Brevet FR2793178A1 — publié le 20001110

La présente invention concerne un procédé et une installation de soudage multi-plasma, de préférence triplasma, notamment des aciers, des aciers inoxydables et des bases nickel. Il existe actuellement au moins deux techniques de soudage couramment utilisées pour souder les matériaux en aciers, aciers inox, nickel, à savoir le soudage laser et le soudage TIG. En soudage TIG (pour Tungsten Inert Gas) repose sur la génération d'un arc électrique entre une électrode, telle une électrode en tungstène avec apport d'un fil fusible, et la ou les pièces à souder. La fusion du métal est réalisée sous atmosphère gazeuse de protection, par exemple sous un flux d'argon, d'hélium ou d'un mélange de ces deux gaz. Or, la vitesse de soudage d'un procédé TIG varie en fonction notamment de l'épaisseur du matériau à souder et de la nuance, nature ou composition du matériau à souder. Par exemple, une vitesse de soudage de 1,3 m. min' peut tre atteinte pour un matériau et une épaisseur donnés, alors que ce mme matériau en une épaisseur inférieure, par exemple d'environ la moitié, peut tre soudé à une vitesse de soudage de l'ordre de 4 m. min-1, soit approximativement 3 fois plus vite. Afin de tenter d'améliorer l'efficacité du soudage, une variante du soudage TIG a été développée, à savoir le soudage TIG multicathodes avec double flux gazeux de protection. Ainsi, le document"High speed single sided welding of thin sheet by multi electrode arc welding" ; K. Yasuda et al. ; Quarterly Journal of the Japan Welding Society ; 1987-5 (4), p. 477-482, rapporte que le soudage TIG double cathodes permet d'améliorer la vitesse de soudage de plaques de nuance SUS 304 et d'épaisseur allant jusqu'à 1,2 mm. De manière analogue, le document"Configurational optimization of 3 TIG torches bases on bead-on welding tests" ; Y. MIYAMOTO et al., Journal of the JSTP ; vol. 29 ; N 333 ; 1988-10, p. 1067-1073, décrit un procédé de soudage TIG tricathodes permettant un soudage rapide de tubes en titane de 0,7 mm d'épaisseur. En outre, le document"Studies on twin electrode switching arc welding method" ; S. Kokura et al. ; 1982 ; p. 49-53 ; montre qu'un procédé TIG double cathodes permet un soudage de plaques de cuivre et d'acier doux de 3,2 mm d'épaisseurs, jusqu'à une vitesse maximale de soudage de 0,600 m. min-1. Par ailleurs, le document EP-A-896853 apporte encore une amélioration des procédés existants. Cependant, ces procédés TIG multicathodes sont très souvent limités quant à l'épaisseur pouvant tre soudée à pleine pénétration. De plus, en général, ceux-ci ne sont pas adaptés aux épaisseurs supérieures à 1,5 mm ou alors ces épaisseurs peuvent tre atteintes qu'au prix d'une diminution importante de la vitesse de soudage et/ou de l'efficacité de pénétration de la soudure. Le problème qui se pose alors est de pouvoir souder non seulement à une vitesse de soudage élevée, mais aussi efficacement, de préférence à pleine pénétration, du ou des matériaux à souder, y compris les épaisseurs importantes, à savoir 1,5 mm à 6 mm environ. En d'autres termes, le but de la présente invention est d'améliorer les procédés de soudage existants, de manière à pouvoir garantir d'un point de vue industriel, des performances de productivité élevées, notamment en termes de vitesse de soudage et d'épaisseur de pénétration de la soudure. La présente invention concerne alors un procédé de soudage plasma automatique d'au moins deux parties d'au moins une pièce métallique, par exemple les deux bords longitudinaux d'un tube, lesdites deux parties à souder étant réunies selon au moins un plan de joint, dans lequel : (a) on génère au moins un premier jet de plasma ayant une première énergie linéaire de soudage (AE1) de valeur positive et non nulle, (b) on génère, sensiblement simultanément au premier jet de plasma, au moins un deuxième jet de plasma ayant une deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) positive et non nulle, et (c) on opère un soudage desdites deux parties, l'une avec l'autre, en soumettant au moins une partie dudit plan de joint à souder auxdits premier et deuxième jets de plasma. Dans le cadre de l'invention, l'énergie linéaire de soudage (AE) est déterminée à partir de la formule empirique : AE= (UxIx6O)/Vs où : U est la tension du courant en Volt, I est l'intensité du courant en Ampère, Vs est la vitesse de soudage en cm/min. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -la première énergie linéaire de soudage (AE1) du premier jet de plasma est inférieure à la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) du deuxième jet de plasma ; -on génère, sensiblement simultanément aux premier et deuxième jets de plasma, au moins un troisième jet de plasma ayant une troisième énergie linéaire de soudage (AE3) de valeur positive et non nulle et on soumet au moins une partie du plan de joint à souder audit troisième jet de plasma, de préférence la troisième énergie linéaire de soudage (AE3) dudit troisième jet de plasma est inférieure à la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) dudit deuxième jet de plasma ; -chaque zone du plan de joint à souder est soumise successivement et de manière continue au moins auxdits premier et deuxième jets de plasma ; -chaque zone du plan de joint à souder est soumise successivement et de manière continue à un préchauffage au moyen du premier jet de plasma et à un soudage sensiblement à pleine pénétration, de préférence en mode key-hole, au moyen du deuxième jet de plasma ; -chaque zone du plan de joint à souder est soumise, après soudage sensiblement à pleine pénétration, à un soudage de finition au moyen du troisième jet de plasma, de préférence, durant le soudage de finition, le troisième jet de plasma peut tre animé d'un mouvement d'oscillation, par exemple par déviation électromagnétique de l'arc ; -la vitesse de soudage est comprise entre environ 0.8 6 m. minet 6 m. min-1 ; -la première énergie linéaire de soudage (AE1) du premier jet de plasma est comprise entre 0.5 et 2.5 kJ/cm ; -la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) du deuxième jet de plasma est comprise entre 1.5 et 3 kJ/cm ; -la troisième énergie linéaire de soudage (AE3) du troisième jet de plasma est comprise entre 1 et 2.5 kJ/cm ; -l'épaisseur moyenne de la ou des pièces métalliques au niveau d'au moins une partie du plan de joint est comprise entre 0.5 mm et 7 mm, de préférence d'environ 1 mm à 6 mm, de préférence d'au moins 1.5 mm ; -la ou les pièces métalliques sont en un métal choisi parmi les aciers carbone, les aciers inox, le nickel et les alliages métalliques les contenant. Contrairement à un procédé de soudage TIG multicathodes, selon l'art antérieur, le procédé de soudage multiplasma selon l'invention permet d'augmenter l'efficacité du soudage étant donné que la densité d'énergie de chaque jet de plasma est nettement supérieure à celle pouvant tre obtenue en soudage TIG. En outre, le procédé multiplasma selon l'invention présente un intért important, à savoir qu'en jouant sur la densité d'énergie de chaque jet de plasma, il est possible d'attribuer à chacun desdits jets une énergie linéaire de soudage (AE) différente et donc une fonction différente durant l'opération de soudage. Ainsi, dans le cas d'un procédé triple plasma selon l'invention, lequel met en oeuvre 3 jets de plasma, on peut choisir un niveau de densité d'énergie différent pour chacun des jets, de manière à obtenir : -un premier jet de plasma dont l'énergie linéaire de soudage (AE1) est fixée à une valeur permettant de réaliser un préchauffage concentré du niveau du plan de joint, par exemple une énergie de 1 kJ/cm ; -un deuxième jet de plasma dont l'énergie linéaire de soudage (AE2) est fixée à une valeur permettant de réaliser un soudage en mode key-hole à pleine pénétration du ou des matériaux à souder pour aboutir à la réalisation d'un cordon de soudure étroit, par exemple une énergie de 2 kJ/cm ; -et un troisième jet de plasma dont l'énergie linéaire de soudage (AE3) est fixée à une valeur permettant de réaliser un soudage de finition