Brevet FR2876607A1 — publié le 20060421

Outil de soudage La présente invention concerne un outil de soudage, en particulier de soudage à l'arc TIG ou au plasma ou de soudage laser. Un outil de soudage à l'arc TIG (Tungsten Inert Gaz) ou au plasma comprend une tête qui porte une électrode réfractaire, telle qu'une tige de tungstène non fusible, capable de générer un arc électrique avec des pièces à assembler pour former un cordon de soudure entre elles par fusion et mélange de leurs matériaux. Un outil de soudage laser comprend un générateur laser capable de générer un faisceau de haute énergie qui est appliqué sur des pièces à assembler pour former un cordon de soudure entre elles par fusion et mélange de leurs matériaux. Ces outils de soudage comportent des moyens d'amenée d'un gaz inerte dans la tête de l'outil, le gaz inerte étant destiné à être projeté au niveau du cordon de soudure formé par les matériaux en fusion pour assurer une protection de ces matériaux contre l'oxydation par l'atmosphère ambiante. Pour améliorer cette protection, les soudeurs ont l'habitude de former une enveloppe en ruban adhésif réfractaire autour de la tête de soudage, pour confiner le gaz inerte autour du cordon de soudure en cours de formation et améliorer la qualité du soudage. Ces enveloppes ont une faible résistance et doivent être remplacées souvent, leurs formes sont peu précises et mal adaptées aux pièces à souder et diffèrent d'une enveloppe à l'autre, et leur réalisation est relativement longue. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, économique et efficace à ces problèmes et d'améliorer la qualité des soudages, notamment dans le cas des soudages automatisés. Elle propose à cet effet un outil de soudage, en particulier de 30 soudage à l'arc TIG ou au plasma ou de soudage laser, comportant des moyens d'amenée d'un gaz inerte dans la tête de l'outil pour protéger le cordon de soudure contre l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de confinement du gaz de protection autour de la tête de soudage, ces moyens de confinement comportant une jupe préfabriquée en matériau réfractaire semi-rigide et des moyens de fixation amovible de la jupe sur la tête de soudage, le bord libre de la jupe étant conformé pour s'adapter avec jeu à la forme et aux dimensions de la zone de jonction des pièces à souder. La jupe préfabriquée a une forme et des dimensions standard qui sont déterminées à partir de celles des pièces à souder. Elle s'adapte et se fixe facilement sur la tête de l'outil de soudage par des moyens appropriés de fixation et présente l'avantage d'être interchangeable sans modification des conditions de soudage. Par ailleurs, elle est réalisée en un matériau réfractaire qui lui assure une durée de vie importante et donc une utilisation dans plusieurs opérations de soudage. Dans un mode de réalisation de l'invention, la jupe est réalisée en un matériau composite à base de fibres céramiques et d'un élastomère résistant aux températures élevées. L'élastomère permet de lier les fibres de céramique qui sont de préférence tissées et procure une relative souplesse à la jupe. La jupe comprend avantageusement une feuille métallique de protection thermique intégrée dans le matériau composite entre deux couches de fibres céramiques. La feuille métallique forme un écran thermique qui augmente la résistance thermique de la jupe et qui lui permet de conserver une forme donnée. La feuille métallique est de préférence réalisée dans le même métal que les pièces à souder afin d'éviter de polluer les matériaux en fusion en cas de contact entre la jupe et le cordon de soudure. La jupe selon l'invention comprend avantageusement plusieurs couches de matériaux thermiquement résistants et est réalisée de préférence par moulage ou thermoformage, ce qui permet de produire des jupes identiques au moyen d'un moule dont les formes et dimensions sont déterminées à partir de celles des pièces à souder, ce qui offre de nombreux avantages: - la qualité des soudures reste constante quand on utilise successivement des jupes réalisées au moyen d'un même moule. La forme et les dimensions des jupes peuvent être optimisées pour obtenir