Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02644189 2008-11-12
ENSEMBLE BUSE/GUIDE-FIL POUR TORCHE DE
SOUDAGE TIG ROBOTISÉ
La présente demande est une division de la demande n 2,480,569.
La présente invention concerne 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 internes propres à la mise en oeuvre 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 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 câbles 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.
CA 02644189 2008-11-12
2
Cependant, la buse peut aussi être réalisée en une matière isolante appropriée
non refroidie, par exemple en céramique.
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.
Classiqueinent, 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 liabituelles, l'angle B défini par
l'électrode 2
et le fil d'apport 3 est voisin d'environ 85 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 général de
l'ensemble, ce qui va à l'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 auginente 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.
CA 02644189 2008-11-12
3
Pour ce faire, il est nécessaire de réaffûter régulièreinent 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 positioiuiements respectifs de l'électrode
et du fil de
manière à 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 amélioré 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 présente invention propose un procédé pour souder une ou plusieurs pièces
métalliques, le procédé comprenant les étapes de : i) fournir un fil fusible
ayant une
extrémité fusible; ii) fournir au moins une pièce métallique à souder; iii)
fournir une
torche de soudage TIG ayant un corps de torche et une électrode en tungsten
pourvue
d'une extrémité pointue, la torche comprenant également au moins un ensemble
buse/guide-fil d'une torche de soudage à arc électrique, et comprenant au
moins une
buse pour fournir un mélange de gaz, la buse ayant un premier axe longitudinal
et au
moins un système guide-fil pour guider le fil fusible, le système guide-fil
comprenant
une première section, la première section comprenant l'extrémité en aval du
système
guide-fil, l'extrémité en aval dirigeant le fil fusible dans la buse,
l'extrémité fusible du
fil fusible et l'électrode en tungsten reposant dans un seul et même plan, la
buse
comprenant une paroi périphérique, la paroi périphérique ayant au moins une
CA 02644189 2008-11-12
4
ouverture par laquelle le système guide-fil passe; iv) orienter l'extrémité
fusible du fil
fusible relativement à l'extrémité de l'électrode en tungsten selon un angle
compris
entre 5 et 50 l'une 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 en tungsten
pour créer
un arc électrique au dessus de ladite au moins une pièce à souder; et où
ladite au
moins une pièce à souder est une feuille ou une plaque métallique ayant une
épaisseur
comprise entre 0.5 mm et 4 mm, et est faite en un matériau comprenant de
l'acier au
carbone, de l'acier inoxydable ferritique ou austénitique, un alliage de
nickel, un
alliage de titane-zirconium, un alliage de tantale, ou un alliage léger à base
d'aluminium ou de magnésium.
La présente invention propose également un procédé pour souder une ou
plusieurs pièces métalliques, le procédé comprenant les étapes de : i) fournir
un fil
fusible ayant uné extrémité fusible; ii) fournir au moins une pièce métallique
à souder;
iii) fournir une torche de soudage TIG ayant un corps de torche et une
électrode en
tungsten qui a une extrémité pointue, la torche comprenant également au moins
un
ensemble buse/guide-fil pour une torche de soudage à arc électrique,
comprenant au
moins une buse pour fournir un mélange de gaz, la buse ayant un premier axe
longitudinal et au moins un système guide-fil pour guider le fil fusible, le
système
guide-fil comprenant une première section, la première section comprenant
l'extrémité
en aval du système guide-fil, l'extrémité en aval dirigeant le fil fusible
dans la buse,
l'extrémité fusible du fil fusible et l'électrode en tungsten reposant dans un
seul et
même plan, la buse comprenant également une paroi périphérique, la paroi
périphérique ayant au moins une ouverture par laquelle le système guide-fil
passe;
iv) founlir un courant électrique à l'électrode en tungsten; v) orienter
l'extrémité
fusible du fil fusible relativement à l'extrémité de l'électrode en tungsten
selon un
angle compris entre 5 et 50 l'une 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 en
tungsten pour créer un arc électrique au dessus de ladite au moins une pièce à
souder,
et où ladite au moins une pièce est choisie parmi des feuilles ou des plaques
métalliques ayant une épaisseur comprise entre 0.5 mm et 4 mm et est faite
d'un
matériau comprenant de l'acier au carbone, de l'acier inoxydable ferritique ou
CA 02644189 2008-11-12
austénitique, un alliage de nickel, un alliage de titane-zirconium, un alliage
de tantale,
ou un alliage léger d'alutninium ou de magnésium, et où le courant électrique
est
choisi parmi: un courant continu pulsé ou non-pulsé pour les aciers au
carbone, les
aciers inoxydables, ou les alliages de nickel, de titane-zirconium ou de
tantale, et un
5 courant alternatif ou à polarité variable pour les alliages légers à base
d'aluminium ou
de magnésium.
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,
-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.
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 oeuvre 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 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.
CA 02644189 2008-11-12
6
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 oeuvre du procédé de
soudage et,
d'autre part, le sous-ensemble buse 11/guide-fil 13 auquel elle délivre le
métal
d'apport, c'est-à-dire le fil 14 fusible de soudage.
La conception de l'einbase 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.
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 oeuvre 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
CA 02644189 2008-11-12
7
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 fonne 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.
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
CA 02644189 2008-11-12
8
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 10 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-fi1 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 pennet 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.
CA 02644189 2008-11-12
9
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.
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 fil/électrode 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 0 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 +/- 5 environ. Quelle que soit la
configuration
CA 02644189 2008-11-12
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 fil/électrode perpendiculaire au sens de soudage (voir figure 9) avec
soit
5 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 .
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 alternatif ou à polarité variable pour le soudage des
alliages
10 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 pulsé 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 soudo-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. 25 La torche de soudage utilisée dans le procédé de l'invention
est conçue de
manière à pouvoir équiper un robot de soudage automatisé permettant de souder
des
éléments ou pièces très 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
CA 02644189 2008-11-12
11
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 échelles, en acier ou alliages légers.
La torche utilisée dans le procédé de l'invention est plus généralement
utilisable pour la mise en oeuvre de toute opération de soudage qui nécessite
l'obtention d'un bel aspect de cordon de soudage.
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.
Tableau
Matériau Épaisseur 1 U Courant Gaz Vs Vf Fil Configura-
(en min) (A) (V) continu (m/min) (m/inin) tion de
de type soudage
Acier 1 120 13 Lisse Arcal 31 I 1.8 Nertalic 50 A clin
inoxydable 0 I
Acier nu 1 150 11.5 Pulsé Noxal 2 I 2.7 Nertalic 46 A clin
30Hz CuA18 0 1
Acier 1 150 12.5 Pulsé Noxal 2 1.2 2.7 Nertalic 46 A clin
galvanisé 30Hz CuA18 0 1
- Arcal 31 est un gaz commercialisé par L'Air Liquide fonné de 95% d'argon +
5% d'hélium (% en volume).
- Noxal 2 est un gaz commercialisé par L'Air Liquide fonné de 97.5% d'argon
+ 2.5% d'hydrogène.
- Nertalic 50 est un fil commercialisé par La Soudure Autogène Française de
type 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 (CuA18) selon la norme DIN 1733; AWS A5-7.
