Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne un procédé de soudage
par faisceau d'électrons.
On sait que les caractéristiques mécaniques d'une
soudure, considérée à l'état brut de solidification, c'est-à-
dire avant tout traitement thermique, caractéristiques telles
que sa résistance à la tracti.on, s~ dureté ou sa résilience,
sont tributaires de la composition chimique de la zone fondue,
ainsi que du cycle thermique de soudage auquel la soudure a été
soumise.
De son côté, le cycle thermique dont il s'agit est
uniquement fonction de l'énergie réellement apportée à llas-
semblage réalisé, ceci, pour une géométrie donnée de cet assem-
blage et lorsque le soudagè est exécuté en une seule passe.
Les différents paramètres entrant en ligne de compte
pour une opération de soudage par faisceau d'électrons sont:
- la tension d'accélération du canon à électrons (U)
- l'intensité du courant, débité par le canon (Itir)
- - le courant de focalisation (Ifoc)
- la distance de tir (d), à savoir la distance entre,
d'une part, le plan de la bobine de focalisation du faisceau
d'électrons, et d'autre part la pièce à souder.
- la vitesse de soudage (V).
On peut également prendre aussi en considération des
paramètres définissant des vibrations éventuelles du faisceau
d'électrons.
L'une des grandeurs dérivées des précédentes est la
puissance de tir du canon:
tir U.I
On said cependant que, seule une fraction PabS de
cette puissance sera effectivement absorbée par les pièces à
assembler; l'importance relative de PabS dépend essentiellement
-1- r ~
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de la répartition de la densité de puissance, répartition qui,
de son côté, est fonction de la position exacte du point de
focalisation du faisceau d'électrons, c'est-à-dire de la valeur
du courant Ifoc ; Pab5 dépend en outre de la distance d, mais
le réglage de PabS dépend essentie:Llement du paramètre Ifoc~ ce
qui montre que l'importance de ce d~rnier doit être considérée
comme étant prépondérante.
Quant au faisceau d'électrons émis par le canon, on
sait qu'en plus de la partie de ce faisceau correspondant à la
puissance absorbée, il donne également naissance à un certain
nombre de faisceaux d'électrons dérivés, à savoir:
- des électrons rétrodiffusés auxquels correspond
la puissance Pr
- des électrons secondaires auxquels correspond
la puissance Ps
- des électrons d'origine thermique auxquels
correspond la puissance Pth
- des électrons transmis au travers de la pièce,.
dans le cas d'une soudure débouchante, électrons correspondant
à la puissance traversante Ptr.
La puissance de tir (Ptir) s'exprime ainsi par:
Ptir Pabs Pr P S + Pth Ptr
Les intensités correspondant, en particulier à
Ptir, PabS, Ptr, s'obtiennent en divisant la valeur de chacune
de ces puissances par celle, tou~ours la même, de la tension
d'accélération U du canon.
La valeur de PabS pouvant être tirée de cette
égalité conditionne, pour une vitesse de soudage, pour un acier
donné et pour une géométrie donnée des pièces à souder, le cycle
thermique de l'opération.
La valeur de la fraction Pr peut être considérée
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comme étant comprise entre 15 et 25 % de Ptir, ce qui laisse
PabS + Ptr une valeur comprise entre 75 et
~5 ~ de la dite puissance de tir, ceci, en négligeant, dans
une première approximation, les deux autres facteurs Ps et Pth
dont les valeurs sont faibles.
On sait encore que, pour obtenir, dans le cas
d'aciers doux ou faiblement alliés, une bonne soudure, il
convient de tenir la puissance PabS en dessous d'une certaine
- limite, ceci pour accélérer le plus possible le cycle thermique
et par conséquent pour réduire d'autant l'échauffement des
pièces à assembler, en dehors de la zone de soudage.
Il s'ensuit qu'il conviendra d'assigner à Ptr,
dans le cas envisagé, une valeur plancher, la somme PabS + Ptr
devant rester sensiblement constante.
Ayant ainsi cerné les différents facteurs et
parametres intervenant dans une opération de soudage par faisceau
d'électrons, on s'attachera plus particulièrement aux opérations
de ce genre lorsqu'il leur sera demandé de maintenir les cara~-
téristiques morphologiques et mécaniques de soudures obtenues,
ainsi que le présenter une bonne reproductibilité de ces mêmes
caractéristiques, d'une opération à la-suivante.
