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Soudo-brasaae TIG avec transfert de métal par gouttes à fréquence contrôlée
La présente invention concerne un procédé de soudage ou soudo-brasage,
préférentiellement robotisé, avec torche TIG et métal d'apport sous forme d'un
ou plusieurs
fils fusibles, en particulier d'une ou plusieurs pièces en acier revêtu ou en
aluminium ou en
alliage d'aluminium, dans lequel le transfert du métal depuis le ou les fils
vers le bain de
soudure se fait par gouttes successives à fréquence contrôlée.
Il est connu des documents US-A-5512726 et DE-A-3542984, une configuration
conventionnelle de torche TIG avec apport de fil fusible, dans laquelle
l'amenée du fil fusible
dans le bain de fusion est opérée de manière horizontale ou quasi-horizontale
de manière à
obtenir un transfert de métal fondu par gouttes depuis l'extrémité fondue du
fil fusible vers le
bain de fusion, c'est-à-dire vers la zone de soudage sur les pièces à souder
ou à soudo-braser.
Toutefois, avec une telle torche, le sixième axe du robot portant la torche
TIG est
bloqué et ses degrés de liberté sont limités étant donné qu'une certaine
directivité est
nécessaire pour orienter l'amenée de fil dans l'axe du j o int à souder du
fait de l'arrivée
horizontale du fil.
De plus, avec ce type de configuration, la productivité du procédé est
affectée par une
vitesse de fusion de fil limitée et donc une vitesse de soudage limitée.
Le document EP-A-1459831 propose un procédé de soudage à l'arc ne posant pas
les
problèmes susmentionnés. Dans ce cas, l'amenée de fil fusible est opérée selon
un angle
inférieur à 50 par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence un angle
entre 15 et 35 , et
l'extrémité du fil fusible est guidée et maintenue en permanence à une
distance inférieure à 2
mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène.
Un tel procédé permet d'obtenir de bons résultats dans la majorité des
applications.
Cependant, on a observé que, lors du soudage ou soudo-brasage de certains
matériaux
particuliers, en particulier les aciers revêtus, par exemple galvanisés ou
électro-zingués, et
l'aluminium et ses alliages, se posaient des problèmes de qualité de la
soudure, en particulier
des problèmes de compacité de cordons et/ou de microstructure à gros grains du
métal fondu.
De plus, sur l'aluminium, il n'était pas possible d'obtenir une qualité des
cordons
équivalente, notamment d'aspect et d'esthétique, à celle obtenue en soudage
manuel.
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Un but de la présente invention est dès lors d'améliorer le procédé décrit par
le
document EP-A-1459831 de manière à obtenir un soudage ou un soudo-brasage
efficace en
particulier de matériaux spécifiques, notamment les aciers revêtus et
l'aluminium et ses
alliages, de manière à pallier, minimiser ou au moins atténuer les problèmes
de qualité
susmentionnés.
La solution de l'invention est un procédé de soudo-brasage ou de soudage à
l'arc
mettant en oeuvre une torche TIG munie d'une électrode non fusible et un fil
d'apport fusible
de diamètre donné, dans lequel :
a) on alimente la torche TIG avec ledit fil fusible de manière telle que
l'amenée de fil
fusible soit opérée selon un angle inférieur à 50 par rapport à l'axe de
l'électrode, c'est-à-dire
que l'axe de l'extrémité du fil au niveau de l'électrode non fusible et l'axe
de ladite électrode
forment un angle inférieur à 50 ,
b) on guide et on maintient l'extrémité du fil fusible en permanence à une
distance
inférieure à 2 mm, de préférence à 1 mm au minimum (environ 1.5 fois le
diamètre du fil), par
rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG,
c) on opère une fusion progressive de l'extrémité du fil fusible par l'arc
électrique
généré entre l'électrode non fusible et au moins une pièce à souder de manière
à réaliser un
transfert de métal fondu depuis l'extrémité du fil vers ladite au moins une
pièce et obtenir
ainsi un joint de soudure ou de soudo-brasage,
caractérisé en ce que le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré
par
gouttelettes de métal fondu successives, lesdites gouttelettes étant déposées
à une fréquence
comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille des gouttes étant égale, pour ces
fréquences
respectivement, de 1,5 à 4 fois le diamètre du fil fusible.
