Brevet FR2678191A1 — publié le 19921231

MACHINE DE SOUDAGE ASSERVIE EN PENETRATION DESCRIPTION La présente invention concerne une machine de soudage utilisant la vision de la scène de soudage pour réaliser un soudage automatique de qualité. La machine de soudage est asservie en pénétration, c'est-à-dire qu'elle corrige elle-même, en temps réel, les paramètres de soudage caractérisant la pénétration. On appelle pénétration la profondeur sur laquelle le métal de base a effectivement été fondu lors de l'opération de soudage. Une soudure de bonne qualité nécessite une fusion sur la totalité de l'épaisseur, ce qui entraine généralement une légère surépaisseur envers (bombé-envers). S'il y a de plus un apport de métal au moment du soudage, on ajoute du volume à la partie fondue, ce qui se traduit généralement par une surépaisseur endroit (bombé-endroit) du cordon terminé Les bombés endroit et envers, ainsi que leurs largeurs, font en général partie des spécifications d'acceptation d'une soudure. La présente invention s'applique au cas où ledit cordon de soudure est effectué avec un fil d'apport en procédé TIG (soudage par gaz inerte avec électrodes de tungstène) et peut varier notamment en bombé-endroit. La présente invention peut avoir des applications dans de nombreux domaines et, en particulier, dans les industries de haute technologie, telles que le spatial, le nucléaire, l'aéronautique et l'agro-alimentaire. Il est connu, dans la plupart des machines de soudage automatique, de reproduire de façon systématique, des séquences de soudage pour lesquelles les paramètres de soudage (lies au procédé et à la trajectoire) sont mis au point pour des conditions nominales, puis enregistrées et reproduites quelles que soient les conditions réelles du soudage. En effet, en fonctionnement de production, les conditions de soudage sont rarement constantes et présentent, en général, des perturbations aléatoires qui peuvent conduire à des conditions dépassant les valeurs de tolérances acceptables et ainsi provoquer des défauts, voire des rebuts. Quelques dispositifs existent néanmoins, qui tiennent compte de ces perturbations aléatoires et tentent de limiter leurs conséquences. Ces dispositifs comportent, en général, des capteurs venant se greffer sur des installations préexistantes. Le livre t'Robots de Soudage, Capteurs et Adaptativité de Trajectoire", publié par les Editions HERMES, sous la plume de JM. DETRICHE, répertorie la plupart de ces dispositifs. De plus, un dispositif de contrôle automatique de La pénétration a été décrit dans la revue "Welding Institute BulLetin" de Mai/Juin 1990, par MM D. HARVEY et B. LUCAS. Ce dispositif permet en effet de maintenir la pénétration par correction de la forme du courant de soudage à des valeurs désirées grâce à une caméra vidéo. A cet effet, cette caméra transforme en signal vidéo le niveau de lumière observé du côté opposé à la torche de soudage, par une lentille optique envoyant ladite information à la caméra par l'intermédiaire d'un guide de lumière. Le signal vidéo ainsi obtenu en sortie de la caméra est amplifié et comparé à une consigne de référence permettant l'obtention d'un degré de pénétration choisi. Ce dispositif a l'inconvénient majeur de nécessiter une vision envers, ce qui pose des problèmes d'accessibilité à la face envers et de synchronisation entre torche et caméra. De façon judicieuse, la présente invention permet de pallier à ces inconvénients et de corriger les paramètres de pénétration automatiquement et en temps réel. La machine de soudage, selon l'invention, met en oeuvre, à partir de moyens de traitement commandant une tête de soudage, un asservissement en pénétration. Une combinaison d'un asservissement par le courant de soudage avec une régulation de la tension d'arc assure cette pénétration quasi constante du soudage. De façon plus précise, la présente invention concerne une machine de soudage asservie, comprenant : - une tête de soudage ; - des moyens d'alimentation électrique de cette tête assurant une certaine tension d'arc et un certain courant de soudage - des moyens de commande et traitement pour obtenir une pénétration de soudage (appropriée) constante, caractérisée en ce que - la tête de soudage, positionnée à une hauteur mesurable par rapport à une zone de soudage, est commandable dans le sens de la hauteur ; - les moyens de commande et de traitement pour obtenir une pénétration constante comprennent, d'une