Brevet FR2674781A1 — publié le 19921009

Dispositif inductif compact d'apport de chaleur pour réali- ser de petites soudures sur des pièces métalliques L'invention concerne un dispositif inductif compact d'apport de chaleur pour réaliser de petites sou- dures sur des pièces métalliques, utilisé en particulier dans le domaine de la lunetterie et plus généralement dans le domaine des minisoudures, et qui est équipé dans sa partie arrière et/ou latérale de connexions pour un câble de liaison à un générateur électrique et pour des conduits de liaison qui le raccordent à une installation de réfri- gération. A l'heure actuelle, les machines de soudage avec un dispositif d'apport de chaleur du type inductif, ont un fonctionnement qui est basé sur un circuit électro- nique qui amène un courant haute fréquence à un inducteur de soudage à l'air. Cet inducteur de soudage est de petites dimen- sions pour acheminer le flux qu'il produit dans un espace limité o, s'il y a présence d'un matériau conducteur, l'effet des courants parasites ou de Foucault induits dans le matériau, permet d'augmenter sa température jusqu'à entraîner localement une fusion. Cet effet engendré par ces courants parasites est utilisé pour réaliser des minisoudures, avec des géné- rateurs dont la fréquence peut aller jusqu'à quelques M Hz (mégaherts) et dont la puissance est de l'ordre de quelques KW, comme cela est notamment requis dans le domaine des minisoudures, et en particulier dans le domaine de la lu- netterie. Dans ces domaines d'utilisation, les dispositifs d'apport de chaleur du type inductif connus actuellement, sont alimentés par un câble relié au générateur, et ils sont équipés d'un gros transformateur élévateur de courant qui peut être à air ou à noyau en ferrite, et dont le se- condaire alimente l'inducteur de soudage à l'air qui pro- duit un effet d'échauffement. Ces dispositifs d'apport de chaleur équipés d'un tel transformateur sont encombrants et relativement lourds. Ces dispositifs d'apport de chaleur présentent donc l'inconvénient majeur de ne pas être adaptés pour être montés sur des bras mécaniques de robots soudeurs et des structures mobiles dans le cas d'installations auto- matisées comprenant plusieurs stations de soudure Il y a donc avantage à ce qu'un dispositif d'apport de chaleur du type inductif ait de petites dimensions et soit léger pour ne pas augmenter l'inertie mécanique de la structure qui le soutient, et pour lui permettre de s'introduire dans des espaces qui sont souvent de dimensions réduites. En outre, dans les dispositifs d'apport de cha- leur connus, le rendement de l'ensemble primaire et secon- daire du transformateur, et de l'inductance de charge, est très faible, ce qui est un facteur d'une puissance dissipée importante. On doit en effet remarquer que le secondaire du transformateur doit fournir à l'inductance de charge, c'est-à-dire à l'inducteur qui soude, une intensité de courant de quelques centaines d'ampères, intensité qui provoque des chutes de tension importantes dans les bobi- nages, du fait des grandes réactances en jeu Pour compen- ser ces chutes de tension, il est nécessaire de dimension- ner le transformateur de façon appropriée Les courants importants, par l'effet de peau et par l'effet de résisti- vité dans les bobinages, entraînent des pertes supplémen- taires qui nécessitent également une majoration des dimen- sions du transformateur qui atteint un encombrement rela- tivement important Il en résulte d'importantes dissipa- tions par effet joule, ce qui entraîne des installations de réfrigération dimensionnées en conséquence, et des gé- nérateurs qui doivent fournir des courants considérables, même pendant les moments o l'on n'exécute pas de soudure. Tous ces facteurs ont conduit à la réalisation de machines qui interrompent leur fonctionnement pendant l'intervalle de temps séparant deux soudures, ce qui rend ces machines plus complexes En résumé, les dispositifs d'apport de chaleur du type inductif connus nécessitent tous l'utili- sation de générateurs puissants (quelques KW) qui, pour des fréquences en jeu dans le domaine des M Hz, sont très complexes et par conséquent très onéreux. Le but de