Or, l'expérience prouve que, dans certains cas,
la connaissance des paramètres habituels (U, Itir, Ifoc~ d, vs)
s'avère insuffisante pour garantir une constance et une repro-
ductibilité suffisantes des dites caractéristiques, ceci, en
raison de l'effet d'amplification important existant entre les
valeurs des dits paramètres et facteurs et celles des carac-
téristiques visées: de très faibles variations des premières
provoquent des variations franchement inacceptables des secondes.
C'est ainsi par exemple que l'effet d'amplification
est de l'ordre de 50 entre les variation de Ifoc et celles
117072~
d'une.caractéristique mécanique donnée, la dureté Hv 5 d'un
acier, dont la composition chimique est: C 0,14; Mn 1,23;
Si 0,22; Ni 0,43; Mo 0,18; B 17 ppm, ceci pour une puissance
de tir de 22,4 kW, une vitesse de soudage de 40cm/minute, une
distance de 600m~ et une épaisseur de 32 mm de chacune des
pièces à souder. ~
L'effet d'amplification, dans le même exemple,
est de 150, entre les variations de Ifoc et celles de PabS.
La présente invention se propose de mettre à
profit cette particularité.
En se servant de l'exemple précédent comme il-
lustration, on constate que l'effet dlamplification entre les
variations de PabS et celles de la caractéristique mécanique
envisagée n'est que de 0,33 c'est-à-dire que la caractéristique
mécanique dont il s'agit varie trois fois moins vite que PabS.
Si, à une certaine variation de la valeur de Ifoc
correspond une variation sensiblement supérieure de la valeur
de la caractéristique mécanique considérée, cette dernière
poovant être par exemple 20 à 50 fois supérieure, la variation
de PabS qui lui correspond est encore plus importante, de l'ordre
de trois fois plus.
Il s'en suit qu'à une certaine variation de PabS
correspond une variation nettement plus faible de la carac- -
téristique mécanique, ce qui permet d'assurer, à cette dernière,
une bonne stabilité, en fonction des dites variations de PabS
et, par conséquent, une reproductibilité pouvant être garantie
en toute tranquillité.
Si donc l'on maintient les variations de PabS
à l'intérieur d'une marge meilleure que 1 % par exemple, la
variation correspondante de la caractéristique mécanique considérée
sera encore bien meilleure, ce qui équivaudra pratiquement au
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~ ~7072~
maintien pur et simple de ladite caracteristique à sa valeur
ini-t.i.ale.
La presente invention part de cette
constatation et prevoit un procedé de réglage du soudage de
pièces par un faisceau d'électrons génere par un canon à
electrons, dans lequel on effectue une mesure de puissance
et on règle, d'après une difference entre cette puissance
mesurée et une puissance de consigne, au moins un paramètre
relatif au canon generant le faisceau d'electrons de manière
à maintenir la puissance mesuree egale à:la puissance de
consigne, cette puissance de consigne etant choisie d'après
~es essais prealables pour obtenir de bonnes proprietes
mecaniques et metallurgiques de la soudure, caracterise en
ce que ladite puissance mesuree est une difference
entre une puissance mesuree du faisceau d'electrons genere
par le canon à electrons et une puissance mesuree des elec-
trons qui ont traverse les pieces à souder~ -
Selon une autre caracteristique de l'invention,
il est possible, lors de toute operation qui suivra-la premiere,
et si l'on desire retrouver la mème valeur de la caracteris-
tique mecanique ou métallurgique consideree, de regler les
differents paramètres precedemment definis de manière a leur
faire prendre les mêmes valeurs que lors de la première ope-
ration, de manière à obtenir la meme valeur de PabS, avec le
meme degre de precision que dans ladite première operation.
Selon une autre caracteristique de l'invention,
on peut substituer au-maintien de la constance de Pabs celui du
maintien de la constance Ptr, ce qui, compte tenu des consi-
derations qui precèdent, et notamment de la relation cons-
tante entre PabS et Ptr, doit revenir sensiblement au meme.L'avantage est, alors, que la mesure de Ptr est plus facile
que celle de P
abs-
L'experience a montre que pour une bonne focalisa-
tion, la valeur de Ptr peut atteindre 40~ de Ptir, ce qui
laisse, par difference, une valeur du meme ordre pour Pabs.