part des moyens aptes à commander la hauteur de la tête de soudage, pour asservir la tension d'arc à une première valeur de consigne et d'autre part des moyens aptes à commander le courant de soudage pour asservir le bombé-endroit à une seconde valeur de consigne. Dans le présent texte, on emploie le terme "hauteur de tête" en référence à un soudage en position à plat ; dans le cas d'un soudage dans une autre position, par exemple verticale montante, il est clair qu'il s'agirait de la distance entre la tête et le plan tangent à la surface de soudage. De façon avantageuse, la tête de soudage comprend des moyens pour émettre des spots lumineux sur la zone de soudage. Elle comprend, de plus, des moyens pour observer la zone de soudage, eux-mêmes étant composés d'au moins un détecteur de position des spots apte à déterminer, à partir desdites positions des spots, la hauteur de la tête de soudage. Selon l1invention, les moyens pour commander la hauteur de tête comprennent - un comparateur ayant une première entrée recevant un premier signal correspondant à la tension d'arc mesurée et une seconde entrée recevant un second signal correspondant à une valeur de consigne, et une sortie ; - un régulateur de hauteur de tête ayant une entrée reliée à la sortie du comparateur et une sortie reliée à des moyens de modification de la hauteur de tête de soudage. De même, les moyens pour commander le courant de soudage comprennent - un comparateur ayant une première entrée recevant un premier signal correspondant à la hauteur mesurée et une deuxième entrée recevant un second signal correspondant à une valeur de consigne, et une sortie ; - un régulateur de courant ayant une entrée reliée à la sortie du comparateur et une sortie reliée à un générateur de soudage alimentant la tête de soudage en courant. De préférence, les moyens pour observer la zone de soudage comprennent une caméra de prise de vues. Dans une variante de l'invention, les moyens de détermination de position des spots sont confondus avec cette caméra. D'autre part, de préférence également, ladite caméra de prise de vues est reliée à un moniteur de visualisation d'images, ledit moniteur étant apte à permettre une surveillance à distance des conditions dans lesquelles est exécuté le soudage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence au dessin. La figure unique, jointe en annexe, représente, de façon schématique, la machine de soudage avec sa tête de soudage et ses moyens de traitement. Asservir en pénétration la machine de soudage selon l'invention consiste à asservir, à une valeur constante, un paramètre caractéristique de la pénétration, par exemple le r#bombé#envers11 du cordon de soudure, en corrigeant le courant de soudage à partir de la mesure du "bombé-endroit" dudit cordon. On comprendra par "bombé-envers", la surépaisseur envers du cordon de soudure, observée du côté opposé à la tête de soudage, qui constitue souvent un critère d'acceptabilité de la soudure. Le paramètre bombé-endroit peut être mesuré, en fait, à partir de la mesure de la hauteur de la tête de soudage au-dessus de la scène de soudage. Cette mesure s'effectue, cependant, lorsque la condition suivante est vérifiée : la tension d'arc doit être asservie à une valeur constante. Cette régulation de la tension d'arc s'effectue par ajustage de la hauteur de la tête de soudage. Une combinaison entre certains paramètres existe donc puisque, indirectement, le courant de soudage varie en fonction de la hauteur de tête, et puisque les variations de hauteur de tête permettent de modifier la tension d'arc. Des lois de corrélation, nommées aussi "relations" au cours de la description, peuvent être déterminées entre différents paramètres. Pour être exploitables en vue d'un asservissement, ces lois de corrélation doivent être bi-univoques, c'est-à-dire monotones et de pente non nulle. Une telle loi de corrélation existe entre le bombé-envers et le courant de soudage. Une seconde loi de corrélation s'établit entre le bombé-envers et le bombé-endroit dudit cordon. Sur la figure, on a représenté la machine de soudage selon l'invention. Cette machine de soudage se compose essentiellement d'une tête de soudage 1, de moyens de traitement 2 et d'un moniteur de visualisation 3. La tête de soudage 1 comporte une torche de soudage 10 se terminant par une électrode de soudage 11. Cette torche de soudage 10 permet un soudage de type TIG (soudage sous gaz inerte