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CA 02480569 2005-12-28
La présente invention conceme un procédé de soudage mettant en oeuvre une
torche
de soudage TIG automatique avec apport de fil fusible intégré dédiée au
soudage robotisé.
Une torche de soudage TIG (pour Tungsten Inert Gas) alimentée en fil de
soudage
se présente classiquement sous la forme d'un corps monobloc doté
d'aménagements
intemes propres à la mise en o3uvre du procédé de soudage auquel cette torche
est dédiée.
Les torches peuvent, être droites ou coudées, c'est-à-dire que le faisceau
sort dans
r= -
l'axe de la torche pour une torche droite ou perpendiculairement à l'axe de la
torche pour une
torche coudée.
Dans la partie arrière de la torche, couramment appelée support de torche ou
embase, on trouve des canalisations d'alimentation en fluide souples ou semi-
rigides qui sont
raccordées au corps de torche par un système de raccordement spécifique à
chaque type de
canalisation.
Les câbles d'alimentation électrique sont assemblés mécaniquement le plus
souvent
par vissage aux circuits correspondants de la torche, sauf dans le cas de
câbles refroidis par
liquide ou gaz qui ont alors une fixation appropriée.
Une gaine tubulaire souple, fixée à l'arrière de la torche par un collier ou
analogue,
regroupe l'ensemble du faisceau de càbles de manière à le protéger.
La partie avant de la torche, encore appelée corps de torche, comprend une
buse ou
tuyère servant à canaliser le gaz de protection, laquelle buse est fixée au
corps de torche par
vissage ou tout autre système à pincement ou analogue, ainsi qu'une électrode.
La buse peut être métallique et refroidie ou non par un fluide de
refroidissement, tel
que de l'eau ou un gaz; dans ce cas, elle doit être isolée électriquement du
corps de torche,
Cependant, la buse peut aussi être réalisée en une matière isolante appropriée
non
refroidie, par exemple en céramique.
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Par ailleurs, l'électrode habituellement en tungstène pur ou thorié est
maintenue
centrée dans le corps de torche, par un système à pince ou analogue, de sorte
que la buse
vienne former manchon autour de l'électrode.
En outre, un système d'alimentation en fil fusible est généralement aménagé
indépendamment de la torche, c'est-à-dire qu'il vient se fixer solidairement
au corps de torche
ou au support de la torche, le support de la torche étant l'organe qui lie la
torche à son
dispositif de déplacement.
Classiquement, comme schématisé en figure 1, le fil d'apport est amené dans le
bain
de soudage par le système d'alimentation 3 de façon tangentielle ou quasi-
tangentielle au
métal liquide, à l'arrière de l'électrode 2 entourée par la buse 1, suivant le
sens de soudage.
Dans ces conditions habituelles, l'angle B défini par l'électrode 2 et le fil
d'apport 3 est voisin
d'environ 85 0 à 90 .
Or, il est apparu en pratique que ce type de torche ne convenait pas au
soudage TIG
robotisé car présentant plusieurs inconvénients.
Ainsi, si l'arrivée tangentielle du fil convient parfaitement à un procédé de
soudage
TIG automatique dans des bancs à mors parallèles, il n'en est pas de même en
soudage
robotisé où l'aspect encombrement est primordial pour souder en toute
position.
Or, on comprend aisément qu'avoir un système d'alimentation en fil fusible qui
soit
aménagé indépendamment de la torche augmente l'encombrement générale de
l'ensemble,
ce qui va à('encontre d'une utilisation pratique en soudage robotisé.
De plus, la gestion de la position de l'apport de fil par rapport au sens de
soudage
nécessite l'utilisation d'un axe supplémentaire du robot, ce qui complique
l'installation et
augmente son coût et les sources de pannes.
Par ailleurs, en soudage TIG, il est nécessaire d'utiliser une électrode
parfaitement
affûtée, c'est-à-dire pointue, pour obtenir un résultat conforme et
reproductible.
