Brevet FR2701880A1 — publié le 19940902

Appareil et procédé pour un soudage en intervalle étroit. La présente invention concerne un appareil et un procédé pour un soudage en intervalle étroit utilisant un équipement de soudage comportant une buse secondaire de soufflage de gaz qui fournit une large enveloppe d'un gaz de protection exempt de turbulence sur le bain soudure depuis l'extérieur de l'intervalle ou rainure de soudure. Le soudage en intervalle étroit est un terme appliqué au soudage dans un intervalle ou rainure en forme de V qui est formé entre les pièces devant être assemblées et qui présente un angle inclus étroit Cette technique est également appelée, spécialement en Europe, soudage en intervalle étroit Bien qu'il n'existe aucune définition précise du terme "étroit", le soudage avec un intervalle ou rainure présentant un angle inclus d'environ 500 et certainement moins qu'environ 200 est considéré comme étant un soudage en intervalle étroit Les avantages évidents du soudage en intervalle étroit réside dans le fait qu'un soudage moins important est nécessaire et qu'il est par conséquent exécuté plus rapidement et fait appel à moins de soudure La mise en oeuvre de cette technique n'a toutefois pas été satisfaisante dans les applications de soudage sur place. Un inconvénient important des procédés actuels de soudage en intervalle étroit est qu'ils nécessitent un matériel spécialisé Un tel dispositif est décrit et représenté dans la demande de brevet japonais -81086 Ce dispositif contient des buses de protection spécialisées que l'on insère dans l'intervalle de soudage ainsi qu'une jupe métallique qui vient en contact avec la surface de la pièce à souder Ce dispositif apporte des limites à ce que l'opérateur voit du bain de soudure et doit être conçu sur mesure pour diverses géométries de pièces. Il existe un besoin pour un appareil et un procédé perfectionnés de soudage en intervalle étroit, pouvant être utilisés avec des torches de soudage classiques et être mis en oeuvre facilement. Eu égard à cet objectif, la présente invention réside dans un appareil pour souder des pièces assemblées l'une à l'autre en étant séparées par un intervalle ou rainure de soudage étroit présentant une ouverture d'une largeur prédéterminée, cet appareil comprenant une torche de soudage et une électrode de soudage s'étendant depuis la torche de soudage, cet appareil comprenant une buse primaire entourant l'électrode au niveau de la torche et sensiblement au-dessus de l'intervalle ou rainure de soudage étroit, une buse secondaire entourant la buse primaire et ayant une largeur supérieure à la largeur prédéterminée de l'ouverture de l'intervalle ou rainure de soudage étroit, et un moyen de distribution de gaz fournissant un premier flux d'un gaz de protection à la buse primaire qui dirige ce premier flux de gaz de protection le long de l'électrode depuis un point situé sensiblement au-dessus de l'intervalle ou rainure de soudage étroit, et fournissant un second flux de gaz de protection à la buse secondaire qui dirige ce second flux de gaz de protection le long de la buse primaire et de l'électrode autour du premier flux de gaz de protection, le second flux de gaz de protection étant au moins aussi large que la largeur prédéterminée de l'ouverture de l'intervalle ou rainure de soudage étroit La présente invention permet d'obtenir une large enveloppe d'un gaz de protection qui assure une protection efficace pour réaliser des soudures profondes en intervalle étroit Cette large enveloppe de gaz de protection est suffisamment stable pour pouvoir être utilisée à la réalisation des soudures de ce type Aucun bloc de torche ou électrode spécial n'est nécessaire La vue de l'opérateur vers le bain de soudure n'est pas gênée par l'appareil dans l'intervalle de soudure étroit. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description donnée ci-après de modes de réalisation préférés pour lesquels on se référera aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en élévation frontale d'une extrémité avant d'une machine de soudage mécanisée comprenant le dispositif selon la présente invention; la figure 2 est une vue en élévation latérale suivant 2-2 de la figure 1; la figure 3 est une vue en plan de l'ensemble d'extrémité avant représenté sur la figure 1; la figure 4 est une vue en plan d'une moitié d'une buse secondaire de soufflage de gaz qui fait partie de l'ensemble de l'extrémité avant représentée sur les figures 1-3; la figure 5 est une vue de côté telle qu'elle apparaît quand on regarde dans la moitié de la buse secondaire représentée sur la figure 4; la figure 6 est une vue de dessous de la moitié de la buse secondaire représentée sur les figures 4 et 5; la figure 7 est une coupe d'une pièce à souder préparée pour un soudage en intervalle étroit et montrant l'appareil de soudage de l'invention en place pour un soudage; la figure 8 est une vue en plan d'une monture pour la buse secondaire de soufflage de gaz; la figure 9 est une vue de côté de la monture de la figure 8; la figure 10 est une vue en plan du porte-filtre femelle destiné à la buse secondaire; la figure 11 est une coupe longitudinale à travers l'intervalle étroit de la figure 7; la figure 12 est une vue de côté de la moitié d'un second mode de réalisation de la buse secondaire de gaz; la figure 13 est une coupe verticale à travers la buse secondaire de la figure 12 suivant 13-13 de cette dernière; la figure 14 est une vue de côté d'un montant de dispositif de manipulation selon la présente invention; la figure 15 est une vue d'extrémité du montant du dispositif de manipulateur de la figure 14; et la figure 16 est une vue éclatée d'un dispositif de manipulation manuelle de flux de soudage selon la présente invention. On va décrire l'invention dans son application à un appareil de soudage mécanisé et dans son utilisation avec un tel appareil bien que l'on comprendra que l'invention peut aussi être appliquée à un appareil de soudage manuel Une importante caractéristique de l'invention réside dans le fait qu'elle peut être appliquée à une grande diversité d'appareils de soudage classiques dont on dispose communément. En se référant aux figures 1 à 3, on voit que l'ensemble 1 de l'extrémité avant comporte un support 3 servant à fixer et à supporter l'ensemble d'extrémité avant sur un mécanisme de propulsion (non représenté à de l'appareil de soudage motorisé Le coeur de l'ensemble 1 d'extrémité avant est un bloc 3 de torche qui supporte et alimente en énergie une électrode de soudage 5 Une tête arrière 7 coopère avec une pince de serrage (non représentée) à l'intérieur du bloc 3 de torche pour serrer l'électrode en vue d'une extension sélective de cette électrode vers le bas depuis le bloc de torche. Le bloc 3 de torche fournit l'énergie électrique à l'électrode 5 L'énergie électrique est fournie au bloc 3 de torche par l'intermédiaire d'un câble 9 de torche Le câble 9 de torche contient également des conduits (non représentés) qui font circuler de l'eau de refroidissement à travers le bloc 3 de torche pour évacuer la chaleur engendrée à l'intérieur de ce bloc de torche Le bloc 3 de torche est monté par l'intermédiaire d'un bloc isolant 11 sur un support 13 de montage de torche Le support de montage 13 est supporté par un ensemble motorisé 15 à axe vertical (ensemble MVAA) qui soulève et abaisse l'ensemble 1 d'extrémité avant, comme on peut le voir sur les figures 2 et 3 pour régler la longueur de l'arc créé par l'électrode pendant le soudage L'ensemble MVAA 15 est supporté, à son tour, par un support de montage 17 qui fixe l'ensemble 1 d'extrémité avant à un mécanisme de propulsion (non représenté) de l'appareil de soudage motorisé Comme il est connu dans la technique, l'ensemble 1 d'extrémité avant procure de nombreux