Brevet FR2963899A1 — publié le 20120224

L'invention concerne un dispositif et un procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques mettant en oeuvre une torche de soudage MIG/MAG associée à une torche de soudage TIG aptes à et conçues pour fonctionner simultanément et à obtenir des joints de soudure sans défauts de type bosselage. 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. Lors de la mise en oeuvre de ces procédés MIG/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. Un dispositif de soudage à l'arc MIG/MAG comporte une torche MIG/MAG, 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. Le dispositif comprend en outre des moyens pour déplacer la torche de soudage le long de la soudure à réaliser. Afin d'augmenter la productivité de l'opération de soudage, notamment pour l'assemblage des tôles fines, il existe différentes méthodes connues, à savoir augmenter la vitesse d'avance de la torche de soudage, diminuer le parachèvement, diminuer la préparation, ou diminuer les rebuts. La première méthode présente l'inconvénient qu'un défaut de soudage apparaît lorsque la vitesse de soudage, c'est-à-dire la vitesse du déplacement de la torche, dépasse une certaine limite. Le profil du cordon de soudure présente alors une ondulation périodique connue en anglais sous le nom de humping, ou bosselage, c'est-à-dire la formation de bosses. Ce défaut d'aspect peut aussi avoir des conséquences négatives sur la résistance mécanique de la soudure. Il limite la plage des vitesses de soudage utilisables et empêche d'augmenter productivité de l'opération de soudage. L'apparition du défaut de humping survient principalement sous deux formes en soudage MIG/MAG, à savoir gouging région morphology (GRM) ou morphologie de région de gougeage ; et beaded cylinder morphology (BCM) ou morphologie en cylindre « perlé ». En fait, le mécanisme d'apparition du humping est complexe car il fait intervenir la mécanique des fluides (métal en fusion), la thermique et la physique de l'arc électrique. Par exemple, l'apparition du défaut humping de type BCM semble être liée à un mauvais mouillage générant une instabilité de pincement analogue à celle décrite dans la théorie de Rayleigh. Il existe différentes méthodes permettant d'augmenter la vitesse de soudage qui présentent toutes des inconvénients, à savoir : - opérer un préchauffage des tôles à souder. Cependant, la mise en oeuvre est compliquée car il est indispensable de maîtriser la température initiale de la tôle pour obtenir une reproductibilité des résultats. En outre, on dépense une certaine énergie à chauffer l'intégralité des pièces à souder. - faire précéder la torche MIG/MAG d'un faisceau laser défocalisé pour préchauffer la tôle devant l'arc MIG-MAG et de créer un fin film de métal liquide. Or, cette méthode engendre un coût élevé puisqu'elle requiert une source laser d'au moins 3 kW. - souder en tandem avec deux torches MIG pour allonger le bain de soudure en disposant de deux arcs MIG. Toutefois, cette solution est lourde en investissement et en mise en oeuvre car elle impose deux systèmes de dévidage et l'utilisation de deux générateurs MIG/MAG, ainsi qu'une synchronisation entre les générateurs pour éviter l'attraction des arcs. De plus, le soudage tandem ne permet pas d'avoir indépendamment de l'apport de fil, un flux de chaleur et une pression d'arc contrôlable en vue de contrarier le défaut de humping. - combiner un soudage par arc plasma en mode keyhole (trou de serrure) et un soudage MIG de sorte que l'arc plasma frappe les tôles avant l'arc MIG pour assurer d'abord une bonne pénétration, puis un comblement des vides créés par l'arc plasma. Les résultats sont intéressants, mais la mise en oeuvre de ce procédé est relativement, en particulier le réglage du plasma keyhole est très pointu et la distance réduite entre arc MIG et arc plasma conduit à des interactions néfastes entre les arcs. Au vu de cela, le problème qui se pose est de remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire en particulier de fournir un dispositif de soudage MIG-MAG supportant des vitesses de soudage plus élevées, sans apparition du défaut de humping (bosselage), à la fois simple à mettre en oeuvre et/olu ne requérant pas de quantités d'énergie trop importantes. La solution de l'invention porte alors sur un dispositif de soudage à l'arc de pièces métalliques comprenant une torche de soudage de type MIG ou MAG (ci-après torche MIG/MAG) associée à une torche de soudage de type TIG de manière à fonctionner simultanément, c'est-à-dire que ces torches sont synchronisées de manière