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DESCRIPTION
La presente invention est relative à un procédé pour terminer
une soudure fermée au plasma d'arc avec trou traversant. Elle s'applique
notamment, mais non exclusivement, au soudage des aciers au carbone.
Dans le soudage au plasma d'arc, l'arc jaillit entre une
électrode (en général de tungstène ou autre materiau réfractaire) et une
autre électrode qui est en général la pièce à souder, l'énergie de l'arc
étant fournie par un générateur électrique.
Cet arc est contraint de traverser un orifice étroit, de
quelques dixièmes à plusieurs millimètres de diamètre, percé dans un bloc
appelé tuyère. Un je~ gazeux appelé gaz plasmagène (argon, mélange
argon/hydrogène, heliunlhydrogène ou tout autre gaz ou melange de gaz
approprié) passe ~ travers cet orifice.
Par cette technique, l'arc électrique est de petit diamètre et
de grande longueur : l'énergie y est très concentrée et pe~met donc de
pénétrer profondément dans le joint à souder. L'énergie transmise et sa
concentration sont liées à l'intensité du courant electrique et au débit
du gaz plasmagène. Pour un débit donné, l'intensite du courant, la
tension d'arc et la distance de la pièce à la torche (et plus précisement
à l'electrode) sont liées, le paramètre de cGmmande étant généralement la
tension d'arc.
Pour souder bord à bord deux pièces metalliques au plasma
d'arc, on proc~de par pénétration complate, c'est-à-dire coupage des deux
pièces dans le plan du joint. L'intensité du courant et le débit du gaz
sont réglés de manière à assurer juste le perçage des deux pièces, l'arc
sortant ~ l'envers des pieces. C'est ce que 1'on appelle le soudage en
trou de serrure traversant ou "key-hole".
Le choix judicieux des parametres énergétiques et de la vitesse
de soudage pernettent d'assurer la continuite de cette operation, et le
métal fondu, au lieu d'être chassé violemment sous les pièces comme en
coupage, sP rassemble derrière l'arc en le contournant et permet ainsi la
liaison des deux pièces sur toute l'épaisseur d'une façon s~ure.
En soudage en général, il existe deux phases transitoires en
début et fin d'operation. En particulier, en soudage au plasma d'arc, il
subsiste en fin d'opération un cratère intéressant toute l'épaisseur de
la pièce, cratère qu'il est indispensable d'éliminer.
Sur des soudures ayant un début ou une fin, l'adjonction
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d'appendices ensuite élimines permet de resoudre ce probleme. Par contre,
dans le cas de soudures "fern~es", en general circulaires (raboutage de
tubes ou viroles, pose de fonds sur des viroles, etc.), on ne peut
utiliser cet artifice, et il est donc necessaire d'envisager d'autres
solutions pour obtenir un joint sain.
La technique habituellement utilisee consiste à diminuer
conjointement ou non, avec decalage ou non dans le temps, l'intensité de
courant et le debit de gaz. Le trou se bouche et le métal d'apport
remplit progressivement la cavité en fin de soudure. Pendant cette
opération, la vitesse de soudage peut egalement varier, ainsi que la
quantité de metal d'apport et l'instant où l'on assure son transfert.
Cette technique donne généralement satisfaction sur des métaux
ccmme les aciers inoxydables. Par contre, l'application directe de ce
principe "d'évanouissement" sur des aciers au carbone ne permet pas
d'assurer des fins de cordon sans défauts : on constate la presence
frequente de "soufflures", c'est-à-dire d'occlusion de bulles, à
l'endroit de l'évanouissement, ce qui interdit d'exploiter le procede
d'une fason industrielle.
L'invention a pour but de permettre d'obtenir des soudures
fermees saines de fason fiable sur les aciers au carbone.
A cet effet, le procedé suivant l'invention est caracterisé en
ce qu'on commence par reduire l'energie moyenne de l'arc jusqulà obtenir
le bouchage du trou, puis on augmente briève~,ent cette énergie avant de
la faire decroître de nouveau.
Suivant des caracteristiques avantageuses du procede :
- juste avant ou au debut de la durée d'aug~entation de l'~nergie moyenne
de l'arc, on reduit le debit de gaz plasmagène ; dans ce cas, de
preference, l'augmentation de l'energie moyenne de l'arc dure plus
longtemps, et de preference au moins deux fois plus longtemps, que ladite
reduction de d~bit ;
- pendant la première duree de reduction de l'énergie moyenne de l'arc
on reduit la vitesse d'avance du soudage ;
- après la durée d'augmentation de l'energie moyenne de l'arc et pendant
qu'on fait decroître de nouveau l'energie moyenne de l'arc, on éloigne la
torche de soudage de la pièce ;
- pendant qu'on fait decroitre de nouveau l'énergie moyenne de l'arc, on
apporte dans la zone de soudure du métal d'apport.
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Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être
décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure unic~e est un
diagramme illustrant l'évolution des divers parametres de soudage.