avec électrode de tungstène) avec apport de fil. Son électrode 11 est apte à produire un arc électrique dont la puissance est fonction de la tension d'arc et du courant d'arc reçus par la torche de soudage 10. Des moyens d'éclairage 12 permettent d'émettre, sur la zone de soudage, des spots lumineux 13. On nomme zone de soudage, la portion du plan de soudage dans lequel se trouve l'électrode 11, un morceau de cordon de soudage et le joint sur lequel on cherche à effectuer la soudure. Les moyens 12 pour émettre des spots sont orientés vers l'avant de la torche 10, par rapport à la direction du soudage. Cette orientation est optimale pour un angle d'environ 450 par rapport à l'arc optique des moyens d'observation (14 à 17). Elle permet ainsi une projection optimale des spots 13 sur ladite zone. On peut ainsi mesurer la hauteur de tête par une méthode connue de triangulation. Positionnés en avant de la torche de soudage 10, les moyens 14 à 17 pour observer la zone de soudage permettent de visualiser ladite zone et de mesurer certains de ses paramètres. En effet, ces moyens 14 à 17 pour observer la zone de soudage comprennent une optique 17 de visualisation, un séparateur 15 de faisceau et une caméra 14 de prise de vues. Le séparateur 15 de faisceau assure la formation de l'image de la zone de soudage dans la chambre de mesure 16 complémentaire. Dans cette chambre 16, sont implantés un ou deux détecteurs linéaires de position des spots lumineux 13. Ces détecteurs de position sont de type standard et sont calés par construction pour observer lesdits spots 13. En effet, ces détecteurs permettent de déterminer la hauteur de la tête de soudage à partir de la position des spots sur la zone de soudage. Il s'agit par exemple de circuits de type PSD (Position Sensing Device) analogiques, donnant, par association avec une électronique adéquate, la position longitudinale du "centre de gravité" d'un spot lumineux projeté sur une barrette photosensible. La caméra 14 de prise de vues est de type CCD (à transfert de charge) pour une meilleure qualité d'image du fait de sa résistance à l'éblouissement et de sa relative insensibilité aux sévères conditions électromagnétiques présentes à courte distance de l'arc. Cette caméra 14 est reliée, en sortie, à un moniteur 3 de visualisation. Ce moniteur 3 est, selon le mode de réalisation décrit, de type monochrome. Une première fonction de ce moniteur 3 est de permettre à l'utilisateur la surveillance à distance de la zone de soudage. Une seconde fonction permet d'optimiser expérimentalement les conditions de prise de vues et, en particulier, de s'assurer que les détecteurs de position des spots, dont la position est repérée de façon fixe sur le moniteur 3, travaillent bien dans des conditions convenables (à savoir : zone de soudage dégagée, pas de reflets... ). Les trajets optiques, en provenance des moyens 12 d'émission des spots et des moyens 14 à 17 d'observation de la zone de soudage, traversent par des fenêtres transparentes une buse 18 pour converger sur la tôle à souder aux environs de la pointe de l'électrode 11. De plus, la mesure de position résultant des PSD de la chambre 16 est envoyée, en sortie, aux moyens 2 de traitement de la pénétration Ces moyens 2 comprennent, d'une part, des moyens 20 à 22 d'asservissement de la tension d'arc et, d'autre part, des moyens d'asservissement 23 à 25 du courant de soudage. Les moyens 20 à 22 d'asservissement de la tension d'arc comprennent une électronique 21 de comparaison (un amplificateur différentiel, par exemple) permettant de comparer, à une consigne de tension d'arc reçue en entrée E2 de ladite électronique 21, la tension d'arc mesurée au niveau de la torche 10 de soudage et reçue en entrée El dudit comparateur 21. En sortie S dudit comparateur 21, l'erreur de tension d'arc résultante est introduite dans un régulateur 20 de hauteur de tête puisque, comme décrit précédemment, la tension d'arc peut être régulée par ajustage de la hauteur de tête. La sortie dudit régulateur 20 est connectée à des moyens 22 de mouvements de la hauteur de tête. De façon parallèle, les moyens 23 à 25 d'asservissement du courant de soudage comprennent une électronique de comparaison 24 (amplificateur différentiel), à peu près identique à l'électronique 21, permettant de comparer, à une consigne de hauteur reçue sur l'entrée e2, la valeur de la hauteur mesurée par les détecteurs de position de spots et reçue en