Par transfert par gouttelettes, on entend que le transfert de métal depuis
l'extrémité du
fil vers le bain de soudage ou de brasage se fait par gouttelettes
successives, dissociées les
unes des autres et donc sans contact permanent entre le fil d`apport et le
métal fondu.
La solution de l'invention repose donc sur le fait de réaliser un transfert de
métal
fondu sous forme de gouttes dont la fréquence et la taille dépendent de la
vitesse de fil, de la
distance fil électrode et de la distance électrode pièce.
Ces tendances et variations sont présentées dans les Tableaux 1 et 2 ci-après.
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Tableau 1: Influence de la variation de la distance fil-électrode
transferts distance fil-électrode distance fil- électrode
taille gouttes
transfert
gouttes frequence
transfert pont transfert gouttes Vfil T pour
liquide le fil "tape " dans le cordon transfert pont liquide
Comme visible dans le Tableau 1, pour une vitesse fil (Vfil) et une distance
électrode-
pièce constantes :
- lorsque la distance fil-électrode augmente, on s'écarte de la zone la plus
chaude de
l'arc pour se situer dans la zone comprise entre 2000 et 5000 K, la taille des
gouttes augmente
et la fréquence diminue en fonction des lois énoncées ci-après dans la
description.
- à l'inverse, lorsque la distance fil électrode diminue, le fil transfère
dans la zone
chaude de l'arc, à savoir entre environ 5000 et 10000 K, la taille des gouttes
diminue et la
fréquence de transfert augmente. On peut alors accélérer la vitesse de
soudage.
Tableau 2: Influence de la variation de la distance électrode-pièce
distance distance
électrode-pièce électrode-pièce
J,
transferts
évolution vers transfert
taille gouttes pont liquide
transfert
gouttes fréquence ~
transfert pont transfert pont liquide
liquide rupture pont liquide fusion du fil dans le bain
transfert gouttes de fusion
Comme montré dans le Tableau 2, pour une vitesse fil (Vfil) et une distance
fil
électrode pièce constantes :
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- lorsque la distance électrode pièce augmente, la taille des gouttes augmente
et la
fréquence diminue en fonction des lois énoncées ci-après, jusqu'à obtenir des
grosses gouttes
capables d'endommager la partie active de l'électrode.
- à l'inverse, lorsque la distance électrode-pièce diminue, les gouttes
évoluent vers un
mode de transfert dans lequel elles sont presque simultanément en liaison avec
le fil et le bain
de fusion pour passer les seuils du transfert par pont liquide.
Les données consignées dans les Tableaux 1 et 2 ont été schématisées sur la
Figure 2
ci-jointe qui représente un transfert par gouttes selon la présente invention
obtenu avec un fil
de nuance d'acier inoxydable ER308LSi et de diamètre 1.2 mm déterminé par :
- une plage assez ouverte de vitesse fil (diamètre égale à 1.2 mm) allant
d'environ
0.5m/mn à environ 3.5 à 4.m/min pour laquelle on conserve un régime de
transfert par
gouttes caractérisé par une vitesse de fil (Vfil) minimale pour laquelle une
taille de goutte
moyenne de 3,5 fois le diamètre du fil est associée à une fréquence de
transfert de 20 Hz et
par une vitesse fil maximale de 3 m/mn pour laquelle une taille de goutte de
1.2 diamètre du
fil est associée à une fréquence de transfert de 90 Hz.
- entre ces deux bornes, la variation de taille de gouttes (TG) et de
fréquence de
transfert (FT) est linéaire et peut être associée aux lois de type
FT (en Hz) = 28 . Vfi1 (m/mn) + 6
TG (en mm) = k. diamètre fi1= - 0,6 . Vfi1(m/mn) + 3,3
Pour un couple fil-gaz donné, ces courbes de transfert sont à associer à une
distance fil
électrode et une distance électrode pièce préalablement définies et fixes.