degrés de liberté pour régler la position et l'orientation de l'électrode 5 par rapport aux pièces à souder. Le bloc 3 de torche fournit également un gaz de protection pour l'opération de soudage Ce gaz de protection est amené jusqu'au bloc 3 de torche par un conduit 19 situé à l'intérieur du câble 9 de torche De façon typique, on utilise de l'argon comme gaz de protection inerte Ce premier flux de gaz de protection est dirigé par une buse primaire 21 le long de l'électrode 5 Le premier flux de gaz de protection est fourni à la buse primaire 21 par l'intermédiaire d'une buse classique 23 qui s'étend vers le bas autour de l'électrode 5 depuis le bloc 3 de torche La buse primaire 21 est tubulaire et comporte un filetage intérieur destiné à être vissé sur la buse classique 23. Les parties de l'ensemble 1 d'extrémité avant décrites jusqu'ici sont classiques et bien connues dans la technique Pour adapter ce matériel de soudage classique à un soudage en intervalle étroit, une buse secondaire 25 est utilisée Cette buse secondaire 25 entoure la buse primaire 21 Comme on peut le voir sur les figures 4 à 6, la buse secondaire 25 est formée, dans un mode de réalisation préféré, de deux demi-corps 27 qui sont réunis à une ligne de partage centrale 29 s'étendant longitudinalement Chaque demi-corps 27 comporte une paroi d'extrémité 31 munie d'une partie centrale surélevée 33 comportant un trou semi-circulaire 35 qui la traverse Ces parois d'extrémité comportent des passages transversaux 37 qui sont intersectés par un trou longitudinal obstrué 39 Le demi-corps droit 27 représenté sur les figures 3 à 6 comporte une paire de trous filetés 41 ménagés dans la paroi latérale 43 et communiquant avec les passages transversaux 37 Comme on peut le voir sur la vue de dessous de la figure 6, de minces portions 43 de la paroi d'extrémité 31 comportent un grand nombre de petites ouvertures 45 qui relient mutuellement les passages transversaux 37 et les trous longitudinaux 39 avec une chambre d'écoulement principale 47 Comme on peut le voir sur les figures 2 et 3, une paire de tuyaux souples 49 sont raccordés par des raccords 51 vissés dans les trous 41 pour amener un gaz inerte supplémentaire qui circule à travers les passages transversaux 37 et les trous longitudinaux 39 et diffuse dans la chambre d'écoulement principale 47 à travers les ouvertures 45. Les deux demi-corps 27 de la buse secondaire 25 sont assemblés le long de la ligne de partage 29 par des vis 53 La buse secondaire assemblée glisse sur la buse primaire 21 qui s'étend à travers les trous semi- circulaires 35 placés en regard l'un de l'autre La buse secondaire est maintenue en place par une monture 55 Cette monture, que l'on peut voir plus clairement sur les figures 8 et 9, comporte une plaque de base carrée 57 qui est pourvue d'une ouverture circulaire 59 en son centre et qui est fixée aux parties surélevée 33 des demi-corps 27 par des vis 61 Un collier de serrage 63 est fixé en 65 à la plaque de base 57 Un boulon 67 enfilé à travers les oreilles 69 du collier de serrage 63 fixe la buse secondaire 25 coaxialement autour de l'écran 71 ou de la buse primaire 23. La buse secondaire 25 comporte une buse d'amenée secondaire 73 La buse d'amenée secondaire comprend des fibres 75 insérés entre un porte-filtre femelle 77 (voir figure 10) et un porte- filtre mâle 79 (voir figure 3) configurés de façon complémentaire La buse d'amenée 73 est fixée dans la chambre d'écoulement principale 47 à l'intérieur de la buse secondaire 25 par des vis 81 L'écoulement du gaz inerte supplémentaire à travers la buse d'amenée secondaire 73 produit un écoulement laminaire autour du flux laminaire de gaz de protection produit par la buse primaire 21 et sa buse d'amenée 23. La figure 7 montre les parties concernées de l'appareil de soudage de l'invention en place pour effectuer une soudure en intervalle étroit Les pièces soudées 83 