Brevet FR2839911A1 — publié le 20031128

tringlerie de dmultiplication (30). 283991 1 PROCEDE ET DISPOSITIF DE CAPTAGE POUR LA MESURE DES EMISSIONS DE POUSSIERES ET DE GAZ LORS DU SOUDAGE, DU RECHARGEMENT OU DE L' USINAGE, EN VU E DE LEUR ANALYSE La presente invention concerne le captage des fumees et des gaz engendres par le soudage, le rechargement ou l'usinage (decoupe, per,cage) par des procedes tels que le LASER ou l'arc electrique sur des produits tels que les produits metalliques revetus ou colles par polymeres. s Les revetements, tres divers, peuvent etre a base de zinc, d'aluminium, de phosphates, de resines epoxy ou phenoliques, de peintures, vernis. II peut . .. s'agir egalement de produits metalliques a la surface desquels on trouve-des residue de films de produits lubrifiants, degraissants, solvents ou protections temporaires. o Compte tenu des temperatures tres elevees atteintes localement, le soudage, le rechargement ou l'usinage par fusion de ces produits comportant un revetement ou un film, provoquent la formation plus ou moins importante de gaz et vapeurs d'une part, de poussieres d'autre part. - Les gaz vent notamment liozone, issu par exemple de la transformation s de l'oxygene sous ['action du rayonnement ultraviolet dans un arc electrique, le monoxyde ou le dioxyde d'azote resultant de la reaction thermique entre l'oxygene et l'azote de ['air, le monoxyde de carbone, le phosgene, les aldehydes, le fluor, le chlorure d'acetyle, les hydrocarbures polycycliques aromatiques. o - Les poussieres vent des distributions de matieres fines et solides dans l'air qui peuvent provenir de reactions de condensation de vapeurs metalliques associees a une oxydation, ou de combustion incomplete de matieres organiques. Le diametre elementaire des particules est generalement compris entre 0,01 et 1pm. En soudage, les fumees vent composees de gaz, de poussieres et d'air chaud. En quantite excessive et sans moyen d'aspiration particulier au cours du soudage, la liberation dans l'air de ces nombreuses substances est i 283991 1 susceptible de provoquer differentes pathologies telles qu'asthme, cephalee, dyspnee, siderose, bronchopneumopathies chez les personnel inhalant celles-ci de maniere prolongee. Ainsi, les fabricants de produits metalliques revetus, les industries qui mettent en ceuvre ces produits par soudage, accordent-ils une importance croissante a la caracterisation precise des gaz et des poussieres. Les resultats, compares a des valeurs conventionnelles de moyennes ou limites d'exposition, permettent par exemple de faire evoluer les procedures de soudage, le choix des parametres, de decider diun suivi particulier, de la mise o en place de dispositifs de ventilation appropries ou de specifications toxicologiques. Ces observations, essentiellement relatives au soudage, s'appliquent egalement au rechargement, aux procedes d'usinage qui font intervenir un passage par l'etat liquide, une sublimation, une emission de gaz ou de ts poussieres: a ce titre, on citera par exemple la decoupe et le per,cage par faisceau LASER. Jusqu'a present, le probleme du recueil des gaz et des poussieres emis lors d'une operation de soudage ou d'usinage en vue de leur analyse ulterieure n'avait pas rec,u de reponse completement adaptee. o Certaines solutions ont ete imaginees, telle que celle decrite dans le brevet DE 31 31698, qui consiste a soumettre la fumee a des tests sur papier colorimetrique. II est possible de la sorte, de detecter par exemple la presence de nickel dans les fumees de soudage. Cependant, cette methode ne fournit naturellement que des resultats qualitatifs tres partiels. :5 On a preconise d'aspirer les gaz et les poussieres au moyen de conduites placees en amont et en aval dans le sens du soudage. Cette solution presente cependant ['inconvenient de ne capter qu'une partie des fumees emises. Si lion choisit d'adopter un debit d'aspiration important pour une captation maximale, celui-ci peut perturber le systeme de protection gazeux o mis en place pour ['operation de soudage. On a egalement propose de souder au sein d'une enceinte totalement confinee, afin de recueillir ['ensemble des gaz et des poussieres emis: Si l'enceinte est de petite taille, cette solution