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F. FRUNGEL, résidant à HAMBOURG-RISSEN (Allemagne) .
PROCEDE DE SOUDURE PAR POINTS A L'AIDE D'IMPULSIONS ELEFTRIQUES.
La présente invention est relative à un procédé de soudure par points à l'aide d'impulsions électriques.
Elle concerne également des dispositifs pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Selon la méthode classique de soudage électrique par points, com- portant le passage d'un courant électrique intense pendant un temps déterminé dans la résistance formée par les pièces à souder, on utilise différents dis- positifs. On peut avoir deux éléments de cuivre, représentant les deux extré- mités de l'enroulement secondaire du transformateur, entre lesquelles passent les pièces à souderoDans le cas de tôles épaisses, il est préférable de mettre en place les électrodes, puis d'envoyer le courant dans le transformateur.
Tous les dispositifs connus présentent divers inconvénients qu'ils ne peuvent éviter.
Durant le soudage, il se produit un échauffement de la pièce en dehors du point réel de soudure, échauffement transmis aux électrodes qui doi- vent être refroidies par eau, le refroidissement par air étant insuffisante
Les quantités d'électricité mises en jeu pour chaque point de sou- dure ne sont pas égales, étant donné que le temps de passage du courant ne coïn- cide pas exactement avec un nombre constant de périodes. Même dans les grandes installations, où l'on emploie des chronomètres électroniques, il n'est pas possible de réaliser la transformation de quantités égales d'électricité, des écarts provenant principalement du déclenchement et de l'enclenchement des re- lais. Ces écarts sont d'autant plus importants que le soudage est de plus cour- te durée.
Par exemple, pour une durée de 1/100ème de sec., correspondant à une demi-période, on obtient des instabilités statiques pouvant atteindre 1/4 de période, c'est-à-dire 20 %. Etant donné que les résistances mécaniques des points de soudure ne sont pas identiques, il peut se produire des erreurs, même si l'on corrige de 20 % supplémentaires le temps de passage du courant,
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car en admettant que la tension appliquée soit constante, l'intensité du cou- rant passant par chaque point de soudure est fonction de l'état de la surfa- ce,par exemple, selon que l'on a affaire à une surface rubigineuse ou bril- lante.
On peut constater que la qualité du point de soudure dépend essentiel- lement de la surface étant donné que la chaleur dégagée est fonction du carré de l'intensité du courante
Dans le cas de grosses installations de soudage où l'on doit, par exemple, souder l'une sur l'autre des tôles de 10 mm. d'épaisseur, avec des points de soudure assez rapprochés, la soudeuse doit être de très grande puis- sance. C'est ainsi quon a mesuré dans certaines installations des intensités atteignant 6000 ampères sous 250 volts et correspondant à des puissances in- stantanées de 1500 kilowatts. De telles puissances provoquent des secousses dans le réseau électrique, ce qui oblige à placer les soudeuses en des points favorables du réseau de distribution.
La présente invention a pour objet d'obvier aux inconvénients susdits par un nouveau procédé de soudure par points à l'aide d'impulsions électriques.
Suivant l'invention, une charge électrique emmagasinée dans une batterie de condensateurs est envoyée par des relais dans l'enroulement pri- maire d'un transformateur d'impulsions spécialement approprié.
Les détails et particularités de l'invention ressortiront plus clairement de la description donnée ci-après, à titre d'exemple non limitatif et avec référence aux dessins annexés, de quelques applications du procédé de soudure à l'aide d'impulsions électriques.
1 ) Application du procédé a la soudure de tôles,boulons et fers profilés.
La figure 1 est une vue schématique du montage électrique d'une installation suivant l'invention,dans laquelle un condensateur C est chargé par un transformateur L sous une tension de 5 à 10 kilovolts et emmagasine une quantité d'énergies
E = 1/2 CU2 Pour effectuer la soudure, on ferme un contact A et le condensateur C se dé- charge dans le primaire d'un transformateur d'impulsions Ti. Cette décharge crée un courant alternatif de fréquence variable dans le primaire et donne ainsi naissance à un courant dans le secondaire,entre les pôles duquel se forme le cordon de soudure. L'impulsion de tension fournie par ce montage per- met l'obtention de courants élevés. Par exemple, on a pu atteindre 200.000 ampères.