et 85 devant être assemblées sont préparées de manière à former un intervalle ou rainure étroit 87 à l'endroit o elles sont réunies l'une à l'autre Chaque côté de l'intervalle 87 forme un angle A/2, les deux angles formant un angle inclus A Dans la pièce à souder représentée à titre d'exemple, cet angle indu A est d'environ 6 Comme on l'a décrit ci-dessus, les intervalles ou rainures étroits forment, d'une façon générale, un angle inclus allant d'une valeur inférieure à environ 20 jusqu'à 50 Comme représenté sur la figure 7, l'ensemble d'extrémité avant est positionné de telle sorte que l'électrode 5 s'étende jusque dans l'intervalle étroit 87, la buse primaire 21 et la buse secondaire 25 se trouvant juste au- dessus de la surface supérieure 89 des pièces à souder 83, 85 Comme on peut le voir sur la figure 11, qui est une vue longitudinale à travers l'intervalle étroit 87 représenté sur la figure 7, l'électrode 5 engendre un arc qui fait fondre le fil de soudage 91 pour former un bain de soudure 93. Le gaz de protection pour les opérations de soudage est fourni par un système 95 distribution de gaz qui comprend le conduit 19 amenant le gaz jusqu'à la buse primaire 21 et les tuyaux souples 49 amenant le gaz protection supplémentaire jusqu'à la buse secondaire L'écoulement laminaire du gaz de protection depuis la buse primaire 21 est représenté sur les figures 7 et 11 par les flèches P et est entouré par un flux de gaz d'un second diamètre en provenance de la buse secondaire 25 indiqué par les flèches S Ces flux de gaz combinés P et S forment une vaste enveloppe de flux de gaz laminaire qui assurent la présence effective d'un gaz de protection pour des soudures profondes en intervalle étroit. La buse secondaire 25 de grande dimension comporte une ouverture d'écoulement 97 dont la superficie est au moins égale à trois fois, et de préférence de quatre et dix fois la superficie de section transversale de l'ouverture d'écoulement 99 de la buse primaire 21 De plus, le débit du second flux de gaz en provenance de la buse secondaire 25 est égal à au moins deux fois, et de préférence de 2,5 à fois, le débit du flux de gaz provenant de la buse primaire 21 selon le diamètre de cette buse primaire De façon caractéristique, la buse primaire présente un débit d'environ 1,13-1,98 m 3/h tandis que le débit de la buse secondaire est d'environ 4,25-8,50, mais de préférence de ,66-7,08 m 3/h Bien entendu, les débits spécifiques des gaz sont rapportés à la dimension des ouvertures d'écoulement des buses respectives Toutefois, ces chiffres ne représentent qu'à titre d'exemple des débits relatifs appropriés Un point important est que le flux de gaz de protection soit laminaire et que l'on obtienne à coup sûr de bonnes soudures. Dans la réalisation de soudures profondes en intervalle étroit, il est préférable que la buse secondaire rectangulaire ait des côtés adjacents de longueurs inégales, comme représenté sur les figures 1-7. Toutefois, pour des soudures moins profondes en intervalle étroit, la buse secondaire rectangulaire peut être carrée. Un exemple d'un corps 101 de buse secondaire carrée 103 est représenté sur les figures 12 et 13 Chaque demi-corps 101 comporte un trou transversal 105 dont les ouvertures 107 débouchent dans la chambre d'écoulement principale 109 Une plaque formant tamis ou filtre 111 logée dans une rainure 113 du demi-corps 101 retient une laine d'acier à l'intérieur de la buse secondaire 103 pour former une buse d'amenée de gaz en vue d'un écoulement laminaire. En examinant de nouveau les figures 1-3, on voit que l'ensemble 1 d'extrémité avant supporte également un dispositif 117 de manipulation de fil de soudure Ce dispositif 117 comprend un ensemble 119 de buse d'amenée de fil à travers laquelle le fil de soudure est avancé vers l'électrode 5 Cet ensemble 119 de buse d'amenée de fil est supporté par un porte-buse 121 Ce porte-buse 