des cordons de soudure de grande qualité, notamment des cordons sensiblement rectilignes, de faible largeur et de grande profondeur de pénétration; - le temps de fabrication d'une jupe est considérablement réduit par rapport à la technique antérieure; - l'opérabilité de l'outil de soudage est améliorée car elle ne dépend plus de la qualité de fabrication de la jupe. La jupe comporte avantageusement une partie avant conformée pour entourer avec jeu le cordon de soudure sur une longueur 15 prédéterminée. Cette partie avant est destinée à épouser le plus précisément possible les formes des pièces à souder sans toutefois les toucher et en laissant passer sur une majeure partie de sa périphérie un flux de sortie de gaz dont la régularité du débit assure une protection efficace du cordon de soudure contre l'oxydation. La jupe comporte avantageusement une ouverture arrière pour le passage d'un fil de métal d'apport et pour l'observation de la zone de soudure. L'ouverture arrière ne gêne pas le confinement du gaz inerte à 25 l'intérieur de la jupe car le déplacement de l'outil de soudage est effectué depuis l'avant vers l'arrière. Dans le cas d'un soudage automatisé, l'outil de soudage est monté sur un bras robotisé qui porte également une caméra d'observation de la zone de soudure à travers l'ouverture arrière de la jupe. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un outil de soudage équipé d'une jupe selon l'invention; - la figure 2 est une vue partielle agrandie de la figure 1; - la figure 3 est une vue schématique de dessus de la jupe de la figure 2; - la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 3; - la figure 5 est une vue schématique en coupe, à plus grande échelle de la jupe; - la figure 6 est une vue schématique des moyens de fixation de la jupe selon l'invention sur la tête de l'outil de soudage. On a représenté schématiquement en figure 1 la partie avant d'un outil de soudage 10 à l'arc TIG (Tungsten Inert Gas) ou au plasma, du type 15 manipulable au moyen d'un bras robot. La partie avant de l'outil comprend une tête de soudage 12 qui porte une électrode réfractaire 14, telle une tige de tungstène non fusible, dont l'axe 16 est sensiblement perpendiculaire au cordon de soudure à réaliser. Pendant une opération de soudage, un arc électrique est généré entre l'électrode réfractaire 14 et la zone de jonction des pièces 20 à assembler, pour former un bain de fusion dans lequel les matériaux des pièces 20 vont fondre et se mélanger pour constituer un cordon de soudure après refroidissement. L'électrode 14 est entourée en partie supérieure d'une buse cylindrique 22 de longueur inférieure à celle de l'électrode 14 de sorte que l'extrémité inférieure de l'électrode dépasse axialement de la buse 22. L'opération de soudage est réalisable avec ou sans apport de métal. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, un fil 28 de métal d'apport est amené de manière commandée ou automatique par des moyens appropriés et est guidé en oblique depuis une partie de l'outil de soudage située en arrière de la tête de soudage 12 vers le bain de fusion, à proximité de l'électrode 14. Dans ce type de soudage, comme dans le soudage laser, les matériaux du bain de fusion s'oxydent lorsqu'ils sont exposés à l'atmosphère ambiante. Pour éviter cela, l'outil de soudage comprend des moyens d'amenée d'un gaz inerte dans la tête 12 et dans la buse 22 sur et autour de l'électrode réfractaire 14 et du bain de fusion. Le gaz inerte utilisé est par exemple l'argon, l'hélium ou un mélange des deux. L'outil de soudage 10 selon l'invention comprend des moyens préfabriqués de confinement du gaz inerte autour de la tête de soudage 12 et du bain de fusion, et qui sont adaptés avec précision aux pièces à assembler pour limiter efficacement l'exposition à l'atmosphère ambiante et donc éviter ou au moins réduire fortement l'oxydation des matériaux en fusion par l'atmosphère ambiante. Ces moyens comprennent une jupe 32 en matériau réfractaire semi-rigide formée avec une partie supérieure 34 sensiblement cylindrique de montage sur la buse 22 et avec une partie inférieure 40 de forme évasée vers le bas qui s'étend depuis