Brevet FR2841165A1 — publié le 20031226

culasse ou un carter de moteur d'automobile ou d'avion. 28411 65 . La presente invention se situe de maniere generale dans le domaine du soudage par arc electrique. Plus particulierement, I'invention concerne des equipements de soudage par arc electrique dont la compatibilite electro-magnetique est amelioree grace a un amorcage perfectionne de l'arc de soudure. Dans le domaine du soudage par arc electrique, il est connu d'utiliser un generateur de haute frequence, afin de provoquer l'amor,cage d'un arc electrique dans un circuit d'arc etabli entre une electrode de soudage et une piece a souder. Le generateur de haute o frequence effectue de maniere cyclique un balayage en frequence ou wobbulation (par exemple, entre 40 et 100 kHz), et impose, en regime force, sa frequence de fonctionnement au circuit d'arc. Un tel balayage decoule de la necessite de couvrir une variation de la frequence de resonance du circuit d'arc. Lorsque la frequence d'un signal wobbule fourni par le generateur de haute frequence passe par une frequence propre de resonance du circuit d'arc, il apparat une surtension entre ['electrode de soudage et la piece a souder. Cette surtension ionise l'espace entre ['electrode de soudage et la piece a souder et provoque ['apparition de l'arc electrique. Afin de o reamorcer l' arc en cours d'operation de soudage, en cas d'extincti on de celui-ci, le generateur de haute frequence reste souvent actif pendant toute la duree de ['operation de soudage. Dans certains equipements de soudage de la technique anterieure, le signal wobbule est superpose sur l'alimentation electrique de puissance de l'arc electrique de soudure. La technique anterieure fait appel a un gbnerateur de haute frequence avec une puissance relativement elevee et presente ['inconvenient d'un parasitage electro-magnetique important qui affecte la compatibilite electro-magnetique des equipements de so soudage par arc electrique. En effet, le balayage en frequence effectue par le generateur de haute frequence se situe dans une gamme de frequence dans laquelle l'electronique de commande des equipements de soudage et ltenvironnement immediat peuvent presenter une sensibilite electro-magnetique elevee. 28411 65 11 est done souhaitable d'avancer dans la vole de solutions techniques moins parasitantes, afin notamment de reduire les couts des blindages electro-magnetiques actuellement indispensables, et de faciliter l'utilisation des equipements de soudage par arc electrique dans des environnements sensibles demandant une bonne compatibilite electro-magnetique. La presente invention a pour objet de fournir des equipements de soudage par arc electrique dans lesquels la compatibilite electro-magnetique est amelioree grace a un amorcage o perfectionne de ['arc. Un equipement de soudage par arc electrique selon ['invention pour realiser une soudure sur une piece a souder, comprenant une electrode permettant le soudage, une source d'alimentation electrique de puissance et des moyens d'amorcage d'arc electrique, est caracterise en ce que lesdits moyens d'amor,cage d'arc electrique comprennent des moyens d'excitation pour generer un regime d'oscillations argumentaires entretenues dans lequel un arc electrique est amorce entre ladite electrode et ladite piece a souder. o Dans le regime d'oscillations argumentaires, contrairement au regime d'oscillations forcees, I'excitation intervient dans une gamme de frequences differente de celle des oscillations entretenues produisant l'amor,cage de ['arc. Un facteur de multiplication est determinable entre les deux gammes de frequences et autorise une dissociation de celles-ci. Grace a cette caracteristique, la gamme de frequences d'excitation peut etre selectionnee de maniere a etre la plus compatible possible avec l'environnement immediat, sur le plan electromagnetique. De plus, avec le facteur de multiplication, I'excitation se situe dans une o gamme de frbquences plus elevee pour lesquelles les solutions de filtrage et de blindage vent plus efficaces et moins couteuses. Selon une autre caracteristique, les moyens d'excitation fournissent un signal d'excitation comportant une plage de spectre frequentiel discret. De preference, le signal d'excitation se presente SOUS la forme d'un signal periodique module non-linesire. 