entrée e1 du comparateur 24. La sortie s dudit comparateur 24 envoie l'erreur de hauteur résultante sur un régulateur 23 de courant ; en effet, comme expliqué précédemment, le courant de soudage permet de piloter la pénétration. Ainsi, la correction de courant obtenue est envoyée dans un générateur 25 de soudage qui modifie le courant d'alimentation de la tête de soudage. Grâce au paragraphe suivant, il est plus aisé de comprendre les relations d'asservissement mutuel qui existent entre les paramètres de hauteur de tête, de courant de soudage et de tension d'arc. En effet, la tension de l'arc étant essentiellement fonction de la distance entre la pointe de l'électrode et le sommet du bombé-endroit, la première boucle d'asservissement, maintenant la tension d'arc constante par correction de La hauteur de tête, permet de s'assurer que la hauteur de tête mesurée est directement fonction du bombé-endroit. La seconde boucle d'asservissement, maintenant le bombé-endroit constant par correction du courant de soudage, permet alors de conserver une pénétration constante, but de l'opération. Selon le mode de réalisation décrit de l'invention, la machine de soudage est entièrement câblée. On peut, cependant, réaliser une machine de soudage ayant les mêmes fonctions, mais totalement, ou partiellement, programmée dans sa partie traitement de la pénétration. REVENDICATIONS 1. Machine de soudage asservie, comprenant : - une tête de soudage (1) avec fil d'apport ; - des moyens d'alimentation électrique de cette tête assurant une certaine tension d'arc et un certain courant de soudage ; - des moyens (2) de commande et traitement pour obtenir une pénétration de soudage (appropriée) constante, caractérisée en ce que : - la tête de soudage, positionnée à une hauteur mesurable par rapport à une zone de soudage, est commandable dans le sens de la hauteur ; - les moyens de commande et de traitement pour obtenir une pénétration constante comprennent, d'une part, des moyens (20, 22) aptes à commander la hauteur de la tête de soudage, pour asservir la tension d'arc à une première valeur de consigne et, d'autre part, des moyens (23, 25) aptes à commander Le courant de soudage résultant pour asservir le bombé-endroit à une seconde valeur de consigne. 2. Machine de soudage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la tête de soudage comprend des moyens (12, 13) pour émettre des spots lumineux sur la zone de soudage. 3. Machine de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que la tête de soudage comprend en outre des moyens (14, 17) pour observer la zone de soudage. 4. Machine de soudage selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens pour observer la zone de soudage comprennent au moins un détecteur de position des spots apte à déterminer, à partir desdites positions des spots, la hauteur de la tête de soudage. 5. Machine de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens pour commander la hauteur de tête de soudage comprennent : - un comparateur ayant une première entrée (El) recevant un premier signal correspondant à la tension d'arc mesurée et une seconde entrée (E2) recevant un second signal correspondant à une valeur de consigne, et une sortie (S) ; - un régulateur de hauteur de tête ayant une entrée reliée à la sortie du comparateur et une sortie reliée à des moyens de modification de la hauteur de tête de soudage. 6. Machine de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les moyens pour commander le courant de soudage comprennent - un comparateur ayant une première entrée (el) recevant un premier signal correspondant à la hauteur mesurée et une deuxième entrée (e2) recevant un second signal correspondant à une valeur de consigne, et une sortie (s) ; - un régulateur de courant ayant une entrée reliée à la sortie du comparateur et une sortie reliée à un générateur de soudage alimentant la tête de soudage en courant. 7. Machine de soudage selon la revendication 3, caractérisée en ce que les moyens pour observer la zone de soudage comprennent une caméra (14) de prise de vues. 8. Machine de soudage selon la revendication 7, caractérisée en ce que ladite caméra (14) de prise de vues est reliée à un moniteur (3) de visualisation d'images. 9. Machine de soudage selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moniteur de visualisation d'images est apte à permettre une surveillance à distance des conditions dans lesquelles est exécuté le soudage.