l'invention est de concevoir un dis- positif d'apport de chaleur du type inductif pour chauffer et/ou souder de petites pièces métalliques, avec des per- tes minimales et un générateur de faible puissance pour le piloter, de manière à obtenir une structure de petites dimensions, afin de réaliser un dispositif d'apport de chaleur compact et léger qui puisse être monté en tête des bras mobiles de robots soudants ou sur des structures à carrousel, par exemple. Ainsi, un dispositif d'apport de chaleur de type inductif selon l'invention permet d'éliminer les inconvénients des dispositifs inducteurs connus, il peut être utilisé dans les installations automatisées, il per- met de réduire les opérations d'entretien et de mainte- nance, avec des échauffements parasites et des pertes diminués, et pour une même capacité de soudage, il demande une puissance inférieure. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'apport de chaleur inductif compact qui est caractérisé en ce qu'il comprend des capacités électriques formant la partie capacitive d'un circuit électrique résonnant à moyenne fréquence et à sa partie avant, et en saillie, un inducteur de soudage avec une ou deux spi- res formant la partie inductive du circuit électrique résonnant et qui est destinée à fournir de la chaleur. Ainsi, un tel dispositif d'apport de chaleur comporte un circuit électrique résonnant dont la partie inductive est formée par le seul inducteur qui comprend une ou deux spires de quelques millimètres de diamètre pour concentrer un flux magnétique sur une petite surface. La partie inductive présente une inductance de l'ordre de 0,05 AH et une résistance série minimale, ce qui per- met d'avoir un circuit résonnant avec un gain très élevé. Ainsi, même en présence d'un courant élevé à la résonance, le dispositif d'apport de chaleur requiert un générateur débitant un courant faible Ceci est la conséquence d'une configuration extrêmement compacte de la structure du dispositif d'apport de chaleur avec un circuit électrique résonnant qui permet de simplifier la structure du générateur et donc de réduire les coûts de fabrication du dispositif, et il ne nécessite qu'un câble mince pour relier la tête de soudage au générateur, ce câble de faible diamètre étant par conséquent flexible, ce qui facilite les mouvements de la tête de soudage. D'autres avantages, caractéristiques et détails de l'invention ressortiront de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels: la figure 1 représente le schéma électrique du dispositif d'apport de chaleur selon l'invention et du générateur électrique qui le pilote; la figure 2 est une vue de dessus du dispositif d'apport de chaleur sans son enveloppe externe pour mon- trer les capacités électriques et les circuits de contrôle auxiliaires logés à l'intérieur du dispositif; la figure 3 est une vue latérale simplifiée du dispositif représenté à la figure 2; la figure 4 est une vue en plan du dispositif selon l'invention, dans lequel les capacités électriques sont constituées par plusieurs condensateurs cylindriques assemblés entre eux suivant un montage parallèle. En se reportant à la figure 1, il a été repré- sentée une tête soudante 1, un inducteur 2 de soudage à l'air conçu pour produire un effet d'échauffement par apport de chaleur, des bornes électriques d'entrée 3, un câble électrique 4, par exemple du type protégé, un générateur 5 et des capacités 6 montées dans la tête sou- dante 1. Sur les figures 2 et 3 qui représentent une forme préférée de réalisation de l'invention, il est illus- tré deux barres conductrices 7 et 8 creuses, montées côte- à-côte et séparées l'une de l'autre par une couche isolante 9, des ailettes fines conductrices de connexion et de soutien 10 en saillie des barres 7 et 8 Ces ailettes sont reliées à des groupes de condensateurs 11 de haute qualité, qui sont chacun constitués par plusieurs lames conductrices séparées par de minces lames isolante en mica. Le dispositif comprend également une plaque isolante 12 qui relie la partie arrière des barres 7 et 8, des connecteurs 13 et 14 pour assurer la connexion au circuit de refroidissement, et des contacts électriques et 16 pour la liaison au