Brevet FR2850463A1 — publié le 20040730

La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage. De manière habituelle, une installation de soudage MIG-MAG à régulation électronique, analogique ou numérique, régule à partir de l'image de la tension d'arc et de paramètres, en mode synergique ou manuel, tels que la tension ou le dynamisme pour le procédé 'short arc' et tels que le courant de base, de pulse, le temps de base et la fréquence pour le procédé pulsé. La tension d'arc est une information vitale pour, dans des conditions données, assurer un résultat soudage reproductible, or pour une sélection donnée des paramètres (couple, fil gaz...) si la régulation électronique du procédé fonctionne avec la tension mesurée au poste et que celle-ci est plus ou moins différente de la tension d'arc réelle, le résultat de soudage ne sera pas reproductible. Cela est le cas par exemple si la valeur 2 0 de 'inductance ou de la résistance du circuit de soudage varie d'une opération de soudage à l'autre. Parmi les possibilités actuelles, pour que la tension mesurée soit la plus proche possible de la tension d'arc réelle, il est connu de: - effectuer la mesure par un câble dédié, relié à la pièce et, un second relié au 25 plus près de l'extrémité en fusion du fil, au tube contact par exemple ou au fil (au niveau de la bobine par exemple). Cependant l'inconvénient de cette méthode est de réduire la souplesse d'utilisation, le confort du soudeur et la fiabilité de l'installation; - rajouter une prise de mesure dans le dévidoir et par une électronique analogique spécialisée, reconstituer la tension d'arc à partir de la mesure de la tension 30 en sortie du générateur à laquelle on retranche deux fois la tension présente aux bornes du faisceau. Toutefois, pour être totalement efficace, cette méthode implique que la chute de tension dans le faisceau soit égale à la chute de tension dans le câble de pièce. De plus, la chute de tension dans la torche n'est pas prise en compte. Le problème qui se pose alors est de pouvoir réguler un procédé de soudage à 35 partir d'une information tension réellement représentative de la tension d'arc et donc de compenser les chutes de tension dans les câbles, dues aussi bien à la résistance qu'à l'inductance du câblage et ceci sans prise de mesure directe de la tension à l'extérieur du générateur. La solution de l'invention est alors un procédé pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, dans lequel on procède selon les étapes de: a) mesure de la tension (Uposte) délivrée par le générateur de courant, b) mesure de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateur, c) calcul du produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la 10 résistance du circuit de soudage, d) calcul du produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le circuit de soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, de préférence externe au poste, e) détermination d'une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des 15 valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante Uarc = Uposte - (R x I) (L x dI/dt) La résistance (R) du circuit de soudage utilisée à l'étape c) est déterminée, via une phase de calibrage classique, par envoi d'un courant d'intensité constante connue, par exemple 100 A, mise en court-circuit du tube contact par lequel passe et/ou est 2 0 maintenue l'électrode de soudage en contact électrique avec au moins une des pièces à souder, mesure de la tension U résultante et calcul de la résistance R du circuit en utilisant la relation: R = U/I. L'inductance L du circuit de soudage considéré utilisée à l'étape d) est également déterminée, via une phase de calibrage classique, en imposant d'abord via 25 l'onduleur, une tension de sortie faible, par exemple 5 ou 10 V, aux bornes de sortie du générateur, puis en mesurant le temps (dt) nécessaire à la montée (dI) de l'intensité depuis une première valeur de courant, par exemple de O à 30 A, à une seconde valeur de courant plus élevée, par exemple 50 ou 100 A, avec mise en contact, là encore, du tube contact avec au moins une des pièces à souder. Le calcul de l'inductance L du 30 circuit se fait alors par application de la relation: L = U / (dI/dt). Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - à l'étape a), la mesure de la tension (Up,,t,) est opérée aux bornes de sortie du générateur de courant. - subséquemment à la mesure de la tension (Uposte) de l'étape a), on effectue une mise à l'échelle de la valeur de tension (Uposte) mesurée à ladite étape a), de préférence la valeur de tension (Uposte) mesurée est mise à l'échelle 1/10e. - il comporte une étape d'affichage de la valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc déterminée à l'étape e). La valeur de tension Uarc ainsi déterminée est utilisée poiqr réguler le procédé de soudage et/ou afficher la tension réelle aux bornes car Uarc est plus représentative de ce qui se passe physiquement au niveau de l'arc l longueur d'arc (en V), détection du court-circuit L'invention porte aussi sur un dispositif pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, comprenant: - des moyens de mesure de tension permettant de mesurer la tension (Uposte) 10 délivrée par le générateur de courant, - des moyens de mesure d'intensité