28411 65 Selon encore une autre caracteristique, les moyens d'amor,cage d'arc electrique comprennent une partie d'impedance linesire adaptable associee a une partie d'impedance non-lineeire correspondent a un circuit d'arc, les parties d'impedance formant conjointement une impedance resonnante non-linesire ayant une pulsation propre qui determine sensiblement le regime d'oscillations argumentaires entretenues; D'autres caracteristiques et avantages de ['invention apparatront a la lecture de la description suivante de plusieurs o formes de real isati on preferees des equipements de soudage par arc electrique selon ['invention. Cette description est faite en reference aux dessins qu'elle comporte, dans lesquels: la Fig.1 est un bloc-diagramme de principe d'une forme de s realisation preferee d'un equipement de soudage par arc electrique selon ['invention; la Fig.2 est un schema electrique de principe d'un circuit de generation de signal d'excitation non-linesire inclus dans l'equipement de soudage selon ['invention de la Fig.1; o la Fig.3 montre un balayage en frequence effectue pour l'amorcage de l'arc electrique dans un equipement de soudage de la technique anterieure; et les Figs. 4a et 4b representent des plages de spectres frequentiels discrete correspondent respectivement a des signaux modules lineaire et non-linesire auxquels se refere une description ci-apres du principe d'amor,cage mis en oeuvre dans un equipement de soudage selon ['invention. En reference a la Fig. 1, il est montre une forme de realisation preferee d'un equipement de soudage par arc electrique so 1 selon ['invention. L'equipement de soudage 1 comprend essentiellement une torche 10, une source d'alimentation electrique de puissance 11, un equipement de commande 12, des dispositifs de deplacement et d'orientation 13, une capacite ou reserve 14, 28411 65 appelee ci-apres "ballon de gaz, qui contient un gaz de protection pour la soudure et a laquelle est associee une electrovanne 140, et un circuit d'amor,cage 15. Le gaz de protection contenu dans le ballon de gaz est par exemple ['Helium ou ['Argon. Une piece a souder PS est installee dans l'equipement de soudage 1. La piece a souder PS est reliee electriquement a la source d'alimentation electrique de puissance 11 et constitue une electrode de masse (sans preference de polarite) pour la generation de l' arc electrique. o La torche 10 est concue de fa,con a recevoir une electrode permettant le soudage, appelee ci-apres "electrode pour soudage", et a assurer le deplacement progressif de celle-ci en cours d'operation de soudage, au fur et a mesure de la fusion et de l'apport de matiere consecutif sur la piece a souder PS. s La source d'alimentation electrique de puissance 11 est de preference de type regulee et comprend des elements d'enclenchement de circuit et de protection electrique (non representes). Selon une variante, la source d'alimentation electrique de puissance 11 est de type a decoupage. Une premiere borne 110 o de la source d'alimentation electrique de puissance 11 est reliee a ['electrode pour soudage 100. Une deuxieme borne 111 de la source d'alimentation electrique de puissance 11 est reliee a la masse de l'equipement de soudage 1, et done, a la piece a souder PS (sans preference de polarite). L'equipement de commande 12 supporte toute la logique de commande necessaire au fonctionnement de l'equipement de soudage 1. L'equipement de commande 12 est de preference construit autour d'un microprocesseur et comprend une interface homme-machine (non representee), realisee par exemple sous la so forme d' un clavier et de moyens d'affichage d' informations ou d'un pupitre de commande. L'equipement de commande 12 produit differentes commandes pour activer et synchroniser le fonctionnement des composants fonctionnels de l'equipement de soudage 1. L'equipement de commande 12 fournit notamment une commande pour activer la source d'alimentation electrique de puissance 11, une commande 121 pour les dispositifs de deplacement et d'orientation 13 dont il sera