Brevet FR2765508A1 — publié le 19990108

La présente invention se rapporte à un procédé et à un dispositif de soudage à l'arc sous flux gazeux de protection, mettant en oeuvre un amorçage haute fréquence pour créer l'arc électrique. La technique de soudage à l'arc électrique sous flux gazeux de protection repose sur l'établissement d'un arc électrique entre une cathode et une anode. Il existe actuellement deux façons différentes pour produire ou amorcer l'arc électrique, à savoir l'amorçage par court-circuit et l'amorçage dit HF (pour Haute Fréquence). De façon schématique, la technique de l'amorçage par court-circuit consiste à mettre en contact la cathode et l'anode, de sorte de créer, lors de l'établissement du court-circuit, un appel de courant qui vient échauffer les deux extrémités en regard l'une de l'autre, à savoir l'extrémité de l'anode et l'extrémité de la cathode. En effectuant ensuite, un éloignement progressif des deux extrémités l'une de l'autre, il se produit un arc électrique entre celles-ci. L'amorçage par court-circuit est utilisé notamment dans les procédés de soudage TIG (pour Tungsten Inert Gas), dans lesquels la cathode est une électrode en tungstène et l'anode est la ou les pièces à souder. Cette technique de l'amorçage par court-circuit peut également être utilisée dans les procédés de soudage MIG (pour Metal Inert Gas), dans lesquels la cathode est un fil fusible, par exemple, un fil fourré, et l'anode est, là encore, la pièce à souder. Toutefois, en soudage MIG il n'est pas nécessaire d'éloigner le fil lors de l'établissement du court-circuit étant donné que l'intensité du courant électrique suffit à faire fondre son extrémité et permet donc l'établissement de l'arc électrique. L'amorçage par court-circuit est aussi utilisé en coupage plasma et dans certains procédés de traitement de surface. Cependant, ce procédé d'amorçage par court-circuit a l'inconvénient de nécessiter, lors de chaque courtcircuit, un contact entre la cathode et l'anode d'où il résulte une détérioration de ces deux éléments, nécessitant leur remplacement plus ou moins rapide. Par exemple, en soudage TIG, un amorçage par courtcircuit nécessite le réaffûtage fréquent de l'électrode en tungstène utilisée comme cathode. En outre, il arrive parfois que l'on retrouve subséquemment des inclusions de tungstène dans le cordon de soudure, ce qui peut être très préjudiciable aux propriétés mécaniques de cette dernière. L'amorçage haute fréquence (HF) ne nécessite pas de contact entre l'anode et la cathode, et est basé sur des impulsions de haute tension. Pour des raisons de coûts et de sécurité, on génère une haute tension telle que chacune des impulsions soit une oscillation amortie de haute fréquence. En pratique, plus la distance entre la cathode et l'anode est importante, plus l'amplitude de la tension nécessaire à l'établissement de l'arc électrique augmente. L'amorçage haute fréquence est utilisé notamment en soudage TIG, en découpe plasma et en soudage plasma. En soudage plasma, l'arc est amorcé d'abord entre deux électrodes constituées, par exemple, par deux parties de la tête de torche, puis transféré ensuite à la pièce à souder par le flux gazeux. I1 est aussi possible d'utiliser l'amorçage HF en soudage MIG, TIG ou plasma, en particulier en MIG, TIG ou plasma à polarité variable, où lors de chaque alternance du courant, la tension s'annulant, il peut être nécessaire de réamorcer l'arc électrique. Cependant, l'amorçage HF présente également certains inconvénients. Ainsi, la mise en oeuvre de haute fréquence est une source importante de bruits électromagnétiques pouvant perturber notablement l'environnement électrique du soudeur et faisant l'objet d'une réglementation de plus en plus sévère. Le niveau de perturbation étant proportionnel à la puissance de la haute fréquence mise en jeu pendant la phase d'amorçage, il convient de minimiser l'amplitude de la haute tension nécessaire à l'établissement de l'arc et ce, quelque soit le procédé de soudage à amorçage HF. Actuellement, pour pallier ce problème, il est d'usage, d'une part, de réduire la distance entre l'anode et la cathode et, d'autre part, d'utiliser, lorsque c'est possible, une cathode ou une anode à extrémité