Brevet FR2818569A1 — publié le 20020628

La présente invention concerne un procédé, un dispositif et une installation de soudage à l'arc pulsé, en particulier un procédé de soudage MIG (pour Metal Inert Gas = avec gaz inerte vis-à-vis du métal) ou MAG (pour Metal Active Gas = avec gaz actif vis-à-vis du métal) Le soudage à l'arc à régime pulsé a été mis au point pour pallier aux inconvénients du soudage à régime globulaire qui, de par son mode de transfert instable et son caractère projetant, ne permettait pas d'augmenter la productivité dans des conditions de soudage acceptables. En effet, en soudage à l'arc des aciers au carbone et des aciers inoxydables, dès que l'on souhaite augmenter la quantité de métal déposé en conservant des propriétés d'emplois corrects, il faut augmenter l'intensité du courant et, en l'absence de mise en oeuvre d'un régime pulsé, il a été constaté qu'on rentre rapidement en régime globulaire. Or, le régime pulsé permet un soudage en position qui n'est bien souvent pas praticable ou difficile en régime globulaire. Par ailleurs, le caractère non projetant du régime pulsé, quand la synergie des différents paramètres opératoires, est correcte, permet, notamment sur les aciers inoxydables, de diminuer les opérations de parachèvement, tel que l'enlèvement des projections. En outre, le soudage pulsé trouve également un champ d'application intéressant quand on le compare au régime de pulvérisation axiale (régime spray) qui, en nécessitant un courant de soudage assez élevé et en induisant un taux de dépôt et une largeur de bain important, n'est généralement utilisé que sur des épaisseurs à souder conséquentes et en position horizontale, c'est-à-dire qu'il est limité au soudage à plat. En permettant, à vitesse fil identique.,et donc à quantité de métal déposé identique, de réduire l'énergie de soudage, le régime pulsé remédie en partie à ces inconvénients et autorise, suivant l'assemblage à réaliser, le soudage non seulement à plat mais aussi en position avec une qualité de transfert comparable à celle du régime spray. Le régime pulsé est également très utilisé pour le soudage des alliages légers, tel l'aluminium par exemple, par lesquels le régime de courtscircuits et le globulaire sont difficilement praticables à cause des défauts qu'ils occasionnent, à savoir porosités et collage. Dans ce cas, le régime pulsé permet de souder correctement avec des énergies qui autorisent le soudage des faibles épaisseurs jusqu'à lmm et le soudage en position alors que le régime spray, traditionnellement employé, est plutôt synonyme de productivité. Des procédés de soudage à l'arc en régime spray ou en régime pulsé sont décrits dans les documents suivants: WO-A-98/22247, EP-A-909604, Welding and Cutting, P. Houldcroft et R. John, 1988, p. 80-83, BE-A- 817637, JP-A-57124572, JP-A-56134075, JP-A-59078776, GB-A-2268009, US-A-5,192,851, US-A-3,528,100, US-A-3,956,610, US-A-5,432,317, US-A- 4,912,299, US-A-5,672,286, US-A-4,366,362 et EP-A-422763. De façon générale, en régime pulsé, l'impulsion de courant peut revêtir différentes formes. La forme trapézoïdale est cependant pratiquement la seule à être utilisée au plan industriel et elle est, en.général, caractérisée par les paramètres indiqués à la figure 1 ci-annexée. Si l'on veut rendre facilement accessible le soudage MIG/MAG pulsé à la plupart des opérateurs, il faut réaliser ce que l'on appelle des courbes de synergies ou programmes de soudage. L'élaboration d'une synergie en courant pulsé consiste en la détermination pour chaque fil en fonction de sa nature et son diamètre, pour chaque gaz de protection et chaque vitesse d'avance de fil, des valeurs des paramètres décrivant le pulse de courant qui satisfont au mieux les critères selon lesquels est jugé l'opération de soudage. Cette détermination est assez difficile à réaliser car elle est en général empirique et ne peut se faire que par le biais de nombreux essais. Toutefois, c'est la condition indispensable à la diffusion et à l'utilisation d'un procédé de soudage pour que l'opérateur de soudage ait un minimum de réglage à faire. Ainsi, classiquement, I'opérateur choisit le couple fil/gaz et suivant la vitesse d'avance du fil désiré, la courbe de synergie précédemment déterminée permet d'attribuer les bonnes valeurs aux paramètres du pulse de courant. En général, une bonne synergie en courant pulsé doit comporter un seul détachement de goutte