121 est suspendu à son tour par un montant unique 123 de manipulateur, comme représenté sur les figures 14 et 15 Ce montant 123 est une tige de section carrée comportant un filetage 124 uniquement sur ses arêtes et qui, comme décrit ci-après, empêche une contre-rotation du montant pendant son extension et son rappel Le montant 123 de manipulateur s'étend en travers un boîtier 125 et engrène avec un pignon 127 qui est logé dans le boîtier Ce pignon 127 comporte une ouverture filetée 128 qui se visse sur l'extrémité de la tige 123 de manipulateur pour soulever et abaisser la tige et, de ce fait, l'ensemble 119 de buse d'amenée de fil Le pignon 127 est entraîné en rotation par une vis sans fin 129 couplé à l'arbre de sortie d'un moteur 131 qui peut être actionné pour positionner automatiquement l'ensemble de buse 119 verticalement Un second moteur 133 fait tourner de façon sélective l'arbre carré 123 de manipulateur autour de son axe. La figure 16 est une vue éclatée d'un mode de réalisation du dispositif de manipulation de fil Ce dispositif manuel de manipulation comprend un support 137 qui est monté sur le bloc de torche Le support 137 supporte des dispositifs manuels identiques de manipulation 135 sur chaque côté du bloc de torche Du fait que ces dispositifs manuels de manipulation sont identiques, un seul sera décrit. Le support 137 comporte un bras 139 pourvu d'un trou 141 qui le traverse et qui forme un logement Comme on peut le voir sur les figures 14 et 15, le montant carré 123 de dispositif de manipulation comporte un filetage 124 sur ses arêtes Ce montant carré coulisse à travers une ouverture carrée formée dans un coussinet cylindrique 145 en laiton qui est emboîté à la presse dans un cylindre formant pivot 147 Un palier fendu inférieur 149 qui porte contre un rebord 151 se trouvant sur l'extrémité inférieure du cylindre de pivotement 147 et un palier supérieur 151 fixé par un bague élastique 153 qui est logé dans une gorge 155 du cylindre 147 verrouille ce cylindre dans le trou 141. Un bouton 157 comportant un trou fileté 159 dans lequel se visse le montant 123 de dispositif de manipulation comporte une gorge 161 qui est enserrée par les deux moitiés 163 d'une plaque de verrouillage fixée par des vis 165 au bras 139 pour emprisonner le bouton 157 Une rotation du bouton emprisonné 157 soulève et abaisse le montant 123 de dispositif de manipulation Le montant 123 a une longueur suffisante pour assurer l'extension complète en vue de soudures profondes Ceci est un perfectionnement remarquable sur les dispositifs de manipulation actuellement disponibles qui comportent de courtes tiges nécessitant de changer les tiges du dispositif de manipulation à mesure qu'est réalisée la soudure. Un réglage angulaire de l'ensemble 119 de buses de dispositif de manipulation autour des axes du montant 123 de dispositif de manipulation est obtenu à l'aide d'un dispositif de réglage 167 Ce dispositif de réglage comprend un levier coudé 169 articulé sur le bras 139 par une vis 171 et fixé par une vis 173 à une manivelle 175 qui fait saillie à travers le trou latéral 177 du bras 139 La tige d'actionnement 179 est vissée, à l'une de ses extrémités, dans le levier coudé 169 et, à son autre extrémité, traverse un boulon à oeil 181 en laiton et est retenue dans un bouton 183 par une goupille 185 Le boulon à oeil 181 est monté de façon pivotante sur un rebord 187 du bras 139 par une vis 189 La rotation du bouton 183 entraîne la rotation du cylindre de pivotement 147 qui fait tourner le montant carré 123 de dispositif de manipulation pour régler la position angulaire de l'ensemble 119 de buse. Pour plus de détails, on se reportera à la description correspondante de la demande de brevet US N O 08/023 794 Il est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1 Appareil pour souder des pièces ( 83, 85) assemblées l'une à l'autre en étant séparées par un