à se déplacer ensemble et à réaliser un même cordon de soudage. La torche de soudage de type MIG/MAG est apte à produire un cordon de soudure brut au niveau du plan de joint situé à la jonction des pièces à souder, alors que la torche de soudage TIG, qui est solidaire de la torche de soudage MIG/MAG, est apte à fonctionner simultanément avec la torche de soudage MIG/MAG et à produire ainsi un arc électrique frappant le cordon de soudure brut de sorte d'obtenir un cordon final sans ou quasi sans défauts de type bosselage. Dit autrement, une même zone à souder est frappée successivement par d'abord l'arc MIG/MAG puis par l'arc TIG. Il est à souligner que par « pièces métalliques », on entend que plusieurs pièces métalliques distinctes mais aussi une seule pièce souder à le-même, par exemple les deux bords longitudinaux d'une feuille métallique de manière à former un tube soudé. La torche de type MIG ou MAG » mise en oeuvre comporte un système de guidage de fil comportant un guide-fil destiné à guider au moins un fil fusible jusqu'à la sortie de la torche située en vis-à-vis des pièces à souder et une buse destinée à apporter du gaz inerte ou du gaz actif au voisinage de la zone de fusion du fil fusible. Le fil fusible sert d'électrode et la torche MIG/MAG est alimentée électriquement par une ou plusieurs sources électriques externes, tel un générateur de courant de soudage, de manière à pouvoir créer un arc entre le fil fusible et les pièces à souder, et ainsi fondre progressivement le fil qui se dépose au niveau du plan de joint situé entre les pièces à souder en formant ainsi un cordon de soudage brut. La torche est par ailleurs alimentée en gaz provenant d'un réservoir ou d'un réseau de canalisations. La torche est déplacée relativement aux pièces à souder par des moyens de déplacement automatiques permettant de lui imprimer un mouvement le long de tout ou partie du plan de joint, c'est-à-dire selon une trajectoire donnée correspondant à la soudure à réaliser. Par ailleurs, selon l'invention, une torche de soudage TIG à électrode en tungstène est associée à la torche MIG/MAG. Par « torche de type TIG », on entend un système de soudage comportant au minimum au moins une électrode en tungstène, ainsi qu'une buse destinée à apporter du gaz inerte dans la zone de l'arc électrique créé par la torche. Les torches MIG/MAG et TIG peuvent être alimentées par une même source de gaz, une même source électrique ou alors par des sources différentes. De même, les moyens de déplacement des torches peuvent être aussi communs ou non aux deux torches. La torche TIG produit un arc permettant de traiter le cordon de soudure brut produit par la torche MIG/MAG, c'est-à-dire d'y opérer un chauffage et une action mécanique par phénomène de pression d'arc de sorte de réduire ou supprimer le défaut de humping du cordon. La vitesse relative à laquelle les torches de soudage sont déplacées, c'est-à-dire la vitesse de soudage, est augmentée significativement. Il n'est pas nécessaire de chauffer une grande partie des pièces à souder. On traite assez ponctuellement une zone du cordon de soudure peu après sa formation, donc la dépense d'énergie liée à la torche TIG reste modérée. Selon l'invention, par « associée à la torche MIG/MAG », on veut dire que la torche TIG est liée mécaniquement à la torche MIG/MAG de manière à pouvoir la suivre dans ses mouvements et à fonctionner simultanément avec elle. Selon le cas, le dispositif de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - il comporte en outre des moyens de réglage, tel un ou des vérins, engrenages..., permettant d'ajuster la position relative desdites torches de soudage l'une par rapport à l'autre, c'est-à-dire la distance entre lesdites torches ou entre celles-ci et les pièces à souder, ou encore les différents angles. - ladite torche de soudage MIG/MAG comprend un guide-fil permettant de guider un fil fusible selon une première direction donnée et la torche de soudage TIG comprend une électrode non fusible pointant dans une seconde direction donnée, lesdites première et seconde directions étant sensiblement coplanaires et formant un angle a compris entre 0 et 40°, de préférence entre 0 et 20°, c'est-à-dire que les deux torches sont parallèles ou convergent l'une vers l'autre. De manière particulière, cet angle est compris entre 5 et 15 degrés, ce qui permet d'augmenter la vitesse de soudage, toutes choses égales par ailleurs. Par « sensiblement coplanaires », on entend que la distance entre les droites matérialisant ces directions est inférieure à 3 mm, de préférence 1,5 mm. Ceci