Brevet FR2708500A1 — publié le 19950210

"Robot de soudage" L'invention se rapporte à un robot de soudage, en particulier pour le soudage automatique de tubes cintrés en spirale pour la fabrication de tuyères de révolution pour des propulseurs, comprenant un agencement détecteur explorant l'allure et la géométrie de section, en particulier la largeur de l'intervalle de joint entre les pièces à souder, avec une unité d'exploitation produisant des signaux de positionnement ainsi qu'un dispositif de réglage commandé par des signaux de réglage, réglant de façon variable les paramètres de soudage (vitesse de soudage et puissance de soudage) et faisant suivre à la tête de soudage l'allure de l'intervalle de joint de façon réglable suivant plusieurs axes. On connaît des robots de soudage avec un agencement détecteur optique à laser qui fait suivre à la tête de soudage de façon adaptative l'allure dans l'espace de l'intervalle de joint et par lequel, au commencement ou à la fin d'un cordon, la commande de tête de soudage est automati- quement modifiée en vue de la réalisation de soudures à recouvrement ou soudures multiples. De tels robots de soudage qui travaillent avec une commande pure de positionnement et répétition rigide d'un processus de soudage une fois établi, sans pouvoir compenser des perturbations inévitables dans le déroulement du soudage, conduisent cependant, lors du soudage de pièces avec une géométrie irrégulière de l'intervalle de joint, en particulier de tubes de faible épaisseur, à réunir en faisceau en spirale, par exemple pour des tuyères à refroidissement par régénération de propulseurs, à la formation d'un cordon de soudure très irrégulier avec, par rapport à la longueur efficace du cordon, des défauts de soudure fréquents dont la cause réside dans des dimensions localement trop faibles ou excessives du bain fondu dans la zone des arêtes des pièces. Par contre, sur les robots connus de soudage automatique du type défini ci-dessus, on procède, en plus de la commande de soudage cinématique, en vue d'une meilleure qualité de soudage, également à une intervention sur le processus de soudage lui-même de telle manière que non seulement l'allure de l'intervalle de joint, mais également la géométrie de l'intervalle de joint ou cordon de soudure soient détectées en continu pendant l'opération de soudage, pour adapter les paramètres de soudage essentiels tels que la vitesse de parcours de soudage ou l'intensité du courant de soudage, aux conditions de soudage locales et maintenir ainsi les caractéristiques de la soudure telles que la largeur du cordon de soudure, la surépaisseur du cordon de soudure ou la profondeur de pénétration de fusion, indépendamment des grandeurs perturbatrices, à des valeurs de consigne prédéter- minées. La conversion des valeurs de mesure du détecteur en ordre de réglage correspondants des paramètres de soudage s'effectue alors de façon assistée par ordinateur à l'aide d'unités de régulation ou de commande sur la base d'algo- rithmes de régulation, de modèle non linéaires ou de diagram- mes caractéristiques multidimensionnels, modifiés sur la base des signaux de détecteur, ce qui, en raison de la complexité du processus de soudage, implique la mise en oeuvre de moyens matériels et de calcul tels que dans la pratique, la commande de processus de soudage est limitée, au dépens d'une qualité de soudage réduite, à un ou tout au plus un faible nombre de paramètres de soudage variables, par exemple l'intensité du courant de soudage et/ou la vitesse d'alimentation en fil, et la vitesse de parcours de soudage, en raison d'une exploita- tion en temps réel des signaux, doit généralement être maintenue nettement en-dessous de la valeur maximale possible du point de vue technique de soudage. La présente invention a pour but de réaliser un robot de soudage du type défini ci-dessus de manière à obtenir, même dans des conditions de soudage difficiles, et surtout pour des géométries fortement irrégulières de l'intervalle de joint, une qualité de soudage élevée moyen- nant une mise en oeuvre réduite d'appareillage et de calcul et avec utilisation complète de la vitesse de parcours de soudage maximale possible du point de vue technique de soudage. Ce but est atteint par un robot de soudage du type défini ci-dessus, par le fait que l'unité d'exploitation comprend une mémoire de données avec une multitude d'ensem- bles de données de paramètres de soudage préétablis pour des géométries différentes de section de l'intervalle de joint, et un étage de commande sélectionnant, en fonction de la géométrie déterminée de l'intervalle de joint, pendant le processus de soudage, l'ensemble de données de paramètres de