question plus loin, une commande 122 pour ltelectrovanne 140 associee au ballon de gaz 14, et une commande 123 pour activer le circuit d'amor,cage 15 et provoquer l'amor,cage d'un arc electrique de soudage entre ['electrode 100 et la piece a souder PS. Les dispositifs de deplacement et d'orientation 13 ont o essentiellement pour fonction d'assurer des operations de deplacement ou d'orientation de la torche 10 et de ['electrode pour soudage 100 relativement a la piece a souder PS. Selon un autre mode de fonctionnement de ltequipement de soudage 1, ou une variante de realisation de celui-ci, c'est la piece a souder PS qui est s deplacee ou orientee relativement a la torche 10 et a ltelectrode pour soudage 100. Le ballon de gaz 14 contient un gaz de protection de la soudure et de ['electrode. En cours d'operation de soudage, le gaz provenant du ballon 14 peut btre amene sur la soudure a travers un o orifice specifique 101 amenage dans la torche 10. L'electrovanne , lorsqu'elle est activee par la commande 122 fournie par l'equipement de commande 12, etablit un circuit d'acheminement de gaz entre le ballon 14 et ltorifice specifique 101 de fa,con a amener le gaz sur la soudure. Le circuit d'amor,cage 15 et son fonctionnement vent decrits plus en detail dans la suite en reference aux Figs.2, 3, 4a et 4b. Comme montre a la Fig.1, le circuit d'amor,cage 15 comporte une premiere borne 150 reliee a ['electrode pour soudage 100, et une deuxieme borne 151 peut btre reliee a une electrode 152 appelee ci so apres "electrode auxiliaire d'amorcage". Cette electrode auxiliaire d'amorcage 152 peut prendre differentes formes et peut etre constituee, par exemple, par la buse ou la tuyere dans le cas du soudage au plasma. L'electrode 152 ntest pas toujours necessaire et sa fonction peut eventuellement Gtre remplie par ['electrode pour ss soudage 100 avec une connexion de la borne 150 a la piece a 28411 65 souder PS. L'electrode 152 est requise notamment pour les operations de soudage au plasma, lorsqutun ecartement W entre ['electrode pour soudage 100 et la piece a souder PS est trop important pour qu'un amor,cage de l'arc electrique soit possible s directement a travers ['electrode pour soudage 100. L'electrode auxiliaire d'amor,cage 152 est disposee de fa, con a presenter un ecartement W' par rapport a ['electrode pour soudage 100 qui est inferieur a l'ecartement W. Lorsqu'une tension elevee est appliquee entre ltelectrode o d'amor,cage auxiliaire 152 et ['electrode pour soudage 100, I'espace environnant au niveau de l'ecartement W' est ionise, et cette ionisation provoque l'amor,cage d'un arc electrique de falble puissance. Cet arc electrique de faible puissance, appele par la suite "arc electrique d'amor,cage" accentue l'ionisation de l'espace s environnant au niveau de l'ecartement W et facilite l'amor,cage de l'arc electrique de soudage de forte puissance entre ['electrode pour soudage 100 et la piece a souder PS. En reference a la Fig.2, le circuit d'amor,cage 15 comprend essentiellement un circuit de generation de signal d'excitation non o lineaire 153 et une impedance resonnante lineeire 155' formant partie d'une impedance resonnante non-linesire 155. Le circuit de generation de signal d'excitation non-lineeire 153 produit un signal d'excitation non-linesire NL. Le signal NL est fourni a ['impedance resonnante non-linesire 155. L'impedance s resonnante nonlinesire 155 est formee de la partie d'impedance lineeire 155' incluse dans le circuit d'amor,cage 15 et d'une partie d'impedance non-lineaire 155". La partie d'impedance lineaire 155' est representee simplement ici par une inductance L en parallele avec un so condensateur C, etant bien entendu que celle-ci peut prendre des formes plus complexes, incluant des composants de circuit supplementaires et des composants parasites, de types inductif, capacitif ou resistif. La partie d'impedance lineaire 155' est connectee entre les bornes 150 et 151 du circuit d'amor,cage 15, et done, entre ltelectrode auxiliaire d'amorcage 152 et ['electrode pour 28411 65 soudure 100. La partie d'impedance non-linesire 155" correspond a un circuit d'arc et est formee par ['electrode auxiliaire d'amorcage 