présente l'avantage de ne pas induire de dissymétrie significative du cordon. Au-delà de ces marges, il y aurait un risque de fragiliser le cordon. - l'électrode de la torche de soudage TIG comprend une pointe située à une distance d de ladite première direction comprise entre 20 et 26 mm. On peut définir géométriquement cette distance comme la distance euclidienne entre la pointe de l'électrode tungstène, considérée comme un point, et sa projection orthogonale sur la première direction donnée (celle du fil MIG-MAG à sa sortie). Cette plage de distance permet d'augmenter la vitesse de soudage, toutes choses égales par ailleurs. - l'électrode comprend un affûtage conique au niveau de la pointe de l'électrode, l'affûtage conique présentant une ouverture 13 comprise entre 20 et 40 °, ce qui permet aussi d'augmenter la vitesse de soudage. Cet affûtage prend en général la forme d'un cône de révolution. On définit l'ouverture de ce cône comme le double de l'angle fait par une génératrice et l'axe de révolution du cône. L'invention concerne également un procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques comprenant les étapes de : a) réalisation progressive d'un cordon de soudure brut sur les pièces métalliques, c'est-à-dire le long du plan de joint à souder, au moyen d'une torche de soudage de type MIG/MAG, déplacée relativement par rapport auxdites pièces métalliques, en général selon un mouvement de translation, b) application d'un arc électrique sur au moins une partie du cordon de soudure brut obtenu à l'étape a), l'arc électrique étant produit par une torche de soudage de type TIG qui est déplacée de manière synchronisée avec la torche de soudage de type MIG/MAG. En fait, l'étape a) du procédé est une étape de soudage MIG/MAG classique, visant à produire un cordon de soudure « brut » n'ayant pas encore subi l'étape b) du procédé. Par ailleurs, l'étape b) consiste à réaliser un traitement par arc électrique du cordon de soudure brut. Plus précisément, il s'agit de créer un arc électrique à l'aide de la torche de type TIG et d'appliquer cet arc sur tout ou partie du cordon situé en aval du point où il est formé par dépôt de métal en fusion à l'aide de la torche MIG/MAG. Le traitement progressif par l'arc le long du cordon brut engendre en fait un chauffage localisé du cordon et un phénomène de pression d'arc conduisant à un cordon de soudure final, sans ou quasi sans défaut de type bosselages, malgré une augmentation de la vitesse de soudage. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des 15 caractéristiques suivantes : - à l'étape a) on guide un fil fusible délivré par la torche MIG/MAG selon une première direction sensiblement perpendiculaire aux pièces à souder, c'est-à-dire que les pièces métalliques présentent une surface vers la torche MIG ou MAG et que la première direction, celle du fil fusible lors de sa sortie de la torche, est à peu près orthogonale à la 20 surface en question. Il a été observé que cette configuration est plus favorable pour retarder l'apparition du humping. - à l'étape b), la torche de soudage TIG est orientée de manière à ce que l'électrode équipant ladite torche TIG pointe dans une seconde direction sensiblement coplanaire avec la première direction, c'est-à-dire à peu près dans un même plan. Ceci permet une intervention 25 de la torche TIG symétrique par rapport au cordon. - à l'étape b), on oriente la torche de soudage TIG de manière à ce que ladite seconde direction forme avec la première direction un angle a compris entre 0 et 40°, de préférence entre 0 et 20°. Selon un mode particulier, cet angle est compris entre 5 et 15 degrés. 30 - à l'étape b), on déplace la torche de soudage TIG de manière à ce que la pointe de l'électrode reste à une distance de la première direction comprise entre 20 et 26 mm. - la torche de soudage TIG met en oeuvre un gaz inerte comprenant de l'argon, de préférence de l'argon ayant une pureté d'au moins 99% en volume. Selon un mode plus particulier, la pureté est d'au moins 99.99% en volume. Les autres constituants sont alors des 35 impuretés inévitables, tel que vapeur d'eau, oxygène, azote, gaz rares. Les gaz utilisables sont disponibles auprès de la société Air Liquide. - la position relative, en distance et en angle, de la torche TIG par rapport à la torche MIG/MAG est réglée à l'avance, avant de commencer l'opération de soudage ou est ajustée durant le procédé de soudage. L'ajustement peut être permanent de façon à adapter la forme du système à celle des pièces à souder et au type de soudure souhaité. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures, parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de soudage selon l'invention, en particulier l'agencement des torches de soudage en fonctionnement, et - la figure 2 représente une pièce à souder et illustre ce qui se passe au niveau du cordon de soudure. Sur la figure 1, les pièces métalliques 4 à souder sont horizontales. Le dispositif comprend une première torche de soudage 1 de type MIG. Elle se développe selon une première direction donnée lb verticale, qui est aussi la direction prise par un fil fusible la sortant de cette torche lorsqu'elle est en fonctionnement. Le fil la sert d'électrode. En fonctionnement, elle est destinée à créer un arc électrique 1c. Le fil la fond, ce qui permet un dépôt de métal à l'endroit ld des pièces métalliques 4. La torche 1 est déplacée selon un vecteur vitesse 3 par rapport aux pièces métalliques 4. Le dépôt de métal dans la zone 1d permet la création d'un cordon de soudure brut 5a (voir figure 2). Le système de dévidage et de guidage du fil, la source de puissance électrique, la source de gaz inerte et les moyens de pilotage de la torche 1 sont connus de l'homme du métier et n'ont pas été représentés. Le dispositif comprend en outre une seconde torche 2, de type TIG. Elle se développe selon une seconde direction donnée 2b, qui est aussi celle de son électrode 2a en tungstène. Les directions lb et 2b sont coplanaires (dans un même plan). L'électrode 2a comporte une pointe D, à l'extrémité d'un affûtage conique présentant une ouverture angulaire 13 de 30 degrés. L'électrode 2a converge légèrement vers la torche 1. Plus précisément, l'angle a fait par les directions lb et 2b est de 10 degrés. Par souci de clarté, l'angle a représenté sur la figure 1 est plus grand. La distance d entre la pointe D de l'électrode 2a et la première direction donnée lb est obtenue en projetant orthogonalement le point D sur l'axe lb et en mesurant la distance DD'. Cette distance d est de 22 millimètres. En fonctionnement, la torche 2 permet de créer un arc électrique 2c qu'on applique à 30 la zone 2d du cordon de soudure 5 (voir figure 2). La torche 2 suit la torche 1 dans son mouvement, normalement à la vitesse v de soudage. De même que pour la torche 1, les auxiliaires électrique, gazeux ou mécanique de la torche 2 n'ont pas été représentés. Les torches 1 et 2 sont fixées de sorte qu'elles soient mécaniquement solidaires l'une de l'autre et qu'on puisse ajuster à tout moment leur 35 position relative, notamment l'angle a et la distance d, et leur position par rapport aux pièces 4. Sur la figure 2, on a représenté les pièces 4, vues du dessus, et le cordon de soudure 5. Lorsque que le dispositif est en fonctionnement, du métal en fusion est déposé dans la zone ld. Par déplacement 3 de la torche 1, à la vitesse de soudage v, ce dépôt donne naissance à un cordon de soudage brut 5a. La zone de dépôt ld est à la tête du cordon de soudure 5a. La zone de traitement 2d permet d'obtenir un cordon traité 5b. Toutes choses égales par ailleurs, on peut déplacer les torches 1 et 2 à une vitesse v plus élevée sans qu'il en résulte un défaut de humping dans la partie 5b du cordon de soudure 5. Le tableau ci-dessous montre l'impact de certains paramètres sur la vitesse de soudage maximale v max qui peut être obtenue sans faire apparaître le défaut de humping sur le cordon 5b. Tableau : Etude paramétrique # d a TIG gas TIG current v max (mm) (°) (°) - - cm/min 16 15 30 Arcal 1 Cl 260 16 40 30 Arcal 1 Cl 260 1 16 -15 30 Arcal 1 Cl 220 16 -40 30 Arcal 1 Cl 220 16 0 30 Arcal 1 Cl 270 2 16 0 15 Arcal 1 Cl 260 16 0 45 Arcal 1 Cl 260 3 16 0 30 Arcal 1 C2 280 14 0 30 Arcal 1 C2 260 18 0 30 Arcal 1 C2 280 4 22 0 30 Arcal 1 C2 320 24 0 30 Arcal 1 C2 320 26 0 30 Arcal 1 C2 280 28 0 30 Arcal 1 C2 280 5 22 0 30 Arcal 32 C2 270 22 0 30 Arcal 37 C2 280 La première colonne (#) représente le numéro des séries de tests. Pour chaque série, on a fait varier un seul paramètre (en gras) : 15 - Série #1 : l'angle a fait par les directions lb et 2b. Les valeurs positives de l'angle correspondent aux cas où le fil fusible la et l'électrode non fusible 2a convergent l'un vers l'autre. Les valeurs négatives de l'angle correspondent aux cas où l'électrode 2a diverge par rapport au fil la. On constate que les valeurs négatives sont défavorables. Il existe un optimum assez plat entre 0 et 40° ; 0° correspondant au parallélisme des directions lb et 2b. 20 La direction lb est verticale dans tous les cas. - Série #2 : on fait varier l'angle d'affûtage (3. Il existe un optimum assez plat entre 20 et 40°. - Série #3 : on a