soudage commandant le dispositif de réglage. Sur le robot de soudage conforme à l'invention, l'exploration des pièces est limitée à un faible nombre de signaux de mesure caractérisant la géométrie de l'intervalle de joint, y compris la largeur de l'intervalle de joint, signaux qui sont convertis, sans opération de calcul compli- quées et longues, en passant par un appel de données simple du point de vue technique de calcul, en ordre de commande correspondant du processus de soudage, ce qui permet d'assu- rer une adaptation automatique et précise en temps réel de tous les paramètres de soudage essentiels pendant le proces- sus de soudage en cours et de ce fait, une qualité de soudage élevée, sans qu'il ne soit nécessaire, en raison d'une exploitation retardée des signaux, de maintenir la vitesse de parcours de soudage à une valeur inutilement faible en vue de l'assurance de qualité. Suivant un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, on explore, en plus de la largeur de l'intervalle, également la forme des arêtes de l'intervalle de joint et on l'introduit dans la régulation des paramètres de soudage de telle manière que lors de l'exploration d'un changement de contour des arêtes des pièces, le processus de soudage automatique se trouve, en vue d'une assurance de qualité accrue, soit interrompu, soit poursuivi, par appel d'un ensemble de données de paramètres de soudage modifié en conséquence, par exemple avec un autre intervalle électrode- pièce et/ou avec une autre intensité de courant de soudage. Egalement pour des raisons d'une assurance de qualité accrue, il est avantageux de compenser un décalage en hauteur des arêtes des pièces par une réorientation correspondante de l'électrode de soudage, ce qui évite une répartition assymé- trique de l'arc électrique par rapport aux arêtes des pièces. En vue de l'obtention d'un agencement détecteur de structure simple et robuste et simultanément de haute précision de mesure, l'intervalle de joint est exploré de préférence par voie optique, à savoir avantageusement par un faisceau de rayon laser orienté transversalement à l'inter- valle de joint, un transmetteur de valeur de mesure détermi- nant les données de section de l'intervalle de joint étant prévu pour l'exploitation des signaux. Les ensembles de données de paramètres de soudage prédéterminés avant le début du processus de soudage automatique par voie expérimentale sur des échantillons de pièces comprennent des ordres de réglage, non seulement pour l'intensité du courant de soudage et la vitesse de parcours de soudage, mais de préférence également pour l'intervalle électrode-pièce et une amenée de matériau d'apport activé en fonction de l'intervalle de joint pour un soudage à l'arc sous gaz protecteur. Il est alors recommandé de déterminer par l'agencement de détecteur en plus le degré de réflexion dans la zone des arêtes de l'intervalle de joint et de faire intervenir dans les ensembles de données de paramètres de soudage, un ordre de réglage de gaz protecteur défini en fonction du degré de réflexion déterminé. Pour le contrôle visuel du cordon de soudure pendant le processus de soudage en cours, il est avantageux de prévoir une caméra vidéo fixée à la tête de soudage. Suivant un mode de réalisation particulièrement préféré de l'invention, le circuit d'alimentation en courant comprend un dispositif de surveillance répondant à des valeurs limites de tension de soudage supérieure et infé- rieure, dispositif par lequel une source fréquente d'erreurs de soudage dont la cause se trouve dans une usure excessive de l'électrode ou dans des éclaboussures de matériau adhérant à la pointe de l'électrode et par conséquent dans des valeurs de tension de soudage inadmissibles, est éliminée efficace- ment d'une manière particulièrement simple du point de vue structure. En se référant aux dessins annexés, on va décrire ci-après plus en détail un exemple de réalisation de l'inven- tion; sur les dessins: la figure 1 représente un système de robot pour le soudage automatique d'une tuyère de propulseur à structure en spirale; la figure 2 est une vue partielle en perspective de la tête de soudage et de détection combinée; les figures 3a à 3d illustrent quelques sections différentes d'intervalles de joint et les positions corres- pondantes réglées de l'électrode de soudage; la figure 4 représente une caractéristique du système de robot composée d'ensembles de données de paramè- tres de soudage prédéterminées par voie expérimentale, échelonnées en gradin en fonction de la largeur de l'inter- valle de joint; et la figure 5 représente une allure typique de l'intervalle de joint avec une géométrie irrégulière de l'intervalle de