Brevet FR2923167A1 — publié le 20090508

L'invention concerne le domaine du soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode consommable dans laquelle circule un courant, et une protection gazeuse du bain de soudure. 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 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, c'est-à-dire 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 se fait selon un mode de fonctionnement standard connu, 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. Cette technique de soudage par court-circuit permet de souder de faibles épaisseurs, typiquement de moins de 5 mm, grâce à une grande maîtrise du bain de fusion mais conduit à un arc court et instable, et à des projections de métal sur les pièces soudées, ce qui nuit à la qualité. En outre, il arrive que l'énergie incidente soit trop élevée causant ainsi des excès de pénétration, voire un percement de la tôle. On note également que le taux de dépôt est relativement faible lorsqu'on souhaite diminuer les énergies de soudage et qu'il est très difficile d'établir un régime d'arc stable avec de faibles intensités. Dans certains cas, comme en transfert pulsé où l'arc est stable, les énergies élevées mises en jeu conduisent à d'importantes déformations de la pièce finale. Ceci résulte du fonctionnement intrinsèque du transfert pulsé qui est obtenu grâce à des pics d'intensité très importants de l'ordre de 450 A entraînant le détachement des gouttes du fil fusible avant leur contact avec la pièce, mais ce qui provoque alors des déformations car l'énergie nécessaire au détachement des gouttes est trop élevée pour la pièce. Diverses méthodes ont été proposées afin de tenter de mieux contrôler le courant et notamment de limiter les projections se produisant lors de la rupture du col. Ainsi, il a été proposé un premier procédé de soudage appelé procédé de soudage � CSC � ou � CSC-MIG �, où CSC signifie � Controlled Short Circuiting �, pour court- circuit contrôlée. Ce procédé CSC, notamment illustré dans le document EP-A-1384546, met en oeuvre un mouvement alternatif, c'est à dire de va-et-vient mécanique, du dévidage du fil constituant l'électrode consommable de manière à diminuer l'énergie à l'allumage de l'arc et donc les projections de métal. Cependant, ce procédé n'est pas idéal car limité par une faible fréquence de transfert et nécessite de maintenir un mode de transfert par court-circuit. En outre, comme la fréquence de transfert est relativement basse, c'est-à-dire que les périodes de transfert sont relativement longues, les gouttes qui se forment sont grosses, ce qui engendre des difficultés de soudage des tôles fines. Ainsi, en pratique, il n'est pas envisageable d'obtenir des soudures de bonne qualité sur des tôles d'épaisseurs inférieure à 0.8 mm avec le procédé CSC. On note également qu'un dispositif permettant de mettre en oeuvre un procédé CSC est relativement compliqué et onéreux, notamment du fait qu'il faut prévoir des moyens pour appliquer une vitesse négative au fil de l'électrode consommable. Il a été proposé par ailleurs un autre procédé de soudage, appelé procédé de soudage � STT � pour � Surface Tension Transfert � ou transfert par tension de surface. Ce procédé STT, notamment illustré par le document FR-A-2666261, met en oeuvre une impulsion d'intensité qui est générée avant que l'arc ne se rallume, donc pendant la période de court-circuit, afin d'amorcer la striction du pont de métal liquide, tout en évitant de réamorcer l'arc sous forte intensité. Bien qu'avantageux car il permet de gérer assez précisément l'énergie pour détacher une goutte de métal, ce procédé conduit fréquemment à des projections non désirées s'il est mal contrôlé. En outre, sa mise en oeuvre est compliquée et nécessite un réglage précis de nombreux paramètres, ce qui limite sa plage de réglage et d'utilisation. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités pour les procédés GMAW, CSC et STT tout en conservant la capacité de contrôler le transfert par court circuit. En d'autres termes, un problème qui se pose est de proposer un procédé de soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode consommable dans laquelle circule un courant électrique permettant d'obtenir des périodes de transfert courts et d'éviter les projections de métal de manière à améliorer la qualité du soudage.. Une solution selon l'invention est alors un procédé de soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode consommable dont une extrémité est progressivement fondue par un courant électrique alimentant l'électrode, dans lequel se succèdent au cours du temps (t), des cycles de soudage (AC-A) comprenant chacun une période d'arc (ua ; instants A-C) et une période de court-circuit (C-A) où le métal liquide établit un court-circuit (CC) entre l'extrémité fondue de l'électrode et au moins une pièce à souder, chaque cycle comprenant les étapes de : a) maintien d'une intensité d'arc I2 pendant une période (A3 à A4) de la période d'arc (A-C) en même temps que le déplacement de l'électrode consommable vers la pièce à souder, à une vitesse sensiblement constante V1 ; b) diminution de l'intensité pour atteindre une intensité minimale I2 au début (en C) de la période de court-circuit avec I2 L'invention porte également sur un générateur de courant de soudage MIG/MAG comprenant des moyens d'alimentation en courant électrique et un dispositif de commande desdits moyens d'alimentation électrique selon le dispositif ci-dessus et/ou mettant en oeuvre le produit de programme d'ordinateur ci-dessus et/ou le support comprenant les séquences d'instructions ci-dessus. L'invention sera décrite ci-après plus en détails en références aux figures illustratives annexées qui représentent respectivement les cycles d'intensité, de tension et de vitesse du fil au cours du temps (t en abscisses) obtenus . - pour les figures la à 1c, lors de la mise en oeuvre d'un procédé de soudage CSC selon l'art antérieur, -pour les figures 2a à 2c, lors de la mise en oeuvre d'un procédé de soudage SIT selon l'art antérieur, et - pour les figures 3a à 3c, lors de la mise en oeuvre d'un procédé de soudage selon la présente invention. Plus précisément, chaque série de figures la à 1c, 2a à 2c, et 3a à 3c représente l'évolution de l'intensité (I), de la tension (U) et de la vitesse du fil (Vf) en fonction de la même échelle du temps (t) en abscisses pour les procédés CSC, SIT et selon l'invention, respectivement. Il est toutefois à noter que les échelles de temps (t) de chaque série de schémas ne sont pas nécessairement comparables entre elles. Par ailleurs, il va de soi qu'une période de court-circuit (CC) suivie d'une période d'arc est répétée autant de fois que nécessaire pour effectuer le soudage désiré, c'est-à-dire la totalité du joint de soudure. Sur toutes les figures 1, 2 et 3, une période de transfert se déroule sensiblement entre les instants A et A suivant et les périodes de court-circuit (CC) entre les instants C et A. Les figures la à 1c illustrent la succession des variations des principaux paramètres en fonction du temps t, pour un procédé CSC selon l'art antérieur, en particulier la variation de l'intensité I du courant circulant dans la pièce (Fig. la), de la tension u entre la (ou les) pièce(s) à souder et l'électrode consommable (Fig. lb), de la vitesse de déplacement Vf du fil-électrode consommable (Fig. 1c). On appelle � cycle de transfert�, une succession d'étapes entre le dépôt de deux gouttes de métal successives. Comme mentionné ci-dessus et de manière générale, le dépôt d'une goutte de métal s'effectue à la fin d'un court-circuit. Sur la figure lb on voit que la tension ua (tension d'arc) est sensiblement constante et non nulle entre les instants A et C et sensiblement égale à 0 entre les instants C et A qui correspondent à la période de temps pendant laquelle s'effectue le court-circuit. Comme représenté en figure la, l'intensité I1 est faible entre les instants C et A, et maintenue faible jusqu'à Al. Elle augmente alors pour atteindre une valeur I2r ce qui entraîne la fonte du fil électrode, puis redescend avant l'instant C suivant. En outre, comme illustré en figure 1c, le fil est animé d'un mouvement mécanique alternatif d'avance/recul. Sa vitesse varie d'une vitesse V1 sensiblement constante, diminue pour s'annuler puis atteindre une vitesse négative V2, permettant de déposer la goutte dans le bain de soudage de manière mécanique. Ensuite, après un palier de remontée, la vitesse redevient positive pour à nouveau atteindre la vitesse V. Selon le procédé CSC, la valeur