Brevet FR2756201A1 — publié le 19980529

La présente invention concerne les procédés de soudage à l'arc en courant pulse', et plus particulièrement les procédés de soudage à l'arc en courant pulsé sous flux gazeux avec fil fusible. De façon générale, les procédés de soudage à l'arc sous flux gazeux avec fil fusible consistent à faire jaillir un arc électrique entre les tôles à souder et un fil de soudage fusible. Le fil fusible animé d'un mouvement de translation est progressivement fondu par l'arc et contribue ainsi à la formation d'un cordon de soudure. Le fait de pouvoir avancer le fil à différentes vitesses induit l'existence de plusieurs régimes de fonctionnement dont les caractéristiques de soudage sont complètement différentes. Selon la valeur du courant et de la tension, la manière dont le métal en fusion est transféré du fil vers le bain liquide varie notablement. A basses intensités (80 à 150 A), l'effet Joule et la chaleur dégagée par l'arc fondent l'extrémité du fil en formant une goutte de métal fondu. Le fil continuant à avancer, la goutte vient en contact avec le bain de soudage. I1 se produit alors un court-circuit (extinction de l'arc), et c'est à ce moment que la goutte est détachée, puis transférée dans le bain. Quand le transfert est effectué, l'arc se réamorce et le processus peut ainsi recommencer. Ceci constitue le régime par transfert par court-circuit (short arc). A plus fortes intensités (150 à 250 A), on se situe dans le régime globulaire. Ce régime de transfert est assez peu utilisé en pratique car il conduit à un transfert de matière erratique et à d'importantes projections. Dans ce régime, la goutte peut croître démesurément et soit exploser avant tout contact avec la tôle, soit être transférée par court-circuit dans de mauvaises conditions, souvent à l'extérieur du bain. A très fortes intensités et vers 30 à 35 V suivant le gaz de protection utilisé, on entre dans le régime de pulvérisation axiale (spray-arc), dans lequel un chapelet de petites gouttes de métal fondu s'échappent régulièrement de l'extrémité du fil en fusion. Le courant est dans ce cas assez important pour expulser les gouttes formées avant tout contact avec la tôle. Il existe un quatrième régime de transfert, plus artificiel, qui, du point de vue de l'énergie moyenne de soudage, se situe dans le domaine du globulaire : c'est le régime pulsé. Dans ce cas, on soude en courant pulsé, en choisissant les paramètres de pulsation de telle sorte qu'il y ait pour chacune des impulsions un transfert de type spray-arc avec une seule goutte par impulsion. Cela nécessite des générateurs spéciaux où l'on contrôle la forme du courant. Ce régime est souvent utilisé car il permet d'avoir un bon transfert dans une plage d'énergie moyenne où le soudage classique en courant continu est difficilement praticable. Ce régime est cependant très bruyant, et il n'est pas rare d'obtenir des niveaux de bruit acoustique proches de 100 dBA (à 40 cm de l'arc), qui dépassent assez largement les seuils définis dans la législation réglementant le bruit émis par les mach-ines. En régime pulsé, l'impulsion peut revêtir différentes formes : la forme trapézoïdale est pratiquement la plus utilisée, mais il est possible, grâce aux générateurs de courant à transistors, de donner à l'impulsion des formes variées tout en contrôlant assez bien les paramètres qui la définissent. L'élaboration d'un programme de soudage en courant pulsé consiste à trouver la meilleure adéquation entre les valeurs des paramètres de la pulsation et le résultat recherché de soudage. C'est-à-dire que pour chaque fil, gaz de protection et vitesse d'avance de fil, on doit déterminer les valeurs de ces paramètres qui satisfont au mieux les critères selon lesquels est jugée l'opération de soudage. En général, un