Pour ce faire, il est nécessaire de réaffûter régulièrement l'électrode pour
compenser
son usure, voire de la remplacer totalement si son usure est trop importante.
Cette opération oblige l'opérateur à procéder à un arrêt de la machine, à un
démontage de l'électrode, à son affûtage ou son remplacement, puis à son
remontage et,
enfin, à un réglage précis des positionnements respectifs de l'électrode et du
fil de manière à
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retrouver la position précise du fil à l'arrière de l'électrode et
tangentiellement
au joint de soudage.
On comprend que cette procédure nécessite un ou plusieurs arrêts de
la machine de production préjudiciables à la performance attendue d'un robot
utilisé en 2 ou 3 postes, cette procédure étant d'autant plus longue que le
positionnement de l'électrode et du fil doit être effectué avec précision.
Au vu de cela, le problème qui se pose est de proposer un procédé de
soudage utilisant un ensemble buse/guide-fil pour torche de soudage à l'arc
électrique avec apport de fil fusible améliorés et ne présentant pas les
inconvénients susmentionnés.
Autrement dit, le but de l'invention est de proposer un procédé de
soudage utilisant une nouvelle architecture de torche de soudage TIG avec fil
d'apport qui permette un positionnement facile et précis du fil par rapport à
l'électrode.
La solution de l'invention est une unité robotisée de soudage,
comprenant au moins un bras robotisé muni d'une torche de soudage TIG
ayant une électrode en tungsten dont l'extrémité est pointue, la torche
comprenant également au moins un ensemble buse/guide-fil d'une torche de
soudage à arc électrique, l'unité comprenant : au moins une buse d'arrivée de
gaz, la buse comprenant un premier axe orienté longitudinalement par rapport
à la buse; et au moins un système guide-fil pour guider au moins un fil
fusible
ayant une extrémité fusible, le système guide-fil comprenant une section, la
section comprenant l'extrémité en aval du système guide-fil, la section
comprenant également un second axe orienté longitudinalement par rapport à
la section, l'extrémité en aval servant à diriger le fil fusible dans la buse,
l'extrémité fusible du fil fusible et l'électrode de tungsten reposant dans un
seul et même plan, la buse comprenant une paroi périphérique, la paroi
périphérique ayant au moins une ouverture par laquelle le système guide-fil
passe, les premier et second axes étant à un angle compris entre 5 et 50
l'un par rapport à l'autre, le fil étant guidé de façon à ce que l'une des
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extrémités du fil vient frôler l'extrémité pointue de l'électrode tungsten et
créer
ensuite un arc électrique au dessus d'au moins une pièce à souder.
Selon encore un autre aspect, l'invention a trait à un procédé robotisé
de soudage ou soudo-brasage de deux pièces métalliques, le procédé
comprenant les étapes de : fournir une unité robotisée de soudage munie
d'un bras robotisé comprenant comprenant au moins un bras robotisé muni
d'une torche de soudage TIG ayant une électrode en tungsten dont l'extrémité
est pointue, la torche comprenant également au moins un ensemble
buse/guide-fil d'une torche de soudage à arc électrique, l'unité comprenant :
au moins une buse d'arrivée de gaz, la buse comprenant un premier axe
orienté longitudinalement par rapport à la buse; et au moins un système
guide-fil pour guider au moins un fil fusible ayant une extrémité fusible, le
système guide-fil comprenant une section, la section comprenant l'extrémité
en aval du système guide-fil, la section comprenant également un second axe
orienté longitudinalement par rapport à la section, l'extrémité en aval
servant
à diriger le fil fusible dans la buse, l'extrémité fusible du fil fusible et
l'électrode
de tungsten reposant dans un seul et même plan, la buse comprenant une
paroi périphérique, la paroi périphérique ayant au moins une ouverture par
laquelle le système guide-fil passe, les premier et second axes étant à un
angle compris entre 50 et 50 l'un par rapport à l'autre, le fil étant guidé
de
façon à ce que l'une des extrémités du fil vient frôler l'extrémité pointue de
l'électrode tungsten pour créer un arc électrique au dessus d'au moins une
des pièces à souder; insérer le fil dans la torche TIG; guider le fil de façon
à
ce que l'extrémité du fil frôle l'extrémité pointue de l'électrode de tungsten
et
crée ensuite un arc électrique sur l'une des pièces à souder ensemble par
l'arc électrique; et obtenir la fusion du fil de façon à souder ou soudo-
braser
les pièces ensemble.