Les dimensions de la batterie de condensateurs C sont déterminées de telle façon qu'elles tiennent compte de l'inductance du transformateur d'im- pulsions pour le soudage.
Le temps de soudage est très court puisqu'il s'agit d'une décharge de condensateurs;ainsi les pièces à souder et les électrodes n'ont pas le temps de s'échauffer.
La pratique montre que, pour la soudure de tôles de 2 à 10 mm, une durée de soudage de 1/100 ème de seconde est suffisante pour réaliser une bon- ne soudure. Il s'ensuit qu'il n'est guère besoin de réaliser un refroidissement.
Dans des cas très compliqués de soudage, on peut concevoir un système de refroi- dissement par de l'air comprimé dirigé sur les électrodes.
Si la tension de charge des condensateurs est constante, l'énergie emmagasinée par ceux-ci l'est également. Etant donné que les pertes en ligne sont constantes, il en résulte une uniformité dans les points de soudure. Il importe peu que la résistance électrique des pièces à souder ne soit pas iden- tique en tous points, car ce facteur n'influence que la durée de décharge des condensateurs. Pour de fortes résistances, on se trouve dans le cas de déchar-
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ges à oscillations amorties, et pour des résistances faibles, dans le cas- limite d'une décharge apériodique, ce qui est la forme de transformation la plus rapide de l'énergie statique en énergie calorifique.
Le procédé n'exige pas un prélèvement de puissance considérable sur le réseau. Il suffit de déterminer, en fonction du réseau, le temps de charge des condensateurs.La puissance débitée par le réseau entre deux points de soudure est extrêmement faible. Si l'on considère le cas mentionné ci-avant d'une puissance de 1500 KW pendant 0,1 sec., l'énergie consommée est de 150
Kwatts. Cette énergie est, en pratique, bien inférieure à ce chiffre, étant donné que des pertes thermiques ne se produisent pas dans les tôles. La puis- sance nécessaire au fonctionnement du dispositif représente donc le dixième de celle consommée jusqu'ici, de plus la soudeuse peut être raccordée aux réseaux les plus faibles.
Le procédé suivant l'invention présente d'autres avantages.
Jusqu'ici pour des tôles de faible épaisseur à souder électrique- ment, on était obligé d'employer des limiteurs de temps de soudure enclenchant le circuit en un temps inférieur à une période. Ces dispositifs sont coûteux et exigent un appareillage électronique important, par exemple, des ignitrons.
Dans le procédé décrit, on peut utiliser une batterie de condensateurs con- stituée par des éléments de valeur différente pouvant être réglés pour fournir exactement l'énergie nécessaire en fonction de l'épaisseur des tôles à souder.
On peut obtenir un réglage plus précis encore en faisant varier la tension de charge, une disjonction étant obtenue en fin de charge des condensateurs au moyen d'un relais différentiel, dont un des enroulements est parcouru par une tension constante préalablement choisie et l'autre par une tension proportion- nelle à la tension de charge des condensateurs. Une telle soudeuse permet de régler de 1 à 100. 000 l'énergie nécessaire au point de soudure.
Pour l'obtention de soudures de bonne qualité, le procédé suivant l'invention exige une pression des électrodes plus forte que dans les autres méthodes utilisées notamment dans la soudure par résistance. La pression né- cessaire entraînerait normalement de plus grandes dimensions dans la construc- tion d'une soudeuse. Il peut être obvié à cet inconvénient en exerçant une pression instantanée durant le soudage.
La force agissante sur les électrodes peut être basée sur le même principe que celui du "coup de marteau". L'énergie potentielle emmagasinée dans la masse en mouvement est transformée en travail sur une des électrodes.
