Brevet FR2660888A1 — publié le 19911018

i DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif de protection des soudures par diffusion gazeuse, particulièrement adapté pour les applications de procédés de soudage par fusion utilisant une machine automatique ou un robot de soudage. Elle concerne également un procédé de soudage mis en oeuvre au moyen dudit dispositif. L'invention s'applique à la mise en oeuvre de procédés de soudage, bien connus en soi, dits soudage TIG ou soudage par plasma d'arc ou soudage par faisceau laser. Dans certaines applications de ces procédés et selon la nature des matériaux des pièces à souder concernées, notamment dans le cas d'alliages de titane ou de superalliages à base de nickel utilisés pour des pièces de moteurs aéronautiques, il est souvent nécessaire de protéger les zones fondues et le cordon de soudage contre les risques d'oxydation au moyen d'une couverture de gaz protecteur, notamment un gaz neutre tel que l'argon ou l'hélium Il est ainsi connu de réaliser la protection gazeuse au niveau de la zone fondue directement au moyen de la torche de soudage, l'admission de gaz se faisant au travers de la torche et la diffusion du gaz à l'extrémité de ladite torche Un outillage complémentaire dit trainard de soudage doit parfois être adjoint Cet outillage doit recouvrir sur une certaine longueur la zone de proximité de ladite torche au niveau du cordon de soudure qui vient d'être formé et se trouve en cours de refroidissement et cet outillage doit par conséquent s'adapter à la géométrie de la pièce au niveau de la soudure et suivre les déplacements de la torche de soudage lors d'une opération de soudage La longueur de recouvrement de soudure assuré par l'outillage est d'autant plus importante que le matériau à souder est épais et sensible à l'oxydation. Pour des pièces à base de titane d'épaisseur 8 mm, cette longueur peut par exemple dépasser 150 mm La mise en oeuvre de ces techniques antérieurement connues dans leur principe et déjà utilisées se heurte toutefois à de sérieuses difficultés lorsque les opérations de soudage sont entièrement automatisées pour exécution soit sur machine automatique soit encore au moyen d'un robot de soudage dont tous les déplacements sont programmés, tous les paramètres du soudage bénéficiant d'un réglage automatique En outre, les trainards conventionnels précédemment utilisés présentent une géométrie fixe, ce qui impose la mise en place d'un outillage spécifique à chaque configuration de pièce. Le but de l'invention est de réaliser un dispositif et de définir un procédé de mise en oeuvre permettant de résoudre les problèmes notés cidessus pour lesquels aucune solution pleinement satisfaisante n'a été auparavant déterminée. Un dispositif de protection des soudures par diffusion gazeuse répondant aux conditions est caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments formant caissons articulés entre eux et reliés à une extrémité de manière articulée à un élément de fixation formant buse sur la tête de soudage, lesdits caissons étant reliés à une source d'alimentation en gaz de protection et lesdits éléments étant bloqués entre eux en fonctionnement sous l'effet de la pression dudit gaz. Avantageusement, une arrivée unique de gaz distribue le gaz vers la tête de soudage proprement dite et vers le dispositif de protection. Le procédé de soudage mis en oeuvre au moyen dudit dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte trois étapes: (a) une première étape au cours de laquelle les éléments articulés du dispositif de protection sont mis dans une position adaptée au contour de pièce à souder, notamment suivant une ligne de portion de circonférence dont le rayon correspond à celui de la ligne circulaire de cordon de soudure à obtenir; (b) - (c) - une deuxième étape d'immobilisation au cours de laquelle l'arrivée du gaz de protection est ouverte et lesdits éléments articulés sont immobilisés entre eux sous l'effet de la pression du gaz; une troisième étape au cours de laquelle la tête de soudage et le dispositif solidaire de protection sont placés à la distance de la pièce, convenable pour le soudage, cette étape étant suivie de l'exécution proprement dite du soudage avec protection du cordon de soudure par diffusion gazeuse au moyen dudit dispositif de protection. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre des modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente une vue d'ensemble d'une tête de soudage TIG équipée d'un dispositif de protection des soudures par diffusion gazeuse conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; la figure 2 représente une vue agrandie de détail du dispositif de protection représenté sur la figure 1, selon une vue en coupe suivant la ligne II-II de la figure 3; la figure 3 représente une vue de dessus schématique du dispositif de protection représenté sur la figure 2; la figure 4 représente, selon une vue en coupe suivant la ligne IV-IV de la figure 2, le dispositif de protection représenté sur les figures 2 et 3; la figure 5 représente le dispositif de protection des figures 2 à 4 disposé en position à l'intérieur d'une pièce circulaire; la figure 6 représente le dispositif de protection des figures 2 à 4 dans une configuration correspondant à l'exécution d'une soudure sur la surface externe d'une pièce circulaire. la figure 7 représente selon une vue analogue à celle de la figure 2 un dispositif de protection suivant un deuxième mode de réalisation de l'invention; la figure 8 représente le dispositif de protection de la figure 7 dans une configuration correspondant à l'exécution d'une soudure circulaire. Une tête 1 de soudage montée soit sur une machine automatique soit sur un robot de soudage qui n'a pas été représenté sur les dessins et ne fait pas partie de l'invention est schématiquement représentée sur la figure 1 La tête 1 peut être de divers types, soit à laser, soit pour soudage TIG, soit pour soudage plasma Dans l'exemple montré sur la figure 1, une tête de soudage TIG comportant une électrode de soudage 2 a été représentée Sur ladite tête 1 de soudage est adapté un dispositif 3 de protection des soudures par diffusion gazeuse comportant un élément 4 intégré à la tête 1 de soudage et formant buse, assurant la fixation du dispositif 3 sur ladite tête 1 de soudage A l'élément 4 sont rattachés de manière articulée deux éléments 5 et 6 en forme de caissons qui constituent un traînard de soudage Ces éléments 5 et 6 sont reliés par des tuyauteries adéquates 7 à une source unique 8 d'alimentation en gaz protecteur Dans les applications qui sont notamment visées par l'invention au soudage de pièces en alliages de titane ou en superalliages à base de nickel pour moteurs aéronautiques, ledit gaz protecteur est un gaz neutre, notamment l'argon De manière avantageuse, une source unique de gaz peut être utilisée pour alimenter les éléments 5 et 6 et la tête 1 de soudage proprement dite Comme montré plus clairement sur les figures 2 à 4, l'élément fixe 4 du dispositif 3 de protection comporte uncorps 9 de forme générale cylindrique qui est fixé à l'extrémité de la tête de soudage 1, notamment au moyen d'une partie vissée 10 Le corps 9 est creux et forme buse a l'extrémité de la tête de soudage et est notamment traversé par une électrode 2 de soudage dans l'exemple représenté sur les dessins, ou par tout faisceau énergétique de soudage, notamment du type laser Le corps 9 porte deux ailes 11 et 12 formant deux parois écartées, parallèles Sur ledit élément à buse 4 est monté de manière articulée au moyen d'une goupille 26 formant axe de pivotement l'élément 5 en caisson formant le traînard avant de diffusion de gaz protecteur. L'élément 5 porte à l'arrière deux ailes 13 et 14 formant deux parois écartées parallèles entre lesquelles est placé le second élément 6 en caisson formant le traînard arrière de diffusion de gaz protecteur Cet élément 6 est également relié à l'élément au moyen d'une goupille 27 formant axe de pivotement. Chaque élément 5 et 6 comporte en outre une lumière 19 et dans laquelle se déplace un doigtde retenue 21 et 22 A la partie supérieure de chaque élément de traînard 5 et 6 est fixée une portion de tube, respectivement 15 et 16 sur lesquelles sont montées les tuyauteries 7 d'amenée de gaz. Le gaz est acheminé à travers chacun desdits éléments de traînard 5 et 6 vers la partie inférieure ouverte en travers de laquelle est disposée une plaquette, respectivement 17 