du cordon de soudure réalisé, par exemple une énergie de 1.5 kJ/cm. Toutefois, d'autres variantes du procédé peuvent aussi tre mise en oeuvre avec succès en fonction de l'épaisseur à souder, par exemple : -pour une épaisseur de 2.5 à 3.5 mm, on génère un premier jet de plasma dont l'énergie (AEl) est fixée à 1.5 kJ/cm pour réaliser un agrafage du plan de joint, c'est-à-dire un soudage à pénétration seulement partielle, un deuxième jet de plasma dont l'énergie (AE2) est fixée à 2 kJ/cm pour réaliser un soudage à pleine pénétration en mode key-hole et troisième jet de plasma dont l'énergie (AE3) est fixée à 2.5 kJ/cm pour réaliser un lissage de finition du cordon de soudure ; et -pour une épaisseur > 3.5 mm, on génère un premier jet de plasma dont l'énergie (AE1) est fixée à 2.5 kJ/cm pour réaliser un agrafage du plan de joint, un deuxième jet de plasma dont l'énergie (AE2) est fixée à 3 kJ/cm pour réaliser un soudage en mode key-hole et troisième jet de plasma dont l'énergie (AE3) est fixée à 2.5 kJ/cm pour réaliser un lissage de finition. Il s'ensuit que le procédé de l'invention permet une grande souplesse d'utilisation et conduit à des cordons de soudure étroits et ce, mme pour des épaisseurs élevées, c'est-à-dire de 1,5 mm à 6 mm environ. En outre, de préférence, on augmente l'efficacité du procédé triplasma selon l'invention en opérant ou en respectant la répartition des prises masses telle que préconisée dans le document EP-A896853, incorporé ici par références. Selon un autre aspect, l'invention concerne également une installation de soudage multi-plasma automatique d'au moins deux parties d'au moins une pièce métallique, susceptible de mettre en oeuvre un procédé selon l'invention, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens-supports portant au moins deux torches à plasma, de préférence au moins trois torches à plasma alignées, chaque torche à plasma comprenant une électrode et au moins une tuyère interne munie d'un orifice de sortie. Selon le cas, l'installation peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : -la distance séparant les orifices de sortie des tuyères internes de deux torches successives est comprise entre 16 mm et 40 mm, de préférence entre 20 et 30 mm ; -chaque torche à plasma comporte, en outre, une tuyère annulaire placée autour d'au moins une partie de la tuyère interne équipant ladite torche ; -au moins deux torches à plasma, de préférence au moins trois torches à plasma, sont munies d'un bloc-tuyère unique formant lesdites tuyères annulaires. Avantageusement, le procédé de l'invention peut tre utilisé pour fabriquer un tube métallique à partir d'une feuille métallique ayant une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 6 mm et dont deux bords longitudinaux formant des extrémités de ladite feuille métallique sont réunis bout-à-bout selon un plan de joint et soudés l'un avec l'autre le long dudit plan de joint. L'invention va maintenant tre décrite plus en détail à l'aide d'exemples et en référence aux figures annexées, donnés à titre illustratif mais non limitatif. La figure 1 schématise une opération de soudage TIG tricathodes sous double flux de protection selon l'art antérieur, dans laquelle le soudage étant réalisé sur un tube T métallique, vu en coupe partielle. On voit une torche de soudage comportant une rangée de 3 électrodes E réfractaires en tungstène alignées, en vue de face (une seule électrode représentée), chacune desdites électrodes E étant située à l'intérieur de 2 buses concentriques, à savoir une buse interne BI et une buse annulaire BA, formant manchon autour de chaque électrode E. Un premier gaz Gl de protection chemine entre chaque buse annulaire BA et chaque buse interne BI, et un deuxième gaz G2 de protection chemine, quant à lui, entre chaque buse interne BI et chaque électrode E, de manière à former une atmosphère gazeuse de protection au niveau de la zone de soudage ZS. Ladite atmosphère gazeuse de protection est constituée d'un gaz unique ou d'un mélange de plusieurs gaz, par exemple