Si le déplacement de cette dernière est très petit, la force ou la pression appliquée est très grande. On sait que, par exemple, une masse pesant une ton- ne et tombant de 10 cm produit un travail de 0,1 mt. De même,si la plaque- électrode ne peut se déplacer que de 1 mm, la force appliquée et correspondant à la pression de soudage nécessaire, sera de 100 tonnes. Afin que cette force agisse sur les pièces à souder sans a-coups exagérés, il est nécessaire d'in- tercaler, entre la plaque électrode et la masse tombante, un corps semi-plas- tique ou semi élastique. de compressibilité déterminée; par exemple, l'emploi de plaques de caoutchouc de différentes qualités s'est montré à cet égard d'une application efficace.
Ce procédé est particulièrement économique. 11 suffit d'établir, au moyen de relais, un synchronisme entre le moment où cette force est exercée et la décharge des condensateurs. Il est à noter également que le corps semi-plastique sert également à l'isolement électrique de l'une des électrodes.
Les condensateurs peuvent être chargés entre deux points de sou- dure, de même l'énergie potentielle de la masse peut être emmagasinée lente- ment dans le même intervalle de temps. La décharge des condensateurs entre les deux électrodes doit se faire lorsque la pression désirée est atteinte; elle peut être provoquée à l'aide d'un contact approprié. Connaissant la du- rée de chute de la masse tombante, la décharge peut se produire au moment où cette masse touche l'électrode, de façon à tenir compte de l'inertie de dé- charge.
Dans les petites installations, on peut utiliser des dispositifs
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hydrauliques, pneumatiques ou mécaniques habituels pour exercer une certaine pression sur les électrodes.
Un contact à coupure de courant peut être prévu si, par hasard. la pression de soudure dépassait certaines limites.
D'après ce qui précède, on voit que les différents facteurs mis en jeu dans ce procédé étant variables (variation de la capacité des condensateurs, variation de la tension de charge et variation de la pression de soudage), ceux- ci fournissent un moyen simple et commode pour réaliser des soudures électri- ques par points, sans aucun défaut et sans irrégularités.
Pour simplifier le fonctionnement de l'appareil en vue de permettre son utilisation par du personnel non qualifié, on peut prévoir un tableau de re- lais actionné par un gabarit comme, par exemple, dans les machines à programme de travail préétabli, lequel gabarit répète les commandes électriques suivant un programme de soudure déterminé.Chaque gabarit doit comporter les données techniques concernant les tôles, boulons ou fers profilés, et, par lecture di- recte, fournir immédiatement les différentes valeurs de la capacité à employer, de la tension, du temps de charge et de la pression de soudage, chacune de ces valeurs devant être réglée avant l'opération de soudage. Un dispositir de sécu- rité est prévu pour arrêter à volonté la machine, afin d'éviter des malfaçons.
2 ) Application du procédé à des soudures multiples,
Dans la soudure par impulsions, ainsi qu'il a été dit ci-avant, on utilise des décharges de condensateurs C envoyées dans l'enroulement primaire d'un transformateur d'impulsions Ti spécialement conçu (fig. l). Le secondaire est ainsi parcouru par des impulsions d'une énergie momentanée considérable.
Des pointes de courant de 100.000 ampères par cm2 et plus peuvent être atteintes, pour des durées de l'ordre de 2. 10-3 à 2. 10-2 seconde.
La décomposition de ces impulsions en série de Fourier donne approximativement des fréquences de l'ordre de 150 à 1.500 cycles par seconde.
Afin de réduire au minimum les pertes dans le circuit de décharge, il y a lieu de tenir compte des chutes de tension dues à l'inductance du cir- cuit. Par exemple, pour une perte de tension par inductance de 5 volts, une in- tensité de 100.000 ampères et une fréquence de 500 cycles par sec., on a:
R = W L
R = U/I = 5/105 = 5. 10-5 (induction ohmique) D'où
EMI4.1
L = IV "D 1 uJ = 5. 0 l 0=5/ 50.10 - 2 = 1. 10 =7 Henry = 0,1 mierohenry.
Des inductances de l'ordre de 0,1 u H exigent des connections spéciales. Pour cette raison, le procédé de soudage par impulsions n'était utilisable jusqu'à présent que pour des petites installations.Le procédé de soudage décrit ci-dessous est également applicable à des installations importan- tes.