152 et ltelectrode pour soudure 100. La partie d'impedance non-linesire 155" est tres variable et depend notamment de l'ecartement W' entre ltelectrode auxiliaire d'amor, cage 152 et ['electrode pour soudure , ou de l'ecartement W lorsque ['electrode auxiliaire d'amorcage 152 et ltelectrode pour soudage 100 ne forment qu'une seole et meme electrode. Par une adaptation de la partie d'impedance o linesire 155', il est cependant possible de limiter ['influence de la variation de la partie d'impedance non-lineaire 155" sur ['impedance resonnante non-lineaire 155, de facon a determiner une plage de variation de resonance propre dans laquelle se situe une frequence propre de ['impedance resonnante non-iineeire. Comme cela apparatra plus clairement par la suite, cette adaptation de la partie dtimpedance linesire 155' fait partie d'un travail de mise au point necessaire que lthomme du metier salt realiser pour mettre en oeuvre ['invention dans une configuration particuliere de l' equ ipement de soudage. U ne tel le adaptation, compte-tenu de o l'enseignement apporte par la presente invention, est dans la competence de l'homme du metier et ne sera pas decrite davantage . ICI. En reference egalement aux Figs.3, 4a et 4b, le principe de fonctionnement du circuit d'amor,cage 15 selon ['invention est s maintenant decrit comparativement au procede d'amorcage connu dans ltetat de la technique. Conformement au procede d'amor,cage connu dans l'etat de la technique, il est utilise un generateur de haute frequence d'amor,cage qui delivre un signal wobbule de balayage en frequence so dont la frequence F varie selon une rampe entre une frequence minimum Fmin et une frequence maximum Fmax. Le balayage en frequence du signal wobbule est montre a la Fig.3. Le signal wobbule alimente une impedance resonnante presente entre une electrode et la piece a souder. Un fonctionnement en regime force ss est etabli dans ['impedance resonnante, avec ie signal wobbule de 28411 65 forte puissance qui impose sa frequence d'oscillation F a ['impedance resonnante. Lorsque la frequence F du signal wobbule est egale a une frequence propre Fp de ['impedance resonnante, il apparat une surtension entre les bornes de ['impedance resonnante. s Cette surtension de resonance ionise l'espace entre ltelectrode et la piece a souder et provoque ['apparition de l'arc electrique. Le circuit d'amorcage 15 de l'equipement de soudage selon ['invention ne fonctionne pas en regime force comme dans la technique anterieure, mais dans un regime d'auto-oscillations o entretenues, plus precisement, dans un regime dit d'oscillations argumentaires entretenues qui est decrit dans la suite. Conformement a ['invention, le signal NL est un signal d'excitation de faible puissance destine a declencher les auto-oscillations de ['impedance resonnante non-lineaire 155. Les systemes non-lineaires ont fait ['objet d'etudes et diverges publications traitent de ce sujet. Pour des connaissances generales relatives aux systemes non-linesires, le lecteur se referee utilement a l'ouvrage de J. M. HOLTZMAN, "Non Linear System Theory; A functional Analysis Approach", Prentice Hall, 1 970. Certains comportements non-lineeires typiques ont ete mis en evidence. Ces comportements typiques comprennent la dependence frequence-ampl itude, l es reponses multiva lentes et l es resonances avec saut, ainsi que les oscillations auto-entretenues ou s cycles limites. Les oscillations autoentretenues, ou cycles limites, apparaissent notamment dans les systemes a decharge par arc electrique. La decharge d'une lampe a neon a travers un circuit RC constitue un exemple classique bien connu d'un tel systeme a decharge par arc, dont la dynamique est decrite par ['equation de Van der Poll L'article "Amorcage argumentaire d'oscillations entretenues avec une serie discrete d'amplitudes stables" de D. B. et J.B. Doubochinski, paw dans la revue EDF - Bullefin de la Direction des Etudes et Recherches, Serie C, Mathematiques, Informatique, N 3, s 1991, pages 11 a 20, decrit le phenomene de l'amor,cage 28411 65 d'oscillations entretenues dans un systeme oscillatoire passif linesire ou non-lineeire lorsque celui-ci est excite par un