d'hélium et d'argon ou d'hydrogène et d'argon. Les premier et deuxième gaz Gl et G2 sont distribués en sortie des buses interne BI et annulaire BA en un flux interne FI central et en un flux externe périphérique. Comme on peut le constater sur la figure 1, chaque électrode E génère un arc électrique A 1, A2 et A3, lequel arc électrique va permettre une pénétration progressive de l'épaisseur du tube T à souder, au niveau de la zone de soudage ZS jusqu'à former un plan dejoint. Cependant, comme expliqué ci-avant, ce type de soudage ne permet pas d'obtenir des performances élevées, notamment lorsque l'épaisseur du tube T à souder est supérieure à 1,5 mm. La figure 2 schématise, quant à elle, une opération de soudage triplasma d'un tube T selon la présente invention. La torche de soudage TS automatique comporte aussi 3 électrodes E alignées (1 seule électrode représentée) en vue de face. Chaque électrode E est insérée à l'intérieur d'une tuyère interne TI munie d'un orifice de tuyère OT permettant la sortie du jet de plasma JP. Chaque tuyère interne TI est, quant à elle, entourée d'une buse annulaire BA externe. Un gaz plasmagène GP est introduit dans la chambre plasmagène CP de chaque tuyère interne GI, où il s'ionise au contact de l'arc électrique délivré par l'électrode E, avant d'tre éjecté par l'orifice OT de sortie. Un gaz annulaire GA de protection est acheminé par la chambre annulaire CA située entre les parois des tuyères interne TI et annulaire. Au niveau de la zone de soudage ZS, le premier jet de plasma Jl permet d'obtenir une préchauffage du plan de joint du tube T ou un agrafage de celui-ci, le deuxième jet J2 de plasma, dont l'énergie linéaire de soudage (AE2) est supérieure à celle (AE1) du premier jet de plasma J, permet de réaliser un soudage en mode key-hole à pleine pénétration, c'est-à-dire sur toute l'épaisseur du tube T, et le troisième jet J3 de plasma permet d'effectuer un soudage de finition sous une énergie linéaire de soudage (AE3) plus faible que celle (AE2) du deuxième jet J2 de plasma. La figure 3 schématise une installation automatique de soudage TIG tricathodes selon l'art antérieur, alors que les figures 4 et 5 représentent des schémas de deux modes de réalisation d'une installation triplasma selon la présente invention. Plus précisément, on voit sur la figure 3 trois torches T1 à T3 munies de buse B1 à B2 à double flux, analogues à celles de la figure 1, comprenant chacune une électrode E1 à E3 en tungstène, placée en regard d'une pièce P à souder. Chaque électrode E1 à E3 est alimentée en courant électrique par une source S1 à S3 de courant qui lui est propre. Les torches T1 à T3 sont indépendantes les unes des autres et l'allumage des arc électriques se fait entre les électrodes E1 à E3 et la pièce P. La figure 4 représente un premier mode de réalisation d'une installation automatique de soudage triplasma selon l'invention comportant, 3 torches à plasma indépendantes les unes des autres. Chaque torche Tl à T3 est munie d'une électrode E1 à E3, respectivement, d'un tuyère interne TI et d'une tuyère annulaire TA, ainsi que schématisé sur la figure 2. Dans ce cas, chaque tuyère interne TI est isolée électriquement des autres tuyères internes TI et, de manière analogue, chaque tuyère annulaire TA est isolée électriquement des autres tuyères annulaires TA. L'établissement des jets de plasma se fait par création, d'abord, d'un arc pilote entre chaque électrode et chaque tuyère interne TI, puis transfert de l'arc électrique et du gaz plasmagène ionisé, donc du jet de plasma, vers la pièce P à souder. La figure 5 est analogue à la figure 4, mais représente un mode de réalisation préféré de l'invention, dans lequel les 3 torches T1 à T3 possèdent une seule et mme tuyère TU formant une bloc-tuyère unique. Dans ce cas, le système d'amorçage haute fréquence et d'arc pilote est commun aux 3 torches et la protection gazeuse est également unique. La figure 6 est un schéma, en vue de dessous, de l'utilisation d'une installation triplasmas selon l'invention