absolue de V2 est du même ordre de grandeur que celle de V. La diminution de la vitesse est commandée par le début de la phase de court-circuit pour atteindre la vitesse négative V2 avant la fin de la phase de court-circuit. En résumé, le procédé CSC permet, par un mouvement alternatif du dévidage du fil, de diminuer l'énergie à l'allumage de l'arc ainsi que de supprimer les projections de métal. Cependant, ce procédé est limité, notamment en termes de taux de dépôt, c'est à dire de volume de métal du fil électrode déposé, du fait de l'obligation de rester dans le mode de transfert par court-circuit et de la relativement faible fréquence de transfert, comme expliqué ci-avant. Les figures 2a à 2c illustrent, de manière identique aux figures la à 1c, la succession des variations des principaux paramètres en fonction du temps t, pour un procédé STT selon l'art antérieur. Selon le procédé de soudage STT, la vitesse V1 du fil de l'électrode consommable (voir figure 2c) est constante et sensiblement égale à celle selon un procédé GMAW standard. Comme montré en figure 2a, la particularité du procédé STT porte essentiellement sur la présence d'une pulsation d'intensité I, pendant la période de court-circuit entre les instants A et C, qui permet d'atteindre une valeur d'intensité I3 supérieure à l'intensité en période d'arc I2. Pour ce faire, un moyen de détection spécifique envoie une pulsation d'intensité juste avant le rallumage de l'arc afin d'amorcer la striction du pont de métal liquide formé entre l'électrode fusible et le bain de soudure et ce, dans le but d'éviter les projections provoquées par un réamorçage de l'arc sous forte intensité. En outre, comme visible sur la figure 2b, la tension u varie de manière analogue à celle du procédé CSC. Cependant, ce procédé STT est de mise en oeuvre compliquée et nécessite un réglage précis de nombreux paramètres, comme susmentionné. Les figures 3a à 3b illustrent, de manière identique aux figures précédentes, la succession des variations des principaux paramètres en fonction du temps t, pour un procédé selon la présente invention. Comme pour les autres procédés, le procédé de soudage à l'arc selon l'invention comprend des cycles de soudage qui se succèdent au fil du temps (t) comprenant chacun un régime ou période d'arc (tension ua entre instants A et C) et un régime ou période de court-circuit (tension nulle entre instants A et C) où le métal liquide établit le court-circuit (CC) entre l'électrode consommable et une (ou plusieurs) pièce à souder. Toutefois, selon le procédé de l'invention, on maintient une intensité d'arc I2 pendant une période (A3 à A4) du régime d'arc en même temps qu'on effectue le déplacement du fil vers la pièce, a une vitesse sensiblement constante VI, de manière à obtenir une goutte de métal en fusion au bout de l'électrode fusible. Ensuite, on opère une diminution de l'intensité (depuis I2) pour atteindre (instant A5) une intensité minimale I2 au début de la période de court-circuit (instant C) et ce, dans le but d'éviter les projections au départ du court-circuit (CC) qui sont habituellement provoquées par des instabilités de transfert du métal en fusion du fait d'une intensité trop importante. On procède, en outre, comme montré en figure 3c, à une diminution de la vitesse de déplacement du fil (depuis V1) pour atteindre une vitesse minimale V3, inférieure à V1 au cours de la période de court-circuit (CC) afin d'initier ou d'améliorer la striction du pont liquide ou col entre le fil d'apport et le bain de soudage. Comme montré en figure 3a, on réalise alors une augmentation de l'intensité du courant au cours de la période de court-circuit CC (entre les instants C et A) pour atteindre une valeur maximale I4r supérieure ou égale à l'intensité d'arc I2r de préférence I4>I2, ce qui permet de provoquer la striction du pont liquide ou col entre le fil d'apport et le bain de soudage, qui s'achève du fait des tensions de surface du bain de soudage. Enfin, on opère une diminution de l'intensité (depuis I4) au cours de la période de court-circuit pour atteindre (en A) une valeur minimale I1 inférieure à l'intensité d'arc I2r concluant ainsi un cycle de transfert de métal sous une intensité faible et supprimant, de ce fait, les instabilités de transfert du métal en fusion