Brevet FR2904576A1 — publié le 20080208

--> La présente invention concerne un procédé de soudage ou soudo-brasage, préférentiellement robotisé, avec torche TIG et métal d'apport sous forme d'un ou plusieurs fils fusibles, en particulier d'une ou plusieurs pièces en acier revêtu ou en aluminium ou en alliage d'aluminium, dans lequel le transfert du métal depuis le ou les fils vers le bain de soudure se fait par gouttes successives à fréquence contrôlée. II est connu des documents US-A-5512726 et DE-A-3542984, une configuration conventionnelle de torche TIG avec apport de fil fusible, dans laquelle l'amenée du fil fusible dans le bain de fusion est opérée de manière horizontale ou quasi-horizontale de manière à obtenir un transfert de métal fondu par gouttes depuis l'extrémité fusible du fil fondue vers le bain de fusion, c'est-à-dire vers la zone de soudage sur les pièces à souder ou à soudo-braser. Toutefois, avec une telle torche, le sixième axe du robot portant la torche TIG est bloqué et ses degrés de liberté sont limités étant donné qu'une certaine directivité est nécessaire pour orienter l'amenée de fil dans l'axe du joint à souder du fait de l'arrivée horizontale du fil. De plus, avec ce type de configuration, la productivité du procédé est affectée par une vitesse de fusion de fil limitée et donc une vitesse de soudage limitée. Le document EP-A-1459831 propose un procédé de soudage à l'arc ne posant pas les problèmes susmentionnés. Dans ce cas, l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence un angle entre 15 et 35°, et l'extrémité du fil fusible est guidée et maintenue en permanence à une distance inférieure à 2 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène. Un tel procédé permet d'obtenir de bons résultats dans la majorité des applications. Cependant, on a observé que, lors du soudage ou soudo-brasage de certains matériaux particuliers, en particulier les aciers revêtus, par exemple galvanisés ou électro-zingués, et l'aluminium et ses alliages, se posaient des problèmes de qualité de la soudure, en particulier des problèmes de compacité de cordons et/ou de microstructure à gros grains du métal fondu. De plus, sur l'aluminium, il n'était pas possible d'obtenir une qualité des cordons équivalente, notamment d'aspect et d'esthétique, à celle obtenue en soudage manuel. --> Un but de la présente invention est dès lors d'améliorer le procédé décrit par EP-A-1459831 de manière à obtenir un soudage ou un soudo-brasage efficace en particulier de matériaux spécifiques, notamment les aciers revêtus et l' aluminium et ses alliages, de manière à pallier, minimiser ou au moins atténuer les problèmes de qualité susmentionnés. La solution de l'invention est un procédé de soudo-brasage ou de soudage à l'arc mettant en œuvre une torche TIG munie d'une électrode non fusible et un fil d'apport fusible de diamètre donné, dans lequel : a) on alimente la torche TIG avec ledit fil fusible de manière telle que l'amenée de fil fusible soit opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode, c'est-à-dire que l'axe de l'extrémité du fil au niveau de l'électrode non fusible et l'axe de ladite électrode forment un angle inférieur à 50°, b) on guide et on maintient l'extrémité du fil fusible en permanence à une distance inférieure à 2 mm, de préférence à 1 mm au minimum (environ 1.5 fois le diamètre du fil), par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, c) on opère une fusion progressive de l'extrémité du fil fusible par l'arc électrique généré entre l'électrode non fusible et au moins une pièce à souder de manière à réaliser un transfert de métal fondu depuis l'extrémité du fil vers ladite au moins une pièce et obtenir ainsi un joint de soudure ou de soudo-brasage, caractérisé en ce que le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré par gouttelettes de métal fondu successives, lesdites gouttelettes étant déposées à une fréquence comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille des gouttes étant comprise entre 1,2 et 4 fois le diamètre du fil fusible. Par transfert par gouttelettes, on entend que le transfert de métal depuis l'extrémité du fil vers le bain de soudage ou de brasage se fait par gouttelettes successives, dissociées les unes des autres et donc sans contact permanent entre le fil d'apport et le métal fondu. La solution de l'invention repose donc sur le fait de réaliser un transfert de métal fondu sous forme de gouttes dont la fréquence et la taille sont maîtrisées. Le choix de la fréquence et de la taille des gouttes souhaitées se fait en fonction du matériau à souder, des conditions de préparation des assemblages (avec jeu ou sans jeu) et en fonction des paramètres électriques, en particulier tension et intensité, et de la vitesse fil . Ce transfert par gouttelettes à une fréquence particulière permet la réalisation de cordons dont la qualité esthétique s'apparente à ceux réalisés en soudage manuel. --> En particulier, sur l'aluminium, le procédé de l'invention permet une reproduction de vagues de solidification en surface, comme en soudage manuel. Par ailleurs, il permet également de résoudre des problèmes de compacité de cordons et microstructure du métal fondu à gros grains rencontrés avec les procédés connus. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la fréquence de transfert des gouttelettes est préférentiellement comprise entre 30 Hz et 80 Hz. - la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 20 Hz et 40 Hz et la taille des gouttes est comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du fil fusible, de préférence la fréquence est de l'ordre de 30 Hz. - la fréquence de transfert des gouttelettes est le résultat d'une fréquence de pulsation du fil combinée à une fréquence de pulsation du courant continu ou alternatif de type à polarité variable qui permet un pilotage plus précis des phases soudage et décapage. - la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 70 Hz et 90 Hz et la taille des gouttes est comprise entre 1,2 et 1,5 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 80 Hz. - on soude avec une vitesse de fil allant jusqu'à 20 m/min, en particulier entre 1 et 10 m/min. On choisit la vitesse de fil en fonction du diamètre dudit fil. - l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle entre 10 et 30° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence entre 10 et 20°. - on guide et on maintient en permanence l'extrémité du fil fusible à une distance inférieure à 1,5 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, de préférence à une distance minimum de 1 mm. Toutefois, dans tous les cas, la surface de l'extrémité du fil ne doit pas venir en contact avec l'électrode en tungstène. - pendant le soudage, on opère une protection gazeuse de l 'électrode du fil et du métal fondu - on opère une protection gazeuse avec un gaz choisi parmi l'argon, l'hélium, et les mélanges argon/hélium avec ou sans micro-additions d'azote, et les mélanges d'argon et d'hydrogène. - le procédé est mis en œuvre sur un bras de soudage robotisé portant une torche TIG à électrode non fusible et des moyens d'amenée de fil de soudage fusible ou en soudage manuel ou automatique. - le procédé est mis en œuvre pour souder ou braser une ou plusieurs pièces. --> - les pièces sont en acier revêtu, en particulier en acier galvanisé ou électro-zingué ainsi qu'en aluminium ou alliages d'aluminium. - l'intensité du courant continu alimentant la torche TIG est comprise entre 10 A et 400 A Maxi, et la tension est comprise entre 10 V et 20 V. - le fil a un diamètre compris entre 0.6 mm et 1.6 mm, de préférence entre 1 mm et 1.2 mm. le fil est en alliage de cupro-silicium (CuSis) ou cupro- aluminium. - le fil est également en aluminium pur ou en alliage d'aluminium, par exemple des séries 2000, 4000 ou 5000. Selon la présente invention, une partie de l'énergie de l'arc est utilisée pour la fusion de l'extrémité du fil à des vitesses de fil assez faibles, typiquement de l'ordre de 1 à 10 m/min, ce qui explique que par unité de temps, cette énergie va intéresser une longueur de fil plus importante et donc donner naissance à la formation de gouttes qui seront d'autant plus grosses que la vitesse de fil est faible et dont la fréquence de transfert sera également basse. A l'inverse pour une vitesse fil plus élevée mais toujours inférieure à celle de l'apparition d'un pont liquide, la longueur de fil fondu par unité de temps va diminuer, la taille des gouttes va diminuer et la fréquence de transfert va augmenter . On peut donc très facilement, via un réglage de la vitesse fil et pour un régime d'arc donné (paramètres électriques et gaz associé), maîtriser/régler le diamètre et la fréquence des gouttes. Visuellement, l'effet est directement perceptible sur l'aspect du cordon par la présence de vagues régulières, appelées stries de solidification. Ce transfert par gouttes est différent de ceux connus dans l'état de l'art du procédé TIG automatique conventionnel car les transferts connus ne permettent pas d'obtenir la même qualité d'aspect et d'esthétique des cordons. Il est également, de par son principe, une source d'une productivité accrue dans la mesure ou une partie de l'énergie de l'arc est destinée à la fusion du fil. De résultats comparatifs montrent que pour une même configuration d'assemblage clin ou angle et mêmes paramètres électriques l'accroissement du taux de dépôt est de l'ordre de 40%. L'augmentation de ce taux de dépôt permet aussi d'augmenter les vitesses de soudage (cf. Tableau A) pour les assemblages nécessitant le remplissage d'une gorge, tels les assemblages à clin, en angle, bord à bord avec chanfrein, ou le rechargement... --> Tableau A Matériau soudé Procédé Gaz Diamètre U I v f v s Epaisseur du fil soudée (V) [A] (m/mm) (m/min) (mm) (mm) invention 2.4 1 Acier ARCAL 1.2 14 200 2 Art antérieur 