pointue. Cependant, la mise en oeuvre pratique de cette technique n'est pas chose aisée. En effet, en soudage manuel, par exemple en soudage TIG manuel, l'opérateur est obligé de positionner précisément l'électrode par rapport à la pièce à souder, ce qui est rendu difficile par le port d'un masque de soudage qui l'empêche de voir précisément ce qu'il fait. Or, un mauvais positionnement de l'électrode par rapport à la pièce à souder conduit à une amplitude de haute tension soit insuffisante pour amorcer l'arc ou, à l'inverse, nécessitant des temps d'amorçage excessifs. Pour y remédier, il est alors indispensable de générer des impulsions d'amplitude plus importante permettant un amorçage de l'arc avec des tolérances plus grandes, d'une part, sur la distance séparant l'électrode de la pièce à souder et, d'autre part, sur l'affûtage de l'électrode, mais générant, par ailleurs, un bruit électromagnétique plus important. Une alternative pour l'opérateur réside dans l'utilisation d'un masque de soudage muni d'une vitre à cristaux liquides dont la polarité varie en fonction de la phase de soudage: phase de soudage proprement-dite avec émission de lumière aveuglante ou phase d'arrêt avec repositionnement de l'électrode. Cependant, ce type de masque est très cher et ne permet pas, malgré tout, de résoudre le problème lorsque le soudage est effectué dans un endroit sombre. Le but de la présente invention est donc de proposer un procédé et un dispositif de soudage ne présentant pas les inconvénients susmentionnés. En d'autres termes, la présente invention vise à: - augmenter l'efficacité de l'amorçage de l'arc électrique en jouant notamment sur une augmentation de la tolérance dans le positionnement de l'électrode par rapport à la pièce à souder; - diminuer le bruit électromagnétique et l'amplitude de la haute tension dans les procédés de soudage à amorçage HF; - permettre un positionnement plus facile de l'électrode par rapport à la pièce à souder et ce, même dans les endroits sombres, et augmenter ainsi le confort du soudeur; et/ou - éviter l'investissement que représente un masque muni d'une vitre à polarité variable et réduire ainsi le coût global du soudage. La présente invention concerne alors un procédé de soudage à l'arc électrique sous flux gazeux de protection, dans lequel on éclaire la zone de soudage au moyen d'au moins une source de lumière artificielle. Par lumière artificielle, on entend un rayonnement lumineux autre que celui du soleil, c'est-à-dire nonnaturel et obtenu au moyen d'une lampe, d'une fibre optique ou de tout dispositif analogue. Selon le cas, le procédé pourra comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - on éclaire la zone de soudage au moyen d'un rayonnement visible et/ou ultraviolet. Par rayonnement dans le visible, on entend un rayonnement entre 400 et 800 nm et par rayonnement ultraviolet, un rayonnement entre 180 et 400 nm et, de préférence, entre 180 et 300 nm. - on éclaire la zone de soudage au moins préalablement à l'établissement d'au moins un arc électrique; - il est de type à amorçage haute-fréquence; - la densité de puissance du rayonnement ultraviolet est d'au moins 1 ZW.cm 2, de préférence d'au moins 5 pW.cm 2, préférentiellement encore d'au moins 10 I.IW.cm ; - la puissance électrique du rayonnement visible est d'au moins 50 W et, de préférence, d'au moins 100 W. - il est choisi dans le groupe formé par les procédés de soudage MIG, TIG, MAG et plasma, et le procédé de coupage plasma. L'invention concerne également une torche pour le soudage à l'arc électrique sous flux gazeux de protection comportant des moyens d'alimentation en un flux gazeux de protection et au moins une électrode, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens d'éclairage de la zone de soudage. Selon le cas, la torche pourra comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - les moyens d'éclairage sont insérés à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la torche; - les moyens d'éclairage délivrent une lumière visible et/ou ultraviolette; - les moyens d'éclairage sont une ou plusieurs fibres optiques, pouvant éventuellement comprendre une ou plusieurs ramifications. L'invention concerne également un corps de torche muni de moyens de connexion et/ou de fixation à des moyens d'éclairage, lequel est susceptible d'équiper une torche selon l'invention. L'invention concerne également un joint de soudure ou une soudure susceptible d'être obtenue par mise en oeuvre du procédé ou au moyen du dispositif de l'invention. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide de modes de réalisation de dispositifs, selon l'invention et d'un exemple donné à titre illustratif, mais non limitatif. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'une torche 1 de soudage à l'arc électrique selon l'invention, composée, notamment, d'un corps de torche la et d'une buse lb. En outre, la torche 1 comporte des moyens d'alimentation (non représentés) en un flux gazeux de protection et une électrode 2 dont l'extrémité 2' en regard de la pièce 3 à souder est affûtée, c'est-à-dire pointue; ladite électrode 2 étant reliée à une source de courant (non représentée). A titre d'exemple, lorsque cette torche 1 est utilisée pour la mise en oeuvre d'un procédé de soudage TIG, on utilise un gaz de protection inerte, par exemple de l'argon, lequel gaz est introduit dans la torche 1 par l'orifice 9 aménagé dans le corps de la torche la, selon la direction donnée par la flèche 4. Cette torche 1 comporte, en outre, une source d'émission lumineuse 5, insérée à l'intérieur de la torche 1, de sorte à permettre un éclairement 6 de la scène de soudage, c'est-à-dire de l'électrode 2 et de la surface 3 à souder, par exemple une plaque en métal. En fonctionnement, il se produit l'établissement ou l'amorçage d'un arc électrique entre l'extrémité 2' de l'électrode 2 et la surface de la plaque 3 se trouvant en regard de ladite extrémité 2'. Le fait d'éclairer la scène de soudage, avant l'établissement de l'arc électrique par une technique d'amorçage HF, ou après l'extinction dudit arc, permet à l'opérateur, selon le cas, de positionner très précisément l'extrémité 2' de l'électrode 2 par rapport à la plaque 3 et/ou, après soudage, de visualiser le résultat de l'opération de soudage, en particulier lorsque celle-ci est effectuée dans un endroit sombre ou mal éclairé. La source lumineuse 5 est une petite lampe, par exemple une lampe de type germicide, ou tout autre type de lampe de taille compatible avec une insertion dans ou sur la torche 1. Le fait d'éclairer la zone de soudage améliore le confort opératoire du soudeur en permettant un positionnement plus précis de l'extrémité 2' de l'électrode 2 par rapport à la plaque 3 à souder. La figure 2 est analogue à la figure 1 à l'exception du fait que, dans ce cas, la source lumineuse insérée dans la torche 1 est l'extrémité d'une fibre optique 5' acheminant un rayonnement lumineux ultraviolet 6' permettant d'éclairer, là encore, l'extrémité 2' de l'électrode 2 et la zone à souder. De préférence, on fixe la fibre optique 5' au corps de la torche la. Il est avantageux d'utiliser une fibre optique pour transporter le rayon lumineux car cela permet de délocaliser l'emplacement de la source lumineuse, c'està-dire de pouvoir l'agencer où on le souhaite par exemple dans le corps de la torche, dans le générateur ou dans le faisceau de torche. En outre, le fait d'éclairer la scène de soudage avec un rayonnement ultraviolet 6', permet d'augmenter l'efficacité de l'amorçage de l'arc électrique, ainsi qu'expliqué dans l'exemple ci-après. Bien que, sur la figure 2, la fibre optique 5' achemine un rayonnement ultraviolet, il est également possible d'utiliser une ou des fibres optiques pour acheminer un rayonnement dans le visible et inversement, et ce, sans sortir du cadre de la présente invention. De même, bien que sur les figures 1 et 2 les sources de lumière 5 et 5' soient représentées à l'intérieur de la torche 1, il est également possible de les agencer à l'extérieur de la torche 1. Par ailleurs, il est aussi envisageable d'incorporer dans une même torche 1 deux sources 5 et 5' de rayonnement de types différents, à savoir une source de rayonnement visible et une source de rayonnement ultraviolet. Dans ce cas, les deux sources 5 et 5' pourront être distinctes ou, selon le cas, être une même et unique source d'éclairage émettant des rayonnements ultraviolets et des rayonnements de lumière visible. En