Dispositif de soudage de goujons tubulaires
La présente invention concerne un dispositif de soudage de goujons tubulaires sur des supports, en particulier sur des supports plats perforés tels que des plaques perforées.
Comme cela est bien connu dans la technique, un goujon est une tige pleine, filetée ou lisse, de faible longueur, qui est fixée perpendiculairement sur un support en vue de servir d'élément d'assemblage avec une autre pièce. Par exemple, on utilise de tels goujons soudés sur une paroi pour y assembler une paroi perpendiculaire.
Dans certaines applications, on utilise aussi des goujons creux, ou tubulaires, que l'on fixe par exemple à l'emplacement d'un trou dans le support.
D'une manière générale, les goujons peuvent être soudés sur le support par un procédé de soudage à l'arc. Ce procédé convient bien pour le soudage de goujons pleins sur des supports également pleins.
Dans ce cas, le goujon est maintenu à une certaine distance du support sur lequel il doit être soudé, et on établit une tension électrique initiale entre le goujon et le support. La première étape du procédé consiste à mettre le goujon en contact avec le support, de façon à fermer le circuit électrique. Un courant électrique circule entre le goujon et le support, et provoque réchauffement de la zone de contact. Le goujon est ensuite légèrement écarté du support, de façon à faire jaillir un arc électrique entre les deux éléments. On maintient le goujon à distance du support pendant un temps suffisant pour que l'arc se développe sur toute la section du goujon, afin de provoquer la fusion de l'extrémité du goujon et de créer un bain de fusion localisé dans la surface du support.
Le goujon est alors plongé dans le bain de fusion, où il est maintenu sous un effort axial. Pendant cette dernière étape, le circuit électrique est ouvert, afin de permettre le refroidissement et la solidification de la zone fondue, réalisant ainsi l'assemblage. Ces opérations peuvent être exécutées avec ou sans protection gazeuse. Théoriquement, ce procédé pourrait également être utilisé pour le soudage de goujons tubulaires sur des substrats pleins ou perforés. Ceci impliquerait cependant que les matériaux utilisés soient parfaitement homogènes et que le goujon soit parfaitement perpendiculaire au support, afin de créer un arc électrique uniformément réparti sur la section annulaire du goujon.
En pratique cependant, on constate que l'arc s'établit entre des points préférentiels du goujon tubulaire et du support, et que de ce fait le soudage ne se réalise qu'en un point, et pas sur toute la section du goujon. Un tel assemblage ne présente dès lors pas la résistance et éventuellement pas l'étanchéité requises.
Par ailleurs, on sait par la physique qu'un champ magnétique orienté de manière appropriée exerce, non seulement sur un conducteur parcouru par un courant électrique mais aussi sur un arc électrique, une force qui provoque le déplacement du conducteur ou de l'arc. Ce principe est notamment appliqué dans les moteurs électriques.
Le but de la présente invention est de procurer un dispositif de soudage de goujons tubulaires, qui permet de réaliser l'assemblage soudé sur toute la section du goujon tubulaire avec un support plein ou perforé.
Dans son principe, l'invention est basée sur l'utilisation d'un champ magnétique en vue de provoquer la rotation de l'arc sur toute la section annulaire du goujon tubulaire à souder.
A cet effet, un dispositif de soudage à l'arc électrique d'un goujon tubulaire sur un support, qui comporte une tête de soudage présentant un axe longitudinal, une extrémité aval côté support et une extrémité amont opposée à celle-ci, est caractérisé en ce que la tête de soudage comprend une bobine magnétique coaxiale audit axe longitudinal, un noyau magnétique coaxial logé à l'intérieur de ladite bobine, une enveloppe magnétique coaxiale extérieure entourant la bobine, dont l'extrémité amont est en contact magnétique avec la région amont du noyau magnétique au moyen d'une bague magnétique et dont l'extrémité aval est formée par une paroi transversale espacée de l'extrémité aval du noyau magnétique, cette paroi transversale étant percée d'une ouverture, de préférence circulaire, permettant le passage d'un goujon tubulaire à souder,
et un élément coaxial électriquement isolant disposé entre le noyau magnétique central et ladite bague magnétique de jonction avec l'enveloppe magnétique.
L'enveloppe peut de préférence avoir la forme d'une douille, coaxiale à l'axe longitudinal de la tête de soudage.