1.7 0.6 Inoxydable 15 Vf : vitesse fil - Vs : vitesse de soudage ARCAL 15 : mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé d'argon et de 5% en volume d'hydrogène. Comme on le voit, pour une épaisseur de matériau donnée (i.e. 2 mm) soudée à pleine pénétration, pour un même diamètre de fil , les mêmes paramètres électriques combinés à un débit de gaz identique, la vitesse de fusion du fil augmente de 40% et la vitesse de soudage de 66%>. Le procédé de l'invention avec transfert par gouttelettes peut être appliqué au soudage ou soudo-brasage de tout assemblage de pièces en acier revêtu ou en aluminium ou ses alliages, pour lequel on recherche ou on privilégie des conditions d'esthétique, notamment des stries régulières en surface de cordons ou pour lesquels on doit compenser des tolérances de préparation importantes. Ce transfert par goutte engendre un cycle thermique cadencé du bain de fusion qui peut avoir des effets sur la microstructure du bain de fusion mais également sur la compacité du métal fondu par effet mécanique d'impact de la goutte sur le bain de fusion provoquant une agitation du bain et favorisant ainsi son dégazage. Ce phénomène est visible par vidéo à grande vitesse. Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant en soudage de tôles très fines galvanisées, par exemple de moins de 1 mm, pour favoriser le dégazage des vapeurs de ZnO, ou en soudage de l'aluminium ou de ses alliages pour favoriser le dégazage de H 2 . Le procédé de l'invention est préférentiellement mis en œuvre avec une torche avec fil fusible traversant la paroi de la buse selon un angle de moins de 50°, notamment la torche décrite dans le document EP-A-1459831. En effet, dans une telle torche, l'amenée de fil, qui est intégrée à la torche, se fait selon un angle de l'ordre de généralement 10° à 20°, par exemple de l'ordre de 15°, par rapport à l'axe de l'électrode non fusible et ce, en maintenant une distance faible entre l'extrémité du -->fil et l'extrémité du cône de l'électrode en tungstène, par exemple 1mm minimum ou au diamètre de fil d'apport. Dans tous les cas, pour obtenir un transfert de métal par gouttes tel que précédemment cité, l'extrémité du fil fusible est guidée et également maintenue en permanence à une distance inférieure à 2 mm environ par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène, c'est-à-dire que la distance entre la surface externe du fil fusible et l'électrode ne doit pas excéder 2 mm environ, de préférence supérieure à 1 mm. Le transfert par gouttes selon l'invention présente les avantages suivants : - un point d'impact en dessous de l'arc, ce qui facilite le positionnement de la torche. - un transfert maîtrisé par gouttes successives de métal bien dirigé dans le bain. - un aspect esthétique du cordon de soudage correspondant à des préconisations particulières recherchées. - un transfert par gravité et tensions de surface facilite le travail en position. - un réglage de la fréquence et de la taille des gouttes par la vitesse fil . - une réalisation de cordons de soudage multi-directionnels sans changement d'orientation du fil au niveau de la torche TIG. - une possibilité de réaliser des synergies de soudage, comme pour le procédé de soudage MIG/MAG. La vitesse de fil préférée est donnée en fonction des différents paramètres choisis par l'opérateur : matière à assembler, nature et diamètre du fil d'apport, intensité, gaz de protection, vitesse de soudage.... L'invention est illustrée sur la figure annexée qui schématise un transfert par gouttes selon l'invention. Plus précisément, on a représenté une torche de soudage TIG avec électrode 1 non fusible alimentée avec un fil 2 fusible. Comme on le voit, la partie la plus chaude de l'arc électrique 6 qui se forme à la pointe 7 de l'électrode 1 permet d'obtenir une fusion progressivement de l'extrémité 3 du fil 2 dans la zone d'arc 5. Le transfert du métal fondu depuis l'extrémité 3 du fil 2 vers le bain de soudure 8 formant le cordon soudé sur la pièce 10 se fait par gouttes 4 successives dont le diamètre de goutte est compris entre 1,2 et 4 fois le diamètre du fil 2. Le fil a typiquement un diamètre compris entre 0,6 et 1,6 mm. La fréquence des gouttes est comprise entre 20 et 90 Hz. La fréquence des gouttelettes est générée par une pulsation du fil combinée avec une pulsation de courant. --> Par ailleurs, la distance D entre la pointe de l'électrode 1 et la surface des pièces à souder est comprise entre 2 mm et 3 mm environ. Par ailleurs, la distance minimale d entre le fil 2 et la surface de l'électrode 1, y compris au niveau de sa pointe 7, est maintenue inférieure à 2 mm mais préférentiellement supérieure à 1 mm. Dans le domaine du transfert par gouttes, l'augmentation de la vitesse de fil entraîne l'augmentation de la fréquence de goutte jusqu'à apparition d'un seuil de passage en transfert par veine liquide à fréquence de goutte nulle. La fréquence des