L'invention va être maintenant expliquée plus en détail en références
aux figures annexées parmi lesquelles :
-la Figure 1 représente une vue latérale d'une configuration d'amenée
de fil d'une torche TIG selon l'art antérieur,
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-la Figure 2 représente une vue de dessus de l'embase d'une torche TIG
utilisée dans
le procédé selon l'invention,
-les Figures 3 et 4 schématisent, en vue latérale, un ensemble buse/guide-fil
pour
torche de soudage à l'arc électrique utilisée dans le procédé selon
l'invention,
-les Figures 5 et 6 sont des coupes longitudinales d'une torche utilisée dans
le
procédé selon l'invention, et
-les Figures 7 à 9 schématisent les orientations possibles de l'ensemble
buse/guide-fil
d'une torche utilisée dans le procédé selon l'invention.
Une torche de soudage utilisée dans le procédé à l'arc selon l'invention se
compose
de trois sous-ensembles principaux, à savoir un support de torche ou embase
27, un corps de
torche 16 et une buse 11 intégrant un système guide-fil 13 formant un ensemble
monobloc
buse/guide-fil.
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Le support de torche ou embase supporte toutes les arrivées de fluide,
notamment
l'arrivée et le retour du liquide de refroidissement (eau) ; l'arrivée du ou
des gaz nécessaires à
la mise en oruvre du procédé de soudage ; le raccordement de la puissance
électrique via un
ou plusieurs câbles d'alimentation électrique, plein ou refroidi par liquide
ou gaz, leur mode de
5 fixation étant fonction du câble considéré; et l'arrivée de la gaine de
guidage du fil d'apport,
celle-ci arrivant parallèlement à l'axe géométrique de la torche défini par
l'électrode.
L'embase 27 est fixée au poignet d'une installation robot grâce à un élément
mécanique adapté, lui-même repris sur un dispositif de sécurité "anti-choc".
L'embase 27 reçoit, d'une part, le sous-ensemble corps 16 de torche auquel
elle
distribue les éléments fluidiques, c'est-à-dire le gaz et l'eau de
refroidissement, ainsi que la
puissance électrique par l'intermédiaire d'une douille de contact destinée à
assurer le contact
électrique nécessaire à la mise en oruvre du procédé de soudage et, d'autre
part, le sous-
ensemble buse 1 1/guide-fil 13 auquel elle délivre le métal d'apport, c'est-à-
dire le fil 14 fusible
de soudage.
La conception de l'embase 27 permet un positionnement du sous-ensemble buse
11/guide-fil 13 de façon concentrique au sous-ensemble corps 16 de torche
suivant une
position 30 choisie préalablement en fonction de l'opération de soudage à
effectuer, ces
différentes positions 30 étant réparties sur une couronne de 270 , comme
schématisé en
figure 2.
Comme montré sur les figures 5 et 6, le corps 16 de torche reçoit l'électrode
12 en
tungstène pur ou thorié, réalisée dans un barreau de tungstène fritté
cylindrique affûté à l'une
de ses extrémités.
L'électrode 12 est maintenue centrée par un système de maintien classique,
telle un
système à pince poussée ou tirée, un système à emboîtement ou analogues.