presente ['inconvenient de 283991 1 conduire tres rapidement a une concentration des emissions de poussieres et de gaz au point d'interaction entre la source de chaleur et la matiere, et done a une modification des reactions chimiques entre le plasma, le metal liquide et l'environnement gazeux. En d'autres termes, une simple enceinte totalement confinee de petites dimensions ne permet pas de recreer les conditions d'un soudage reel. Pour pallier cet inconvenient, la norme fran,caise NF A 81040 preconise le recueil des fumees dans des enceintes de taille nettement plus importante. On mentionnera que le recueil des fumees de soudage est complique par le o fait qu'il convient d'effectuer le prelevement dans des conditions stables, autrement dit d'eviter les phases transitoires de demarrage et d'extinction de l'arc electrique ou du faisceau sur des echantillons. Ceci conduit a un choix d'echantillons de plus grande longueur, et done a un accroissement des dimensions de l'enceinte. Cette solution s'avere en fait coOteuse et peu apte a etre mise en place directement sur site dans des conditions reelles de mise en ceuvre du soudage. De plus, la solution preconisee par la norme fran,caise NF A 81040 s'avere adaptee au soudage a ['arc, mais non au soudage ou a l'usinage LASER. Par ailleurs, les enceintes de taille importante vent assez mal adaptees au prelevement des gaz. o Le but de la presente invention est de proposer un moyen permettant le prelevement de gaz et de poussieres lors d'une operation de soudage ou d'usinage, et ce de maniere tres representative des conditions reelles. Wile vise en particulier a permettre le recueil de la plus grande partie des poussieres et gaz emis, sans perturber le deroulement de ['operation de :5 soudage et d'usinage des produits revetus. A cet effet, I'invention a pour objet un procede de captation, en vue de leur analyse, des poussieres et des gaz emis lors d'une operation de soudage, de rechargement ou d'usinage effectuee sous gaz protecteur. On realise le soudage, le rechargement ou l'usinage a l'interieur d'une enceinte comportant o d es moyens d 'as pi ration dont le d ebit est tel que les pou ssieres et les gaz captes soient representatifs de ceux emis par ces operations de soudage, de rechargement ou d'usinage Selon une caracteristique de ['invention, le debit d'aspiration des 283991 1 poussieres et des gaz est identique a celui du gaz de protection injecte lors du soudage, du rechargement ou de l'usinage. Selon une autre caracteristique de ['invention, on regule le debit d'aspiration de telle sorte que: 0,9 Penv SPES171 Penv, Penv designant la pression qui regne dans l'environnement de ['operation de soudage ou d'usinage que l'on se propose de reproduire, PE designant la pression dans l'enceinte. Selon d'autres caracteristiques de ['invention, on realise le soudage, le rechargement ou l'usinage preferentiellement par un procede a l'arc o electrique ou par faisceau LASER, ou une combinaison de ces deux moyens. $elon une autre caracteristique de ['invention, dans le cas ou le soudage, - le rechargement ou l'usinage est effectue, seul ou en combinaison, par faisceau LASER, la pression PE dans l'enceinte est telle que 1,3 PE S PCH O. PE designant la pression dans lienceinte, PCH.O la pression au niveau du chemin s optique du LASER. Selon une autre caracteristique de ['invention, I'usinage, le rechargement ou l'usinage est avantageusement effectue sur un echantillon en mouvement rotatif uniforme. L' invention a egalement pour objet u n d ispositif destine au recueil des gaz et o des poussieres emis lors du soudage ou de l'usinage, en vue de leur analyse. Ce dispositif est constitue d'une enceinte munie d'un couvercle amovible, d'une liaison pour le passage d'une ou plusieurs fetes ou buses de soudage, de rechargement ou d'usinage et assurant une etancheite et une liaison mecanique solidaire avec le couvercle de l'enceinte, un joint d'etancheite s entre le couvercle et les parois de l'enceinte, un porteechantillon sur lequel peut etre fixe solidairement un echantillon, et un dispositif de mise en rotation du porte-echantillon, un orifice et une conduite destines a ['aspiration des gaz et poussieres. Selon une caracteristique preferee