Brevet FR2935277A1 — publié le 20100305

L'invention concerne le domaine du soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode consommable dans laquelle circule un courant. On appelle soudage MIG ou MAG, pour respectivement � Metal Inert Gas � (soudure de métal sous gaz inerte) et � Metal Active Gas � (soudure de métal sous gaz actif), les techniques de soudage ou de soudo-brasage, à l'arc électrique avec électrode fusible et gaz de protection, notamment de tôles, revêtues ou non. Ces techniques de soudage sont également connues sous l'appellation générale � GMAW � pour � Gas Metal Arc Welding � (pour soudure à l'arc de métal sous gaz). Lors de la mise en oeuvre de ces procédés MIG ou MAG, la chaleur que dégage l'arc électrique provoque la fusion de l'extrémité du métal d'apport, c'est-à-dire du fil fusible, et éventuellement du métal de base, c'est-à-dire du métal ou alliage métallique constitutif des pièces à souder. Un gaz ou un mélange de gaz assure habituellement la protection du bain de fusion, autour du joint de soudage en cours de formation, contre les contaminations atmosphériques durant le soudage. De manière schématique, un dispositif connu pour réaliser une soudure à l'arc MIG ou MAG comporte des moyens d'alimentation électrique, un circuit de commande et un fil métallique ou électrode fusible, positionné au voisinage, notamment au-dessus, d'une ou plusieurs pièces à souder sur la ou lesquelles une soudure doit être réalisée. Des moyens de mesure sont utilisés afin de déterminer les valeurs du courant (I) circulant dans la (ou les) pièce(s) à souder et de la tension (U) entre une pièce à souder et l'électrode. Ces moyens de mesure permettent également de commander des moyens d'alimentation en courant et/ou le circuit de commande. L'électrode consommable est un fil fusible au sein duquel passe un courant électrique délivré par les moyens d'alimentation. Le passage du courant est contrôlé par le circuit de commande et permet d'échauffer l'extrémité du fil située en regard des pièces ou du bain de soudure. Cette extrémité de fil fond, ce qui provoque alors la formation d'une goutte qui est ensuite déposée sur la ou les pièces au niveau du plan de joint. Plus précisément, le transfert de métal depuis l'électrode vers le bain de soudure peut se faire selon un mode de fonctionnement appelé transfert par court-circuit. Ce mode de transfert par court-circuit est obtenu pour de faibles énergies d'arc, typiquement pour une intensité de moins de 200 A et une tension de l'ordre de 14 à 20 V, et se caractérise par la formation d'une goutte de métal fondu au bout du fil venant en contact avec le bain de métal liquide. Lors du contact, le courant I augmente rapidement, faisant alors apparaître un pincement ou striction facilitant le détachement de la goutte de métal fondu et son passage vers le bain de soudure. Ce phénomène se répète au fil du temps et donc de la formation du joint de soudure, à des fréquences de l'ordre de 50 à 200 Hz. Dans des régimes de transfert de métal plus énergétiques depuis l'électrode vers le bain de soudure, on rencontre un mode de fonctionnement appelé spray ou pulvérisation axiale. Sous l'effet des forces électromagnétiques, les gouttes de métal en fusion provenant de la fusion du fil se détachent et viennent se déposer dans le bain de métal liquide sans qu'il y ait de court-circuit entre l'électrode et la pièce à souder. Ce type de transfert apparaît à intensité plus élevée, de l'ordre de 230 A, pour des tensions de soudage autour de 27 V et pour un fil en acier inoxydable de diamètre environ 1.0 mm sous un gaz de protection comprenant typiquement autour de 92% d'Argon et 8% de CO2. Pour souder des tôles de faibles épaisseurs, par exemple de moins de 5 mm, ou bien sensibles aux déformations, il est nécessaire de bien contrôler, et en pratique de réduire l'énergie de soudage apportée par rapport à un mode de transfert dit spray. On applique alors en général un courant pulsé de manière à réduire le courant moyen de soudage. Ce mode pulsé peut être également préféré au mode de transfert par court-circuit, car il réduit les projections adhérentes sur les aciers inoxydables par exemple et peut donner une forme de cordon moins bombée. La difficulté consiste à ajuster le courant de base minimal. En