outre, la source lumineuse peut, selon le cas, être une ou plusieurs lampes situées dans le générateur. Les figures 4 à 6 représentent des vues, respectivement, longitudinales de côté et de face, et transversale d'un corps de torche TIG la conforme à l'invention, tel le corps de torche la schématisé sur la figure 2. Le corps de torche la comporte trois perçages ou logements 11, 12 et 13, dans lesquels viennent se loger les extrémités de trois fibres optiques 5' non représentées. Selon le cas, il est possible de prévoir seulement 1 ou 2 logements ou, au contraire, plus de 3 logements. Lorsqu'on prévoit plusieurs logements, ceux-ci peuvent recevoir les extrémités de fibres optiques différentes ou, au contraire, les extrémités d'une seule fibre optique, laquelle comporte une ou plusieurs ramifications. L'électrode 2 est insérée, quant à elle, dans le logement central 14 et l'introduction du gaz de protection se fait par le biais de l'orifice 9. Le montage du corps de torche la sur la buse lb est réalisé par vissage par exemple. ExemPle Cet exemple vise à montrer que l'éclairage de la zone de soudage, c'est-à-dire d'au moins la cathode et l'anode, par une source de lumière à rayonnement ultraviolet permet d'amorcer l'arc électrique de manière beaucoup plus aisée et efficace. Bien que le test décrit ci-après ait été réalisé en soudage TIG avec protection d'argon, des résultats analogues peuvent être obtenus par mise en oeuvre de tout procédé de soudage utilisant un amorçage HF en vue d'établir l'arc électrique. Le protocole expérimental suivi consiste à comparer les probabilités d'amorçage de l'arc de soudage avec ou sans éclairement ultraviolet de la zone de soudage et ce, pour différentes tensions de haute fréquence et pour des distances anodes/cathodes variables (distance d sur la figure 3). Le dispositif expérimental utilisé a été schématisé sur la figure 3. Plus précisément, une électrode en tungstène faisant office de cathode 2 et un échantillon d'acier faisant office d'anode 3 sont placés à l'intérieur d'un boîtier 10 cylindrique, de sorte de les soustraire à l'influence des turbulences de l'air ambiant et d'assurer ainsi une bonne reproductibilité des conditions expérimentales. Une fenêtre 8 est aménagée dans la paroi du boîtier 10 et une lampe à rayonnement ultraviolet 5", émettant à 254 nm, est placée en regard de la fenêtre 8 et à l'extérieur du boîtier 10. La lampe utilisée est une lampe à vapeur de mercure donnant, sur un fond continu, une raie principale à 254 nm. Le rayonnement ultraviolet émis par la lampe 5" entre à l'intérieur du boîtier 10 via l'orifice 8, de sorte d'éclairer la scène de soudage, laquelle comprend l'extrémité de l'électrode 2 et la surface de l'échantillon d'acier 3. La densité de puissance du rayonnement ultraviolet arrivant sur la zone de soudage est de l'ordre de -2 quelques AW.cm . L'amplitude de la tension haute fréquence est réglée par modification de l'écartement entre les 2 plaques de l'éclateur, c'est-à-dire du condensateur interne d'un poste de soudure de type PRESTOTIG 250. Toutefois, étant donné qu'il existe pour un même réglage de l'éclateur (0,1 à 0,5 mm), une disparité dans les valeurs de haute tension obtenues et afin d'en tenir compte, les valeurs de tension ont été moyennées sur 20 tentatives d'amorçage correspondant au même réglage de l'éclateur; la tension haute fréquence obtenue est de l'ordre de 18 kV pour un réglage nominal de 0,5 mm. En outre, l'électrode de tungstène 2 est supportée par une crémaillère 7 (non détaillée), de sorte de pouvoir ajuster la distance d séparant l'extrémité 2' de l'électrode 2 de l'échantillon 3. L'extrémité 2' de l'électrode 2 a été, par ailleurs, affûtée, c'est-à-dire taillée suivant un angle précis (de l'ordre de 60d) et après chaque tentative d'amorçage on attend 1 minute environ avant un nouvel essai afin de permettre le refroidissement de l'électrode 2. Pour chaque valeur moyenne de tension haute fréquence et pour une distance anode/cathode fixée, on effectue donc 20 tentatives d'amorçage en présence de rayonnement ultraviolet puis sans rayonnement ultraviolet. On calcule ensuite la probabilité d'amorçage; cette probabilité étant donnée par le rapport entre le nombre de tentatives ayant conduit un amorçage réussi au nombre total de tentatives effectuées. Le gaz de protection 4, ici de l'argon, est introduit dans le boîtier 10, via l'orifice 9, ainsi que schématisé par la flèche 4. Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau ci-après. TABLEAU I TENSION HF ECARTEMENT ENTRE PROBABILITE PROBABILITE MOYENNE (on kV) LES ELECTRODES D'AMORCAGE SANS D ANORCAGE AVEC (en mm) UV UV 1 0.65 1 2 0.2 l 3 0.05 1 4 0.03 1 13 5 0 1 10 0 i il 0 i 12 0 1 13 0 1 0.5 0.2 1 1 0.2 1 2 0.2 1 3 0 i 4 0 1 8 5 0 i 6 0 1 7 0 1 8 0 1 9 0 1 10 0 1 0.5 0 1 1 0 1 2 0 1 7 3 0 1 4 0 1 5 0 0.95 6 0 0.7 7 0 0.3 Il apparaît immédiatement au vu des résultats consignés dans le tableau I que le fait d'éclairer la scène de soudage par un rayonnement ultraviolet permet d'abaisser considérablement la tension haute fréquence a mettre en oeuvre, tout en conservant une très bonne probabilité d'amorçage haute fréquence. A l'inverse, une baisse de la tension haute fréquence, en l'absence d'un éclairage ultraviolet, conduit très vite à une probabilité d'amorçage quasi-nulle. En outre, on voit également que le fait d'éclairer la zone de soudage avec un rayonnement ultraviolet permet d'accroître considérablement la souplesse opératoire de l'amorçage haute fréquence, étant donné que l'amorçage est assuré même lorsque la distance entre les électrodes augmente; l'opérateur pourra alors se contenter d'un positionnement moins précis des électrodes, l'une au regard de l'autre. En d'autres termes, le fait de soumettre la zone de soudage à un rayonnement lumineux, notamment W, permet de diminuer de façon surprenante et importante, l'amplitude de la haute tension nécessaire à l'établissement haute fréquence de l'arc électrique, tout en permettant une diminution notable du bruit électromagnétique généré par ladite haute fréquence et ce, sans requérir de modification du positionnement de la cathode par rapport à l'anode, lorsque l'on compare avec un procédé classique, c'est-à-dire sans éclairage. Revendications 1 - Procédé de soudage à l'arc électrique sous flux gazeux de protection, dans lequel on éclaire la zone de soudage au moyen d'au moins une source de lumière artificielle. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on éclaire la zone de soudage au moyen d'un rayonnement visible et/ou ultraviolet. 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on éclaire la zone de soudage au moins préalablement à l'établissement d'au moins un arc électrique. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est de type à amorçage hautefréquence. 5. - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la longueur d'onde du rayonnement ultraviolet est comprise entre 180 et 400 nm, de préférence entre 180 et 300 nm. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la densité de puissance du -2 rayonnement ultraviolet est d'au moins 1 AW.cm , de préférence d'au moins 5 AW.cm 2; 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la puissance électrique du rayonnement visible est d'au moins 50 W et, de préférence, d'au moins 100 W. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est choisi dans le groupe formé par les procédés de soudage MIG, TIG, MAG et plasma, et le procédé de coupage plasma. 9 - Torche (1) pour le soudage à l'arc électrique sous flux gazeux de protection comportant des moyens d'alimentation en un flux gazeux de protection et au moins une électrode (2), caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, des moyens d'éclairage (5, 5') de la zone de soudage. 10 - Torche selon la revendication 9, caractérisée en ce que les moyens d'éclairage sont insérés à l'intérieur et/ou à l'extérieur de la torche. 11 - Torche selon l'une des revendications 9 ou 10, caractérisée en ce que les moyens d'éclairage délivrent une lumière visible et/ou ultraviolette. 12 - Torche selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisée en ce que les moyens d'éclairage (5, 5') sont une ou plusieurs fibres optiques (5'). 13 - Corps de torche muni de moyens de connexion (11, 12, 13) à des moyens d'éclairage (5, 5'), susceptible d'équiper une torche selon l'une des revendications 9 à 11. 14 - Soudure susceptible d'être obtenue par mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8.