On peut par exemple procéder comme indiqué dans le Tableau 3 ci-après pour
choisir
la fréquence et la taille des gouttes, lors d'un soudage d'éprouvettes en
alliage d'aluminium
d'épaisseur égale à 2 mm, en 2 nuances différentes d'aluminium, à savoir les
nuances 6061 et
5083, pour des configurations de joint de type à clin, en angle et bout à
bout.
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Tableau 3 Transfert par gouttes sur aluminium
Nuance 6061 - Epaisseur 2 mm
1.5 2.5 1.3 G 8 Clin
1.5 2.5 1.3 G 8 Clin
1.5 2.5 1.3 G 8 Clin
4043 1.2 2 1.5 1.3 G 10 Angle
2 2.5 1.7 G 14 Angle
2 2.5 1.7 G 14 Angle
Nuance 5083 - Epaisseur 2 mm
1.5 2 1.8 G 7 Angle
1.5 3 1.1 G 5 Angle
1.6 3 5 2.4 G 8 Angle
5356 2 5 2.4 G 8 Angle
3 2.5 2.6 G 9 Bout à bout
2 2 0.6 G 11 Bout à bout
1.2 2 2 0.85 G 12 Bout à bout
2 2 1 G 12 Bout à bout
~ c cn
E ô ~
0
CO U U U 'Q ~ ~ ~
U) m
E ~ N C C
+~ U
1 E 5;
Dce = distance ; G = goutte
Le Tableau 3 précédent montre une manière d'adapter le transfert par gouttes
selon
5 l'invention pour différentes configurations de joints et deux types
d'alliages d'aluminium.
Comme on le voit, pour le matériau 6061, il convient de mettre en uvre des
vitesses
de fil plus faibles en soudage à clin qu'en soudage en angle avec des
distances électrode fil
associées réduites, c'est-à-dire de l'ordre de 1 à 2 fois le diamètre du fil,
pour avoir une taille
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de goutte réduite et une fréquence plus élevée, ce qui permet de mieux
maîtriser la directivité
du transfert dans le clin.
Pour le matériau 5183, la démarche reste identique entre soudage à clin et
soudage
bout à bout avec une latitude de réglages plus grande en soudage bout à bout
vis à vis de la
distance électrode/fil et de la vitesse fil généralement plus élevée.
Ces réglages pour les basses vitesses fil, c'est-à-dire inférieures ou égales
à 1.5 m/min
environ, notamment pour les fils de diamètres importants, c'est-à-dire d'au
moins 1.2 mm
environ, nécessitent un dévidage approprié, par exemple de type avance/recul (
push pull
en anglais), dans lequel la platine galets du dévidoir assure le déroulement
du fil et les galets
de la torche la régulation du dévidage.
Le transfert par gouttelettes à une fréquence particulière selon l'invention
permet la
réalisation de cordons dont la qualité esthétique s'apparente à ceux réalisés
en soudage
manuel, en particulier sur l'aluminium, permettant avec ce procédé une
reproduction de
vagues de solidification en surface.
Par ailleurs, il permet également de résoudre des problèmes de compacité de
cordons
et microstructure du métal fondu à gros grains rencontrés avec les procédés
connus.
Dans le cas de l'acier inoxydable austénitique, les conditions d'obtention du
transfert
par gouttes avec un fil de nuance 308LSi sont données comparativement dans le
Tableau 4.
Tableau 4 Soudage d'acier inoxydable austénitique
Procédé Gaz Diamètre Tension Intensité Vf V, Epaisseur
Matériau du fil soudée
soudé (mm) (V) (A) (m/min) (m/min) (mm)
invention 2.4 1
Acier ARCAL 15 1.2 14 200 2
Inoxydable Art 1.7 0.6
antérieur
Vf : vitesse fil - Vs : vitesse de soudage
ARCALTM 15 est un mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé d'argon et
de 5% en volume d'hydrogène.
Ce tableau 4 met en évidence l'intérêt du transfert par goutte de l'invention
par rapport
au soudage TIG conventionnel de l'art antérieur, dans lequel la fusion du fil
ne se fait que par
conduction au contact du bain de fusion.
En effet, un transfert selon l'invention permet d'augmenter notablement la
vitesse de
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soudage (Vs) puisque, avec un transfert par gouttes selon l'invention, la
fusion du fil est
accélérée par son passage dans la zone de température comprise entre environ
5000 et
10000 K qui impose une augmentation de 40% de la vitesse fil et, par
conséquent, une
augmentation de 66% de la vitesse de soudage.