effet, on est limité par la dynamique de la source de courant et/ou celle de la régulation. Une augmentation rapide de la tension d'arc peut se produire après le détachement de goutte au début de la période de courant minimal, par exemple en cas de court-circuits brefs. Ceci peut provoquer des ruptures d'arc et donc causer des instabilités de transfert des gouttes de métal fondu vers le bain liquide et des difficultés dans le maniement de l'arc. Il existe certaines solutions à ces problèmes : • Utilisation de forme d'ondes de courant appliqué au fil fusible avec un courant de base minimal de 15 A environ, pour stabiliser l'arc électrique. L'inconvénient est la limitation du courant de base à une valeur minimale de l'ordre de 15 A, qui inclut un facteur de précaution, et ne permet donc pas de réduire l'énergie moyenne apportée à la tôle en deçà d'un certain seuil. • Mise en oeuvre d'algorithmes rapides de régulation du procédé, de façon à obtenir une réinjection de courant efficace en cas de rupture d'arc. L'inconvénient réside dans l'apport brutal d'énergie qui risque de percer des tôles fines. • Elévation de la fréquence de découpage des onduleurs de puissance. Plus cette fréquence est élevée, plus la régulation du procédé peut être rapide. De plus, une fréquence élevée permet de réduire les oscillations du courant et donc l'instabilité d'arc à bas courant. Toutefois, une limitation technologique dans un cadre industriel apparaît et limite les fréquences utilisables à environ 2x100 kHz. • Choix d'éléments magnétiques self adaptés pour lisser les variations de courant et éviter les ruptures d'arc. L'inconvénient est alors que ces éléments magnétiques limitent la vitesse de montée ou de descente du courant. La précision de la régulation du procédé peut donc en souffrir. Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur, en particulier de contrôler et réduire l'énergie de soudage tout en réduisant les instabilités de transfert et les problèmes de maniabilité de l'arc. L'invention concerne d'abord un procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques mettant en oeuvre une électrode consommable dont une extrémité est progressivement fondue par un courant électrique périodique alimentant ladite électrode, chaque période dudit courant comprenant au moins les phases suivantes : a) maintien dudit courant à une intensité de crête donnée pendant une durée de crête ; et c) maintien dudit courant à une intensité de base donnée pendant une durée de base, ladite intensité de base étant inférieure à ladite intensité de crête ; ledit procédé étant caractérisé en ce que chaque période dudit courant comprend en outre, dans l'intervalle de temps entre lesdites phases a) et c), une phase b) de maintien dudit courant à une intensité intermédiaire donnée pendant une durée intermédiaire, ladite intensité intermédiaire étant comprise entre ladite intensité de crête et ladite intensité de base. L'électrode consommable, fusible, peut être un fil plein ou fourré par exemple. Elle sert à apporter la matière nécessaire à la soudure des pièces métalliques. Elle est traversée par un courant qui sert à la chauffer et à la faire fondre. En régime de fonctionnement établi, ce courant est périodique ou quasi-périodique (cycles d'intensité successifs identiques ou de même forme). De manière à réduire l'énergie moyenne apportée, le courant est de type pulsé. Chaque cycle de courant présente alors une phase de crête, pendant laquelle l'intensité est maintenue à une valeur de crête, puis une phase de base, pendant laquelle l'intensité est maintenue à une valeur de base, inférieure à la valeur de crête. Les inventeurs ont établi qu'il est avantageux de ne pas basculer instantanément du courant de crête vers le courant de base, mais au contraire de rester sur un palier intermédiaire caractérisé par une intensité donnée, intermédiaire entre l'intensité de crête et l'intensité de base, et une durée donnée. Ce palier constitue en lui-même une phase du cycle de courant. Ainsi, on évite l'augmentation rapide de la tension d'arc et les instabilités de transfert pouvant se produire après le détachement d'une goutte de métal au début de la phase de base. A la place, on peut observer pendant la phase intermédiaire une montée modérée de la tension qui