joint et avec un réglage modifié en consé- quence des paramètres de soudage. Le système de robot illustré sur les dessins sert au soudage automatique de tubes 2 cintrés en spirale qui, en vue de la fabrication d'une tuyère de révolution de propul- seur, à refroidissement par régénération, sont fixés étroite- ment côte-à-côte en faisceau, au moyen d'un bandage de fil 6, sur un noyau de montage 4 pouvant être positionné par moteur dans sa position angulaire autour de l'axe longitudinale L et sont réunis entre eux par soudage à l'arc sous la forme d'une structure de tuyère rigide. A cet effet, le bandage de fil 6 est déroulé pas à pas à l'aide d'un tambour de dévidage de fil 8 entraîné par moteur, avec moment de maintien réglable et unité de déviation 10 auto-réglable, et après chaque pas de déroulement, tous les tubes sont soudés entre eux sur la longueur de tubes chaque fois libérée, à l'endroit de leurs arêtes voisines, de telle manière que des tronçons de cordon de soudure successifs se recouvrent dans la direction longitudinale des tubes, jusqu'à ce que finalement, tout le faisceau de tubes soit muni de cordons de soudure s'étendant de façon continue depuis les extrémités avant jusqu'aux extrémités arrière des tubes. Le robot de soudage qui se charge de la commande de soudage automatique comprend une commande 12 de positionne- ment en rotation et en translation suivant plusieurs axes par rapport au faisceau de tubes, avec une tête de soudage 16 portant l'électrode de soudage 14 et une tête d'exploration 18 optique qui est fixée à la tête de soudage et qui se compose selon la figure 2 d'une source de lumière laser 22 produisant un faisceau de lumière laser 20 orienté transver- salement à la direction d'avance de soudage R et d'une caméra à couplage de charges (CCD) orientée sur le faisceau de lumière laser 20, caméra dont les signaux d'images sont amenés à une unité d'exploitation de signaux désignée dans son ensemble par la référence 26 et commandant, en passant par la commande de positionnement 12, les mouvements de la tête combinée de soudage et d'exploration 16, 18, y compris 1 'intervalle électrode-pièce, l'inclinaison de l'électrode et la vitesse d'avance de soudage ainsi qu'en passant par un étage de réglage 28, l'intensité du courant de soudage et un dispositif d'amenée 30 pour l'arrivée sélective de matière d'apport. L'unité d'exploitation 26 coordonne en outre les moteurs d'entraînement M pour le noyau de montage 4 et le tambour de dévidage 8 l'un avec l'autre et avec la commande de la tête de soudage 16. En vue du contrôle visuel du soudage, une caméra vidéo 32 orientée sur la surface du faisceau de tubes dans la zone de l'électrode 14 est fixée à la tête combinée de soudage et d'exploration 16, 18, et est suivie d'un écran 34 sur lequel l'opération de soudage peut être observée. L'unité d'exploitation 26 comprend un transmetteur de valeurs de mesure 36 qui, à partir des signaux de sortie de la tête d'exploration 18, reconnaît et fait une distinc- tion entre un cordon de soudure décelé par le faisceau de lumière laser 20 et un intervalle de joint entre les tubes 2 et envoie les coordonnées de lieu correspondantes de l'inter- valle de joint à un premier étage de commande 38 agissant sur la commande de positionnement 12 et les moteurs d'entraîne- ment M. De plus, le transmetteur de valeurs de mesure 36 détermine, à partir des signaux d'exploration de la tête d'exploration 18, les données essentielles de la section d'un intervalle de joint détecté, en particulier la largeur d'intervalle, la forme des arêtes et un éventuel décalage en hauteur des tubes 2 délimitant l'intervalle de joint, et fournit ces valeurs de mesure à un deuxième étage de commande couplé avec le premier étage de commande 38. Le deuxième étage de commande 40 contient une mémoire de données 42 dans laquelle sont mémorisés des ensembles de données de paramè- tres de soudage différents, prédéterminés expérimentalement pour différentes géométries d'intervalles de joint, parmi lesquels l'ensemble de données correspondant à chaque géométrie locale déterminée de l'intervalle de joint est appelé par l'étage de commande 40 en vue de la commande de l'étage de réglage 28 et, en passant par l'étage de commande 38 et la commande de positionnement 12, pour la commande de la vitesse d'avance de l'électrode de soudage 14 et le cas échéant pour la correction de la position de l'électrode, par exemple de l'inter valle électrode/pièce et/ou de l'inclinai son de l'électrode par rapport à l'intervalle de joint. Sur les figures 3a à 3d, on a représenté différen- tes géométries d'intervalle conjointement avec les position- nements correspondants de l'électrode. Selon