gouttes est donc choisie en fonction de la vitesse de fil par exemple une fréquence de 50 à 55 Hz pour une vitesse de fil de 3.5 m/mn et ce, pour une intensité de 180 A, une vitesse de soudage de 2 m/min et un fil de CuA18 de 1 mm de diamètre. Le Tableau B ci-dessous donne des exemple de paramètres de soudage à adopter pour mettre en œuvre le procédé de l'invention dans le cas d'une vitesse de soudage (Vs) entre 100 et 200 cm/min et pour un angle de fil de l'ordre de 15° et une distance électrode/fil d'environ 1 mm. Tableau B Matériau Epaisseur Gaz Fil U I v f mini V f ax V s configur soudé ation (en mm) [V] [A] (m/mm) (m/min) (m/m in) Acier au 1 Arcal 1 CuA18 14 180 2 5.5 1.2 Clin carbone 1 mm galvanisé (lOμm) Aluminiu 2 Arcal 1 AISi 4043 ou 12 80 1 3.5 0.3 Bord à m Al Mg5 5183 bord 1.2 mm Acier au 1 Arcal CuSi3 13 150 1 3.2 1 Ligne de carbone 10 fusion 1 mm ARCAL 1 : mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé d'argon pur. ARCAL 10 : mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé d'argon et de 2.5% en volume d'hydrogène. Vf : vitesse fil - Vs : vitesse de soudage --> Quel que soit le type de matériau soudé, on constate que la plage de vitesse fil pour l'obtention du transfert par gouttelettes est large et flexible vis à vis de la fréquence et de la taille des gouttes correspondantes. Les vitesses de fil minimale (Vf mini) et maximale (Vf maxi) sont celles à appliquer pour rester dans un transfert par gouttes. Au-delà de ces valeurs, on obtient un transfert par pont liquide. Le procédé de l'invention avec transfert par gouttes peut être appliqué à différentes configurations de joint : soudage bout à bout, à clin, angle et bords tombés y compris des opérations de rechargement. --> Revendications 1. Procédé de soudo-brasage ou de soudage à l'arc mettant en œuvre une torche TIG munie d'une électrode non fusible et un fil d'apport fusible de diamètre donné, dans lequel : a) on alimente la torche TIG avec ledit fil fusible de manière telle que l'amenée de fil fusible soit opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode, b) on guide et on maintient l'extrémité du fil fusible en permanence à une distance inférieure à 2 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, c) on opère une fusion progressive de l'extrémité du fil fusible par l'arc électrique généré entre l'électrode non fusible et au moins une pièce à souder de manière à réaliser un transfert de métal fondu par gouttes depuis l'extrémité du fil vers ladite au moins une pièce et obtenir ainsi un joint de soudure ou de soudo-brasage, caractérisé en ce que le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré par gouttelettes de métal fondu successives, déposées à une fréquence comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille desdites gouttes est comprise entre 1 ,2 et 4 fois le diamètre du fil fusible. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est préférentiellement comprise entre 30 Hz et 80 Hz. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 20 Hz et 40 Hz, et la taille des gouttes est comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 30 Hz. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 70 Hz et 90 Hz, et la taille des gouttes est comprise entre 1,2 et 1,5 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 80 Hz. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fréquence des gouttelettes est générée par une pulsation du fil combinée avec une pulsation de courant. --> 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle entre 10 et 30° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence entre 10 et 20°. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on guide et maintien en permanence l'extrémité du fil fusible à une distance inférieure à 1,5 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, de préférence supérieure à 1 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pendant le soudage, on opère une protection gazeuse du joint de soudure en cours de formation et/ou de l'électrode en tungstène avec un gaz choisi parmi l'argon, l'hélium et leurs mélanges, avec ou sans addition d'azote, et les mélanges d'argon et d'hydrogène. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour souder ou braser une ou plusieurs pièces en acier revêtu, en particulier en acier galvanisé ou électro-zingué, ou une ou plusieurs pièces en aluminium ou alliage d'aluminium. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'intensité du courant continu alimentant la torche TIG est comprise entre 10 A et 400 A et/ou la tension est comprise entre 10 V et 20 V. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fil a un diamètre compris entre 0.6 mm et 1.6 mm. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on soude ensemble plusieurs pièces métalliques. 13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on réalise des opérations de rechargement par soudage avec dilution et taux de dépôt contrôlés.