intervalle de soudage étroit ( 87) présentant une ouverture de largeur prédéterminée, comprenant une torche de soudage ( 3) et une électrode de soudage ( 5) s'étendant depuis la torche de soudage ( 3), caractérisé en ce qu'il comprend une buse primaire ou tuyère ( 21) entourant l'électrode ( 5) au niveau de torche ( 3) et sensiblement au-dessus de la surface supérieure ( 89) des pièces ( 83, 85), une buse secondaire ( 25) entourant la buse primaire ( 21) et ayant une largeur supérieure à la largeur prédéterminée de l'ouverture de l'intervalle de soudage étroit, et un moyen ( 95) de distribution de gaz fournissant un premier flux d'un gaz de protection (P) à la buse primaire ( 21) qui dirige ce premier flux de gaz de protection le long de l'électrode ( 5) depuis un point situé sensiblement au-dessus de la surface supérieure ( 89) des pièces ( 83, 85) et fournissant un second flux de gaz de protection (S) à la buse secondaire ( 25) qui dirige ce second flux de gaz de protection (S) le long de la buse primaire ( 21) et de l'électrode ( 5) autour du premier flux de gaz de protection (P), le second flux de gaz de protection ($) étant au moins aussi large que la largeur prédéterminée de l'ouverture de l'intervalle de soudage étroit. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse primaire ( 21) a une section circulaire d'une façon générale et la buse secondaire ( 25) a une section rectangulaire d'une façon générale et est montée de façon sensiblement coaxiale par rapport à la buse primaire ( 21). 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse primaire ( 21) comporte une ouverture d'écoulement de gaz ayant une première superficie de section transversale et la buse secondaire ( 25) présente une ouverture d'écoulement de gaz ayant une seconde superficie de section transversale qui est au moins égale à environ trois fois la première superficie de section transversale. 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le flux de gaz (P) arrive de la buse primaire ( 21) à un premier débit et le flux de gaz (S) arrive-de la buse secondaire ( 25) à un second débit qui est égal à au moins environ deux fois le premier débit précité. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen ( 117) de manipulation de fil s'étendant jusque dans l'intervalle de soudage étroit ( 87) pour avancer le fil de soudage ( 91) jusqu'à l'électrode ( 5) - 6 Procédé pour souder des pièces ( 83, 85) assemblées l'une à l'autre en étant séparées par un intervalle de soudage étroit ( 87) comprenant l'insertion d'une électrode excitée ( 5) dans l'intervalle de soudure étroit ( 87) et l'avance du fil de soudage ( 91) en direction de l'électrode ( 5) pour former un bain de soudure ( 93) dans l'intervalle de soudure étroit ( 87), caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant: à diriger un flux primaire d'un gaz de protection inerte (P) autour de l'électrode ( 5) en direction du bain de soudure ( 93) depuis un point situé sensiblement au-dessus de la surface supérieure ( 89) des pièces ( 83, 85), et à diriger un flux secondaire de gaz de protection inerte (S) ayant une largeur au moins aussi grande que la largeur de l'ouverture de l'intervalle de soudure étroit ( 87) coaxialement autour du flux primaire (P) en direction du bain de soudure ( 93) depuis un point situé sensiblement au-dessus de la surface supérieure ( 89) des pièces ( 83, 85). 7 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flux primaire (P) présente une première superficie de section transversale et le second flux (S) présente une seconde superficie de section transversale qui est égale à au moins environ trois fois ladite première superficie de section transversale. 8 Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le flux primaire (P) s'écoule à un premier débit et le flux secondaire (S) s'écoule à un second débit qui est égal à au moins environ deux fois ledit premier débit.