Dans le cas du soudo-brasage des aciers carbone galvanisés comme on peut le
constater dans le tableau 5 suivant, la plage opératoire d'obtention du
transfert par gouttes
reste étroitement liée à la nature du fil utilisée Cu Al ou Cu Si .
Dans ce type de transfert, pour une épaisseur de matériau de 1 mm, les
vitesses maxi
de dévidage de fil autorisent des vitesses de soudage de 1`ordre de 1 à 1.2
m/mn.
Tableau 5: soudobrasage des aciers carbone galvanisés
Epaisseur Gaz U I vf,r,; vfrõ~
Matériau (en mm) Fil [A] s onfigura
soudé [V] (m/min) tion
m/min)
Acier au 1 Arcal 1 1.2 Clin
carbone CuA18 14 80 2 5.5
galvanisé 1 mm
(l0 m)
Acier au 1 Arca110 Ligne
carbone CuSi3 13 50 1 3.2 de
1 mm fusion
ARCALTM 1 est de l'argon gazeux commercialisé par L'Air Liquide et ARCALTM
10 est un mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé de 2,5 % en volume
d'hydrogène et d'argon pour le reste.
Dans les deux cas d'applications, c'est-à-dire à clin et lignes de fusion, les
plages
opératoires de vitesse de fil restent suffisantes, avec respectivement 2 à
5.5m/min et 1 à 3.2
m/min, pour être exploitables industriellement.
Ces différences ont pour origine la nature différente des alliages des métaux
d'apport
qui ont des températures liquidus solidus différentes, ainsi que le revêtement
de 10 m pour le
soudage à clin qui impose des conditions différentes de dégazage du zinc de
l'interface
obligeant à opérer selon une vitesse de soudage la plus élevée possible.
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Dans le cas du fil CuSi, le gaz ArcalTM 10 a été utilisé pour ralentir la
formation de
silicates sur la surface des cordons.
Par ailleurs, selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou
plusieurs
des caractéristiques suivantes :
- la fréquence de transfert des gouttelettes est préférentiellement comprise
entre 30 Hz
et 80 Hz.
- la taille des gouttes est égale à 1,5 à 3 fois le diamètre du fil fusible.
- la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 20 Hz et 40 Hz
et la taille
des gouttes est comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du fil fusible, de
préférence la fréquence
est de l'ordre de 30 Hz.
- la fréquence de transfert des gouttelettes est le résultat d'une fréquence
de pulsation
du fil combinée à une fréquence de pulsation du courant continu ou alternatif
dans le cas de
l'aluminium et des ses alliages (ou de type à polarité variable) qui permet un
pilotage plus
précis des phases soudage et décapage.
- la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 70 Hz et 90 Hz
et la taille
des gouttes est comprise entre 1,2 et 1,5 fois le diamètre du fil fusible, de
préférence de
l'ordre de 80 Hz.
- on soude avec une vitesse de fil allant jusqu'à 20 m/min, en particulier
entre 1 et 10
m/min. On choisit la vitesse de fil en fonction du diamètre dudit fil.
- l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle entre 10 et 30 par
rapport à l'axe de
l'électrode, de préférence entre 10 et 20 .
- on guide et on maintient en permanence l'extrémité du fil fusible à une
distance
inférieure à 1,5 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de
la torche TIG, de
préférence à une distance minimum de 1 mm. Toutefois, dans tous les cas, la
surface de
l'extrémité du fil ne doit pas venir en contact avec l'électrode en tungstène.
- pendant le soudage, on opère une protection gazeuse de l'électrode, du fil
et du métal
fondu .
- on opère une protection gazeuse avec un gaz choisi parmi l'argon, l'hélium
et les
mélanges argon/hélium avec ou sans micro-additions d'azote, et les mélanges
d'argon et
d'hydrogène.
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- le procédé est mis en oeuvre sur un bras de soudage robotisé portant une
torche TIG à
électrode non fusible et des moyens d'amenée de fil de soudage fusible ou en
soudage manuel
ou automatique.
