièce (4), on mesure la chute de tension dans l'arc auxiliaire, on soustrait, de la chute de tension mesurée, la somme des chutes de tension d'électrode à la face terminale (3) du goujon (1) et à la pièce (4) et, lorsque la chute de tension ainsi obtenue subit une variation de 10 à 90 % par rapport à la première mesure de chute de tension, on déclenche la décharge des condensateurs (8).