permettant de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateur, - des moyens de calcul coopérant avec les moyens de mesure de tension et les moyens de mesure d'intensité de manière à permettre de: 15. calculer le produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la résistance du circuit de soudage externe au poste, calculer le produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le circuit de soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, de préférence externe au poste, et 20. déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante Uarc = Uposte - (R x I) - (L x dI/dt) Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes: - les moyens de calcul comprennent au moins un moyen multiplicateur, au moins un moyen soustracteur et au moins un moyen dérivateur, de préférence deux multiplicateurs, deux soustracteurs et un dérivateur. Ce principe est déclinable en analogique et en numérique. - il comporte des moyens d'affichage permettant d'afficher la valeur approchée 30 (Uarc) de la tension d'arc déterminée par les moyens de calcul. - il comporte une électronique à microcontrôleur permettant de déterminer la valeur d'inductance (L) et/ou la résistance (R) du circuit de soudage lors d'une phase de calibration. L'invention concerne aussi un générateur de courant de soudage comprenant un 3 5 tel dispositif. L'idée à la base de l'invention est donc d'utiliser des circuits électroniques pour assurer une reproductibilité optimale des résultats soudage quelle que soit la configuration du circuit de soudage. La méthode proposée consiste à identifier la valeur de la résistance et de l'inductance du circuit de soudage lors d'une phase de calibration. Pour une tension réduite imposée en sortie du poste (par ex. 5 à 10 V), le tube contact est mis en court circuit avec la pièce, le courant augmente alors linéairement avec un di/dt réduit de qui permet d'obtenir une mesure précise (du temps) lorsque le courant atteint une valeur de à 100 A. Le courant est alors régulé et la mesure de tension permet de déterminer la résistance du circuit de soudage. La tension d'arc réelle approchée (tube contact/pièce) est alors déterminée en soudage à partir de la relation: Uarc = Uposte - RI Ldl/dt; c'est un circuit électronique 10 qui remplit cette fonction. Cette méthode est particulièrement performante car comme l'influence de l'inductance du circuit de soudage est compensée, l'image de la tension est correcte y compris pendant les transitoires (en pulsé), ce qui permet de travailler plus facilement avec des électroniques de régulation analogique (à moins de mettre en oeuvre des 15 échantillonneurs bloqueur ou une électronique numérique) et de ne pas perturber les détections de transitoire arc/court-circuit ou court-circuit/arc. Cette méthode implique que si la configuration du circuit de soudage change une nouvelle phase de calibration soit effectuée. L'invention présente aussi les avantages de permettre d'avoir en soudage des 20 mesures courant et tension plus proches de celles du pré-affichage, d'une régulation de partie terminale plus fine, et d'une régulation plus fine du procédé (détection intempestive de court-circuits). A noter que l'influence de l'inductance du circuit de soudage peut être également compensée en ajoutant une fraction (valeur >1 ou 1 L'invention va être mieux comprise grâce aux explications qui vont suivre, lesquelles sont données en références aux figures annexées. La figure 1 représente un schéma d'un poste de soudage 10 dont les bornes de sortie 11, 12 sont " reliées " à un circuit électrique 13 alimentant 13a, le tube contact 14 30 d'une torche de soudage à l'arc électrique, ledit circuit étant relié 13b, d'autre part, à l'une des pièces 15 à souder. Sur la branche 13a du circuit 13, on a présenté la résistance R du circuit de soudage, qui est en fait une résistance répartie tout au long du circuit de soudage externe au poste, ainsi que l'inductance L du circuit, de la torche de soudage, du câble 35 de masse et du faisceau de câbles électriques reliant le poste 10 à la torche munie du tube contact 14. Comme expliqué ci-dessus, les valeurs de résistance R et d'inductance L peuvent être déterminées facilement via une phase de calibration. Selon l'invention, en connaissant ces valeurs de résistance R et d'inductance L, il est désormais possible de déterminer une valeur approchée de la tension d'arc réelle (Uarc) entre l'électrode et les pièces 15 à souder. Pour ce faire, il convient de mesurer la tension au poste 10 (Uposte) et l'intensité du courant (I) du circuit 13. Ensuite, à partir de toutes ces valeurs, on détermine la valeur de la tension d'arc au moyen de moyens de calcul adaptées en utilisant les relations données ci-avant. La figure 3 est un schéma possible d'un système selon l'invention permettant de bien comprendre comment se fait cette détermination de la tension d'arc (Uarc). Tout d'abord, on mesure 1,2 la tension au poste (Uposte) et le courant I dans le circuit. La valeur de tension (poste) est ensuite mise à l'échelle 1/10e (en 3). En parallèle, la valeur d'intensité I est multipliée (produit R.I.) au sein d'un multiplicateur 6 par la valeur de résistance R du circuit qui est transmise au multiplicateur 6 sous forme d'un signal émanant