- le procédé est mis en oeuvre pour souder ou braser une ou plusieurs pièces.
- les pièces sont en acier revêtu, en particulier en acier galvanisé ou
électro-zingué , en
acier inoxydable austénitique ou ferritique , en nickel et alliages de nickel,
titane et alliages
de titane, ainsi qu'en aluminium ou alliages d'aluminium.
- l'intensité du courant continu alimentant la torche TIG est comprise entre
10 A et
400 A Maxi, et la tension est comprise entre 10 V et 20 V.
- le fil a un diamètre compris entre 0.6 mm et 1.6 mm, de préférence entre 1
mm et 1.2
mm.
- le fil est en alliage de cupro-silicium (CuSi3) ou cupro-aluminium (CuA18).
- le fil est également en aluminium pur ou en alliage d'aluminium, par exemple
des
séries 2000, 4000 ou 5000.
Selon la présente invention, une partie de l'énergie de l'arc est utilisée
pour la fusion
de l'extrémité du fil à des vitesses de fil assez faibles, typiquement de
l'ordre de 1 à 10
m/min, ce qui explique que par unité de temps, cette énergie va intéresser une
longueur de fil
plus importante et donc donner naissance à la formation de gouttes qui seront
d'autant plus
grosses que la vitesse de fil est faible et dont la fréquence de transfert
sera également basse ;
et vice versa, pour une vitesse fil plus élevée mais inférieure à celle de
l'apparition d'un pont
liquide, la taille des gouttes va diminuer et la fréquence de transfert va
augmenter.
Les paramètres, pour un diamètre de fil donné, sont liés par la relation :
Vfil. section du fil = fréquence de gouttes . volume de gouttes
avec : (mm/s) . (mm~) _ (nombre de gouttes/s) . (mm 3)
On peut donc aisément, via un réglage de la vitesse fil et pour un régime
d'arc donné
(paramètres électriques et gaz associé), maîtriser/régler le diamètre et la
fréquence des
gouttes. Ces différents paramètres peuvent être évalués et contrôlés d'une
manière très
précise à la l'aide d'une caméra vidéo à grande vitesse, i.e. par exemple de
10000 images par
seconde.
Visuellement, l'effet est directement perceptible sur la surface du cordon,
par la
présence de vagues régulières, appelées stries de solidification.
Ce transfert par gouttes est différent de ceux connus dans l'état de l'art du
procédé
TIG automatique conventionnel, dans lequel le fil est fondu par conduction
thermique directe
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du bain de fusion et non, comme dans le cas présent, par une partie de
l'énergie de l'arc de
soudage qui accroît la vitesse de fusion du dit fil et la productivité du
procédé.
En effet, des résultats comparatifs montrent que pour une même configuration
d'assemblage clin ou angle et mêmes paramètres électriques l'accroissement du
taux de dépôt
5 est de l'ordre de 40%.
Le procédé de l'invention avec transfert par gouttelettes peut être appliqué
au soudage
ou soudo-brasage de tout assemblage de pièces en acier revêtu, en acier
inoxydable
austénitique ou ferritique, en nickel et alliages de nickel, en titane et
alliages de titane, en
aluminium ou ses alliages, pour lequel on recherche ou on privilégie des
conditions
10 d'esthétique, notamment des stries régulières en surface de cordons ou pour
lesquels on doit
compenser des tolérances de préparation importantes.
Ce transfert par goutte engendre un cycle thermique cadencé du bain de fusion
qui
peut avoir des effets sur la microstructure du bain de fusion mais également
sur la compacité
du métal fondu par effet mécanique d'impact de la goutte sur le bain de fusion
provoquant
une agitation du bain et favorisant ainsi son dégazage. Ce phénomène est
également visible et
quantifiable comme précédemment par caméra vidéo à grande vitesse.
Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant en soudage de tôles
très
fines galvanisées, par exemple de moins de 1 mm, pour favoriser le dégazage
des vapeurs de
ZnO, ou en soudage de l'aluminium ou de ses alliages pour favoriser le
dégazage de Hz.