et 18, en matériau poreux assurant une diffusion régulière du gaz. Le gaz passe d'une chambre interne 19 a à la chambre de sortie 20 a par un trou de passage 2 la dans lequel débouche une vis pointeau 22 a utilisable pour le réglage du débit de gaz La chambre 20 a comporte deux pistons 23 - susceptibles de glisser le long des parois du corps 9, soit lors d'une remontée des éléments de traînard 5 et 6 pour s'adapter au profil interne, notamment circulaire, d'une pièce la, comme schématisé sur la figure 5, soit lors d'une descente par simple effet de gravité des éléments de traînard 5 et 6 pour s'adapter au profil externe, notamment circulaire, d'une pièce lb, comme schématisé sur la figure 6, ces déplacements étant effectués en l'absence de toute admission de gaz. Lorsqu'une pression de gaz, par contre, s'exerce dans la chambre 19 a, les éléments de traînard 5 et 6 se trouvent immobilisés dans la position qu'ils ont acquise qui reste ainsi fixée A chaque extrémité desdits pistons 23 est disposé un joint torique d'étanchéité 24 et 25. Un procédé de soudage utilisant le dispositif de protection des soudures par diffusion gazeuse conforme à l'invention et notamment réalisé selon le premier mode qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 à 6 comporte les étapes remarquables suivantes (a) une première étape d'accostage au cours de laquelle la tête 1 de soudage est amenée au niveau de la surface de pièce à souder et par simple effet de gravité, les éléments articulés 5 et 6 du dispositif 3 de protection se mettent en appui suivant le contour de pièce; (b) une deuxième étape d'immobilisation au cours de laquelle l'arrivée de gaz de protection à partir de la source 8 est ouverte et lesdits éléments articulés 5 et 6 sont immobilisés entre eux sous l'effet de la pression de gaz; (c) une troisième étape au cours de laquelle la tête 1 de soudage et le dispositif solidaire 3 de protection sont placés à la distance de la pièce convenable pour le soudage. Après cette mise en place, l'exécution de l'opération proprement dite de soudage se déroule selon les techniques connues en soi du mode de soudage correspondant à la tête de soudage 1 choisie pour l'application concernée, notamment un soudage par procédé TIG, ou plasma ou par faisceau laser Durant le déroulé de cette opération de soudage, le cordon de soudure est protégé contre les oxydations au moyen de la couverture gazeuse diffusée par le dispositif 3 de protection conforme à l'invention. Grâce à la géométrie variable du dispositif de protection obtenue par l'adaptation des éléments articulés 5 et 6 à un profil donné, le dispositif procure l'avantage d'être utilisable pour des pièces de configuration différente. Dans l'exemple représenté sur les figures 2 à 6, toute pièce circulaire de rayon à partir de 400 mm peut être traité. Le mode de réalisation de l'invention qui vient d'être décrit en référence aux figures 1 à 6 est particulièrement adapté à la réalisation de soudures sur des pièces circulaires de type virole cylindrique Un autre cas d'application fréquemment rencontré concerne la réalisation d'un cordon de soudure circulaire sur un plan de pièce disposé suivant un plan horizontal Un dispositif de protection conforme à l'invention et adapté à ce type d'application peut dans ce cas être réalisé suivant le mode représenté sur les figures 7 et 8. On retrouve, comme précédemment, une buse de soudage 104 à laquelle sont rattachés plusieurs éléments, au nombre de trois dans l'exemple représenté sur les figures 7 et 8, , 106 et 106 a en forme de caissons constituant un trainard de soudage à géométrie variable Des tuyauteries 107 relient ces éléments à une source d'alimentation en gaz protecteur Le gaz est acheminé dans chaque élément, par un trou de passage 121 a, vers une chambre de sortie a fermée par une plaquette 117 en matériau poreux qui assure la diffusion de gaz Le débit de gaz peut être réglé à l'aide d'une vis pointeau 122 a Chaque élément en caisson tel que 105 comporte une chambre 119 a reliée à l'arrivée de gaz et ménagée entre deux pistons 123 qui bloquent ledit élément 105 en position sous l'effet de la pression du gaz, de manière analogue au fonctionnement précédemment décrit pour le premier