l'extrémité inférieure de la partie cylindrique 34 au moins jusqu'au niveau de l'extrémité inférieure de l'électrode réfractaire 14 et de préférence légèrement au-delà de cette extrémité inférieure. La partie inférieure 40 de la jupe 32 comprend une ouverture arrière 42 s'étendant depuis l'extrémité inférieure de cette partie 40 jusqu'à sensiblement mi-hauteur de la jupe 32, l'ouverture arrière 42 étant par exemple en V ou en U avec un sommet à mi-hauteur de la jupe 32. Cette ouverture arrière 42 permet le passage des moyens d'approvisionnement en métal d'apport et la visualisation du bain de fusion pendant une opération de soudage par l'opérateur au moyen d'une caméra vidéo 43 montée sur l'outil en arrière de la tête 12 La partie inférieure 40 de la jupe 32 est prolongée avantageusement vers l'avant, à l'opposé de l'ouverture 42, ce prolongement 44 étant destiné à guider le gaz inerte sur une plus grande longueur du cordon de soudure qui vient d'être formé et étant incurvé de façon concave autour du cordon de soudure pour former une sortie de gaz à l'avant autour du cordon de soudure. Dans l'exemple de réalisation représenté aux dessins, l'extrémité inférieure de la jupe 32 a une forme sensiblement concave d'avant en arrière et le prolongement avant 44 de sa partie inférieure 40 suit sur au moins une partie de sa longueur cette concavité. La jupe 32 montée sur la tête 12 entoure la buse cylindrique 22 sur laquelle est monté un éclateur 45 qui améliore l'amorçage de l'arc électrique. Lors d'une opération de soudage, l'outil de soudage est déplacé depuis une position avant jusqu'à une position arrière par rapport aux pièces à souder. La figure 1 représente par exemple la position initiale avant de l'outil de soudage 10 par rapport à une pièce 20 à souder. Pendant cette opération, la jupe 32 n'est pas en contact avec la pièce 20. La partie inférieure 40 de la jupe 32 et son prolongement avant 44 sont à une distance faible prédéterminée et sensiblement constante de la pièce 20 et du bain de fusion, afin que le débit de gaz inerte passant entre le bord inférieur de la jupe 32 et la pièce 20 à souder soit sensiblement constant et assure une protection optimale du bain de fusion contre l'oxydation. La forme et les dimensions du bord inférieur de la jupe 32 doivent être déterminées avec précision en fonction de la forme et des dimensions 25 des pièces 20 à souder. La jupe 32 est avantageusement réalisée par moulage ou thermoformage en matériau composite composé d'au moins une et de préférence de plusieurs couches de fibres céramiques, et d'un élastomère résistant aux températures élevées qui permet de lier les couches de fibres céramiques entre elles et de conserver la forme de la jupe 32 imposée par l'empreinte du moule. Afin d'augmenter la tenue thermique de la jupe 32, une feuille métallique 46 est intégrée dans le matériau composite entre deux couches de fibres céramiques. Cette feuille métallique 46 est préférentiellement réalisée dans le même matériau que les pièces 20 à souder afin qu'il n'y ait pas de pollution du bain de fusion avec un matériau étranger, en cas de contact involontaire de la jupe 32 avec le bain de fusion. Typiquement, la feuille métallique 46 a une épaisseur de 0,2 mm et s'étend entre deux couches de fibres céramiques sur une partie ou sur la totalité du matériau composite de la jupe 32. Dans l'exemple représenté, elle a une forme allongée sensiblement rectangulaire et s'étend sur une partie avant de la jupe 32 depuis la partie supérieure 34 de celle-ci. Comme représenté en figure 5, la jupe 32 est formée d'un empilement de couches de matériaux thermiquement résistants et comprend par exemple: une couche d'élastomère 47, une couche de fibres céramiques 48, une couche d'élastomère 47, une feuille métallique 46, une couche d'élastomère 47, une couche de fibres céramiques 48 et une couche d'élastomère 47. Chaque couche de fibres est formée d'un tissu de fibres continues, qui résiste à des températures de l'ordre de 1300 C et qui reste souple à des températures supérieures à 1000 C, ce tissu ayant une épaisseur de l'ordre du millimètre. En figure 6, sont représentés des moyens 49 de fixation de