la figure 3a, les tubes 2 délimitant latéralement l'intervalle de joint 44 ayant la largeur d'intervalle s présentent un contour extérieur à arêtes vives et lors du soudage, l'électrode de soudage 14 est guidée le long de l'intervalle de joint 44 avec une distance électrode pièce d, en position médiane et symétriquement par rapport à la section de l'intervalle de joint. Selon la figure 3b, les tubes 2 présentent des arêtes arrondies et l'intervalle de joint 44 présente une largeur d'intervalle s quelque peu accrue. L'électrode de soudage 14 est réglée sur un intervalle électrode pièce d modifié en conséquence, mais reste orientée en position centrale et symétriquement par rapport à l'intervalle de joint 44 lors de l'opération de soudage. Une autre configuration de section de l'intervalle de soudage 44, encore différente en ce qui concerne l'exploitation des signaux, est obtenue suivant la figure 3c dans le cas d'un contour extérieur polygonal des tubes et d'un intervalle de joint 44 s'élargissant en V vers le haut. En outre, un décalage en hauteur h entre les tubes 2 délimitant l'intervalle de joint (figure 3d) est pris en considération par le fait que l'électrode 14 est inclinée transversalement à la direction longitudinale de l'intervalle de joint vers le tube 2 situé plus bas, de sorte qu'elle soit orientée perpendiculairement et en position médiane sur la ligne de liaison entre les arêtes de tubes 46A, 46B délimi- tant l'intervalle de joint 44. La figure 4 montre une caractéristique de l'étage de commande 40 en fonction de la largeur locale s de l'inter- valle de joint pour une forme déterminée des arêtes des tubes, sans prise en considération d'un décalage en hauteur h intervenant dans le réglage des paramètres de soudage. La caractéristique se compose de divers ensembles de données de paramètres de soudage, échelonnés en fonction de plages de grandeur successives de la largeur s de l'intervalle de joint, ces ensembles de données contenant chacun une valeur de positionnement déterminée pour la vitesse d'avance de soudage Vs, la distance électrode pièce d, l'arrivée de matière d'apport ainsi que l'intensité de courant de base, la hauteur d'impulsions, la fréquence, et le rapport impulsions- intervalles du courant de soudage de l'arc électrique. Comme représenté, la vitesse d'avance Vs diminue d'abord avec l'accroissement de la largeur s de l'intervalle de joint, l'intensité du courant de soudage diminuant pas à pas entre l'ensemble de données 01 et 08 et le cordon de soudure étant réalisé sans matière d'apport, tandis que lors de l'augmenta- tion ultérieure de la largeur s de l'intervalle de joint, la soudure a de nouveau lieu selon l'ensemble de données 09, avec une intensité de courant de soudage accrue et une vitesse d'avance Vs plus élevée, mais toujours sans apport de matière, enfin, dans les modes de soudage 21 et 22, de la matière d'apport est ajoutée et la vitesse d'avance Vs et l'intensité de soudage sont réduites pas à pas. D'autres ensembles de données de paramètres de soudage (non représen- tés) contenus dans la mémoire de données 42 se rapportent, entre autre, au mode de recouvrement, la fin du cordon précédent étant fondue d'abord à l'arrêt en ensuite à une vitesse d'avance faible. Pour adapter l'arrivée de gaz protecteur à des encrassements possibles de surface des arêtes 46 des pièces, le degré de réflexion des zones de surface proches des arêtes est également déterminé par la tête d'exploration 18 et le transmetteur de valeur de mesure 36 et un paramètre de soudage supplémentaire est ajouté aux ensembles de données de paramètres de soudage, lequel contient un ordre de position- nement pour l'amenée de gaz protecteur, variant en fonction de la valeur de réflexion déterminée, de telle manière que l'arrivée de gaz protecteur soit activée selon le paramètre de soudage-degré de réflexion appelé, ou que le processus de soudage soit arrêté en cas d'encrassement trop fort des surfaces. Par l'ensemble de données de paramètres de soudage appelées chaque fois par l'unité de commande 40 en fonction des signaux de sortie du transmetteur de valeurs de mesure 36, les ordres de positionnement cinématiques, donc la vitesse d'avance Vs, l'intervalle électrode-pièce d et une éventuelle correction de position de l'électrode de soudage 44 (figure 3d), sont transmis à l'étage de commande 38 o ils sont convertis, lors de la poursuite de l'intervalle de joint 44, en signaux de positionnement correspondants pour l'élec- trode de soudage 14, tandis que les ordres de réglage pour l'intensité du courant de soudage, l'amenée de matière d'apport et l'amenée de gaz protecteur sont introduits par l'étage de commande 40 