d'un micro-contrôleur 9. Par ailleurs, le micro- contrôleur 9 fournit 15 aussi un signal représentatif de l'inductance L du circuit de manière à permettre le calcul du produit L dI/dt; la dérivée dI/dt étant obtenue via un dérivateur 8. La valeur approchée de la tension d'arc (Uarc) peut alors être déterminée (en 5) en déduisant les produits R x I et L x dI/dt de la valeur de tension au poste (Up,,te) mesurée. Le micro-contrôleur 9 permet, en outre, une mise à l'échelle des signaux R et L en fonction des gradients sur les mesures du courant et de tension. Les figures 2a et 2b schématisent, respectivement, les courbes de courant (I) et de tension (Uarc) d'arc au cours du temps (T). Plus précisément, la Figure 2a représente l'évolution du courant dans le circuit de 25 soudage dans le cas d'un soudage en procédé puisé, et sur la Figure 2b, on voit l'évolution de la tension aux bornes du poste Uposte (courbe en traits pointillés), lorsqu'on souhaite obtenir une variation de courant rapide dans le circuit de soudage, alors que la tension Uarc (courbe en trait plein) est celle réellement présente entre le tube contact et la pièce. L'écart entre les deux courbes est fonction de la valeur de la résistance R lorsque le courant est constant et de l'inductance L lorsque le courant subit des variations. Ces figures 2 a et 2b permettent de mettre en évidence et comprendre que si l'on se sert de la tension en période de pulsation (pulse) pour réguler le procédé, alors la résistance R introduit une erreur sur la mesure de la tension réelle de l'arc et lors des 35 variations du courant, l'inductance L peut aussi provoquer des détections intempestives de court-circuit et venir ainsi perturber les mesures faites par les filtres de mesure de tension. La présente invention permet de résoudre ces problèmes. Revendications 1. Procédé pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une 5 mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, dans lequel on procède selon les étapes de: a) mesure de la tension (Uposte) délivrée par le générateur de courant, b) mesure de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateu r, c) calcul du produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la résistance du circuit de soudage externe au poste, d) calcul du produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le circuit de 15 soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, e) détermination d'une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante 2 0 Uarc = Uposte - (R x I) - (L x dI/dt) 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'étape a), la mesure de la tension (Uposte) est opérée aux bornes de sortie du générateur de courant. 2 5 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que subséquemment à la mesure de la tension (Uposte) de l'étape a), on effectue une mise à l'échelle de la valeur de tension (Uposte) mesurée à ladite étape a), de préférence la valeur de tension (Uposte) mesurée est mise à l'échelle 1/10e. 4. Procédé selon selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une étape d'affichage de la valeur approchée (Urc) de la tension d'arc déterminée à l'étape e). 5. Dispositif pour déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc entre le tube contact ou l'électrode de soudage et au moins une pièce à souder à partir d'une mesure de la tension (Uposte) délivrée par un générateur de courant de soudage à l'arc comprenant un circuit électrique et alimentant le tube contact et/ou l'électrode de soudage, comprenant: - des moyens de mesure de tension permettant de mesurer la tension (Uposte) délivrée par le générateur de courant, - des moyens de mesure d'intensité permettant de l'intensité (I) du courant circulant dans le circuit électrique du générateur, - des moyens de calcul coopérant avec les moyens de mesure de tension et les moyens de mesure d'intensité de manière à permettre de: calculer le produit (R x I) o I est l'intensité déterminée à l'étape b) et R est la résistance du circuit de soudage externe au poste, calculer le produit (L x dI/dt) o I est l'intensité du courant dans le 10 circuit de soudage et dI/dt est la dérivée de l'intensité déterminée à l'étape b) sur une durée dt, et L est l'inductance du circuit, et déterminer une valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc à partir des valeurs obtenues aux étapes a) c) et d), et en appliquant la relation suivante Uarc = Uposte - (R x 1) - (L x dI/dt) 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de calcul comprennent au moins un moyen multiplicateur, au moins un moyen soustracteur et au moins un moyen dérivateur, de préférence deux multiplicateurs, deux soustracteurs et un dérivateur. 7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, des moyens d'affichage permettant d'afficher la valeur approchée (Uarc) de la tension d'arc déterminée par les moyens de calcul. 8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une électronique à microcontrôleur permettant de déterminer la valeur d'inductance (L) et/ou la résistance (R) du circuit de soudage lors d'une phase de calibration. 9. Générateur de courant de soudage comprenant un dispositif selon l'une des revendications 5 à 9. 10. Procédé de soudage à l'arc mettant en oeuvre le générateur de la revendication 9.