la jupe 32 sur la buse 22 de l'outil de soudage 10. Ces moyens 49 sont du type collier de serrage et comprennent une bande métallique 50 flexible destinée à être intégrée dans le matériau composite, par exemple entre deux couches de fibres céramiques 48, au niveau de l'extrémité supérieure de la partie supérieure 34 de la jupe 32, afin d'épouser sa forme cylindrique, comme représenté en figures 3 et 4. Les extrémités de la bande 50 sortent de la jupe et comprennent des orifices 52 de passage de moyens 54, par exemple du type vis-écrou, de serrage de la partie supérieure 34 de la jupe 32 sur la buse 22 de l'outil de soudage 10. Typiquement, la bande métallique 50 a une épaisseur de 0,5 mm. Dans l'exemple de réalisation de la figure 6, les moyens 49 ont une forme sensiblement en peigne, la bande métallique 50 portant sur un côté une pluralité de dents 56 sensiblement perpendiculaires à la bande 50 et destinées à être intégrées dans le matériau composite pour améliorer l'ancrage des moyens de fixation 49. Dans ce mode de réalisation de la jupe 32, la bande 50 des moyens de fixation 49 est introduite dans le moule et est mise en forme en même temps que les matériaux qui composent la jupe 32. En variante, la bande 50 peut ne pas être intégrée dans le matériau composite mais disposée sur la partie supérieure 34 de la jupe 32 et autour de celle-ci, et serrée sur la buse 22 de la tête 12 de l'outil de soudage 10. Typiquement, pour un outil de soudage 10 équipé d'une buse 22 d'environ 30 mm de diamètre, la jupe 32 a une longueur d'environ 100 mm, une largeur d'environ 50 mm et une hauteur d'environ 40 mm. Elle est destinée particulièrement à être montée sur la tête d'un outil de soudage automatisé du type TIG ou analogue utilisable en cabine, pour assurer une qualité parfaite et répétitive des cordons de soudure. REVENDICATIONS 1- Outil de soudage (10), en particulier de soudage à l'arc TIG ou au plasma ou de soudage laser, comportant des moyens d'amenée d'un gaz inerte dans la tête (12) de l'outil (10) pour protéger le cordon de soudure contre l'oxydation, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de confinement du gaz de protection autour de la tête de soudage (12), ces moyens de confinement comportant une jupe (32) préfabriquée en matériau réfractaire semi-rigide et des moyens (49) de fixation amovible de la jupe (32) sur la tête de soudage (12), le bord libre de la jupe (32) situé du côté des pièces (20) à souder étant conformé pour s'adapter avec jeu aux formes et dimensions de la zone de jonction des pièces à souder. 2- Outil de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite jupe (32) est réalisée en matériau composite à base de fibres céramiques et d'un élastomère résistant aux températures élevées. 3- Outil de soudage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la jupe (32) comprend une feuille métallique (46) de protection thermique intégrée dans le matériau composite entre deux couches de fibres céramiques (48). 4- Outil de soudage selon la revendication 3, caractérisé en ce que la feuille métallique (46) est réalisée dans le même métal que les pièces (20) à souder. 5- Outil de soudage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jupe (32) est réalisée par moulage ou 25 thermoformage. 6- Outil de soudage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jupe (32) comporte une partie avant (44) conformée pour entourer avec jeu le cordon de soudure sur une longueur prédéterminée. 7- Outil de soudage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la jupe (32) comporte une ouverture arrière (42) pour le passage d'un fil (28) de métal d'apport et pour l'observation de la zone de soudure. 8- Outil de soudage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est monté sur un bras robotisé portant également 5 une caméra d'observation (43) de la zone de soudure. 9- Outil de soudage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (49) de fixation de la jupe (32) sur la tête de soudage (12) sont intégrés dans le matériau réfractaire de la jupe (32). 10- Outil de soudage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de fixation (49) comprennent un collier de serrage.