signal periodique exterieur qui est une fonction non-lineeire de l'etat du systeme oscillatoire. Conformement au phenomene de l'amorcage d'oscillations argumentaires entretenues, un systeme oscillatoire passif excite par un signal periodique non-lineaire, d'amplitude elevee et de pulsation v, presente une multiplicite d'etats stationnaires d'oscillation a des pulsations quasi-propres on=mo du systeme oscillatoire, w0 etant la pulsation propre, a condition que o v >> m0. Les amplitudes normalisees an des oscillations stationnaires, avec les conditions indiquees ci- dessus, vent approximees avec une bonne precision par l'egalite suivante: an [8(1 - (V/n0)2]1l2, 1) dans laquelle n=2m+1, m=O, 1, 2,... Ces oscillations stationnaires presentent une certaine ana log ie avec l es resonances cites sous-harmon iq ues dans la theorie des systemes non-lineaires. Le circuit d'amorcage 15 selon ['invention fonctionne dans un regime d'oscillations argumentaires entretenues tel que decrit dans ['article cite ci-dessus. La mise en oeuvre de ['invention dans un equipement de soudage requiert la realisation prealable d'une etude en frequence et en amplitude de la partie d'impedance non-lineaire 155" afin de connatre son comportement, en fonction notamment de la variation des ecartements W et W'. La partie d'impedance linesire 155' est ensuite calculee de maniere a limiter ['influence de la variation de la partie d'impedance non-linesire 155" sur ['impedance resonnante non-lineeire 155, et de determiner pour celle- ci une resonance propre a la pulsation m0 + AaO comprise dans une plage de variation so determinee [0-oO, m0+mO]. Connaissant la plage de variation determinee [0-mO, o'O+mO] de la resonance propre et a ['aide de l'egalite 1 ci-dessus), il est alors possible de definir une plage de spectre frequentisi discret SD pour le signal d'excitation non-linesire NL capable d'amorcer des oscillations stables du systeme, avec des 28411 65 surtensions suffisantes pour produire un arc electrique d'amor,cage. Conformement a ['invention, le signal d'excitation NL est produit sous la forme d'un signal periodique module non-linesire. En effet, avec une nonlinearite, il est possible d'introduire dans le spectre du signal periodique module NL des composantes frequentielles lointaines dtintermodulation ayant des amplitudes de rates importantes, ce qui permet de rehausser le spectre aux extremites et de couvrir la plage de spectre frequentiel discret SD voulue. Concernant ce point, les Figs.4a et 4b montrent des o exemples simplifies de spectres frequentiels discrete Sl et Snl pour un signal periodique module linesire et un signal pGriodique module non-l i nesire, respectivement. Le spectre Sl du signal period ique module linesire montre a la Fig.4a comporte une raie centrale a une pulsation de porteuse vO et une multitude de rates {vo-Q, vo+Q; vo- 2Q, vo+2Q; vo-3Q, vo+3Q;...; vo-kQ, vo+kQ;...}, k etant un entier quelconque. Les amplitudes des rates vo-kQ, vo+kQ subissent une attenuation importante en 1/k2 et deviennent rapidement trop faibles pour generer un regime d'oscillations argumentaires. Le spectre Snl du signal periodique module non-lineaire montre a la o Fig.4b comporte des composantes frequentielles lointaines dtintermodulation vo-lQ, vo+iQ, I etant un entier, qui rehaussent le spectre Snl aux extremites et permettent d'obtenir la plage de spectre frequentiel discret SD voulue. Par consequent, la plage de spectre frequentiel discret SD pour ['excitation de ['impedance resonnante non-lineaire 155 est egale a [vO SD/2, vO + SD/2], et les oscillations argumentaires entretenues dans ['impedance 155 interviennent a une pulsation quasi-propre mn comprise dans la plage [mO-/\mO, mO+mO]. Selon ['invention, une pulsation d'excitation v' [v - SD/2, v + SD/2] et la pulsation d'oscillations argumentaires entretenues mn [mO-AceO, oO+mO] vent liees par un facteur de multiplication n= v'/mn, avec n=2m+1, m=O, 1, 2,... Le facteur de multiplication peut avoir une valeur importante. L'excitation se fait done dans une gamme de frequence differente de celle des oscillations argumentaires entretenues. 