Pour obtenir de très petites inductances, le courant est amené aux électrodes par des bandes de cuivre superposées.
La figure 2 est une vue schématique en plan d'un montage suivant l'invention.
La figure 3 est une vue en coupe du montage de la fig. 2.
Les électrodes sont formées de bandes 1 et 2. Afin d'obtenir un circuit à inductance très faible, la bande 2 est percée de trous 3, par les- quels passent des électrodes 4 solidaires de la bande 1. Sur la bande 2, sont fixées des électrodes 5.
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Les pièces à souder, par exemple, deux tôles 6, reposent sur les électrodes 4 et 5 sur lesquelles vient s'exercer la pression d'une électrode- plaque 7. Le courant passe de l'électrode 5 dans les pièces à souder 6, puis dans l'électrode 7 et revient à nouveau dans l'électrode 4. On obtient ainsi, pour chaque pression exercée sur les électrodes, quatre points de soudure. On peut évidemment multiplier le nombre des points de soudure en fonction de la nature et des dimensions des pièces à souder.
Pour éviter que l'électrode 7 se soude également, il est recomman- dé d'employer pour celle-ci une plaque ou bande de cuivre peu épaisse. L'é- paisseur de ladite plaque peut d'ailleurs être calculée, car elle ne doit pas être supérieure à l'épaisseur de couche calculée par les formules de "l'effet de peau" pour la fréquence de soudure employée en tenant compte de la profon- deur de pénétration. L'expérience montre que pour le cuivre, cette épaisseur est de l'ordre de 2 à 4 mm. La hauteur des électrodes doit être également la plus petite possible; sensiblement à l'échelle du dessin représenté à la fig.3.
Toutes ces précautions étant prises et en tenant compte d'un écartement de 1 mm. entre les plaques 1 et 2, on obtient une inductance du circuit de soudure in- férieure à 0,05 w H.
Afin d'éviter les pertes magnétiques dans ce même circuit, il est recommandé de se servir de bandes ou plaques de cuivre argentées sur leurs fa- ces et d'épaisseur préalablement déterminée.
Il est évident qu'il est possible de souder des profilés autres que des tôles.
Le procédé est également applicable à la soudure de fils métalli- ques. On peut, par exemple., souder les uns aux autres des profilés circulaires.
La figure 4 représente un fil à souder transversalement à quatre fils longitudinaux, les points de soudure 8 s'effectuant aux points de croise- ments des fils.
Le changement des pièces à souder se fait très simplement en sou- levant la contre-électrode 7 qui est électriquement neutre. Ce fait présente un avantage appréciable sur la technique suivie jusqu'ici, car les pièces à souder peuvent être d'une surface aussi étendue que l'on veut : il suffit de déplacer la contre-électrode qui, par exemple, dans le cas de la soudure d'une carrosserie,peut être appliquée intérieurement à celle-ci.
Différents programmes de soudure peuvent être prévus en utilisant sur la même paire de bandes, différents jeux d'élecres.
Différentes combinaisons peuvent être réalisées sans qu'il soit nécessaire de déplacer la soudeuse et plus particulièrement le transformateur de soudage qui, en général, est fixé rigidement aux bandes.
Pour la soudure des tubes, on prévoit l'avancement de ceux-ci de façon telle que les points de soudure successifs recouvrent exactement les so- lutions de continuité laissées par les points précédents.
Le procédé suivant l'invention ne se limite pas à la soudure dans un même plan. Celle-ci peut s'effectuer également suivant d'autres plans, c'est- à-dire, dans l'espace.
La figure 5 représente schématiquement et en coupe verticale un exemple d'application à la soudure d'un tube, où la contre-électrode 7 peut être constituée par une barre de cuivre dont le diamètre extérieur est égal au dia- mètre intérieur du tube à réaliser. Dans ce cas particulier, la pression est exercée par les électrodes de soudure.
Il est évident que l'invention ne se limite pas aux exemples d'ap- plication donnés ci-avant.
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