générateur 5 au moyen du câble électrique 4. Un boulon 17 non conducteur maintient les bar- res 7 et 8 à leur partie avant. Enfin, il a été représenté un élément tubulaire isolant 20 qui relie, à leur extrémité avant, les cavités intérieures de barres 7 et 8 et au moyen duquel une par- tie du fluide réfrigérant est courtcircuitée. Pendant le fonctionnement, les barres conduc- trices 7 et 8, placées l'une à côté de l'autre sans être en contact l'une avec l'autre Les barres 7 et 8 sont reliées entre elles vers leurs parties centrale et arrière, par les condensateurs 11 de haute qualité qui présentent une résistance d'isolement élevée et une résistance élec- trique des armatures faible Les barres 7 et 8 sont re- liées, à leur partie avant, par deux éléments conducteurs tubulaires 18 qui se terminent sur l'inducteur de soudage 2 en formant une ou deux spires Le diamètre des spires est proportionnel à la largeur de la superficie de la surface impactée par le flux, surface qui est à échauffer et/ou sur laquelle on désire réaliser une soudure qui est de l'ordre de quelques mm. L'inducteur de soudage 2 se conduit, pendant le fonctionnement, comme le primaire d'un transformateur dont le secondaire est défini par des éléments métalliques à échauffer et qui agissent comme une spire fermée en courtcircuit Par suite de l'effet joule résultant des courants induits, il se développe au niveau de l'induc- teur 2 une chaleur qui est appropriée pour échauffer des éléments métalliques, jusqu'à atteindre de hautes tempé- ratures pouvant provoquer leur fusion. L'inducteur 2 est monté en parallèle sur les condensateurs 11, et son inductance et la capacité des condensateurs sont telles que pour une fréquence du courant d'alimentation, normalement de l'ordre de quelques cen- taines de milliers à quelques millions d'oscillations par seconde, le circuit électrique formé par l'inducteur 2 et les condensateurs 11 entre en résonance Le courant d'alimentation qui provient du générateur 5 est par consé- quent amplifié grâce au facteur de mérite élevé du cir- cuit, ce qui se traduit par la circulation d'un fort cou- rant dans l'inducteur 2. Il en résulte un flux magnétique important et un courant induit élevé au niveau de la surface à échauf- fer et/ou à souder, et par conséquent un plus grand effet thermique sur cette surface. Le courant à la résonance passe dans tout le circuit résonnant, c'est-àdire dans l'inducteur 2, les conducteurs tubulaires 18, les barres 7 et 8, et les ar- matures des condensateurs 11 qui présentent, dans cette forme de réalisation, une résistance de valeur négligeable au courant pour des fréquences moyennes, comme celles envisagées, pour obtenir une dissipation de chaleur très faible, ce qui permet de demander au générateur d'impul- sion 5 un courant d'intensité faible pendant des inter- valles de temps séparant deux échauffements successifs ou deux soudures successives, s'il n'est pas prévu un dispositif qui arrête le fonctionnement pendant ces inter- valles de temps. Ce courant d'alimentation augmente au contraire pendant les intervalles de temps au cours desquels on produit un échauffement et/ou on réalise une soudure grâce à la puissance active dissipée. Selon l'invention, la quantité de chaleur pro- duite est contrôlée de manière à ne pas être la cause d'un endommagement des condensateurs et des circuits de commande, au moyen d'un circuit de refroidissement de faible puissance Pour des raisons analogues, le généra- teur 5 est conçu pour fournir globalement une puissance relativement faible, puissance qui est cependant plus élevée pendant de brefs instants correspondant au moment o sont effectuées les soudures, ce qui permet de simpli- fier la structure du générateur 5. Le circuit de refroidissement utilise les cavi- tés intérieures axiales s'étendant le long des barres 7, 8 et des conducteurs 18, ainsi que la cavité à l'inté- rieur de l'inducteur 2 La circulation de l'agent réfri- gérant est cependant réduite, étant donné que tous les éléments dans lesquels il circule sont placés à l'exté- rieur de l'enveloppe du dispositif, o il se produit déjà un refroidissement grâce à l'air ambiant. Cette circulation réduite est également