de ['invention, I'extremite de la o conduite d'aspiration se situe en regard et a proximite immediate de la tranche de l'echantillon et de la source de degagement des poussieres et gaz, I'axe de cette conduite etant situe dans le plan de rotation a mi 283991 1 epaisseur de l'echantillon lorsque ce dernier est pose sur le porteechantillon. Preferentiellement encore, la liaison du dispositif decrit ci-dessus comporte un ou plusieurs passages diun ou plusieurs produits d'apport pour le soudage, le rechargement ou l'usinage. s Selon une autre caracteristique de ['invention, le dispositif comporte preferentiellement un puits thermique dispose au droit de la, ou des fetes ou buses de soudage, de rechargement ou d'usinage, destine a absorber une eventuelie energie excedentaire dans le cas d'un usinage ou d'un soudage par faisceau LASER o Selon une caracteristique preferee de ['invention, le dispositif de rotation du porte-echantillon est deporte a l'exterieur de l'enceinte. L'invention va maintenant etre decrite de fa,con plus precise, mais non limitative, au vu de la figure 1 qui represente schematiquement un dispositif de captage des gaz et poussieres. Le dispositif de captage des gaz et poussieres selon ['invention comprend une enceinte fixe 1, dont le couvercle 4 est amovible. Ce couvercle 4 comporte une liaison etanche 2 connue en elle-meme permettant le passage diune premiere buse de soudage, de rechargement ou d'usinage 3, o eventuellement d'une seconde tete dans le cas diun soudage > (par exemple: soudage LASER+soudage plasma, soudage LASER+soudage MAUI, soudage LASER+soudage TIG). Cette liaison permet le soufflage d'un eventuel gaz de protection durant ['operation de soudage et d'usinage, ou le passage d'un eventuel produit d'apport de soudage ou de rechargement. s Cette liaison 2 assure egalement que ['ensemble couvercle-torche constitue un ensemble mecaniquement solidaire. De la sorte, un simple deplacement vertical relatif de l'ensembie couvercle-torche permet d'acceder a l'interieur de l'enceinte 1. En position fermee, I'etancheite de ['ensemble enceinte couvercle est assuree par des joints 5. o L'enceinte 1 comporte un orifce 8 pour le passage d'une conduite 9 par laquelle on aspire les gaz et les poussieres de soudage, de rechargement ou d'usinage. Au sein de l'enceinte se trouve un porte-echantillon tournant 11 sur loquel on fixe solidairement un echantillon a analyser 7. La morphologic 283991 1 de l'echantillon 7 et les parametres de soudage, de rechargement ou d'usinage de cet echantillon reproduisent la situation que l'on vout simuler: par exemple superposition de soles pour le soudage par recouvrement, ligne de fusion sur une seule tole pour simuler le soudage bout a bout. Par rapport a la source de soudage ou d'usinage, on a pu observer que les poussieres se degagent aussi bien en face superieure qu'en face inferieure de l'echantillon. Par consequent, I'orifice de la conduite d'aspiration 9 est situe en regard de la tranche de l'echantillon aussi pres que possible de la source de degagement de poussieres et de gaz, I'axe de la conduite etant o situe dans le plan de rotation a mi- epaisseur de l'echantillon. L'echantillon 7 est avantageusement circulaire afin de minimiser la distance entre la source de degagement des poussieres et des gaz, et ['orifice de la conduite d'aspiration 9. On aspire les poussieres et les gaz au moyen d'un dispositif tel qu'une ts pompe par l'intermediaire de la conduite d'aspiration 9, reliee a un ou plusieurs moyens d'analyse des gaz et des poussieres connus en eux- memes. Ces moyens vent par exemple des systemes de filtres pour analyse et pesee des poussieres, des tubes pour analyses des gaz. L'echantillon 7 et le plateau porte-echantillon 11 vent mus par l'intermediaire o d'un dispositif 6 tel qutun moteur qui leur assure une vitesse de rotation constante. Ce dispositif 6 est de preference dbporte a l'exterieur de l'enceinte afin de faciliter ia recuperation des emissions condensees dans celle-ci. Lorsque le procede de soudage ou d'usinage repose sur l'utilisation d'un faisceau a haute densite d'energie, le faisceau peut traverser liechantillon et endommager eventuellement l'enceinte, d'autant plus facilement que ce