par pulse, être exempt de projections et avoir une hauteur d'arc la plus petite possible. L'élaboration de la synergie ou du programme nécessite le choix des valeurs à affecter aux paramètres du pulse en sachant que: - le courant haut (Ih) ne peut être inférieur à un certain seuil si l'on veut que la goutte se détache, ce seuil étant donné par la valeur du courant pour laquelle commence le régime spray en soudage sous flux gazeux avec fil fusible en courant continu; et - si l'on ne veut pas de projections, il faut que le détachement de la goutte se produise à des niveaux de courant limités. D'autre part, une fois ce travail réalisé pour plusieurs vitesses d'avance du fil, il faut s'assurer que l'évolution en fonction de la vitesse d'avance du fil des paramètres décrivant le pulse de courant ne soit pas trop heurtée. En effet, la vitesse d'avance du fil choisie-par l'opérateur est libre, et elle ne correspond pas toujours aux vitesses d'avance du fil qui ont été utilisées pour décrire la courbe de synergie. Dans ce cas, il y a nécessité d'interpoler les valeurs des paramètres du pulse à partir des courbes synergiques et, si elles sont trop heurtées, le résultat de soudage obtenu peut ne pas être satisfaisant et il faut alors recommencer. La détermination des courbes synergiques est donc habituellement assez difficile et nécessite de réaliser de nombreux essais de soudage, le nombre étant d'autant plus élevé que les paramètres à prendre en compte son nombreux car, plus il y a de paramètres à considérer, plus il y a de combinaisons possibles de ces divers paramètres entre eux et donc plus il y a d'essais à réaliser, sans toutefois être certain du résultat qui en découlera. Le problème qui se pose alors est de disposer d'un procédé de soudage à l'arc pulsé permettant d'obtenir un soudage efficace des aciers au carbone, des aciers inoxydables, de l'aluminium ou des alliages d'aluminium et qui permette d'éviter de réaliser de nombreux essais de soudage pour déterminer les conditions et paramètres de soudage permettant de conduire à de bons résultats de soudage, en particulier la vitesse d'amenée du fil et l'ensemble des paramètres des impulsions de courant devant être appliquées pour la vitesse d'amenée du fil choisie, à savoir la valeur de courant moyen et la valeur de courant efficace: De là, un premier but de la présente invention est alors de proposer un procédé de soudage à l'arc à régime pulsé des aciers au carbone, des aciers inoxydables, de l'aluminium ou des alliages d'aluminium, avec mise en oeuvre d'une protection gazeuse, présentant une grande flexibilité et conduisant à des résultats satisfaisants en termes de qualité de soudage. Un deuxième but de la présente invention est alors de proposer un procédé de soudage à l'arc à régime pulsé, MIG ou MAG, permettant de déterminer facilement, en fonction de la vitesse d'amenée du fil souhaitée, l'ensemble des paramètres des impulsions de courant, à savoir la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (leff) devant être appliquées, pour que de bons résultats de soudage soient obtenus. De là, la présente invention concerne b'n procédé de soudage à l'arc à régime pulsé d'une ou plusieurs pièces en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en alliage d'aluminium, avec mise en oeuvre d'une protection gazeuse, dans lequel on alimente une torche de soudage à l'arc électrique avec au moins un fil fusible à une vitesse d'amenée de fil (Vfil) et on soumet ledit fil fusible à des impulsions de courant pour obtenir une fusion de l'extrémité dudit fil fusible et le détachement d'une goutte de métal fondu par impulsion de courant, et dans lequel, pour une fréquence de pulsation donnée, on choisit et/ou on met en oeuvre une vitesse d'amenée de fil (Vfil), une valeur de courant moyen (Imoy) et une valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 o Imoy et leff sont exprimées en Ampères et Vfil est exprimée en m.min''. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes: - la ou les pièces à souder sont en acier au carbone et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (left) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 --avec 20 leff =A2x Vfil + B2 avec 19 - la ou les pièces à souder sont en acier inoxydable et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 10 leff =A2x Vfil + B2 avec 9 - la ou les pièces à souder sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 leff =A2x Vfil + B2 avec 5 - la vitesse d'amenée de fil (Vfil) est comprise entre 1 et 20 m.min-1, de préférence 2 et 15 m.min-' - la fréquence de pulsation est comprise entre 20 et 300 Hz, de préférence entre 50 et 200 Hz. - le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (leff) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.1 et 1.8. - la ou les pièces à souder sont en acier au carbone et en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (leff) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.05 et 1,6. - la ou les pièces à souder sont en acier inoxydable et en ce que le rapport (leff/ I moy) de la valeur de courant efficace (leff) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.1 et 1.8. - la ou les pièces à souder sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (left) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1,05 et 1,5. - la ou les pièces à souder ont une épaisseur de 0.5 mm à 10 mm, de préférence de 0.8 à 6 mm. - la protection gazeuse est constituée d'un gaz ou mélange gazeux choisi parmi l'hélium, I'argon, le dioxyde de carbone, I'oxygène, I'azote et l'hydrogène. - le fil fusible a un diamètre compris entre 0.6 mm et 2.2 mm, de préférence entre 0.8 mm et 1.6 mm. - le soudage est de type MIG pulsé ou MAG pulsé. - le fil est un fil plein ou un fil fourré. L'invention porte aussi sur un dispositif de soudage à l'arc à régime pulsé susceptible de mettre en oeuvre un procédé de l'invention comportant: - des moyens de sélection de fréquence permettant de régler, ajuster ou sélectionner une fréquence de pulsation, - des moyens de sélection de vitesse de fil permettant de régler, ajuster ou sélectionner une vitesse d'amenée de fil (Vfil), - des moyens de détermination des valeurs de courant moyen (Imoy) et de courant efficace (leff) permettant de déterminer ou calculer au moins une valeur de courant moyen (Imoy) et au moins une valeur de courant efficace (leff), telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 moins un générateur de courant de soudage. En outre, I'invention a aussi trait à une installation de soudage comportant au moins un dispositif selon l'invention, au moins une torche de soudage, au moins une source de fil de soudage et au moins une source de gaz de protection. En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que, de manière surprenante, dès lors que pour un couple fil/gaz donné, une vitesse fil (Vfil) donnée et une fréquence de pulsation donnée, il suffisait de choisir des valeurs de courant moyen (Imoy) et de courant efficace (leff) correspondant à ces paramètres et telles que données cidessus pour obtenir des pararmètres de fonctionnement conduisant à un procédé de soudage pulsé efficace, c'est-à-dire un procédé de soudage donnant un seul détachement de goutte par pulsation, qui soit exempt de projections de métal fondu et qui permette de conserver une hauteur d'arc constante. Comme évoqué ci-dessus, en régime pulsé, I'impulsion de courant peut revêtir différentes formes mais la forme trapézoïdale est pratiquement la seule à être utilisée au plan industriel et se caractérise par les paramètres indiqués à la figure 1 ci-annexée. Sur la figure 1, ont été représentées deux impulsions de courant successives de forme trapézoïdale; I'axe des abscisses représentant le temps (t) en millisecondes et l'axe des ordonnées représentant l'intensité (I) du courant en Ampères. Chaque impulsion de courant est formée: - d'une pente de montée de courant depuis une valeur de courant bas (lb) jusqu'à une valeur de courant haut (Ih) durant un temps de montée (tm) de courant; - d'un palier de courant haut formant le haut du trapèze durant un temps haut (Th) d'impulsion durant lequel se détache la goutte de métal fondu à l'extrémité du fil; et - d'une pente de descente de courant depuis la valeur de. courant haut (Ih) jusqu'à la valeur de courant bas (lb) durant un temps de descente (td) de courant, ledit temps de descente (td) pouvant être égal ou non au temps de montée (tm) de courant. La somme des durées du temps de montée (tm), du temps haut (Th) et du temps de descente (td) de courant constitue le temps de pulsation (Tp). Une impulsion trapézoïdale est séparée de l'impulsion suivante par un pallier de courant bas durant un temps bas (Tb). La somme des durées du temps de pulsation (Tp) et du temps bas (Tb) constitue l'inverse de la fréquence (1/f) exprimée en Hertz. Pour pouvoir