-- 5 --
,, ,
~ 1~0~2~
Selon une caracteristique préferee de l'invention,
on etablit une boucle de reglage dans laquelle, après avoir
assigne à Ptr une valeur constante definie à l'avance, on
injecte en feed-back le signal d'erreur dont on fait dependre
un paramètre, par exemple Ifoc~ avec la certitude que les
variations de la caracteristique mecanique consideree qui
en resulteront resteront à l'interieur des limites prescrites,
ce qui, en raison de l'extrême etroitesse de ces limites,
revient à dire que cette caracteristique sera maintenue
constante.
D'autres particularites et avantages de l'inven-
tion ressortiront de la description qui va suivre en regard
des dessins annexes, description et dessins etant donnes à
titre d'exemples illustratifs et nullement limitatifs de
divers modes de realisation preferes de l'invention.
C'est ainsi que l'on pourra proceder à la determi-
nation du paramètre Ifoc à partir de mesures de tensions pro-
portionnelles à l'intensite du faisceau d'electrons ayant
traverse les pièces à souder au moyen de dispositifs, dont
le detail sera expose plus loin.
La presente invention sera decrite en faisant
reference aux dessins annexes où: la figure 1 represente les
courbes de variation de PabS et Ptr, en fonction de Ifocl la
figure 2 est un diagramme developpe des valeurs respectives
prises par PabS, Ptr, au cours dlune operation de soudage par
faisceau d'electrons sur une section droite d'un tube qui
sera assemble à un autre tube identique, la figure 3 est le
schema bloc de la partie caracteristique d'un dispositif de
regulation de Ptr conforme à l'invention et la figure 4 est
un diagramme resumant les resultats obtenus par application
du procede selon l'invention au metal dont la composition
chimique a ete definie precedemment.
On voit en l, sur la figure 1, la cou
~= = _..
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-
1 ~70~2~
variation de Pabs en fonction de Ifoc~ Cette courbe présente
une valeur minimale. On voit sur la même figure à une échelle
semblable, la courbe 2 des variations corrélatives de Ptr,
courbe symétrique dela première et présentant par conséquent un
maximum en regard du minimum de celle de PabS.
Dans la pratique, l'o~ se donne à l'avance la
valeur de PabS que l'on se propose de maintenir constante; il
lui correspond la valeur de Ptr déduite-du diagramme, pour une
même valeur de I~oC~
On a porté sur le diagramme de la figure 2, en 3 et
4, les tracés développés respectifs des valeurs absolues prises
par PabS et Ptr en fonction de l'avancement du canon à électrons
le long de la ligne de soudage, c'est-à-dire en fonction du temps,
la vitesse d'avancement du canon étatn supposée constante, ceci,
au cours d'une opération d'assemblage par soudage de deux éléments
tubulaires de même section l'un sur l'autre. Le tour complet
du cordon de soudure va ainsi de 0, correspondant à l'abcisse
à 360, correspondant à l'abcisse ~', point au-delà duquel .
la valeur de PabS se prolonge sur une longueur supplémentaire
constituant le recouvrement du cordon souhaitéO Pour la courbe de
Ptr il y a également un recouvrement, d'une durée moindre.
- On a représenté~ en trait plein de ré~érence 3 les
variations de la puissance PabS le long de l'opération consi-
dérée, et en trait tireté,les variations de la puissance Ptr.
A l'instant ~ du début de l'opération, les
puissances Ptir et PabS sont encore nulles.
A partir de cet instant, l'on commence par donner
à Ptir une certaine valuer, ce qui provoque l'apparition de
PabS. Les deux puissances augmentent ensuite et l'on voit, sur
le diagramme l'accroissement de PabS en A - C, ceci jusqu'à
une certaine valeur de Ptir, valeur à laquelle correspond
.
1 17~72~
l'ordonnée du point C sur le diagramme. Cet instant désigné
par ~ correspond au début de la traversée des pièces à souder
par le faisceau d'électrons, c'est-à-dire à l'apparition d'une
puissance Ptr.
Les accroissements corrélatifs des deux puissances
Pabs et Ptr sont visibles respectivement en C - B - C' - B'
(point instant ~), la pente de C - B étant sensiblement moins
élevée que celle de A - C.
A partir des points respectifs B et B', les
puissances concernées se maintiennent à des valeurs constantes,
jusqu'en D et D' respectivement (instant ~
A partir de cet instant qui marque la fin de la
- durée prévue pour le recouvrement et le début de l'évanouis~
sement du faisceau d'électrons, par diminution de Ptlr, lequel-
décroit progressivement. A l'instant ~ on constate que le
faisceau d'électrons ne traverse plus les pièces à souder.