mode de réalisation, en référence aux figures 2 à 4 Lesdits pistons 123 sont bloqués sur les ailes 111 et 112 de la buse 104. Pour l'élément 106, le blocage est réalisé sur les ailes 113 et 114 de l'élément 105 et pour l'élément 106 a, sur les ailes 113 a et 114 a de l'élément 106 Le blocage d'un piston 123 par rapport au corps de l'élément 105 est obtenu par frottement serré des joints 124 et 125 ou par un pion anti-rotatio 4, non représenté sur la figure. Le fonctionnement du dispositif de protection réalisé suivant le deuxième mode qui vient d'être décrit est analogue à celui obtenu par le premier mode On notera simplement que la première étape du procédé de soudage utilisant le dispositif diffère en ce qu'au lieu d'un effet de gravité, la mise en position des éléments articulés 105, 106 et 106 a doit se faire au moyen d'un gabarit sur lequel prennent appui lesdits éléments et qui reproduit le profil de la ligne de cordon de soudure à réaliser sur la pièce La figure 8 montre un exemple de cette mise en position du dispositif de protection selon le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 7 Un rayon de 150 mm peut être obtenu dans l'exemple représenté Comme précédemment, la géométrie variable du dispositif de protection permet son adaptation à différentes configurationide pièce tout en assurant la protection recherchée adéquate des soudures et des zones fondues jusqu'à leur refroidissement et en permettant une utilisation avantageuse sur des installations automatisées de soudage. REVENDICATIONS 1 Dispositif de protection de soudure par diffusion gazeuse dans lequel des organes de diffusion alimentés en gaz protecteur sont placés à proximité du cordon de soudure caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux éléments ( 5, 6; 105, 106, 106 ç) formant caissons articulés entre eux et reliés à une extrémité de manière articulée à un élément de fixation formant buse ( 4; 104) sur une tête ( 1) de soudage, lesdits éléments ( 5, 6; , 106, 106 _) étant reliés à une source ( 8) d'alimentation en gaz protecteur et étant susceptibles d'être bloqués entre eux dans une position déterminée sous l'effet de la pression du gaz. 2 Dispositif de protection de soudure selon la revendication 1 dans lequel une arrivée unique distribue le gaz vers la tête ( 1) de soudage proprement dite et vers ledit dispositif ( 3) de protection. 3 Procédé de soudage sous gaz protecteur par déplacement automatique d'une tête de soudage associée à un dispositif de protection conforme à l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comporte les trois étapes suivantes: (a) une première étape au cours de laquelle les éléments articulés du dispositif de protection sont mis dans une position adaptée au contour de pièce à souder, notamment suivant une ligne de portion de circon- férence dont le rayon correspond à celui de la ligne circulaire de cordon de soudure à obtenir; il (b) une deuxième étape d'immobilisation au cours de laquelle l'arrivée du gaz de protection est ouverte et lesdits éléments articulés sont immobilisés entre eux sous l'effet de la pression du gaz; (c) une troisième étape au cours de laquelle la tête de soudage et le dispositif solidaire de protection sont placés à% la distance de la pièce, convenable pour le soudage, cette étape étant suivie de l'exécution proprement dite du soudage avec protection du cordon de soudure par diffusion gazeuse, au moyen dudit dispositif de protection. 4 Procédé de soudage sous gaz protecteur selon la revendication 3 dans lequel au cours de la première étape (a), la mise en position des éléments articulés du dispositif de protection est assurée par une séquence d'accostage au cours de laquelle la tête de soudage est amenée au niveau de la surface de pièce à souder et par simple effet de gravité, les éléments articulés se mettent en appui suivant le contour de pièce à souder. 5 Procédé de soudage sous gaz protecteur selon la revendication 3 dans lequel au cours de la première étape (a), la mise en position des éléments articulés du dispositif de protection est obtenue au moyen d'un gabarit reproduisant le profil de la ligne de cordon de soudure à réaliser sur la pièce et sur lequel lesdits éléments articulés prennent appui.