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Procédé de soudée par arc et impulsion$ en courant alternatif.
Qualification proposa : BREVET D'INVNETION
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La présente invention concerne le soudage par arc et impulsions en courant alternatif, appliqué aux constructions mécaniques pour le soudage des aciers au carbone et alliés, ainsi que des métaux non ferreux.
On connaît des procédés de soudage par arc et impulsions en courant alternatif, dans lequela, après passage du courant par la valeur nulle on applique sur l'intervalle de décharge une ou plusieurs impulsions de haute tension à fréquence élevée.
Ces procédés de soudage ont l'inconvénient que pour traverser l'intervalle de décharge et amorcer l'arc d'une façon sûre à chaque alternance, on applique d'or- dinaire sur l'intervalle de décharge une impulsion ou des impulsions de haute tension, et on synchronise exectement le moment de leur application avec le commence- ment de l'alternance de tension et le passage du courant par la valeur nulle. Cela entraine une complication de l'appareillage, l'augmentation des risques d'électrocution du soudeur et de claquage de l'isolation du transforma- teur de soudage.
Les impulsions de haute tension à fré- quence élevée augmentent les parasites radioélectriques lors du soudage et requièrent l'emploi de dispositifs do déparasitage apéciaux.
Quant l'intervalle de décharge est traversé, les impulsions ont une puissance faible et n'exercent pas d'influence sur les caractéristiques technologiques du processus et sur le transfert du métal d'électrode dans la cas de soudage par électrode fusible.
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Dans un certain nombre de cas, par exemple dans le soudage par électrode fusible sous gaz protecteurs, les- dites impulsions de haute tension n'améliorent pas la sta- bilité de réamorçage de l'arc; aussi, le soudage sous gaz protecteurs par électrode fusible en courant alternatif n'est-il pas appliqué dans la pratique.
Le but de la présente invention est d'éliminer les inconvénients mentionnés.
On s'est donc proposé de mettre au point un pro- cédé de soudage par arc et impulsions en courant alternatif avec une électrode fusible ou non, dans lequel la stabilisa- tion du processus serait obtenue par mise en oeuvre d'im- pulsions de tension peu élevée, dans lequel il serait possible de régler le cycle thermique du soudage, la forme et les dimensions du cordon, et qui améliorerait les pro- priétés mécaniques et anticorrosives du joint soudé. En outre, dans le cas du soudage par électrode fusible, il serait possible de régler le transfert du métal d'électrode, dirigé vers la pièce dans toutes les positions de soudage, les éclaboussures étant faibles, l'oxydation du cordon et le dégagement de gaz nocifs étant minimaux.
La solution consiste à injecter dans le courant de l'arc, à la fin de l'alternance, des impulsions de courant de même polarité que le courant de l'arc.
Dans plusieurs cas, il est avantageux d'injec- ter les impulsions de courant à la fin des alternances d'une seule polarité, ou des deux polarités.
Dans le soudage par électrode fusible, il est avantageux d'employer des impulsions de courant Iimp ayant les paramètres suivants, par rapport à l'intensité moyenne
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du courant de l'arc I1: intensité Iimp - (3 à 15)I1; durée timp - 1,0 à 3,5 ms, la vitesse de croissance de l'intensité de l'impulsion étant diimp - 250 à 700 kA/s. dt
On peut injecter dans le courant de l'arc, lorsqu'il se trouve dans la zone de son intensité maximale, une impulsion de courant auxiliaire permettant de commander le transfert du métal d'électrode.
Dans plusieurs cas, il faut injecter l'impulsion de courant auxiliaire aux alternances d'une seule polarité, ou des deux polarités.
Il est possible de donner des valeurs différentes aux paramètres des impulsions de courant injectées dans le courant de l'arc à la fin de l'alternance, et aux paramètres de l'impulsion auxiliaire.
Quelquefois, il est avantageux, afin d'améliorer le réamorçage de l'arc, d'augmenter la différence de potentiel entre l'électrode et la pièce, au commencement de l'alternance, en appliquant une impulsion de tension de même polarité que la tension de soudage.