PabS décroit selon D - E ce qui correspond égale~
ment à la décroissance, en D' ~ E' de Ptr, laquelle par défin~~
tion s'annule au point E'.
L'évanouissement se produit pour PabS de E à F,
comme conséquence de la décroissance correspondante de Ptir.
Les pentes des différents segments mentionnées sont
toutes prédéterminées.
On a représenté sur la figure 3 la partie carac-
téristique du schéma bloc d'un dispositif de mise en oeuvre
du procédé selon l'invention. Les facteurs pris en considé~
ration sont les tensions proportionnelles aux intensités des
deux puissances en présence Ptir et Ptr.
~'est ainsi qu'on a schématiquementreprésente, en
5, la tension proportionnelle, à l'intensité de la puissance
traversante Ptr.
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1 1~072~
Selon l'invention, cette intensité a été recueillie
sur le trajet du faisceau d'électrons, trajet sur lequel on
interpose, derrière l'ensemble des pièces à assembler, un
capteur constitué par une plaque pare-feu, éventuellement
entourée d'une cage de Faraday, sur la face frontale de laquelle
est ménagée une ouverture pour le passage dudit faisceau.
Le captage proprement dit se fait sur une résis-
tance, branchée entre la dite plaque et la masse, étant précisé
que c'est par son pôle ~ que la source à très haute tension du
dispositif est elle-même connectée à la masse, son pôle - étant
branché, comme connu, sur la cathode du canon à électrons. La
dite tension, proportionnelle à l'intensité ainsi captée, est
introduite dans un système soustracteur électronique désigné
par 6 et dans lequel on fait egalement entrer une fraction pré-
déterminée d'une tension proportlonnelle à l'intensité du flux
total correspondant à la puissance Ptir du canon à électrons, le
coefficient de proportionnalité étant le même que pour la tension
représentative de Ptr, la dite fraction étant designée par 9 .
et obtenue à la sortie d!un système multiplicateur électronique
de type connu désigné par 8 dans lequel on aura au préalable
introduit une tension proportionnelle à l'intensité correspondant
à la puissance Ptir, intensite désignée~par 7. Comme précisé plus
haut, la dite fraction 9 représente environ 80 % de celle entrée
en 7 dans le système mul~iplicateur 8.
On a représenté par 10 la tension à la sortie du
système soustracteur 6, tension correspondant à PabS et introduite
dans le système comparateur électronique 11, dans lequel on
introduit par ailleurs, en 12, la valeur de consigne de cette
même tension, valeur correspondant à celle que l'on cherche à
maintenir constante et correspond à PabS.
Le signal d'erreur, c'est-à-dire la différence
~072~
entre les deux tensions introduites dans le comparateur 11,
représenté par 13, sera injecté en feed-back dans le système
régulateur du courant de focalisation Ifoc; la boucle de
règlage est ainsi fermée et permet le maintien de PabS à un
niveau rigoureusement constant, ce qui est le but recherché.
Le schéma de la figure 3 est complété par un bloc
limiteur 16 destiné à limiter à une valeur plafond le signal
de réglage du paramètre réglé, ici le courant de focalisation.
Cette limitation intervient notamment au début d'une opération
de soudage.
Le signal 17 sortant du bloc 16 qui est constant
pendant toute l'opération de soudage en amont des points D - D'
est lntroduit dans un bloc de mémorisation 18 dont la fonction
est de conserver pendant la période d'évanouissement du faisceau
d'électrons la valeur de ce signal à l'instant précis ~du début
de l'évanouissement. ~usqu'à cet instant les valeurs d'entrée
et de sortie du bloc 18, soit respectivement 17 et 19, sont
égales et constantes. ~ .
Le signal 19 est introduit dans un bloc de program-
mation 20, dans lequel on substitue à l'asservissement tel que
décrit précédemment, et réalisé au cours du régime de fonction-
nement à puissance de tir Ptir constante du canon à électrons,
un régime ayant lieu, d'une part, pendant la phase initiale de
montée en puissance du canon, d'autre part, pendant la phase
finale d'évanouissement de cette puissance. La fonction de ce
bloc est alors de déterminer les pentes des phases opératoires
correspondantes, en fonction des différents paramètres du soudage,
du positionnement des pièces à souder et du temps.
