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La présente invention est relative à un appareil à souder et plus particulièrement à un appareil pour souder ensemble des métaux par perous- sion. Les avantages du soudage par les techniques à percussion n'ont pas été entièrement réalisés en pratique principalement parce que les soudures pro- duites n'étaient pas uniformément de la qualité requise.
On est porté à croire que les variations dans la qualité de la soudure seraient principalement dues aux variations de la durée d'arc entre les surfaces à souder. Du fait qu'il est très difficile de contrôler la du- rée de l'arc, on a établi que des résultats satisfaisants peuvent être obte- nus d'une manière très réalisable en produisant aux surfaces à souder une température qui est effectivement indépendante de la durée de l'arc.
Un objet de cette invention est d'améliorer la qualité des soudu- res obtenues par les techniques de soudage à percussion et, plus précisément, d'améliorer l'uniformité des soudures produites par un appareil de soudage à percussion.
Une particularité de l'invention se rapporte à un moyen pour pro- duire, aux surfaces de deux métaux que l'on soude, une température sensible- ment constante pendant un laps de temps -égal à/ou excédant la durée de l'arc entre ces surfaces.
D'autres objets et particularités de l'invention peuvent être aper- çus dans la description détaillée ci-après d'un exemple d'exécution de l'in- vention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une représentation des aspects de base d'un cir- cuit usuel de soudage à percussion ; - la figure 2 est une représentation graphique de la variation, en fonction du temps (#), du courant (i) passant par l'arc et de la tempé- rature (t ) des surfaces soudées, quand on utilise un circuit du type repré- senté dans la figure 1 ;
- la figure 3 est une représentation graphique de la relation idé- ale du temps (#) et de la température (t ) aux surfaces qui doivent être soudées, de la variation, en fonction du temps du courant (i) entre les sur- faces à souder afin de produire la relation idéale température-temps préci- tée, et de la variation du courant de soudure en fonction du temps lorsque des réseaux à section unique de résistance-capacité sont utilisés dans le circuit de soudage pour essayer d'approcher le rapport désiré du courant- temps ;
- la figure 4 est un circuit représentant les aspects élémentai- res d'un circuit amélioré de soudage à percussion construit suivant les prin- cipes de l'invention, et - le figure 5 montre d'autres réseaux qui peuvent être utilisés dans des circuits réalisant la présente invention.
Le soudage à percussion est fondamentalement une technique du sou- dage à l'arc dans laquelle un circuit électrique emmagasine de l'énergie et maintient une tension entre les deux parties qui doivent être soudées.
Ceci est illustré à la figure 1 des dessins qui indique une sour- ce de puissance 1 qui est capable de fournir une tension continue relative- ment élevée.
Par la fermeture de l'interrupteur 2, la tension continue fournie par la source de puissance 1 est appliquée aux bornes du condensateur C1et de la résistance R1 afin de charger le condensateur C1jusqu'à se rapprocher de la tension de la source. L'interrupteur 2 peut alors être ouvert, la char- ge étant retenue dans le condensateur C1. La soudure est produite en déchar-
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geant le condensateur C1 par la résistance R1 et par un circuit d'utilisation comprenant les parties à souder ensemble.
Dans l'exemple montré dans la figure 1, ce circuit de charge com- prend du fil rond 10 qui doit être soudé à un petit bloc rectangulaire 11.
L'une des deux parties, par exemple le fil 10, est maintenue dans une posi- tion immobile par un{ mode de serrage 12, l'autre élément, tel que le bloc rectangulaire 11, est maintenu dans des mâchoires 13.'Un moyen tel que. le ressort 14 est prévu pour mouvoir rapidement les mâchoires 13 dans une direc- tion afin de mouvoir le bloc rectangulaire 11 vers le fil 10 ;
Lorsque le bloc rectangulaire 11 est séparé du fil 10 d'une dis- tance critique, appelée "distance d'amorçage de l'arc", l'espace d'air en- tre les éléments 10 et 11 s'ionise et l'arc est amorcé.
L'arc chauffe les surfaces opposées, formant une légère couche de métal fondu sur les deux parties. Lorsque les surfaces fondues sont mises intimement en contact par suite du mouvement du bloc rectangulaire 11, l'arc s'éteindra. Lorsque le joint se refroidi suffisamment, la soudure est ache- vée.
Alors que les techniques de soudage à percussion utilisant des cir- cuits similaires à celui de la figure 1 possédaient beaucoup d'avantages pour certains types de soudure, il était très difficile d'obtenir des résultats régulièrement uniformes avec de pareils circuits.
En se référant à la figure 2 du dessin, on pourra voir qu'avec le rapport courant-temps, tracé avec les coordonnées normales uniformes, sous forme de la courbè A, résultant du déchargement d'un condensateur dans un conducteur résistif, la température aux surfaces à àouder variera en fonc- tion du temps approximativement selon la courbe B de la figure 2, cette tem- pérature s'élevant relativement lentement vers une valeur maximum qui est maintenue pour un temps limite et ensuite retombant vers la température am- biante .