aboutir au procédé de la présente invention, plusieurs essais ont été réalisés par les inventeurs et sont consignés dans les exemples ci-après. Essais Dans le Tableau I ci-après, ont été consignés plusieurs jeux de paramètres obtenus pour une vitesse fil (Vfii) de 4m.mn', une fréquence (f) de 80Hz et un couple (Imoy, leff) avec Imoy = 146 A et leff = 188 A, donnant les résultats de soudage similaires en soudage à régime pulsé de deux pièces en acier au carbonne. Tableau I lb (A) 97 85 74 69 Ih (A) 536 430 420 354 Tp (ms) 0.4 1.2 0.8 2.4 tm = td (ms) 1 1.8 1 Au vu de ce Tableau I, les inventeurs ont constaté que, pour un même couple fil/gaz, une même vitesse d'avance du fil (Vfil) et une même fréquence de pulsation, il n'existait qu'un domaine étroit de variations du couple (Imoy, leff) dans lequel le transfert de la goutte était correct et que, dans cet intervalle, si on augmentait la valeur de Imoy, il fallait obligatoirement diminuer la valeur de leff pour conserver l'efficacité du procédé de soudage. Dit autrement, au-delà d'un couple (Imoy minimum; leff maximum), on ne peut pas obtenir un transfert de métal du fil vers le joint desoudure sans court-circuit et au-delà d'un couple (Imoy maximum; leff minimum), le détachement des gouttes devient erratique et conduit à l'apparition de grosses gouttes de métal fondu, ce qui n'est pas souhaitable. Dans le Tableau II ci-après, ont été indiqués, à titre d'exemple, les couples limites déterminés pour une vitesse de fil (Vfil) de 4m.mn-' et une fréquence de pulsation de 100 Hz; on notera que ces couples limites conservent aussi la hauteur d'arc. Tableau II Imoy (A) leff (A) 128 215 143 195 Partant de là, les inventeurs de l'invention ont également étudié l'évolution des couples (Imoy, leff) de fonctionnement en fonction de la fréquence de pulsation et tout en conservant une hauteur d'arc la plus courte possible (environ 3 à 4 mm) et pour une même vitesse d'avance du fil. L'évolution de ces couples est représentée sur la figure 2 pour une vitesse de 4m.mn-1. Au vu des résultats obtenus, il ressort qu'il n'est pas possible de conserver longtemps le même couple (Imoy leff) lorsqu'on fait varier la fréquence et que, quand on diminue cette fréquence, l'écart entre Imoy et leff diminue. Toutefois, il apparaît qu'il existe une fréquence minimum et une fréquence maximum en deçà et au delà de laquelle il est difficile de procéder. Ces limites sont fixées par le diamètre de la goutte obtenue, la limite basse en fréquence étant fixée à environ 1,2 fois le diamètre du fil et la limite haute en fréquence à environ 0,8 le diamètre du fil. De ces essais, il découle que tous les paramètres décrivant l'impulsion de courant pour un couple fil/gaz et une vitesse fil (Vfil) déterminés, peuvent être inclus dans une aire de l'espace des Imoy et leff, et que cette aire peut être déterminée par quelques expériences simples par détermination d'un couple (Imoy, leff) qui fonctionne pour une fréquence donnant une goutte de l'ordre de grandeur du diamètre du fil, excursion en fréquence et détermination du couple (Imoy, leff) pour les fréquences limites et détermination des couples limites au delà et en deçà desquels le détachement n'est plus correct pour ces fréquences limites. Ainsi, sur la figure 3 a été représentée l'évolution des valeurs de Imoy et leff en fonction de la vitesse fil (Vfil) obtenues avec un fil fusible commercialisé par la Société LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE sous lI'appellation NERTALICTM 70S de diamètre 1,2 mm et en employant un gaz de protection commercialisé par la Société L'AIR LIQUIDE sous l'appellation ARCALTM 21 (mélange Ar/CO2). Comme on peut le voir, l'évolution est pratiquement linéaire sur toute la plage de vitesse fil considérée. Ici, les couples ont été déterminés pour 2m.min-1 et 8m. min-' de vitesse fil (Vfil) et pour une fréquence pour chaque vitesse fil correspondant à un diamètre théorique de goutte constant de 0,88 fois le diamètre du fil. En procédant de la même manière, les inventeurs ont pu déterminer l'ensemble des points de fonctionnement pour l'ensemble des couples fil/gaz en soudage MIG/MAG pulsé, pour une fréquence de pulsation et une vitesse d'amenée de fil (Vfil) données, et ont alors déterminé que, pour obtenir un soudage efficace, il fallait chosir une valeur de courant moyen (Imoy) et une valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 avec Imoy