faisceau est stationnaire. On pallie ce risque par la presence d'un puits thermique au droit de ['impact du faisceau pour absorber une eventuelle energie de soudage ou d'usinage excedentaire et eviter l'echauffement de l'enceinte. II peut s'agir par exemple d'un cylindre de cuivre refroidi par une circulation continue d'eau. Dans des conditions industrielles, le soudage de soles minces revetues est lineeire pour executer des soudures rectilignes. La reproduction d'un tel mode de soudage dans une enceinte n'est cependant pas aisee a mettre en 283991 1 ceuvre: - II faut en effet minimiser le nombre de pieces mecaniques dans l'enceinte afin de faciliter la recuperation des elements condenses qui n'auraient pas ete aspires. - Pour se mettre dans des conditions reelles de soudage, il faut minimiser les phases transitoires de demarrage et fin de soudage. Ces phases d'acceleration-deceleration vent difficiles a reduire sur une trajectoire lineaire de falble longueur. Afin de pal l ier ces d ifficu ltes, on effectue le soudag e ou l'usi n age d ans u ne o enceinte sur un echantillon en mouvement de rotation autour d'un axe qui traverse de preference le fond de i'enceinte. Apres que le porte-echantillon a atteint une vitesse de rotation constante (rbgime stationnaire), on effectue le soudage ou l'usinage pendant une duree correspondent a une periode egale ou inferieure a un tour. On effectue le recueil des fumees de soudage ou d'usinage suivant differents modes de realisation: Selon un premier mode de realisation, il convient d'eviter de saturer l'enceinte avec les gaz de protection et les gaz emis pour reproduire les conditions d'ambiance gazeuse de fac,on realiste. Le debit d'aspiration par I'intermediaire de la conduite 9 du dispositif de collecte est alors egal au debit d'arrivee gazeuse des gaz de protection. Selon un second mode de realisation, on mesure la pression PE a l'interieur de l'enceinte au moyen d'un capteur de pression tel qu'un manometre 12. On reg u le alo rs l e debit d u systeme d ' as pi ratio n de tel le sorte q ue la pression dans l'enceinte se situe a une valeur proche de la pression Penv, Penv designant la pression qui regne dans l'environnement de ['operation de soudage ou d'usinage que l'on se propose de reproduire. S; PE so d'environnement de ['operation de soudage ou d'usinage. PE 2 1,1 Penv traduit une concentration gazeuse (fumees ou gaz de protection) ou un echauffement excessifs, et/ou un debit du systeme d'aspiration trop 283991 1 faible, qui ne reproduisent pas, la encore, les conditions industrielles usuelles. Dans le cas de soudage, d'usinage, de rechargement par LASER, il convient en outre que les gaz et poussieres generees ne penetrent pas dans le s chemin optique du LASER, sous peine de degrader son fonctionnement. Ce resultat est obtenu si la pression au niveau du chemin optique PCH.O est superieure ou egale a 1,3 PE, PE designant la pression au sein de l'enceinte De la sorte, le chemin optique du LASER se trouve en surpression par rapport a l'enceinte, et les risques de pollution vent evites. o L'invention est illustree par l'exemple suivant, donne a titre non limitatif: Exemple: Afin de caracteriser les poussieres et les gaz emis lors du soudage LASER d'acier extra-doux de 1 mm d'epaisseur, comportant un revetement organique s et un revetement metallique (galvanisation), on a usine un echantillon de 120 mm de diametre. On a ensuite soude cet echantillon au sein diun dispositif decrit selon ['invention dans des conditions correspondent a une penetration totale: Puissance de soudage LASER =3,6 kW Vitesse lineeire de soudage= 5 m/mn On a realise le soudage sous protection d'helium, avec un debit de gaz d'apport de 241/mn. On a exactement compense ce debit d'helium par une aspiration de debit equivalent. La buse d'aspiration a ete placee a 8 mm de la tranche de I'echantillon soude. Apres aspiration, on a realise le dosage des gaz a partir d'absorbants specifiques: on a recueilli par exemple le benzene dans des tubes a charbon actif et le phenol sur du gel actif. On a egalement recueilli les poussieres sur des filtres en cellulose pour le dosage des elements metalliques, et en fibre o de verre pour celui des hydrocarbures aromatiques