bon programme de soudage en courant pulsé doit comporter un seul détachement de goutte par pulse, avec des diamètres de gouttes de l'ordre du diamètre du fil. Ceci impose donc, pour une vitesse d'avance de fil donnée, une fréquence de pulsations. D'autre part, la croyance commune est qu'il convient d'avoir des pentes de montée et de descente du courant aussi importantes que possible afin d'obtenir des arcs rigides et très directifs qui, selon la plupart des opérateurs, sont la meilleure façon de réaliser un cordon de soudure en régime pulsé. Les autres paramètres sont généralement choisis de façon empirique. L'invention a pour but de fournir un procédé de soudage à l'arc en régime pulsé présentant un niveau de bruit acoustique acceptable et de bonnes caractéristiques de soudage. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage à l'arc en courant pulsé, caractérisé en ce que chaque impulsion de courant électrique présente des pentes de montée et/ou de descente comprises entre 50 A/ms et 1000 A/ms. Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé peut comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - lesdites pentes de montée et/ou de descente sont comprises entre 100 A/ms et 500 A/ms - ledit procédé de soudage à l'arc est un procédé à fil fusible - la fréquence des pulsations est réglée de manière à obtenir des gouttes de métal fondu dont le diamètre, au moment de leur libération, est compris entre 1 et 1,4 fois le diamètre dudit fil fusible - la fréquence des pulsations est réglée de manière à obtenir des gouttes de métal fondu dont le diamètre, au moment de leur libération, est environ 1,2 fois le diamètre dudit fil fusible - les impulsions sont trapézoïdales - les impulsions sont triangulaires - les impulsions sont sinusoïdales - les impulsions sont constituées d'une combinaison de motifs trapézoïdaux, triangulaires et sinusoïdaux. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant au dessin sur lequel - la figure 1 est une vue schématique d'une installation de soudage à l'arc avec fil fusible sous flux gazeux - la figure 2 est une vue schématique, avec arrachement, d'un soudage de tôles réalisé avec une telle installation - la figure 3 est un graphe représentant une impulsion électrique trapézoïdale qui possède les caractéristiques de l'invention ; et - la figure 4 est un graphe représentant une impulsion électrique comprenant des arcs sinusoïdaux qui possède les caractéristiques de l'invention. L'installation de soudage à l'arc de la figure 1 comprend essentiellement un générateur de courant électrique 10 à transistors, une source de gaz 20, une torche de soudage 30, une bobine d'alimentation en fil fusible 40, et une unité d'entraînement du fil fusible 50. Le générateur 10 est relié par un premier câble 60 aux tôles à souder 70, et par un deuxième câble 80 à l'unité d'entraînement du fil fusible 50 afin d'imposer le signal électrique souhaité entre le fil fusible et les tôles à souder. Une conduite 100 permet d'alimenter la torche en gaz via l'unité d'entraînement 50. Un câble de contrôle 90 relie par ailleurs le générateur 10 à l'unité d'entraînement 50 du fil fusible, afin d'adapter l'intensité du courant à la vitesse d'avance du fil. La figure 2 représente schématiquement l'opération de soudage de tôles au moyen de la torche 30. On distingue dans la buse d'extrémité 31 de la torche la partie terminale du fil fusible 32, un tube de contact 33 qui guide ce fil et lui amène le courant électrique, une colonne de gaz 34 jaillissant de la torche vers les tôles à souder 70, et le bain de soudure 35 qui provient de la fusion des tôles et de l'électrode fusible et qui forme, après refroidissement, un cordon de soudure 36. La figure 3 représente un graphe d'une impulsion électrique trapézoïdale qui est la