L'invention va être décrite plus en détail dans les exemples de réalisation suivants et à l'aide des dessins annexés sur lesquels: - la fig. 1 représente les variations du courant de l'arc i lors du soudage par arc et impulsions avec injec- tion d'une impulsion de courant dans le courant de l'arc à la fin des deux alternances, suivant l'invention; - la fig. 2, représente les variations du cou-
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rant de l'arc i lors du soudage par arc et impulsions avec injection d'impulsions de courant dans le courant de l'arc à la fin des alternances d'une seule polarité, suivant l'invention;
- la fig. 3 représente les variations du courant de l'arc lors du soudage par arc et impulsions avec injection d'impulsions de courant principales à la fin des alternances et d'impulsions auxiliaires au milieu de chaque alternance, suivant l'invention; - la fig. 4 représente les variations du courant de l'arc lors du soudage par arc et impulsions avec injection d'impulsions principales et auxiliaires aux alternances d'une seule polarité, suivant l'invention; - la fig. 5 représente les variations de la tension aux bornes de la source d'alimentation u', de la tension à l'arc u et du courant dans l'arc i, lors du soudage par arc et impulsions avec application d'une im- pulsion de tension au commencement de l'alternance et in- jection d'une impulsion de courant principale, à la fin de l'alternance du courant de l'arc, suivant l'invention ;
la fig. 6 représente le schéma électrique d'un dispositif pour le soudage par arc et impulsions avec injection d'impulsions de courant isolées à la fin des al- ternances d'une seule polarité, suivant l'invention.
Considérons, à titre d'exemple, la réalisation du soudage par arc et impulsions en courant alternatif, sous gaz protecteurs, avec une électrode non fusible et avec une électrode fusible, suivant l'invention. la fig. 1 représente la forme typique des variations des courbes du courant de l'arc i lors du soudage par arc et impulsions en courant alternatif, sous
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gaz protecteurs, avec injection d'une impulsion Iimp de même polarité dans le courant de l'arc, à la fin des deux alternances.
Les portions A de la courbe du courant corres- pondent au courant de l'arc avant l'injection des impulsions; les portions B correspondent au courant de l'impulsion.
L'intensité moyenne du courant de soudage est désignée par I1, l'intensité maximale du courant de l'impulsion par Iimp et la durée de l'impulsion par timp.
L'amorçage du cordon, dans le cas du soudage par électrode non fusible, s'effectue par l'un des modes opéra- toires connus, par exemple à l'aide d'une décharge à fré- quence élevée. Après amorçage de l'arc, la pièce à souder fond et il y a formation du cordon. L'injection d'une im- pulsion de courant Iimp dans le courant de l'arc i, à la fin de l'alternance, assure l'augmentation de la tempéra- ture du plasma de l'arc et de l'émission thermionique à partir de l'électrode avant l'extinction de l'arc, freine la désionisation de l'intervalle de décharge après extinction de l'arc, et assure une plus grande vitesse de variation du courant dans l'arc au passage par la valeur nulle. Il en résulte un réamorçage plus facile de l'arc à l'alter- nance sui ant et une amélioration de la stabilité du soudage.
Dans plusieurs cas, pour améliorer la stabilité du soudage, il suffit d'injecter les impulsions de courant à la fin de l'alternance d'une seule polarité. L'allure des variations du courant de l'arc i dans ce cas est montrée en fig. 2.
Le soudage par arc et impulsions avec une élec- trode fusible en courant alternatif, suivant l'invention,
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s'effectue avec avancement du fil-électrode vers la pièce à une vitesse constante. Pour l'exécution du soudage, on utilise les soudeuses automatiques et semi-automatiques usuelles. L'amorçage du cordon est assuré par n'importe lequel des modes opératoires connus, par exemple par mise en marche de l'avancement du fil, simultanément avec la mise sous tension de l'intervalle de décharge. Au contact du fil avec la pièce, il se produit une brusque montée du courant., le fil-électrode surchauffe et grille en ex- plosant; l'arc s'amorce et le soudage commence. L'arc étant établi, l'électrode fond et il se forme des gouttes de métal liquide .
Lorsqu'une impulsion est injectée, la goutte est pulsée de l'électrode à la pièce et il y a échauffe- ment additionnel de l'électrode, de la pièce à souder et du plasma de l'arc, ce qui facilite le réamorçage de l'arc à l'alternance suivante et améliore la stabilité du pro- cessus. L'injection des impulsions de courant s'effectue suivant les schémas montrés en fig. 1 ou en fig. 2.
Pour assurer la projection goutte par goutte de métal de l'électrode à la pièce par chaque impulsion, à la fin de l'alternance, le réglage de la vitesse de fusion de l'électrode et de la forme de la zone de péné- tration dans la pièce, la conduite du déroulement des réac- tions métallurgiques ainsi que la modification du cycle de soudage, les paramètres des impulsions de courant Iimp sont choisis dans les limites suivantes, par rapport à l'intensité moyenne du courant de l'arc I1 :
Iimp - (3 à 15) Il' pour une durée de l'impulsion
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timp - 1,0 à 3,5 me et une vitesse de variation du courant de l'impulsion
EMI8.1
di imp - 200 à 700 kA/e dt
Dans le cas où les impulsions de courant sont injectées à la fin des alternances d'une seule polarité, elles sont injectées à l'alternance ayant la polarité en présence de laquelle la projection de la goutte est plus facile.