lors du réamorçage de l'arc en début de cycle suivant. Dit autrement, le pic d'intensité I4 très bref associé à une chute de courant rapide I1 permet le réamorçage de l'arc à basse intensité supprimant alors toutes les projections caractéristiques de cette phase. En outre, l'arrêt du fil pendant la phase de court- circuit (CC), visible en figure 3c, permet la diminution du pic d'intensité par rapport à un système où le fil continue à être dévidé pendant cette phase, comme c'est le cas avec le procédé STT par exemple. D'ailleurs, avec le procédé STT, le fonctionnement classique du pic d'intensité peut nécessiter l'utilisation d'une détection spécifique sur la tension afin de localiser, pendant le court-circuit, la striction du métal d'apport et pouvoir alors faire chuter l'intensité avant le réamorçage de l'arc. Cette détection est rendue complexe du fait que le fil continu à avancer pendant la phase de court-circuit. Or, ce problème n'existe pas avec le procédé de l'invention car l'arrêt du fil (Vf nulle) pendant la phase de court-circuit facilite la détection de la striction du métal d'apport. De plus, un fonctionnement classique du pic d'intensité, comme avec le procédé SIT, connaît des limitations en termes d'intensité maximale de fonctionnement du fait des instabilités causées lorsque l'on applique une vitesse de dévidage élevée (donc une intensité moyenne élevée) pendant la phase de court-circuit. Or, là encore, ces effets négatifs n'existent pas avec le procédé de l'invention du fait de l'arrêt du fil pendant le court-circuit, ce qui permet de repousser les limites en intensité. La valeur d'intensité I4 pendant la période de court- circuit est représentée sur la figure 3 supérieure à la valeur d'intensité I2 intervenant pendant la période d'arc. Toutefois, des essais ont montré que ces valeurs peuvent être sensiblement du même ordre de grandeur et dépendent essentiellement de l'énergie nécessaire à initier le détachement de la goutte de métal fondu qui varient suivant les matériaux soudés. En d'autres termes, selon le procédé de l'invention, il n'est pas nécessaire d'augmenter très significativement l'intensité I4 au-delà de l'intensité I2r à la différence du procédé SIT où l'intensité I3 est en général très significativement supérieure à l'intensité I2 (voir figure 2a). Ceci est dû à l'apport d'inertie engendré par le ralentissement de la vitesse de dévidage du fil pendant le court circuit. A noter que, comme visible sur la figure 3b, la tension u dans le procédé de l'invention varie de manière analogue à celle des procédés CSC et SIT. A titre purement d'exemples, la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention peut se faire dans les conditions suivantes . I2 de 5 à 100 A I2 de 50 à 200 A I4 de 100 à 300 A Durée A à c de 5 à 20 ms Durée C à A de 2 à 7 ms Durée de CC de 7 à 27 ms Ua de 5 à 30 V - la vitesse V1 de déplacement du fil pendant la période d'arc est de l'ordre de 15 à 40 m/min, et - la vitesse minimale V3 de déplacement du fil est de l'ordre de plus ou moins 1 m/min. Exemple Le procédé de soudage selon la présente invention a été mis en oeuvre avec succès et a permis le soudage, l'une avec l'autre, de deux tôles de 0,6 mm d'épaisseur jointes bout à bout, à une vitesse de soudage de l'ordre de 2,5 m/min. Le gaz de protection utilisé était un mélange gazeux d'argon et de CO2 commercialisé sous la dénomination Atal 5 par AIR LIQUIDE. Les conditions de soudage étaient : - I1 = 40 A ; I2 = 130 A ; I4 = 250 A ; V1 = 10m/min ; V3 = 0 m/min ; Ua = 20 V. - matériau : P 265 GH, acier noir, A42. Le cordon de soudure obtenu était de bonne qualité, 30 présentant une bonne compacité et une absence de porosité, avec très peu de déformation des tôles. Obtenir de tels résultats est particulièrement surprenant lorsqu'on sait que les limites du procédé CSC se situent au soudage de tôles d'épaisseur minimale de l'ordre de 0,8 à 1 mm, et que les vitesses de soudage pouvant être atteintes ne dépassent pas 1 à 1,5 m/min. On note en outre que le dispositif permettant de mettre en oeuvre la présente invention peut être simplifié par rapport à celui d'un dispositif avec mouvement alternatif du fil car on peut s'affranchir de moyens permettant d'imposer une vitesse négative au fil de l'électrode consommable. Le