Sur le dessin, on a porte en abscisses une échelle unique
des temps t et, en ordonnees, cin~ paramètres du soudage : l'intensite I
du courant électrique ; la distance d entre l'electrode de la torche de
soudage et la pièce à souder ; le debit D du gaz plasmagène ; la vitesse
Vs d'avance du soudage ; et la vitesse Vf d'avance du fil de metal
d'apport.
L'installation utilisee est une installation de soudage
autcmatique destinee a souder des joints circulaires entre deux pièces en
acier au carbone. Elle ccn~orte les autcmatismes classiques, et un
microprocesseur qui permet de faire varier à volonté les parametres D, Vs
et Vf, ainsi que la tension d'arc de reference dont dependent directement
l'in-tensite I et la distance d.
Le diagramme illustre ccm~ence à un instant ar~itraire to où le
regime permanent du soudage est ~tabli. On suppo~e que le soudage
s'effectue en courant continu, ccmme indique en traits pleins. A
l'instant tl, le cordon de soudure est ferme (par exemple à la suite
d'une rotation de 360~ d'un joint circulaire), et l'on procade à un
recouvrement de la zone transitoire du debut du cordon, mais sans metal
d'apport supplementaire (Vf = O).
Lorsque le recouvrement est suffisant, à l'intant t2, on aborde
la phase d'evanouissement de l'arc proprement dite, afin de cc~ ler le
"key-hole" :
(1) de t2 à t4, on reduit progressivement l'intensité I en
augmentant la distance d. L'energie de l'arc diminue donc
progressivement, ce qui provoque le bouchage du fond du "key-hole". A ce
moment, c'est-à-dire à la fin de cette période, on réduit la vitesse
d'avance V (de t3 à t4) ;
(2) des que ce bouchage est obtenu, on procede simultan~ment à
une augmentation de l'intensité I, à une diminution de la distance d
(eventuellenent ccrrigee~ par une variation de la tension de reference
affichee pour eviter de reduire trop cette distance), et à une reduction
du d~bit de gaz D. Ces deux variations cc~nmencent à l'instant t4, et
celle de l'intensit~ I dure plus longtemps, et de preference au moins
deux fois plus long~Emps (de t4 à t6), que celle du débit gazeux (de t4 à
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t5).
Toutefois, l'augmentation de l'mtensité I est elleim~me très brève, de
l'ordre de 0,5s à ls.
Pinsif l'énergie de l'arc est augmentée, et la pression gazeuse
sur le joint est relâchee, tant en direction axiale qu'en direction
radiale. Ceci a pour résultat le maintien d'un volume Impoxtant de m~tal
en fusion, lequel est transféré dans la partie superieure de l'epaisseur
de la pièce.
(3~ de t6 à tlO, on reduit l'intensite I pour diminuer le
- lO volume du bain, et l'on augmente la distance d. Par suite, la tache
anodique s'élargit, ce qui a pour effet d'evaser le cratère et de
diminuer la penétration de l'arc et, finalement, de permettre au métal
fondu de re~lir progressivement le cratère sans précipitation brutale.
Pendant une partie de cette phase (de t7 > t6 à t8 < tlO), on
apporte la quan1ite necessaire de metal d'apport pour remplir entièrement
le cratere, ce qui complete le processus d'evanouissement. L'instant t7
peut par exemple correspondre à l'instant où I est revenue ~ sa valeur
minimale de t4. On a indiqué de t8 à t9 < tlO un léger recul du fil
d'apport, comme il est classique dans la technique.
Enfin, à l'instant tlO, le courant electrique et le debit
gazeux sont cou~es et la torche est immLbilisee ; l'opération de soudage
est terminée.
On a constate d'excellents resultats, c'est-à-dire des cordons
fermés sains e-t exempts de soufflures, avec la mise en oeuvre de la
sequence d'operations decrites ci-dessus, sur des aciers au carbone.
Cependant, l'invention s'applique ~galement au soudage d'autres metaux
soudables ~ar plasna d'arc, par exemple d'aciers inoxydables.
A titre d'exemple numérique, on peut choisir les durees
suivantes : t2 à t4 = 2s, t4 à t6 = 0,5 ~ ls, t4 à t7 = 2s, t7 à tlO =
3s, ces durées n'etant que des ordres de grandeur, ceci permet de
ccmpre~dre que" en variante, les instants où les divers parametres
commencent ou finissent leurs variations peuvent être quelque peu décalés
les uns relativement aux autres, par rapport à ce qui est illustré au
dessin, tout en respectant les phases décrites plus haut. Par exemple, la
réduction de Vs peut commencer des l'instant t2, et/ou, en molifiant la
tension d'arc de référence, d peut augmenter dès l'instant t4 pour
provoquer l'évase~,ent du cratère.
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Par ailleurs, c~nr,e indiqu~ en trait interrarpu sur le dessin,
1 ' invention 5 1 applique au souda~e à courant pulsé . Dans ce cas, on peut
continuer la pulsation pendant toutes les opérations décrites ;
l'intensité I évol~lant alors entre la courbe en trait plein et la ccurbe
5 en tra~t mixte, e-t c'est l'énergie moyenne de l'arc qui varie cc~e
decrit plus haut.