Le signal 21 sortant du bloc 20 est introduit dans
un amplificateur 22, qui est en même temps un convertisseur
tension/courant. Le signal 22a sortant du~bloc 22 est précisément
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~17072~
le courant Ifoc~ lequel alimente la bobine de focalisation 23,
le circuit se refermant sur le bloc 22 à travers la résistance
2~ dont l'extrémité côté bloc 22 est mise à la masse.
La boucle 26, se fermant également sur le bloc
22 sert à la mesure du courant Ifoc réel.
Dans une variante,illest également possible de
réguler ainsi de la même manière la tension du Wehnelt du
canon à électrons, au lieu d'agir sur Ifoc.
Il est également possible de procéder d'une
manière analogue en réglant à une valeur de consigne, constante,
la puissance absorbée PabS.
La figure 4 est un diagramme sur lequel on a porté
le résultat obtenu en appliquant le procédé selon l'invention
au métal dont la composition chimique a été définie au début
du présent exposé. -
La courbe 27 est celle du courant désigné par
Ipare feu~ valeur servant à illu-strer les variations de Ptr,
en fonction de celles de Ifoc. Ce courant est donné en milliT
ampères.
La courbe 2~ donne les variations de la dureté du
métal,~selon l'échelle HV5.
La courbe 29 est celle de la résilience exprimée
en unités Kcv, à -10C.
..
On voit donc, d'une manière très nette, que pour
une valeur de IfOc représentée par l'ordonnée de référence 30
et égale à environ 2,165 A, la dureté et la résilience présen-
tent des valeurs très proches des valeurs maximales, ce qui
montre bien l'intérêt que présente le procédé selon l'invention.
- On a également présenté en 31, une zone étroite,
depart et d'autre de la valeur 30 de Ifocl zone de fonctionne-
ment' à l'intérieur de laquelle les valeurs de la dureté et
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de la résilience restent encore exploitables.
Il reste entendu que la présente invention ne
saurait être limitée aux exemples de réalisation qui viennent
d'être décrits, des modiEications de détail pouvant encore y
être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention,
ni en dépasser la portée.
C'est ainsi que, pour affiner encore la régulation
du procéde, on peut se proposer de tenir également compte des
puissances Pr, Pth et Ps. A cet effet, on mesure les intensités
correspondantj en interposant sur le trajet du faisceau d'électrons
une première électrode, comportant une ouverture en son centre
et disposée en amont des pièces à souder, puis une seconde
é'ectrode comportant également une ouverture centrale et disposée
en aval des dites pièces. Des ceux électrodes sont reliées
électriquement entre elles ainsi qu'à la plaque pare-feu. La
mesure de l'intensité traversant la résistance de captage donne
alors directement la somme:
Ir + Is + Ith + Itr
On peut également interposer, dans le même but,
entre les pièces à souder d'une part et le capteur d'autre part,
un écran relié à la masse et comportant une ouverture centrale,
pour le passage du faisceau d'électrons traversants.
Il est clair, d'autre part, que dans une autre
variante de réalisation du dispositif de mise en oeuvre, tel
que décrit précédemment, et représenté par la figure 3, on peut
injecter directement la tension désignée par 5-à l'entrée du
comparateur 11, dans lequel on injecte par ailleurs, en 12 la
valeur de consigne de cette même tension, ceci, sans ~aire
intervenir le soustracteur 6, ni le multiplicateur 8.
D'autres variantes de réalisation peuvent également
être envisagées.
-12-
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C'est ainsi par exemple qu'il est possible de
capter la tension proportionnelle à l'intensité du faisceau
d'électrons traversant les pièces à souder, tension recueillie
aux bornes d'une resistance qui reLie à la masse un capteur
constitué par une plaque pare-feu, disposé derrière les dites
pièces, cette tension étant direct~ment injectée dans un
comparateur, dans lequel on introduit par ailleurs, la valeur
de consigne prédéterminée pour cette tension, la suite du
traItement du signal ainsi obtenue restant inchangée.
on peut également améliorer la précision des
résultats obtenus en entourant la plaque pare-feu d'une cage
Farady reliée électriquement à la dite plaque et comportant
un orifice de passage du faisceau d'électrons traversant les
pièces à souderO
On peut aussi interposer, imméd-iatement après
les pièces à souder un écran comprenant un orifice de passage
du faisceau et relié électriquement à la masse, ou encore inter-
poser un tel écran en avant des pièces à souder et le relier
électriquement à la plaque pare-feu.