obtenue en courtcircuitant partiellement l'agent réfrigérant à travers l'élément tubulaire non conducteur 20 formant pont qui est placé vers la partie arrière des barres 7 et 8. Ainsi, selon l'invention, il est possible de concevoir un dispositif d'apport de chaleur compact avec une structure mécanique dans laquelle est monté un circuit électrique résonnant ayant un facteur de mérite élevé, dont la partie inductive est constituée par le seul inducteur 2 et dont la partie capacitive est constituée par une pluralité de condensateurs de haute qualité, ce cir- cuit présentant une faible résistance électrique. A la place des condensateurs au mica, notamment utilisés pour leurs bonnes performances, il est aussi possible de prendre des condensateurs de n'importe quel autre type montés en parallèle, tels que des condensateurs 21 illustrés à la figure 4, ou éventuellement d'autres composants agissant comme condensateurs, mais en prenant de préférence des composants de bonne qualité. L'inducteur 2 comporte une ou deux spires dont les dimensions sont adaptées aux soudures à réaliser, et elles sont positionnées et montées par rapport aux conduits de liaison 18, de la manière la plus appropriée pour l'utilisation qui doit en être faite. Le dispositif d'apport de chaleur est logé dans un boîtier qui a une structure simple et qui ne renferme qu'un nombre limité de composants, si bien qu'elle pourra être facilement modifiée Ce boîtier sera avantageusement équipé de moyens de fixation sur l'un quelconque de ses côtés, de manière à pouvoir le monter dans n'importe quelle position en fonction de la structure et des mouvements de l'équipement sur lequel le boîtier sera monté. Enfin, l'équipement du dispositif d'apport de chaleur est complété par un ensemble de circuits de con- tr 8 le de la puissance débitée, des durées de fonctionne- ment à pleine puissance, des températures obtenues, de la pression du fluide réfrigérant,, ces circuits non spécifiques de l'invention n'étant pas décrits. REVENDICATIONS 1. Dispositif inductif compact d'apport de chaleur pour réaliser de petites soudures sur des pièces métalliques, utilisé en particulier dans le domaine de lunetterie et plus généralement dans le domaine des minisoudures, le dispositif étant muni à sa partie arrière et/ou latérale de connexions pour un câble électrique de liaison à un générateur et pour des conduits de liaison à une source réfrigérante, caractérisé en ce qu'il com- prend un dispositif électrique ( 1) avec une partie capa- citive ( 6) associée à un circuit électrique résonnant à fréquence moyenne, et un inducteur de soudage ( 2) en saillie à sa partie avant, l'inducteur ( 2) étant à une ou deux spires et forme la partie inductive du circuit résonnant. 2. Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'il comprend deux barres conductrices creu- ses ( 7, 8) placées côte-à-côte, sans être en contact l'une avec l'autre, et électriquement reliées par les éléments capacitifs ( 11) de la partie capacitive ( 6) du circuit résonnant. 3. Dispositif selon la revendication 2, carac- térisé en ce que deux barres conductrices ( 7, 8) sont reliées entre elles, à leur partie avant, par deux élé- ments tubulaires ( 18) en matériau électriquement conduc- teur qui se terminent par l'inducteur de soudage ( 2) formé d'une ou deux spires constituant la partie inductive du circuit résonnant. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend un petit pont tubulaire ( 20) en un matériau électriquement conducteur placé près de la partie avant des barres ( 7, 8) pour courtcircuiter une partie du fluide réfrigérant. 5. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 2 à 4, caractérisé en ce que plusieurs groupes de condensateurs ( 11) sont montés entre les barres ( 7, 8) suivant un montage parallèle. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que plusieurs condensateurs ( 11) au mica montés en parallèle sont reliés aux barres ( 7, 8) par des tôles fines ( 10) de connexion et de support. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est logé dans un boîtier muni de moyens de fixation pour le monter par l'une quelconque de ses faces sur un bras d'un équipement utilisateur.