Selon une forme de réalisation avantageuse, un logement pour le goujon tubulaire à souder est prévu dans la région de l'extrémité aval du noyau magnétique.
De préférence, le noyau magnétique comporte un canal, avantageusement central, débouchant dans le logement prévu pour le goujon tubulaire, afin d'amener un gaz de protection dans l'espace intérieur du goujon tubulaire. Ce canal peut être raccordé à une source extérieure de gaz de protection par tout moyen approprié connu en soi.
Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse, la paroi transversale formée à l'extrémité aval de l'enveloppe magnétique est de forme conique, convergente en direction de l'extrémité aval de la tête de soudage. Cette forme favorise la distribution des lignes de force du champ magnétique sur tout le périmètre de l'ouverture de l'enveloppe d'une part et sur tout le périmètre du goujon tubulaire à souder d'autre part. Elle favorise également la convergence des lignes de force vers le centre du goujon tubulaire à souder afin d'obtenir une importante composante radiale du champ magnétique agissant sur l'arc électrique formé entre le goujon et le support et une faible composante radiale de ce champ magnétique.
A cet égard, l'angle d'inclinaison de ladite paroi conique par rapport à l'axe longitudinal de la tête de soudage est avantageusement compris entre 10[deg.] et 80[deg.], de préférence entre 20[deg.] et 70[deg.], et vaut de préférence encore au moins environ 60[deg.].
D'une manière particulièrement avantageuse, les pièces constituant le circuit magnétique, à savoir l'enveloppe, le noyau et la bague de jonction sont composées d'un acier à haute perméabilité magnétique.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée d'un exemple de réalisation, en faisant référence aux dessins annexés, dans lesquels La Fig. 1 est une représentation, en coupe axiale, d'une tête de soudage selon l'invention; et La Fig. 2 est une vue en coupe axiale montrant l'assemblage d'un goujon tubulaire sur une tôle perforée.
La Figure 1 représente partiellement une coupe axiale à travers une tête de soudage selon l'invention, à monter sur un pistolet de soudage conventionnel. La tête de soudage présente de préférence une section circulaire, en correspondance avec la forme circulaire des goujons tubulaires à souder. De ce fait, elle possède un axe longitudinal I.
Dans la Figure 1, le dispositif de soudage est symbolisé par un canon P, bien connu de l'homme du métier, qui ne sera dès lors pas décrit ou illustré plus en détail ici.
Une tête de soudage de goujons tubulaires, désignée globalement par le repère 1, présente une première extrémité, dite extrémité amont, du côté du canon P, et une deuxième extrémité, dite extrémité aval, proche d'un support, tel qu'une pièce 2, sur lequel un goujon doit être soudé.
La tête de soudage 1 comprend une enveloppe magnétique 3, de préférence une douille en acier, disposée coaxialement dans le prolongement du canon P. Elle est reliée au canon P par l'intermédiaire d'un couvercle de fixation annulaire 4, qui est à son tour attaché au canon par des moyens appropriés, par exemple par des vis de fixation 5. Une bobine électromagnétique 6 est disposée coaxialement à l'intérieur de la enveloppe 3, et présente un espace intérieur dans lequel est logé un noyau magnétique 7. Le noyau 7 se prolonge au-delà de la bobine 6 en direction du canon P, par une partie de plus grand diamètre 8 menée à travers le couvercle de fixation 4. Ce prolongement s'étend en direction axiale jusqu'à une pièce adaptatrice 9, reliée à l'alimentation électrique du pistolet de soudage d'une manière connue.
A son extrémité opposée au canon P, le noyau magnétique 6 présente une cavité axiale destinée à recevoir un goujon tubulaire à souder.
A son extrémité amont, l'enveloppe magnétique 3 est pourvue intérieurement d'une bague métallique de jonction 10, entourant le prolongement 8 du noyau magnétique 7. Cette bague 10 s'applique sur ce prolongement 8 par l'intermédiaire d'un manchon électriquement isolant 11, de préférence en PTFE (Teflon(R)). Ce manchon permet le coulissement axial du noyau 7, 8 ainsi guidé dans la bague 10. De cette manière, le courant de soudage circulant dans la pièce adaptatrice 9 et le noyau 7 n'est pas transmis à l'enveloppe 3.