Le procédé de l'invention est préférentiellement mis en oeuvre avec une torche
avec fil
fusible traversant la paroi de la buse selon un angle de moins de 50 ,
notamment la torche
décrite dans le document EP-A-1459831. En effet, dans une telle torche,
l'amenée de fil, qui
est intégrée à la torche, se fait selon un angle de l'ordre de généralement 10
à 20 , par
exemple de l'ordre de 15 , par rapport à l'axe de l'électrode non fusible et
ce, en maintenant
une distance faible entre l'extrémité du fil et l'extrémité du cône de
l'électrode en tungstène,
par exemple lmm minimum ou au diamètre de fil d'apport.
Dans tous les cas, pour obtenir un transfert de métal par gouttes tel que
précédemment
cité, l'extrémité du fil fusible est guidée et également maintenue en
permanence à une
distance inférieure à 2 mm environ par rapport à l'extrémité de l'électrode en
tungstène, c'est-
à-dire que la distance entre la surface externe du fil fusible et l'électrode
ne doit pas excéder 2
mm environ, de préférence supérieure à 1 mm.
Le transfert par gouttes selon l'invention présente les avantages suivants :
- un point d'impact en dessous de l'arc, ce qui facilite le positionnement de
la torche.
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- un transfert maîtrisé par gouttes successives de métal bien dirigé dans le
bain.
- un aspect esthétique du cordon de soudage correspondant à des préconisations
particulières recherchées.
- un transfert par gravité et tensions de surface facilite le travail en
position.
- un réglage et un contrôle de la fréquence et de la taille des gouttes par
liés par la
relation précédente à la vitesse fil pour un diamètre de fil donné.
- une réalisation de cordons de soudage multi-directionnels sans changement
d'orientation du fil au niveau de la torche TIG.
- une possibilité de réaliser des synergies de soudage, comme pour le procédé
de
soudage MIG/MAG. La vitesse de fil préférée est donnée en fonction des
différents
paramètres choisis par l'opérateur : matière à assembler, nature et diamètre
du fil d'apport,
intensité, gaz de protection, vitesse de soudage....
L'invention est illustrée sur la figure annexée qui schématise un transfert
par gouttes
selon l'invention.
Plus précisément, on a représenté une torche de soudage TIG avec électrode 1
non
fusible alimentée avec un fil 2 fusible. Comme on le voit, la partie la plus
chaude de l'arc
électrique 6 qui se forme à la pointe 7 de l'électrode 1 permet d'obtenir une
fusion
progressivement de l'extrémité 3 du fi12 dans la zone d'arc 5. Le transfert du
métal fondu
depuis l'extrémité 3 du fi12 vers le bain de soudure 8 formant le cordon soudé
sur la pièce 10
se fait par gouttes 4 successives dont le diamètre de goutte est compris entre
1,2 et 4 fois le
diamètre du fi12. Le fil a typiquement un diamètre compris entre 0,6 et 1,6
mm. La fréquence
des gouttes est comprise entre 20 et 90 Hz. La fréquence des gouttelettes est
générée par une
pulsation du fil combinée avec une pulsation de courant.
Par ailleurs, la distance D entre la pointe de l'électrode 1 et la surface des
pièces à
souder est comprise entre 2 mm et 3 mm environ. Par ailleurs, la distance
minimale d entre le
fil 2 et la surface de l'électrode 1, y compris au niveau de sa pointe 7, est
maintenue
inférieure à 2 mm mais préférentiellement supérieure à 1 mm.
Quel que soit le type de matériau soudé, on constate que la plage de vitesse
fil pour
l'obtention du transfert par gouttes est large et flexible vis à vis de la
fréquence et de la taille
des gouttes correspondantes.
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Les vitesses de fil minimale (Vf mini) et maximale (Vf maxi) sont celles à
appliquer
pour rester dans un transfert par gouttes. Au-delà de la valeur maxi, on
atteint un transfert par
pont liquide.
Le procédé de l'invention avec transfert par gouttes peut être appliqué à
différentes
configurations de joint : soudage bout à bout, à clin, angle et bords tombés,
pour des
conditions de préparation dégradées, tel que jeux ou mésalignements, que ce
type de transfert
peut absorber plus spécifiquement, et enfin pour des opérations de
rechargement puisque l'on
contrôle l'énergie apportée respectivement au fil d'apport et au matériau
support.