polycycliques. L' i nvention permet done le prelevement des gaz et des po u ss ieres lo rs d'une operation de soudage ou d'usinage, d'une maniere tres representative des conditions reelles.. L'invention permet d'ameliorer les conditions de 283991 1 soudage des produits revetus et d'orienter vets la selection de produits les mains susceptibles de generer des gas et des poussieres. Le dispositif scion ['invention est portatif. II permet d'effectuer aisement ces prelevements sur lignes industrielles s 283991 1 REVENDICATIONS s 1- Procede de captation, en vue de leur anaiyse, des poussieres et des gaz emis lors d'une operation de soudage, de rechargement ou d'usinage effectuee sous gaz de protection, selon lequel on effectue ladite operation de soudage, de rechargement ou d'usinage a l'interieur d'une enceinte comportant des moyens d'aspiration des dits poussieres et gaz, et on aspire o lesdits poussieres et gaz avec un debit tel que tel que les dits poussieres et gaz captes solent representatifs de ceux emis par lesdites operations de soudage, de rechargement ou d'usinage 2- Procede selon la revendication 1, caracterise en ce que ledit debit d'aspiration est identique au debit audit gaz de protection injecte lors des cites operations de soudage, de rechargement ou d'usinage. 3- Procede selon la revendication 1, caracterise en ce qu'on regule ledit debit d'aspiration de telle sorte que: 0,9 Penv 4- Procede selon l'une quelconque des revendications precedentes :s caracterise en ce q u 'o n real ise lad ite operation de soudag e, de recharge ment ou diusinage par un procede utilisant un arc electrique. - Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 3 caracterise en ce qu'on realise ladite operation de soudage, de rechargement ou d'usinage par un LASER. 6- Procede selon l'une des revendications 1 a 3 caracterise en ce qu'on 283991 1 realise ladite operation de soudage, de rechargement ou d'usinage par une combinaison d'un LASER et d'un procede utilisant un arc electrique. 7- Procede selon la revendication 5 ou 6, caracterise en ce que ladite pression PE dans ladite enceinte est telle que 1,3 PE pression au niveau du chemin optique audit LASER. 8- Procede selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterise en ce que l'on effectue ladite operation de soudage, de rechargement ou to d'usinage sur un echantillon en mouvement rotatif uniforme. ... 9- Dispositif destine au recueil, en vue de leur analyse, des gaz etdes poussieres emis lors du soudage ou de l'usinage, constitue d'une enceinte (1) munie d'un couvercle amovible (4) comportant une liaison (2) pour le s passage d'au moins une tete ou buse de soudage, de rechargement ou d'usinage (3) et assurant une etancheite et une liaison mecanique solidaire entre ladite au moins une tete ou buse de soudage, de rechargement ou d'usinage (3) et led it couvercle (4) de ladite enceinte, u n joint d'etancheite (5) entre ledit couvercle et les parois de ladite enceinte, un porte-echantillon (11) o sur lequel peut etre fixe solidairement un echantillon (7), et un dispositif (6) de mise en rotation audit porte-echantillon, un orifice (8) et une conduite (9) destines a ['aspiration desdits gaz et poussieres. - Dispositif selon la revendication 9 caracterise en ce que l'extremite de s ladite conduite d'aspiration (9) se situe en regard et a proximite immediate de la tranche audit echantillon (7) et de la source de degagement des dits poussieres et gaz, I'axe de ladite conduite (9) etant situe dans le plan de rotation a mi-epaisseur aud it echantillon (7), lorsque led it echantillon est pose sur ledit porte-echantillon (1 1) 11Dispositif selon la revendication 9 ou 10 caracterise en ce que ladite liaison (2) comporte au moins un passage d'au moins un produit d'apport 283991 1 pour ledit soudage, rechargement ou usinage 12- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 a 11, caracterise en ce qu'il comporte un puits thermique (10) dispose au droit de ladite au s moins une tete ou buse de soudage, de rechargement ou d'usinage (3) destine a absorber une eventuelle energie excedentaire audit soudage ou usinage lorsqu'on realise celui-ci par LASER. 13- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 a 12, caracterise