Par exemple, dans le soudage de l'acier inoxydable sous argon, les impulsions de courant sont injectées à l'alter- nance de polarité inverse.
Dans certains cas, par exemple dans le soudage sous CO2 et autres, la projection de la goutte de l'électrode, à la fin de l'alternance conduit à un refroidissement im- portant des gaz dans l'intervalle de décharge et rend plus difficile le réamorçage de l'arc.
Dans de telles conditions, suivant l'invention, on injecte dans le courant de l'arc, lorsque celui-ci se trouve dans la zone de sa valeur maximale, une impulsion de courant auxiliaire à laquelle on donne une intensité telle qu'il y ait projection d'une goutte de métal à partir de l'électrode, et à la fin de l'alternance du courant de l'arc on injecte l'impulsion de courant principale qui ne provoque pas la projection d'une goutte à partir de l'électrode, mais assure seulement l'échauffement supplémentaire de l'électrode, de la pièce et du gaz de l'arc. Grâce,à ce fait, le réamorçage de l'arc se trouve facilité.
Les paramètres de l'impulsion additionnelle sont choisis dans les mômes limites que ceux de l'impulsion principale, à savoir:
EMI8.2
ümp - (3 à' 15) Il 'ti mp. - 1,0 à 3,5 ma; diimp ¯ 200 à 700 kA/s. dt
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En outre, 1'impulsion injectée à la fin de l'alternance sera dite principale, et l'impulsion injectée au moment où le courant de l'arc est dans la zone de sa valeur maximale sera dite auxiliaire.
Les paramètres des impulsions principale et auxiliaire peuvent être aussi bien les mêmes que différente.
Les variations du courant, dans le cas d'injection de ces impulsions de courant, sont montrées en fig. 3. Les portions A et A' de la courbe du courant correspondent au courant dans l'arc avant l'injection des impulsions auxiliaire et princi- pale ; la portion B' correspond au courant de l'impulsion auxiliaire, et la portion B au courant de l'impulsion princi- pale. L'intensité de l'impulsion de courant auxiliaire est désignée par I'imp' sa durée t'imp;respectivement l'intensité et la durée de l'impulsion de courant principale sont désignées par I imp et timp; t1 est l'intervalle de temps entre l'instant où l'arc s'amorce et l'injection de l'impulsion de courant auxiliaire ; t2 est l'intervalle de tempe entre les impulsions de courant auxiliaire et principale. Selon les conditions de soudage ces paramètres peuvent être différents.
La réalisation du soudage avec injection dans l'arc d'impulsions de courant auxiliaire et principale, élargit considérablement les possibilités de commande de la fusion et du transfert du métal d'électrode, de la pénétration dans la pièce, de la forme du cordon, du cycle thermique de soudage, augmente la production et améliore la qualité des cordons soudés et élargit notablement la gamme des épaisseurs soudablea.
Dans plusieurs cas, il est avantageux d'injecter l'impulsion de courant auxiliaire aux alternances d'une seule polarité. La variation du courant concernant ce cas est
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montrée en fig. 4.
Quelquefois, par exemple dans le soudage sous hydrogène, le réamorçage s'avère très difficile. Dans ce cas, suivant l'invention, pour faciliter le réamorçage de l'arc et obtenir une bonne stabilité du soudage, on applique sur l'intervalle de décharge, au commencement de l'ater- nance (après passage du courant par la valeur nulle) une impulsion de tension de même polarité que la tension de la source d'alimentation, et, à la fin de l'alternance, on injecte l'impulsion de courant principale.
Cette impulsion de tension facilite la traversée de l'intervalle de décharge réchauffé et le réamorçage de l'arc.
Ensuite, le processus se déroule comme décrit plus haut pour les cas du soudage par électrode non fusible et par électrode fusible. L'allure des variations de la tension de la source d'alimentation u', de la tension à l'arc u et du courant dans l'arc i pour le cas considéré est montrée en fig. 5.
La portion C de la courbe représentant la tension de la source d'alimentation u' correspondant à la tension à vide, et la portion D, à la tension de l'impulsion. Les portions A et B de la courbe représentant le courant dans l'arc correspondent comme en fig. 1 et 2 au courant dans l'arc avant l'inpulsion et au courant de l'impulsion.