A son extrémité aval, l'enveloppe 3 se prolonge au-delà de la bobine 6, et se termine par une paroi conique convergente 12, qui présente une ouverture centrale
13 permettant le passage du goujon à souder. La conicité de cette paroi 12 par rapport à l'axe longitudinal I de la tête de soudage 1 est ici de 60[deg.]. Elle n'est cependant pas limitée à cette valeur.
La tête de soudage 1 se termine à son extrémité aval par une pièce annulaire 14, disposée essentiellement autour de la région d'extrémité conique de l'enveloppe 3. Cette pièce 14 forme une base d'appui de la tête de soudage 1 sur la pièce 2.
Le noyau magnétique 7 présente un canal 16 permettant l'arrivée de gaz protecteur dans la zone de soudage. Le canal 16 comporte avantageusement des branches d'entrée et de sortie, inclinées dans le sens de circulation du gaz afin de favoriser son écoulement à travers le noyau magnétique 7 en direction de l'extrémité aval de la tête de soudage.
La tête de soudage selon l'invention fonctionne de la manière suivante. A titre d'exemple, on se réfère au soudage d'un goujon tubulaire en acier sur une pièce d'acier 2.
Un goujon tubulaire 15 est placé dans le logement prévu à cet effet dans le noyau magnétique 7, et la tête de soudage 1 est appliquée perpendiculairement sur la pièce 2 par la base 13. Une tension de soudage est appliquée au goujon 15, via la pièce adaptatrice 9 et le noyau magnétique 7. Le noyau 7 est ensuite déplacé en direction de la pièce 2, afin de mettre le goujon 15 en contact avec la pièce 2 et fermer ainsi le circuit électrique. On écarte alors le goujon 15 de la pièce 2 en déplaçant le noyau 7 en direction du canon P, de façon à faire jaillir un arc électrique entre le goujon 15 et la pièce 2.
Jusqu'à ce stade, le procédé correspond au soudage conventionnel d'un goujon sur une pièce. Selon l'invention, on crée dans la tête de soudage un champ magnétique, au moyen d'un circuit dérivé comprenant la bobine magnétique 6, le noyau magnétique 7, la bague 10, l'enveloppe 3 et le goujon 15 placé dans le logement du noyau 7. Ce circuit magnétique présente un entrefer entre les deux pôles magnétiques constitués par le goujon et la région du bord de l'ouverture 13 formée dans la paroi conique 12.
En raison de la configuration de l'extrémité de l'enveloppe 3, le champ magnétique présente dans cet entrefer une importante composante radiale, très uniforme, et une composante axiale très faible.
La bobine 6 produit ainsi des lignes de force magnétiques qui circulent dans le noyau 7 et dans le goujon 15. Le flux magnétique quittant le goujon 15 est canalisé sous la forme d'une nappe de lignes de force en raison de la forme de l'autre pôle magnétique, c'est-à-dire de la paroi conique 12, et circulent ensuite dans la paroi de l'enveloppe 3 pour retourner dans le noyau 7 par la bague de jonction 10, qui ferme le circuit magnétique.
Le champ magnétique essentiellement radial créé dans l'entrefer provoque la rotation de l'arc électrique sur la périphérie de la face d'extrémité du goujon, qui est ainsi chauffée et fondue uniformément sur toute sa surface. Le goujon peut alors être poussé par des moyens appropriés présents dans le pistolet de soudage, afin d'être plongé dans le bain de fusion également formé par l'arc électrique dans la surface de la pièce 2.
La Figure 2 représente, en coupe axiale, l'assemblage d'un goujon tubulaire 15 sur une tôle percée 2, réalisé au moyen de la tête de soudage selon l'invention.
La soudure 17 est réalisée correctement sur toute la périphérie du goujon, et assure un assemblage très résistant de ces deux éléments.
L'invention n'est bien entendu pas limitée à la forme de réalisation particulière qui a été décrite et illustrée ici. Elle englobe en fait toutes les modifications et améliorations qui pourraient y être apportées dans le cadre des revendications qui suivent.
Device for welding tubular studs
The present invention relates to a device for welding tubular studs on supports, in particular on perforated flat supports such as perforated plates.