ne provoque pas de rupture d'arc. Le cycle de courant comprend donc au moins trois phases a), b) et c), de crête, intermédiaire et de base. Elles ont lieu dans l'ordre a-b-c, ou selon ses permutations circulaires b-c-a ou c-a-b. Cela dépend de la convention adoptée pour définir le cycle. Le cycle peut comprendre d'autres phases, notamment des phases de transitions entre les phases a), b) et c) décrites ci-dessus. Il est également possible d'avoir deux, ou plus, phases intermédiaires correspondant à plusieurs intensités intermédiaires données. Selon des modes de réalisation particuliers, le procédé en question peut en outre comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - ladite durée intermédiaire est comprise entre 2 et 5 ms ; - ladite intensité intermédiaire est comprise entre 10 et 20 A ; - ladite intensité de base est comprise entre 5 A et ladite intensité intermédiaire ; - ladite intensité intermédiaire est comprise entre 13 et 17 A ; - ladite intensité de base est comprise entre 8 et 12 A ; - lesdites phases a), b) et c) sont séparées par des phases de variation rapide de l'intensité dudit courant d'une durée inférieure à 5 ms ; - lesdites pièces métalliques sont en acier inoxydable ou en acier au carbone. Le symbole � ms � signifie � millième de seconde �. Le symbole � A � signifie � ampère �. Durant chacune des phases a), b) et c), on considère que le courant de soudage est maintenu à la valeur prescrite si, durant la phase en question, il ne s'écarte pas de plus de 10% au dessus ou en dessous de la valeur de consigne. Maintenir le courant à une valeur donnée signifie donc rester dans un intervalle de plus ou moins 10% autour de cette valeur donnée. On s'arrange en général pour que la consigne soit respectée en moyenne temporelle pendant la durée de la phase, mais ce n'est pas une nécessité. Selon un mode préféré, les phases a) b) et c) sont séparées uniquement par des phases de transition, plus ou moins courtes en fonction de la dynamique de la source de courant. Pendant ces phases transitoires, l'intensité du courant de soudage évolue rapidement entre le niveau caractéristique d'une phase non transitoire vers le niveau caractéristique de la phase non transitoire suivante. Cette évolution transitoire est de préférence rapide et monotone. L'invention concerne en outre un dispositif de soudage à l'arc par transfert de métal par court-circuit comprenant au moins une source de courant électrique et un circuit de commande, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé tel que décrit ci- dessus. Selon un mode particulier, ladite source de courant comprend : - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant à ladite intensité de crête pendant ladite durée de crête ; - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant à ladite intensité de base pendant ladite durée de base ; et - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant à ladite intensité intermédiaire pendant ladite durée intermédiaire. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence à la figure 1, qui représente un courant électrique d'alimentation d'électrode de soudage conforme à l'invention. La figure 1 est un graphique représentant l'intensité du courant de soudage I en fonction du temps t. On est en régime établi de soudage et le courant est périodique. Le graphique montre deux périodes, ou cycles de courant, identiques, comprenant les trois phases a), b) et c) selon l'invention. 10 Le début de la première période, notée � P �, correspond à la fin de la phase de base de la période précédente. La valeur de l'intensité est lb, l'intensité de base, d'environ 15 A. Le dispositif de commande de la source de courant déclenche alors une phase transitoire d'environ 0.5 ms pendant laquelle l'intensité I monte rapidement de la 15 valeur de base lb à la valeur de crête Ic, avec le>Ib. le est généralement compris entre 250 et 450 A ; une valeur de 300 A est typique. L'intensité I est maintenue par la source de courant à la valeur de crête le pendant une durée Dc d'environ 1 ms : c'est la phase de crête, notée � a �. Durant cette phase dite � chaude �, l'électrode fond pour former une goutte à l'extrémité du fil. 20 Puis, le circuit de commande déclenche une phase transitoire d'environ 1 ms de décroissance rapide de l'intensité