directement dans l'étage de réglage 28, et produisent un réglage correspondant du dispositif d'amenée 30 et des impulsions de courant de soudage. A l'unité de réglage 28 est associé un dispositif de surveil- lance 48 situé dans l'arrivée du courant de soudage à la tête de soudage 16 et répondant lorsque la tension de soudage devient supérieure ou inférieure à une valeur limite supé- rieure ou inférieure prédéterminée pour l'intensité de courant chaque fois réglée, comme c'est le cas par exemple lors d'une usure excessive de l'électrode ou lors du collage d'éclaboussures de matière à la pointe de l'électrode, suite à quoi le processus de soudage est interrompu par le disposi- tif de surveillance 48, en vue d'un changement d'électrode. Sur la figure 5, est représentée une allure typique d'un intervalle de joint 44 entre des tubes 2 voisins. Le système de robot décrit, non seulement fait en sorte que l'électrode de soudage 14 suive automatiquement l'intervalle de joint 44, mais encore que tous les paramètres de soudage essentiels sont automatiquement rajustés en temps réel en continu en fonction de la géométrie locale déterminée de l'intervalle de joint, comme cela est indiqué par les ensembles de données de paramètres de soudage ajoutés aux différentes sections d'intervalle de joint. REVENDICATIONS 1. Robot de soudage, en particulier pour le soudage automatique de tubes cintrés en spirale, pour la fabrication de tuyères de révolution pour propulseurs, comprenant un agencement détecteur explorant l'allure et la géométrie de section, en particulier la largeur de l'intervalle de joint entre les pièces à souder, avec une unité d'exploitation produisant des signaux de réglage, ainsi qu'un dispositif de réglage commandé en fonction de signaux de positionnement, réglant de façon variable les paramètres de soudage (vitesse de soudage et puissance de soudage) et faisant suivre à la tête de soudage l'allure d'un intervalle de joint de façon réglable suivant plusieurs axes, caractérisé par le fait que l'unité d'exploitation (26) comprend une mémoire de données (42) avec une multitude d'ensembles de données de paramètres de soudage (01... 22) préétablis pour des géométries différentes de section de l'intervalle de joint, et un étage de commande (40) sélec- tionnant, en fonction de la géométrie déterminée de l'inter- valle de joint, pendant le processus de soudage, l'ensemble de données de paramètres de soudage commandant le dispositif de réglage (12, 28). 2. Robot de soudage suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en plus de la largeur (s) de l'intervalle de joint, la forme des arêtes de l'intervalle de joint (44) est explorée et introduite dans les ensembles de données de paramètres de soudage (01... 22). 3. Robot de soudage suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la position en hauteur des arêtes (46) de l'intervalle de joint est explorée en continu et la position de la pointe de l'électrode de la tête de soudage est corrigée en conséquence pour compenser un écart de hauteur (h) des arêtes. 4. Robot de soudage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'agencement détecteur (18, 26, 36) comprend une tête d'exploration optique (18) suivie d'un transmetteur de valeur de mesure (36) déterminant les données de section de l'inter- valle de joint (44) à partir des signaux de détection. 5. Robot de soudage suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que la tête d'exploration (18) est une tête à lumière laser. 6. Robot de soudage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les ensembles de données de paramètres de soudage (01... 22) comprennent chacun des valeurs de réglage pour l'intensité de courant de soudage, la vitesse d'avance de soudage (Vs), l'intervalle électrode-pièce (d) et une amenée de matière d'apport (30) activée en fonction de l'intervalle de joint, pour un soudage à l'arc sous gaz protecteur des pièces (2). 7. Robot de soudage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le degré de réflexion dans la zone des arêtes (46) de l'inter- valle de joint est déterminé par l'agencement détecteur (18, 26, 36) et que les ensembles de données de paramètres de soudage (01... 22) contiennent chacun un paramètre de réglage de gaz protecteur appelé en fonction du degré de réflexion déterminé. 8. Robot de soudage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'une caméra vidéo (32) portée par la tête de soudage (18) est prévue pour le contrôle visuel du soudage. 9. Robot de soudage suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un dispositif de surveillance (48) répondant à une valeur limite supérieure et à une valeur limite inférieure de la tension de soudage.