L'électrode 12 peut aussi être composée de deux éléments, à savoir un support
en
alliage de cuivre supportant une pièce de tungstène pur ou thorié emmanchée en
force,
sertie ou brasée. Dans ce cas, l'électrode devient alors un consommable que
l'on remplace
lorsqu'il est usé.
Le corps de torche 16 peut être refroidi ou non grâce à des circuits (passage
23) de
liquide de refroidissement venant du support de torche.
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Le corps de torche 16 peut aussi être équipé d'un circuit supplémentaire de
gaz
central, il est alors équipé d'une tuyère externe agencée autour de la buse 11
pour mettre en
ceuvre un procédé TIG de type à double flux.
Le corps de torche 16 est introduit dans le support de torche ou embase 27 en
venant en butée (en 30) sur un épaulement 31 dudit corps 16 de torche, lequel
épaulement 31
sert de référence de position selon l'axe Z. Une fois positionné en butée, le
corps de torche
peut être verrouillé sur le support de torche 27 par un dispositif mécanique
approprié pour le
maintenir en position, par exemple une bague de vissage, un système à goupille
ou
analogue.
L'ensemble buse 11/guide-fil 13 se compose d'une buse 11 et d'un système guide-
fil
13 solidarisés l'un à l'autre, par exemple par brasage, vissage, collage ou
soudage.
Comme détaillé sur les figures 3 et 4, la buse 11 est un élément métallique
creux de
forme générale cylindrique, qui peut être refroidi ou non par un liquide de
refroidissement
venant du support 27 de torche selon la puissance de la torche.
La buse 11 est fixée sur le support 27 de torche de façon concentrique au
corps 16
de torche dont elle est isolée électriquement.
Un dispositif de réglage 15 axial permet une mise en position précise de
l'ensemble
buse 11/guide-fil 13 par rapport à l'électrode 12. Le dispositif de réglage 15
comprend, par
exemple, une bague 15 taraudée coopérant avec une partie 18 du corps de torche
16 et un
filetage 17 porté par la paroi périphérique externe de l'extrémité amont de la
buse 11.
La buse 11 reçoit le guide-fil 13 servant à convoyer le fil 14 de soudage.
Le guide-fil 13 se présente sous la forme d'un élément tubulaire dont le
diamètre
intérieur est fonction au diamètre du fil 14 utilisé.
Le guide-fil 13 longe extérieurement la buse 11 à une faible distance D de
ladite buse
11 en étant positionné parallèlement à celle-ci, typiquement à une distance D
inférieure ou
égale à environ 30 mm, comme montré en figure 3. La distance D est la distance
séparant
l'axe de la buse 11 de l'axe du tube 13 considéré à l'extérieur de la buse 11
au niveau de la
portion de guide-fil 13 qui est parallèle ou quasi-parallèle (partie 24) à
l'axe de la buse 11,
comme visible en figure 3.
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L'élément tubulaire 13 servant à convoyer le fil est cintré (partie 25) selon
un rayon
suffisant de manière à laisser le passage à des fils 14 semi-rigides et ce,
sans coincement ou
frottement excessif, et est, en outre, profilé à son extrémité 20 aval située
en regard de
l'électrode 12.
Le guide-fil 13 est introduit dans la buse 11 par un logement ou évidement 10
usiné
de façon à ce que le fil 14 pénètre dans la buse 11, en direction de
l'électrode 12, selon un
angle préférentiel compris entre 100 et 30 par rapport à l'axe passant par
l'électrode 12 ou la
buse 11, le fil 14 et l'électrode 12 étant dans un même plan.
La géométrie de l'ensemble buse 11/guide-fil 13 est telle que la partie
terminale soit
minimale, c'est-à-dire la partie non guidée du fil à sa sortie du guide fil
tel que représenté en
figure 4, l'extrémité aval 20 du guide-fil 13 ne devant en aucun cas venir en
contact
mécanique avec l'électrode 12 ou le corps de torche 16, comme montré sur les
figures 3 et 4.