de la valeur de crête le à une valeur intermédiaire Ii donnée, avec Ib Ensuite, le circuit de commande amorce une nouvelle décroissance rapide de 30 l'intensité I, qui peut prendre de l'ordre de 0.5 ms, de la valeur intermédiaire Ii à la valeur de base Ib. Commence alors la phase de base de la période P considérée, notée � c �, pendant laquelle l'intensité I est maintenue à la valeur lb pendant une durée Db, d'environ 2 ms. 35 En général, la période P dure entre 2.5 et 50 ms, ce qui correspond à une fréquence de pulsation comprise entre 20 et 400 Hz.5 Au début de la phase intermédiaire, une goutte se détache du fil et vient se déposer dans le joint à souder. Si elle ne se détache pas correctement, ou si l'arc est très court pour limiter l'énergie amenée à la pièce, des court-circuits peuvent apparaître et engendrer des instabilités, pouvant aller jusqu'à la rupture d'arc. L'avantage de l'invention est d'obtenir une séparation de la goutte alors que le courant de soudage est maintenu à un niveau Ii supérieur à ce qui est généralement utilisé. Durant la phase de base où le courant est maintenu à lb, l'énergie électrique apportée à la tôle est relativement faible du fait de la valeur réduite de l'intensité lb comparativement à la valeur Ic. La fusion du fil est donc limitée et le fil s'approche de la pièce. On constate sur le graphique que les phases a), b) et c) sont séparées par des phases transitoires courtes, en général de durée inférieure à 5 ms. Pendant les phases a), b) ou c), le courant de soudage I est maintenue à la valeur de consigne avec une certaine tolérance, par exemple de plus ou moins 10%. L'invention ne se limite pas aux modes de réalisation exemplifiés et doit être interprétée de façon non limitative et englobant tout mode de réalisation équivalent. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques mettant en oeuvre une électrode consommable dont une extrémité est progressivement fondue par un courant électrique périodique (I) alimentant ladite électrode, chaque période (P) dudit courant (I) comprenant au moins les phases suivantes : a) maintien dudit courant (I) à une intensité de crête donnée (Ic) pendant une durée de crête (Dc) ; et c) maintien dudit courant (I) à une intensité de base donnée (lb) pendant une durée de base (Db), ladite intensité de base (lb) étant inférieure à ladite intensité de crête (Ic) ; ledit procédé étant caractérisé en ce que chaque période (P) dudit courant (I) comprend en outre, dans l'intervalle de temps (Ti) entre lesdites phases a) et c), une phase b) de maintien dudit courant (I) à une intensité intermédiaire donnée (Ii) pendant une durée intermédiaire (Di), ladite intensité intermédiaire (Ii) étant comprise entre ladite intensité de crête (Ic) et ladite intensité de base (lb). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite durée 20 intermédiaire (Di) est comprise entre 2 et 5 ms. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que : - ladite intensité intermédiaire (Ii) est comprise entre 10 et 20 A ; et 25 - ladite intensité de base (lb) est comprise entre 5 A et ladite intensité intermédiaire (Ii). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que : 30 - ladite intensité intermédiaire (Ii) est comprise entre 13 et 17 A ; et - ladite intensité de base (lb) est comprise entre 8 et 12 A. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites phases a), b) et c) sont séparées par des phases de variation rapide de l'intensité 35 dudit courant (I) d'une durée inférieure à 5 ms. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites pièces métalliques sont en acier inoxydable ou en acier au carbone. 7. Dispositif de soudage à l'arc par transfert de métal par court-circuit comprenant au moins une source de courant électrique et un circuit de commande, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce ladite source de courant (I) comprend : - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant (I) à ladite intensité de crête (Ic) pendant ladite durée de crête (Dc) ; - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant (I) à ladite intensité de base (lb) pendant ladite durée de base (Db) ; et - des moyens aptes et destinés à maintenir ledit courant (I) à ladite intensité intermédiaire (Ii) pendant ladite durée intermédiaire (Di). 20