forme de courant pulsé la plus utilisée en soudage à l'arc en courant pulsé. Sur ce graphe, le temps t est porté en abscisses et l'intensité I en ordonnées. Les grandeurs définissant le signal représenté sur la figure 3 sont la période I/f, le courant haut Ih, le courant bas Ib, le temps de montée tm, le temps de descente td, le temps haut Th, le temps d'impulsion Tp et le temps bas Tb. Ici, les pentes de montée et de descente de l'impulsion sont respectivement constantes sur tm et sur td, et sont définies respectivement par (Ih -Ib)/tm et (Ih - Ib)/td. La figure 4 représente un graphe analogue d'une impulsion électrique sinusoïdale. Sur cette figure, les grandeurs définissant le signal sont la période l/f, l'intensité de courant bas Ib, l'intensité de courant haut Ih, le temps de pulse Tp et le temps bas Tb. I1 est à noter que, en relation avec les grandeurs représentées sur la figure 3, le temps haut Th est ici considéré comme nul. La Demanderesse a évalué l'influence sur le niveau de bruit des pentes de montée et de descente et de la fréquence de pulsation. On a ainsi déterminé les gammes de valeurs dans lesquelles ces grandeurs permettent d'obtenir une importante réduction de bruit tout en conservant une bonne réalisation des cordons de soudure. La consigne de courant résultante a pu être imposée par un générateur à transistors classiquement utilisé dans le soudage à l'arc en régime pulsé. La Demanderesse a constaté, de manière surprenante, que, pour une vitesse d'avance de fil donnée, l'utilisation de pentes de descente et de montée faibles comprises entre 50 A/ms et 1000 A/ms et plus particulièrement entre 100 A/ms et 500 A/ms, ainsi que l'utilisation de fréquences de pulsation faibles, c'està-dire correspondant à des gouttes dont le diamètre se situe au moment de leur libération entre 1 et 1,4 fois, et plus particulièrement à 1,2 fois environ le diamètre du fil, conduisent à une diminution considérable des niveaux de bruit générés tout en maintenant une bonne soudabilité opératoire. Les résultats expérimentaux sont réunis dans les tableaux ci-dessous dans lesquels Pm et Pd désignent respectivement la pente de montée et la pente de descente qui sont respectivement constantes sur les temps tm et td pour chaque essai présenté. Tableau 1 Vitesse d'avance fil 2 4 6 (m/mn) 1H (A) 360 390 390 1B (A) 30 30 110 tm (ms) 0,5 0,6 0,6 td (ms) 0,9 0,8 0,6 Pm (A/ms) 660 600 467 Pd (A/ms) 367 450 467 Th (ms) 1,6 1,5 1,5 Tb (ms) 14 5 3,1 f (Hz) 57 127 171 bruit (dBA) 86,5 89,5 90 Le Tableau 1 présente pour différentes vitesses d'avance de fil, avec un fil d'acier de 1,2 mm de diamètre et sous un mélange gazeux classiquement utilisé en soudage MAG (Métal Active Gaz) pulsé (Ar + 3 % CO2 + 1% 2), les valeurs typiques des paramètres d'une impulsion trapézoïdale suivant l'invention. Les niveaux sonores indiqués ont été mesurés à 40 cm de l'arc. Tableau 2 Vitesse d'avance fil 2 4 6 (m/mn) 1H (A) 330 330 330 lB (A) 50 110 170 tm (ms) 1,5 1,5 1,5 td (ms) 1,5 1,5 1,5 Pm (A/ms) 187 147 107 Pd (A/ms) 187 147 107 Th (ms) 2 2 2 Tb (ms) 23 12,8 6,1 f (Hz) 35,7 56 90 bruit (dBA) 81 83 81 Le Tableau 2 présente, dans les mêmes conditions, les valeurs prises par les mêmes paramètres avec des pentes de montée et de descente et des fréquences de pulsation réduites. On constate très nettement la réduction de bruit apportée par l'utilisation de pentes et de fréquences de pulsation plus faibles selon l'invention : entre 5 dBA et 9 dBA de gain pour cette gamme de vitesses d'avance du fil. La soudabilité opératoire est toujours bonne, bien que les arcs soient moins rigides que dans le cas du Tableau 1 (arcs "épanouis"). Tableau 3 Vitesse d'avance fil 1,3 3 (m/mn) 1H (A) 340 360 IB (A) 30 30 tm (ms) 0,6 0,6 td (ms) 0,8 0,8 Pm (A/ms) 517 550 Pd (A/ms) 388 413 Th (ms) 