L'extrémité du fil d'apport 14 vient dans la tache anodique 22 crée par l'arc
électrique,
lors de la mise en oeuvre du procédé TIG, quelle que soit la tension d'arc
obtenue pour un
gaz correspondant à une hauteur de travail donnée.
Le fil d'apport 14 doit être distribué de manière telle que l'extrémité dudit
fil 14 vienne
frôler, c'est-à-dire se rapproche de l'extrémité de l'électrode 12 affûtée à
une distance qui ne
doit pas, de préférence, être inférieure au diamètre de fil d'apport 14.
La torche de l'invention se présente donc sous une forme monobloc, c'est-à-
dire une
torche TIG avec système guide-fil 13 partiellement intégré à la buse 11, et ne
nécessite donc
pas d'axe complémentaire pour le guidage du fil 14 par rapport au plan de
joint à réaliser, ce
qui la rend très pratique à intégrer sur un bras de soudage robotisé.
Le préréglage de l'électrode 12 dans le porte-électrode 19 et le réglage de la
buse 11
avec guide-fil 13 intégré permet de garantir un positionnement précis du fil
14 par rapport à
l'électrode 12 de sorte à ce qu'il arrive toujours dans la tache anodique de
l'arc.
Le porte-électrode 19 préréglé autorise un changement rapide de ce module sans
nécessité de recalage suivant l'axe Z du robot.
Le porte-électrode 19 peut être aménagé de manière à protéger l'électrode 12
avec
un gaz de protection et donc assurer des conditions de fonctionnement
similaires à celles
d'un procédé de soudage TIG sous double flux concentriques de gaz.
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Par ailleurs, la torche peut fonctionner en auto-régulation de tension d'arc,
celle-ci
étant assurée directement par le robot.
En outre, elle peut être également équipée d'un système industriel de suivi de
joint de
type mécanique ou optique, par exemple par laser avec caméra CCD (Charged
Coupled
Device).
Le dispositif de dévidage de fil peut être réalisé d'une manière continue ou
alternative
en fonction des applications et des technologies disponibles.
Les tests en soudage ont démontré que l'ensemble de soudage comprenant la
torche
robotique décrie ci-dessus pouvait travailler selon différentes positions
géométriques dans
l'espace.
Si l'on considère le plan fiVélectrode et l'angle que forme le fil 14 et
l'électrode 12,
l'ensemble est capable de travailler selon les configurations montrées sur les
figures 7 à 9, à
savoir :
- plan fil/électrode vertical dans le sens du soudage (figure 7) avec soit
électrode
verticale et fil arrivant sur le coté selon l'angle défini fixe (schéma de
gauche sur figure 7) ;
soit fil arrivant verticalement et l'électrode inclinée sur le coté selon
l'angle défini fixe(schéma
du milieu sur figure 7), soit axe vertical passant par la bissectrice de
l'angle formé par l'axe du
fil et l'axe de l'électrode (schéma de droite sur figure 7),
- plan fil/électrode incliné d'un angle B (cf. figure 8 allant de 00 à 90 par
rapport à
l'axe vertical dans le sens du soudage) avec soit électrode verticale et fil
arrivant sur le coté
selon l'angle défini fixe (schéma de gauche sur figure 8) ; soit fil arrivant
verticalement et
l'électrode inclinée sur le coté selon l'angle défini fixe (schéma du milieu
sur figure 8) ; soit
axe vertical passant par la bissectrice de l'angle formé par le fil et
l'électrode (schéma de
droite sur figure 8). Tous ces angles acceptent une large tolérance de 50
environ. Quelle
que soit la configuration adoptée, le fil sera distribué préférentiellement
derrière l'électrode 12
selon le sens d'avance du soudage, mais la position inverse, c'est-à-dire fil
arrivant devant
l'électrode selon le sens d'avance, est aussi utilisable.
- plan fiVélectrode perpendiculaire au sens de soudage (voir figure 9) avec
soit
électrode verticale et fil arrivant sur le coté selon l'angle de construction,
soit électrode
inclinée d'un angle variable B pouvant aller jusqu'à 45 .