et leff exprimées en Ampères et Vfil exprimée en m.min'1. Revendications 1. Procédé de soudage à l'arc à régime puisé d'une ou plusieurs pièces en acier au carbone, en acier inoxydable, en aluminium ou en alliage d'aluminium, avec mise en oeuvre d'une protection gazeuse, dans lequel on alimente une torche de soudage à l'arc électrique avec au moins un fil fusible à une vitesse d'amenée de fil (Vfil) et on soumet ledit fil fusible à des impulsions de courant pour obtenir une fusion de l'extrémité dudit fil fusible et le détachement d'une goutte de métal fondu par impulsion de courant, et dans lequel, pour une fréquence de pulsation donnée, on choisit et/ou on met en oeuvre une vitesse d'amenée de fil (Vfil), une valeur de courant moyen (Imoy) et une valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 o Imoy et leff sont exprimées en Ampères et Vfil est exprimée en m.min'1. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou-les pièces à souder sont en acier au carbone et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 20 o Imoy et leff sont exprimées en Ampères et Vfil est exprimée en m.min-1. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en cetque la ou les pièces à souder sont en acier inoxydable et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (leff) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 10 o Imoy et leff sont exprimées en Ampères et Vfil est exprimée en m.min-'. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et en ce qu'on choisit la valeur de courant moyen (Imoy) et la valeur de courant efficace (lef) telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 o Imoy et leff sont exprimées en Ampères et Vfil est exprimée en m.min'1. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse d'amenée de fil (Vfil) est comprise entre 1 et 20 m.min-1, de préférence 2 et 15 m.min'1 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la fréquence de pulsation est comprise entre 20 et 300 Hz, de préférence entre 50 et 200 Hz. 7. Procédé selon l'une des revendications I à 6, caractérisé en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (lefm) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.1 et 1.8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1, 2 ou 5 à 7, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en acier au carbone et en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (leff) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.05 et 1,6. ' 9. Procédé selon l'une des revendications 1, 3 ou 5 à 7, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en acier inoxydable et en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (leff) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1.05 et 2, de préférence entre 1.1 et 1.8. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4 à 7, caractérisé en ce que la ou les pièces à souder sont en aluminium ou en alliage d'aluminium et en ce que le rapport (leff / Imoy) de la valeur de courant efficace (left) à la valeur de courant moyen (Imoy) est compris entre 1. 05 et 2, de préférence entre 1,05 et 1,5. 1il. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la protection gazeuse est constituée d'un gaz ou mélange gazeux choisi parmi l'hélium, l'argon, le dioxyde de carbone, I'oxygène, I'azote et l'hydrogène et/ou en ce que le fil fusible a un diamètre compris entre 0.6 mm et 2.2 mm, de préférence entre 0.8 mm et 1.6 mm. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le soudage est de type MIG pulsé ou MAG pulsé et/ou en ce que le fil est un fil plein ou un fil fourré. 13. Dispositif de soudage à l'arc à régime pulsé, susceptible de mettre en oeuvre un procédé selon l'une des revendications 1 à 12, comportant: - des moyens de sélection de fréquence permettant de régler, ajuster ou sélectionner une fréquence de pulsation, - des moyens de sélection de vitesse de fil permettant de régler, ajuster ou sélectionner une vitesse d'amenée de fil (Vfil), - des moyens de détermination des valeurs de courant moyen (Imoy) et de courant efficace (leff) permettant de déterminer ou calculer au moins une valeur de courant moyen (Imoy) et au moins une valeur de courant efficace (leff), telles que: Imoy =A1 x Vfil + B1 avec 5 de courant de soudage. 14. Installation de soudage comportant au moins un dispositif selon la revendication 13, au moins une torche de soudage, au moins une source de fil de soudage et au moins une source de gaz de protection.