Avec une telle caractéristique de température-temps, il est clair qu'on peut s'attendre à ce que la température maximum atteinte par ces sur- faces, la température moyenne atteinte par ces surfaces et la température au moment de l'extinction de l'arc, varieront comme la durée de l'arc entre les éléments à aouder.
Cependant, le contrôle exact de la durée d'arc est excessivement difficile dans un processus de sondure à percussion.
Suivant les principes.de la présente invention, l'effet de la va- riation de la durée d'arc est atténué en élevant rapidement la température aux surfaces à souder à la température désirée et en maintenant ces surfaces à cette température pour le moins aussi longtemps que la plus longue durée d'arc que l'on prévoit. Ainsi, le rapport idéal température-temps est celui représenté par la courbe A de la figure 3 des dessins, dans lequel la tempé- rature s'élève instantanément à une valeur appropriée et est maintenue à cette valeur pour tout le temps qu'il faut pour que l'arc le plus long soit éteint. Avec une telle caractéristique de température-temps, la nature de la soudure sera sensiblement indépendante de la durée de Tare.
On peut démontrer qu'un rapport température-temps de la nature de celui représenté par la courbe A de la figure 3 peut être obtenu par l'emploi d'un circuit produisant une relation' du courant au temps représentée par la formule
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i = 2 KAT où -V² a 2 t
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i représente le courant instantané en ampères, K représente la conductibilité calorifuge de la matière en watts par centimè tre- degré centigrade.
A représente la surface en centimètres carrés de la coupe transversale dans laquelle se produit l'écoulement de chaleur.
T est la température en degrés centigrades désirée à la surface V2 représente la tension en volts qui passe par l'arc a représente le facteur de diffusivité de la matière en centimètres carrés par seconde. t représente le temps en secondes.
Pour toutes matières données et pour toutes configurations,l'ex-
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pression 2KA peut être égalée à une constante K, réduisant l'équation -iV a2 i = 2 KAT à i= KT vVa 1
Par conséquent, pour n'importe quelle température désirée, le courant de charge instantané devrait être idéalement une fonction inverse de la racine carrée du temps écoulé.
La relation entre le courant et le temps représentée par l'équa- tion précédente est du genre de celle d'une ligne de transmission capacitive fonctionnant en court-circuit, la charge vue par la ligne étant essentielle- ment d'une impédance nulle puisque la tension d'arc est plus basse que la tension dont la ligne est chargée.
Le rapport idéal courant-temps apparaît dans la courbe B de la fi- gure 3 si lle était tracée à échelle semilog ; par exemple, si l'abaisse était uniformément divisée et si l'ordonnée était divisée d'une manière lo- garithmique. Tracée avec des coordonnées similaires, la relation courant-temps résultant d'un circuit à résistance-capacité unique est représenté par une droite, puisque, comme il est bien connu, avec un pareil circuit, le courant transitoire ou instantané est une fonction continue de
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t t, - RC
Par conséquent, les paramètres d'un circuit de résistance-capacité unique peuvent être choisis pour produire une relation courant-temps appro- chant la première partie de la courbe B à la figure 3, approchant la partie finale de la courbe B,
ou approchant tout autre partie simple de la courbe B en vertu du fait qu'elle lui est tangentielle. La première de ces courbes est tracée sous forme de la courbe C de la figure 3, et la seconde est tra- cée sous forme de la courbe D. Si les paramètres qui sont choisis pour donner la relation courant-temps de nature représentée par la courbe C de la figura 3, la température s'élèvera rapidement à une valeur appropriée,mais ne se maintiendra pas suffisamment longtemps pour embrasser la gamme des variations de durée d'arc ; si les paramètres des circuits de résistance-capacité sont choisis pour produire une relation de courant-temps de la nature représentée par la courbe D de la figure 3, la température ne s'élèvera pas à une valeur appropriée avec la vitesse désirée.
Dans le premier cas, de longues durées d'arc produiront des soudu- res non satisfaisantes dues au fait que la température est insuffisamment haute pendant la partie finale de l'arc ; dans le second cas, un arc de cour- te durée produira des soudures non satisfaisantes, puisque la température aux surfaces sera suffisamment élevée pendant les parties initialesde l'arc.
Il peut n'être pas pratiquable dans tous les cas d'utiliser une li-
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gne à constante capacitive répartie ayant une relation courant-temps repré- sentée par 7. équation précédente et par la courbe B de la figure 3.
Une telle ligne peut pourtant, être atteinte avec une bonne appro- ximation, par exemple, au moyen d'un certain nombre de réseaux connectés en parallèle, chacun desdits réseaux comprenant une résistance et un condensa- teur reliés en série. Deux réseaux analogues seulement ont suffi pour donner aux surfaces de soudure des conditions de température suffisamment constan- tes pour produire des soudures de bonne tenue. Un pareil système est re- présenté à la figure 4 du dessin qui est analogue en nature et en fonction- nement au circuit de la figure 1, sauf par l'addition du condensateur 0 et de la résistance R2. La constante de temps des deux réseaux à résistance-ca- pacité sera évidemment avantageusement choisie.