28411 65 Le circuit de generation de signal d'excitation non-linesire 153 est con, cu de maniere a generer un signal NL presentant la plage de spectre frequentiel discret SD voulue. Differents composants et circuits electroniques connus, tels que des oscillateurs, des melangeurs, des modulateurs, des circuits de mise en forme de signal, des circuits a seuil, des filtres et autres, peuvent etre utilises par l'homme du metier pour realiser le circuit de generation de signal d'excitation nonlineaire 153. Selon les formes de realisation, il est possible d'utiliser des modulations d'amplitude, o de frequence, de phase ou a saut de phase. Les spectres frequentiels des signaux modules obtenus avec ces modulations classiques vent connus. II conviendra de choisir la modulation la mieux adaptee pour ltobtention de la plage spectrale SD voulue. Le spectre de la tension d'alimentation fournie par la s source d'alimentation electrique de puissance 11 devra egalement etre pris en compte pour ltetude de la plage de spectre frequentiel discret SD. En effet, cette tension d'alimentation est presente entre ['electrode pour soudage 100 et la piece a souder PS et intervient dans l'amor,cage de l'arc electrique. De plus, la tension d'alimentation peut comprendre des non-linearites, consecutives a un redressement ou a un decoupage, qui vent susceptibles d'enrichir la plage spectrale SD. Les principes de ['invention etant ici divulques, differentes modifications et variantes apparatront aux hommes du metier. Ces modifications et variantes devront etre considerees comme incluses dans le champ d'application de ['invention, lequel n'est nullement limite aux formes de realisation actuellement preferees tels qu'elles ont ete decrites ci-dessus. 28411 65 REVENDICATIONS 1. Equipement de soudage par arc electrique pour realiser une soudure sur une piece a souder (PS) comprenant une electrode permettant le soudage (10, 100), une source s d'alimentation electrique de puissance (11) et des moyens d'amorcage d'arc electrique (15), caracterise en ce que lesdits moyens d'amorcage d'arc electrique (15) comprennent des moyens d'excitation (153) pour generer un regime d'oscillations argumentaires entretenues dans lequel un arc electrique (W. W') o est amorce entre ladite electrode (100, 152) et ladite piece a souder (PS). 2. Equipement de soudage par arc electrique selon la revendication 1, caracterise en ce que lesdits moyens d'excitation (153) fournissent un signal d'excitation (NL) comportant une plage s de spectre frequentiel discret (SD). 3. Equipement de soudage par arc electrique selon la revendication 1 ou 2, caracterise en ce que lesdits moyens d'excitation (153) fournissent un signal d'excitation (NL) sous la forme d'un signal periodique module non-lineaire. o 4. Equipement de soudage par arc electrique selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterise en ce que lesdits moyens d'amorcage d'arc electrique (15) comprennent une partie d'impedance lineaire adaptable (155') associee a une partie dtimpedance non-lineaire (155") correspondent a un circuit d'arc (100, 152, PS), lesdites parties d'impedance (155', 155") formant conjointement une impedance resonnante non-lineeire (155) ayant une pulsation propre (mO) qui determine sensiblement ledit regime d'oscillations argumentaires entretenues (mn mO). 5. Equipement de soudage par arc electrique selon l'une 28411 65 quelconque des revendicaBons 1 4, caractArlsA en ce qu'eMe comprend Agalemen1 une Alectrode auxUlake d'amorgage (152) reU6e auxdlts moyens d'amorgge d'arc Alec1hque (15) pour produlre un arc Alecthque d'amorgaga (W). 6. Equlpement de soudage par arc AleciNque selon [une quelconque des revendicaBons 1 5, caractArlsA en ce qu'eNe comprend Agalement des moyens de dAplacement et d'orientadon (13) pour assurer des opAraBons de dAplacemen1 ou d'orientabon de ladite Alectrode permettant le soudage (10, 100) relauvement ladite piAce souder (PS), ou lnversement. 7. Equipement de soudage par arc Alecthque selon [une quelconque des revendlcaBons 1 G. caractArisA en ce qu'eHe comprend Agalement des moyens (14, 140, 101) pour amene en cours d'opArabon, un gaz de protecLon pour la soudure rbalisde sur ladite place souder (PS), ledit gaz de protechon pouvant