1,3 1,3 Tb (ms) 23,8 10,2 f (Hz) 38 77 bruit (aBA) 85 87,5 Tableau 4 Vitesse d'avance fil 1,3 3 (m/mn) 1H (A) 340 360 I8 (A) 30 60 tm (ms) 1,5 1,5 td (ms) 1,5 1,5 Pm (A/ms) 207 200 Pd (A/ms) 207 200 Th (ms) 1,4 2 Tb (ms) 36,7 20,4 f (Hz) 24 39 bruit (dBA) 83,3 84,5 Les Tableaux 3 et 4 indiquent les résultats d'un programme de soudage, réalisé cette fois sur un fil d'acier inoxydable de 1,2 mm de diamètre et sous un mélange gazeux classiquement utilisé en soudage MAG pulsé (Ar + 3% COQ + 1% H2). Le Tableau 3 correspond à un premier signal trapézoïdal suivant l'invention, et le Tableau 4 correspond à un signal trapézoïdal dont les pentes de montée et de descente et la fréquence de pulsation sont réduites. On constate qu'il y a, là aussi, réduction de bruit quand on utilise des pentes de montée et de descente plus douces et des fréquences plus faibles. Tableau 5 Vitesse d'avance fil 3 3 (m/mn) 1H (A) 390 420 IB (A) 30 30 tm (ms) 0,6 2 td (ms) 0,8 2 Pm (A/ms) 600 195 Pd (A/ms) 450 195 Th (ms) 1,4 0 Tb (ms) 8,8 7,7 f (Hz) 86 86 bruit (dBA) 88 84,5 Des réductions de bruit ont également été obtenues en utilisant des formes d'impulsions triangulaires à faibles pentes. C'est ce qui est montré dans le Tableau 5, pour un procédé de soudage à l'arc utilisant un fil d'acier de 1,2 mm de diamètre et sous le gaz commercialisé par la société L'Air Liquide sous la marque ARCAL 14. Dans cet essai, on a remplacé une impulsion trapézoïdale classique par une impulsion triangulaire à pentes de montée et de descente selon l'invention. On voit sur le Tableau 5 que, pour une fréquence donnée, la réduction des pentes apporte une réduction sensible du bruit, alors que la soudabilité reste bonne. Le procédé suivant l'invention peut être appliqué à tout type de soudage à l'arc en courant pulsé, avec ou sans fil fusible, et en utilisant des impulsions de formes variées, telles que trapézoïdales, triangulaires, sinusoïdales ou des combinaisons de motifs trapézoïdaux, triangulaires et sinusoïdaux. On constate en outre que les programmes établis avec des fréquences de pulsation faibles et des pentes douces conduisent en général à des intensités moyennes de courant plus élevées et donc à des bains de soudure plus chauds. Ceci est un avantage, notamment pour le soudage à plat des aciers inoxydables, qui, en présence d'un gaz peu oxydant, sont relativement difficiles à mouiller. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage à l'arc en courant pulsé, caractérisé en ce que chaque impulsion de courant électrique présente des pentes de montée et/ou de descente comprises entre 50 A/ms et 1000 A/ms. 2. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pentes de montée et/ou de descente sont comprises entre 100 A/ms et 500 A/ms. 3. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit procédé de soudage à l'arc est un procédé à fil fusible. 4. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence des pulsations est réglée de manière à obtenir des gouttes de métal fondu dont le diamètre, au moment de leur libération, est compris entre 1 et 1,4 fois le diamètre dudit fil fusible. 5. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 4, caractérisé en ce que la fréquence des pulsations est réglée de manière à obtenir des gouttes de métal fondu dont le diamètre, au moment de leur libération, est environ 1,2 fois le diamètre dudit fil fusible. 6. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulsions sont trapézoïdales. 7. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulsions sont triangulaires. 8. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulsions sont sinusoïdales. 9. Procédé de soudage selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les impulsions sont constituées d'une combinaison de motifs trapézoïdaux, triangulaires et sinusoïdaux.