dispositif est composé notamment : - d'un générateur de soudage pouvant commander et réguler les paramètres électriques de soudage ainsi que les moteurs de dévidage, de récupérer le gaz de soudage et le transmettre en temps voulu au faisceau ; - d'un système de dévidage de fil électrode permettant d'amener ce fil de la bobine ou du fut dans lequel il est stocké à la torche de soudage. - d'un faisceau de torche permettant la transmission des informations du moteur de dévidage au générateur de soudage et inversement, mais aussi d'assurer le transfert du gaz et de l'électricité du générateur de soudage à la torche. - d'une torche de soudage assurant une protection gazeuse nécessaire à la bonne exécution de la soudure, transmettant l'électricité au fil fusible tout en le guidant. 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. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage à l'arc mettant en oeuvre une électrode consommable dont une extrémité est progressivement fondue par un courant électrique alimentant l'électrode, dans lequel se succèdent au cours du temps (t), des cycles de soudage (A-C-A) comprenant chacun une période d'arc (ua ; instants A-C) et une période de court- circuit (C-A) où le métal liquide établit un court-circuit (CC) entre l'extrémité fondue de l'électrode et au moins une pièce à souder, chaque cycle comprenant les étapes de : a) maintien d'une intensité d'arc I2 pendant une période (A3 à A4) de la période d'arc (A-C) en même temps que le déplacement de l'électrode consommable vers la pièce à souder, à une vitesse sensiblement constante V1 ; b) diminution de l'intensité pour atteindre une intensité minimale I1 au début (en C) de la période de court-circuit avec I1 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse minimale V3 est sensiblement nulle. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la vitesse minimale V3 est conservée au début de la période d'arc (en A). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'à l'étape d), l'augmentation de l'intensité (de I1 à I4) au cours de la période de court-circuit se produit pendant la diminution de la vitesse de déplacement du fil de l'électrode consommable (de V1 à V3) de l'étape c). 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur d'intensité maximale I4 est maintenue pendant un palier (C2 à C3) alors que la vitesse de déplacement du fil de l'électrode consommable est maintenue à la vitesse minimale V3. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la valeur de la tension est mesurée pour déclencher la baisse d'intensité avant le rétablissement de l'arc, alors que la vitesse de déplacement du fil de l'électrode consommable est maintenue à la vitesse minimale V3. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors du soudage, on met en oeuvre une protection gazeuse et on réalise le soudage d'une ou plusieurs pièces métalliques en un métal ou alliage métallique choisi parmi les aciers au carbone revêtus ou non, les aciers inoxydables revêtus ou non, et l'aluminium ou le titane, revêtus ou non. 8. Dispositif de commande de l'alimentation électrique d'un générateur de soudage à l'arc par transfert de métal par court-circuit mettant en oeuvre une électrode consommable, ledit générateur comprenant des moyens d'alimentation en courant électrique et un circuit de commande susceptibles de mettre en oeuvre le procédé selon l'une ou plusieurs quelconque des revendications 1 à 7. 9. Produit de programme d'ordinateur pour un moyen de traitement de données, le produit de programme d'ordinateur comprenant une série d'instructions qui, quand elles sont chargées dans le moyen de traitement de données, permettent au moyen de traitement de données de mettre en oeuvre l'une ou plusieurs des étapes d'un procédé selon l'une des revendications 1 à 7. 10. Support lisible par un ordinateur comprenant une ou plusieurs séquences d'instructions pour le produit de programme d'ordinateur selon la revendication précédente. 11. Générateur de courant de soudage MIG/MAG comprenant des moyens d'alimentation en courant électrique et un dispositif de commande desdits moyens d'alimentation électrique selon la revendication 8 et/ou mettant en oeuvre un produit de programme d'ordinateur selon la revendication 9 et/ou un support selon la revendication 10.