De bons résultats ont été obtenus dans la pratique en utilisant des réseaux ayant des constantes de temps qui diffèrent l'une de l'autre par un facteur multiplicatif de l'ordre de 10 à 15. Par exemple, le condensateur C1 peut être de l'ordre de 80 micro- farads, la résistance R1peut être de l'ordre de 0,75 ohm, le condensateur C2 peut être de l'ordre de 100 microfarads et la résistance R2 peut être de l'ordre de 7,5 ohms.
La source de puissance devrait, de préférence, être capable de produire une tension continue de l'ordre de 1 à 2 kilosvolts.
Ceux qui sont spécialisés dans ce domaine reconnaîtront que le ré- seau entre les bornes 1 et 2 de la figure 4 a certains équivalents qui peu- vent être utilisés au lieu dudit réseau, sans différence appréciable dans le résultat.
Les trois réseaux qui sont les équivalents du réseau de la figure 4 sont représentés aux figures 5A, 5B et 5C.
Ceux qui sont spécialisés dans ce domaine, reconnaîtront aussi que les quatre réseaux des figures 4 et 5 peuvent être uniquement définis, comme un groupe, en spécifiant leurs zéros et leurs pôles ; les pôles et les zéros ayant été donnés, les spécialistes dans ce domaine peuvent en déduire les réseaux des figures 4 et 5.
Les zéros et les pôles des réseaux des figures 4 et 5 peuvent être dérivés, d'une manière bien connue dans ces questions, comme suit, utilisant le réseau de la figure 4 comme exemple.
L'impédance-de la dérivation comprenant la résistance R et le condensateur D1 est R1+1/PC, où P est est la variable complexe de fréquence usuelle. De façon analolgue, l'impédance de la branche comprenant la résis-
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tance R2 et le condensateur C2 est H9 + 1 .
Po2 L'impédance totale peut être exprimée par la formule de la forme :
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R1 R2 (P + B 1 C ) (P + B 1 ' 2 RI + R2 P P - 1 2 + R2
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De cette expression, on peut remarquer que la valeur absolue de l'impédance sera nulle chaque fois que P est égal à la valeur négative ré- ciproque de Ru G ou de R2 C et que la valeur absolue de 1?impédance ten- dra vers l'infini chaque fois que P sera égal à 0 soit à - 1 + 2 1C2(R1+R2)
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Par conséquent, les réseaux des figures 4 et 5 sont uniquement dé-
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finis en établissant qu'ils ont des zéros pour P = - 1 et pour P R1 a1 - 1 et qu'ils ont des pôles lorsque P = 0 et lorsque R2 '2 1 a2 ' CI 1 .., 2(11.
2 +R2)
Alors qu'il n'y a que deux réseaux de résistance-capacité montrés dans la figure 4, il a été reconnu que, théoriquement, plus grand est le nom- bre de tels réseaux, qui sont mis en parallèle, plus près le résultat théo- rique désiré de température constante de soudage peut être approché. Un nom- bre infini de réseaux pareils produirait théoriquement la relation idéale de courant-temps. Il sera reconnu encore que chacun de ces réseaux aurait plusieurs équivalents du type de ceux montrés dans la figure 5.
Il est entendu que les dispositions décrites plus haut ne sont que des exemples d'application des principes de l'invention.
D'autres nombreuses dispositions peuvent être combinées par les spécialistes dans la matière, sans s'écarterde l'esprit et du cadre de l'in- vention.
REVENDICATIONS. la- Dans un système de soudage, un réseau renfermant plusieurs ré- sistances et plusieurs condensateurs, un moyen pour charger lesdits conden- sateurs, un circuit d'utilisation de soudage comprenant deux électrodes, et des trajets concourants de décharge effective pour lesdits condensateurs à. travers lesdites résistances 'et les deux électrodes précitées.
2. - Dans un système de soudage, un réseau comprenant plusieurs ré- sistances et plusieurs condensateurs, chaque résistance étant combinée avec un condensateur placé en série ou en parallèle, un moyen pour charger les dits condensateurs, une charge de soudure comprenant deux électrodes, et des trajets de décharge concourant effectivement pour les dits condensateurs à travers lesdits éléments résistifs et les deux électrodes précitées.
3.- Dans un système de soudage, un réseau comprenant deux résis- tances R1 et R2 et deux condensateurs C1 et C2, un moyen pour charger lesdits condensateurs, un circuit d'utilisation de soudage comprenant deux é- lectrodes et des trajets de décharge concourànt effectivement pour lesdits
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condensateurs à travers lesdites résistances et deux électrodes précitées, ledit réseau ayant des zéros pour P = - R et P = - R C et ayant des pôles pour P = 0 et P C + 2 1 2 2 l c2 ( n1 + R2) où ; P représente la variable complexe de fréquence, R1 et R2 sont les va- leurs respectives des deux résistances, et C1 et C2 sont les valeurs respec- tives des deux condensateurs.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.