fait varier le type de courant parcourant l'électrode 2a de la torche de soudage TIG. « Cl » signifie qu'on a utilisé un courant constant de 125 A. « C2 » 25 signifie qu'on a utilisé un courant de type pulsé dont l'intensité varie en créneaux entre 100 A et 150 A. Le mode pulsé « C2 » est légèrement plus favorable.10 - Série #4 : on a fait varier entre 14 et 28 mm, la distance entre la pointe D de l'électrode 2a et l'axe 2b de la torche MIG. Une plage optimale assez nette se dégage entre 20 et 26 mm. - Série #5 : dans les autres tests, le gaz inerte utilisé pour la torche TIG était de l'Arcal 1 d'Air Liquide, disponible dans le commerce, qui est de l'argon quasi pur (pureté supérieure à 99.998% en volume). Dans cette série, on a testé deux autres gaz. Arcal 32 est essentiellement un mélange argon - hélium, où la fraction volumique de l'hélium est de 20% en volume. Arcal 37 est également un mélange argon - hélium, où la fraction volumique d'hélium est de 70% en volume. Comme on peut le voir, les résultats sont meilleurs avec le gaz Arcal 1 qu'avec les mélanges Arcal 32 ou Arcal 37. Le dispositif et le procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques selon l'ivention peuvent être mis en oeuvre pour souder des pièces métalliques en différents matériaux, à savoir notamment de l'acier, de l'acier inoxydable, de l'aluminium et ses alliages, du titane et ses alliages... que ces pièces soient revêtues ou non d'une couche surfacique de zinc ou d'aluminium par exemple. REVENDICATIONS1. Dispositif de soudage à l'arc de pièces métalliques (4) comprenant une torche 5 de soudage (1) de type MIG ou MAG associée à une torche de soudage (2) de type TIG de manière à fonctionner simultanément. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de réglage permettant d'ajuster la position relative desdites torches de soudage 10 (1, 2) l'une par rapport à l'autre. 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite torche de soudage MIG/MAG (1) comprend un guide-fil permettant de guider un fil fusible (la) selon une première direction donnée (lb) et la torche de soudage TIG (2) 15 comprend une électrode (2a) non fusible pointant dans une seconde direction donnée (2b), lesdites première et seconde directions (lb, 2b) étant sensiblement coplanaires et forment un angle (a) compris entre 0 et 40°, de préférence entre 0 et 20°. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 20 l'électrode (2a) de la torche de soudage TIG (2) comprend une pointe (D) située à une distance (d) de ladite première direction (lb) comprise entre 20 et 26 mm. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'électrode (2a) comprend un affûtage conique au niveau de ladite pointe (D), ledit affûtage conique 25 présentant une ouverture (f3) comprise entre 20 et 40 °. 6. Procédé de soudage à l'arc de pièces métalliques (4) comprenant les étapes de . a) réalisation progressive d'un cordon de soudure brut (5a) sur les pièces métalliques 30 (4) au moyen d'une torche de soudage (1) de type MIG/MAG, déplacée relativement par rapport auxdites pièces métalliques (4), b) application d'un arc électrique (2c) sur au moins une partie du cordon de soudure brut (5a) obtenu à l'étape a), l'arc électrique (2c) étant produit par une torche de soudage (2) de type TIG qui est déplacée de manière synchronisée avec la torche de soudage (1) de type 35 MIG/MAG. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, à l'étape a) on guide un fil fusible (la) délivré par la torche MIG/MAG selon une première direction (lb) sensiblement perpendiculaire aux pièces à souder. 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que, à l'étape b), la torche de soudage TIG (2) est orientée de manière à ce que l'électrode (2a) équipant ladite torche TIG pointe dans une seconde direction (2b) sensiblement coplanaire avec la première direction (lb). 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que, à l'étape b), on oriente ladite torche de soudage TIG (2) de manière à ce que ladite seconde direction donnée (2b) forme avec ladite première direction (lb) un angle (a) compris entre 0 et 40°, de préférence entre 0 et 20°. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que, à l'étape b), on déplace la torche de soudage TIG (2) de manière à ce que la pointe de l'électrode (2a) reste à une distance de la première direction (lb) comprise entre 20 et 26 mm. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, caractérisé en ce 20 que la torche de soudage TIG (2) met en oeuvre un gaz inerte comprenant de l'argon, de préférence de l'argon ayant une pureté d'au moins 99% en volume.