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Le courant délivré par la source de soudage peut être un courant continu pulsé
ou
non pour les aciers au carbone ou inoxydables, les bases nickel, titane-
zirconium et tantale,
ou un courant aitematif ou à polarité variable pour le soudage des alliages
légers à base
d'aluminium ou de magnésium.
Par ailleurs, le dévidage du fil d'apport 14 utilisé dans la torche peut être
continu ou
puisé par un mouvement cadencé par exemple par un dispositif mécanique type
bielle,
manivelle ou autre, ou un dispositif électronique de commande du moteur de
dévidage.
Comme déjà évoqué, la conception de la torche permet le fonctionnement en
procédé
de soudage TIG de type mono ou double flux de gaz.
Le procédé de soudage de l'invention peut être utilisée pour assembler par
soudage ou
sôudo-brasage différents éléments de tôles d'épaisseurs variables allant de
0.5 mm à 4 mm
en acier au carbone, non revêtu et revêtu (électro-zingué ou galvanisé), en
acier inoxydable
ferritique ou austénitique, en alliage léger d'aluminium ou magnésium.
Le fil d'apport peut être, selon l'utilisation envisagée, en acier non allié
ou faiblement
allié, en acier inoxydable ferritique ou austénitique, en nickel ou alliage de
nickel, en cuivre
pur ou alliage de cuivre, en aluminium ou alliage d'aluminium.
La brdie de saidage utilisée dans le procédé de l'invention est conçue de
manière à
pouvoir équiperun robot desaxlageaubnra6sépermettant de souder
desélénenlsoupièoestrès variés,
notamment des pièces destinées à l'industrie automobile, notamment des caisses
ou
éléments de caisse, des capots, des portières, des liaisons de sol en
aluminium ou alliages
d'aluminium, des systèmes d'échappement en acier inoxydable ferritique ou
austénitique,
mais aussi à d'autres industries telle l'industrie des motocycles, notamment
pour souder des
cadres de vélos en aluminium ou alliages d'aluminium, ou encore pour fabriquer
des
échafaudages ou des 4chelles, en acier ou alliages légers.
La torche utilisée dans le pmoédé de rrnention est plus généralement
utilisable pour la
miseeen ceuvre de toute opér~aliondesaxiage qui nécessite PobEntion d'un bel
aspectdecordan desoudage.
A titre d'exemple, une torche utilisée dans le procédé selon l'invention a
permis de
réaliser des soudures de qualité dans les conditions données dans le tableau
suivant.
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Tableau
Matériau Epaisseur I U Gaz Vs Vf Fil Configura
(en mm) (A) (V) Courant continu (m/min) (m/min -tion de
de type ) soudage
Acier 1 120 13 Lisse Arcal 31 1 1.8 Nertalic 50 A clin
Inoxydable 0 1
Acier nu 1 150 11.5 Pulsé 30Hz Noxal 2 1 2.7 Nertalic 46 A clin
CuAI8 01
Acier 1 150 12.5 Puisé 30Hz Noxal 2 1.2 2.7 Nertalic 46 A clin
galvanisé CuAI8 01
5 - Arcal 31 est un gaz commercialisé par L'Air Liquide formé de 95% d'argon +
5%
d'hélium (% en volume).
- Noxal 2 est un gaz commercialisé par L'Air Liquide formé de 97.5% d'argon +
2.5%
d'hydrogène.
- Nertalic 50 est un fil commercialisé par La Soudure Autogène Française de
type
10 acier inoxydable basse teneur en carbone selon les normes AFNOR 81-313 ;
DIN 1.4316 ; ou
AWS ER308Lsi.
- Nertalic 46 est un fil commercialisé par La Soudure Autogène Française de
type
Cupro Aluminium (CuAl8) selon la norme DIN 1733 ; AWS A5-7.