Pour réaliser le soudage par arc et impulsions en courant alternatif, suivant l'invention, on peut utiliser des dispositifa de types différents. Le schéma électrique de principe d'un tel dispositif est montré en fig. 6. Ce dispo- sitif assure l'injection d'une impulsion de courant à la fin des alternâmes d'une seule polarité.
Il se compose d'un bloc principal 1 de puissance et d'un bloc 2 générateur d'impulsions. Le bloc principal 1
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de puissance comprend un transformateur 3 et une inductance réglable 4, assurant le maintien de l'arc à courant alterna- tif.
L'électrode 5 est connectée à l'inductance 4, et la pièce 6 au transformateur 3. L'intervalle de décharge est repéré par le chiffre 7.
Le bloc 2 générateur d'impulsions de courant se compose d'un transformateur de charge 8, d'un,redresseur à une alternance 9, d'une capacité 10, d'une soupape com- mandée 11, d'une réactance inductive 12. L'enroulement primaire 13 du transformateur de charge 8 est fractionné pour le réglage de la tension de charge et le changement des paramètres des impulsions; il est alimenté à partir d'un réseau de courant alternatif à fréquence de 50 Hz.
L'enroulement secondaire 14 du transformateur 8 fournit la tension de charge qui est redressée par le redresseur 9 et appliquée à la capacité 10. Le circuit de décharge, comprenant une soupape commandée 11 et une inductance réglable 12, est connecté en parallèle sur l'intervalle de décharge 7, à l'éle ctrode 5 et à la pièce 6.
La commande de la soupape 11 est assuré par un déphaseur statique alimenté à partir de l'enroulement 15 du transformateur 8 et réalisé avec des éléments RC; ce déphaseur se compose d'une capacité 16, d'un transfor- mateur d'impulsions 17 à noyau de ferrite, de résistances 18, 19 et 20, et de soupapes 21 et 22. Le déphaseur est connecté à l'électrode de commande de la soupape 11 via l'interrupteur 23.
Lorsque le transformateur 3 est branché au réseau de courant alternatif, l'arc s'amorce. Le fonctionne-*
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ment et le réglage du transformateur 3 et de l'inductance 4 se font de la même façon que dans le soudage classique.
Quand le transformateur 8 se trouve alimenté par le réseau de courant alternatif, la capacité 10 se charge à travers le redresseur 9 jusqu'à la valeur d'amplitude de la tension fournie par le transformateur 8 dans l'enroulement secon- daire 14. Le courant de charge est limité par la réactance inductive de fuites du transformateur 8. Pendant la charge de la capacité 10, la soupape commandée 11 est bloquée.
Une fois le condensateur 10 chargé, l'interrupteur 23 étant branché, la soupape commandée 11 devient conductrice et le condensateur 10 se décharge dans l'arc, ceci entraine l'injection d'une puissante impulsion de courant unipolaire dans l'arc, impulsion qui assure l'amélioration de la stabilité du processus et commanda les caractéristiques technologiques lors du soudage. Les paramètres de l'im- pulsion de courant se règlent en modifiant la tension de charge, la valeur de la capacité 10 et la valeur de l'in- ductance réglable 12.
La mise de la soupape 11 à l'état conducteur s'effectue à partir du déphaseur statique. Ce dernier est réglé de telle façon que la mise à l'état conducteur de la soupape de décharge 11 soit effectuée après la charge du condensateur 10, à la fin de la même alternance, ou bien à l'alternance suivante. La sélection des alternances de charge et de décharge de la capacité 10 s'effectue par mise en phase ou en contre-phase du transformateur de puissance 3 et du transformateur de charge 8, selon les propriétés physiques et technologiques de l'arc et selon les prescriptions présentées au soudage.
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Le dispositif décrit aussure l'injection d'im - pulsions de courant à fréquence de récurrence égale à la fréquence de la tension du réseau d'alimentation. Pour réa- liser le soudage avec injection d'impulsions de courant dans le courant de l'arc aux deux alternances, ou avec injection et auxiliaire à paramètres différentes, on connecte en parallèle @ à chaque alternance d'impulsions de courant principale/au transformateur de soudage principal, par exemple, plusieurs blocs générateurs d'impulsions de courant comme ceux décrits plus haut, ces blocs étant alimentés à partir d'un trans- formateur de charge monophasé ou triphasé, et synchronisé d'une façon appropriée.
REVENDICATIONS
1.- Procédé de soudage par arc et impulsions en courant alternatif, caractérisé par le fait que l'on injecte dans le courant de l'arc, à la fin de l'alternance, des impulsions de courant de même polarité que le courant de l'arc..