pour fabriquer des tubes T métalliques à partir d'une feuille métallique dont les deux bords longitudinaux sont rapprochés l'un de l'autre de manière former le plan de joint PJ à souder. Cette installation est analogue à celle de la figure 5 et comprend une rangée de 3 torches à plasma, T1, T2 et T3, alignées et comportant chacune une tuyère interne TI et une tuyère annulaire TA ; lesdites tuyères annulaire TA étant formées d'un bloc-tuyère unique. Le tube T à souder est animé d'un mouvement de déplacement relatif en translation par rapport à la rangée de torche T1 à T3 ; le sens de déplacement du tube T étant le sens de la flèche F. L'énergie linéaire de soudage de la torche T1 est réglée pour opérer un préchauffage ou un agrafage du plan de joint. L'énergie linéaire de soudage de la torche T2 est réglée pour opérer un soudage à pleine pénétration en mode key-hole du plan de joint. L'énergie linéaire de soudage de la torche T3 est réglée pour opérer un soudage de finition du cordon de soudage, de préférence le jet de plasma délivré par la torche T3 est animé d'un mouvement oscillant comme indiqué par la flèche F'. Comme on peut le voir, l'ensemble du plan de joint PJ peut tre décomposé en 4 zones A, B, C et D distinctes. Plus précisément, la zone A correspond à la partie du plan de joint PJ du tube T n'ayant pas encore été soumise à un des jets de plasma. La zone B correspond à la partie du plan de joint PJ ayant subi un préchauffage ou un agrafage par mise en contact avec le premier jet de plasma délivré par la torche T1. La zone C correspond à la partie du plan de joint PJ ayant subi successivement le préchauffage ou l'agrafage (zone B) puis un soudage à pleine pénétration en mode key-hole au moyen du deuxième jet de plasma délivré par la torche T2. La zone D correspond à la partie du plan de joint PJ ayant subi successivement le préchauffage ou l'agrafage (zone B), le soudage à pleine pénétration (zone C), puis un soudage de finition ou remplissage au moyen du troisième jet de plasma délivré par la torche T3. Exemple Afin de valider le procédé triplasmas, de l'invention, on a réalisé plusieurs essais de soudage bord-à-bord jointifs de deux pièces métalliques en acier inoxydable d'épaisseur 1 à 4 mm, en utilisant plusieurs type de gaz, à savoir de l'argon, et des mélanges d'argon et d'hydrogène, en particulier les mélanges NOXAL 2w et NOXAL 3 commercialisés par la société L'AIR LIQUIDE, lesquels contiennent de l'argon et, respectivement, 2,5% et 5% d'hydrogène. Les essais ont été réalisés à des débits de gaz plasmagène de 1,5 l. min' à 4 l. min-1. En outre, on a fait varier la distance électrode/ tuyère de 0,5 mm à 3 mm. Dans tous les cas, les résultats ont été satisfaisants et ont permis d'obtenir un soudage efficace à pleine pénétration pour des vitesses de soudage atteignant 4 m/min à 6 m/min et ce, pour des épaisseurs nettement supérieures (jusqu'à 4 mm) à celles atteintes classiquement en soudage TIG, ainsi qu'une augmentation très significative de la tenue des électrodes par rapport au soudage TIG traditionnel où les électrodes doivent tre changées, au mieux, toutes les 4 à 5 heures en engendrant, par là mme, à chaque remplacement, un arrt de l'installation de soudage. En outre, selon l'invention, la stabilité des 3 arcs plasma a été jugée également satisfaisante dans tous les cas et aucune difficulté d'amorçage n'a pu tre détectée pour les divers gaz utilisés. Revendications 1. Procédé de soudage plasma automatique d'au moins deux parties d'au moins une pièce métallique, lesdites deux parties à souder étant réunies selon au moins un plan de joint, dans lequel : (a) on génère au moins un premier jet de plasma ayant une première énergie linéaire de soudage (AE1) de valeur positive et non nulle, (b) on génère, sensiblement simultanément au premier jet de plasma, au moins un deuxième jet de plasma ayant une deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) positive et non nulle, et (c) on opère un soudage desdites deux parties, l'une avec l'autre, en soumettant au moins une partie dudit plan de joint à souder auxdits premier et deuxième jets de plasma. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première énergie linéaire de soudage (hE 1) dudit premier jet de plasma est inférieure à la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) dudit deuxième jet de plasma. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on génère, sensiblement simultanément aux premier et deuxième jets de plasma, au moins un troisième jet de plasma ayant une troisième énergie linéaire de soudage (AE3) de valeur positive et non nulle et en ce qu'on soumet au moins une partie dudit plan de joint à souder audit troisième jet de plasma, de préférence la troisième énergie linéaire de soudage (AE3) dudit troisième jet de plasma est inférieure à la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) dudit deuxième jet de plasma. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque zone du plan de joint à souder est soumise successivement et de manière continue au moins auxdits premier et deuxième jets de plasma, de préférence chaque zone du plan de joint à souder est soumise successivement et de manière continue à un préchauffage ou un agrafage au moyen du premier jet de plasma et à un soudage sensiblement à pleine pénétration, de préférence en mode key-hole, au moyen du deuxième jet de plasma. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque zone du plan de joint à souder est soumise, après soudage sensiblement à pleine pénétration, à un soudage de finition au moyen du troisième jet de plasma, de préférence, durant le soudage de finition, le troisième jet de plasma est animé d'un mouvement d'oscillation. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vitesse de soudage est comprise entre 0.8 et 6 m. min-l. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la première énergie linéaire de soudage (AE1) du premier jet de plasma est comprise entre 0.5 et 2.5 kJ/cm, et/ou la deuxième énergie linéaire de soudage (AE2) du deuxième jet de plasma est comprise entre 1.5 et 3 kJ/cm, et/ou la troisième énergie linéaire de soudage (AE3) du troisième jet de plasma est comprise entre 1 et 2.5 kJ/cm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'épaisseur moyenne de ladite au moins une pièce métallique au niveau d'au moins une partie du plan de joint est comprise entre 0.5 mm et 7 mm, de préférence d'environ 1 mm à 6 mm. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ladite au moins une pièce métallique est en un métal choisi parmi les aciers carbone, les aciers inox, le nickel, l'aluminium et les alliages métalliques les contenant. 10. Installation de soudage multi-plasma automatique d'au moins deux parties d'au moins une pièce métallique, susceptible de mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens-supports portant au moins deux torches à plasma, de préférence au moins trois torches à plasma alignées, chaque torche à plasma comprenant une électrode et au moins une tuyère interne munie d'un orifice de sortie. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que la distance séparant les orifices de sortie des tuyères internes de deux torches successives est comprise entre 16 mm et 40 mm, de préférence comprise entre 20 et 30 mm. 12. Installation selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisée en ce que chaque torche à plasma comporte, en outre, une buse annulaire placée autour d'au moins une partie de la tuyère interne équipant ladite torche et/ou en ce qu'au moins deux torches à plasma, de préférence au moins trois torches à plasma, sont munies d'un bloc-tuyère unique formant lesdites buses annulaires. 13. Utilisation d'un procédé de soudage selon l'une des revendications 1 à 9 pour la fabrication d'un tube métallique à partir d'une feuille métallique ayant une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 6 mm et dont deux bords longitudinaux formant des extrémités de ladite feuille métallique sont réunis bout-à-bout selon un plan de joint et soudés l'un avec l'autre le long dudit plan de joint.