As is well known in the art, a stud is a solid, threaded or smooth rod, of short length, which is fixed perpendicularly on a support to serve as an assembly member with another piece. For example, such studs welded to a wall are used to assemble a perpendicular wall.
In some applications, hollow or tubular studs are also used, which are fixed for example at the location of a hole in the support.
In general, the studs can be welded to the support by an arc welding process. This method is well suited for welding solid studs to equally solid supports.
In this case, the stud is held at a distance from the support on which it is to be welded, and an initial electrical voltage is established between the stud and the support. The first step of the method is to put the stud in contact with the support, so as to close the electrical circuit. An electric current flows between the stud and the support, and causes warming of the contact area. The stud is then slightly spaced from the support, so as to spark an electric arc between the two elements. The stud is held away from the support for a time sufficient for the arc to develop over the entire section of the stud, to cause the end of the stud to melt and to create a melt located in the surface of the support .
The stud is then immersed in the melt, where it is held under axial force. During this last step, the electrical circuit is open, to allow the cooling and solidification of the melted zone, thus achieving the assembly. These operations can be performed with or without gas shielding. Theoretically, this method could also be used for tubular stud welding on solid or perforated substrates. This would however imply that the materials used are perfectly homogeneous and that the stud is perfectly perpendicular to the support, to create an electric arc uniformly distributed over the annular section of the stud.
In practice, however, it is found that the arc is established between the preferred points of the tubular stud and the support, and that the welding is therefore achieved in one point, and not on the entire section of the stud. Such an assembly therefore does not have the resistance and possibly not the required sealing.
Furthermore, it is known by physics that a suitably oriented magnetic field exerts, not only on a conductor traversed by an electric current but also on an electric arc, a force that causes the conductor or arc to move. This principle is particularly applied in electric motors.
The object of the present invention is to provide a tubular stud welding device, which allows for the welded assembly over the entire section of the tubular stud with a solid or perforated support.
In principle, the invention is based on the use of a magnetic field to cause the rotation of the arc over the entire annular section of the tubular stud to be welded.
For this purpose, a device for electric arc welding of a tubular stud on a support, which comprises a welding head having a longitudinal axis, a downstream end support side and an upstream end opposite to it, is characterized in that the welding head comprises a magnetic coil coaxial with said longitudinal axis, a coaxial magnetic core housed within said coil, an outer coaxial magnetic envelope surrounding the coil, whose upstream end is in magnetic contact with the region upstream of the magnetic core by means of a magnetic ring and whose downstream end is formed by a transverse wall spaced from the downstream end of the magnetic core, this transverse wall being pierced with an opening, preferably circular, allowing the passage a tubular stud to be welded,
and an electrically insulating coaxial element disposed between the central magnetic core and said magnetic connecting ring with the magnetic envelope.
The casing may preferably be in the form of a socket, coaxial with the longitudinal axis of the welding head.
According to an advantageous embodiment, a housing for the tubular stud to be welded is provided in the region of the downstream end of the magnetic core.
Preferably, the magnetic core comprises a channel, advantageously central, opening into the housing provided for the tubular stud, in order to bring a shielding gas into the interior space of the tubular stud. This channel may be connected to an external source of shielding gas by any appropriate means known per se.
According to a particularly advantageous embodiment, the transverse wall formed at the downstream end of the magnetic envelope is of conical shape converging towards the downstream end of the welding head. This shape favors the distribution of the force lines of the magnetic field over the entire perimeter of the opening of the envelope on the one hand and the entire perimeter of the tubular stud to be welded on the other. It also favors the convergence of the lines of force towards the center of the tubular stud to be welded in order to obtain a large radial component of the magnetic field acting on the electric arc formed between the stud and the support and a small radial component of this magnetic field. .
In this regard, the angle of inclination of said conical wall with respect to the longitudinal axis of the welding head is advantageously between 10 [deg.] And 80 [deg.], Preferably between 20 [deg.] and 70 [deg.], and is more preferably at least about 60 [deg.].
In a particularly advantageous manner, the parts constituting the magnetic circuit, namely the envelope, the core and the connecting ring are made of a steel with high magnetic permeability.
The invention will be better understood from the detailed description of an exemplary embodiment, with reference to the accompanying drawings, in which FIG. 1 is a representation, in axial section, of a welding head according to the invention; and FIG. 2 is an axial sectional view showing the assembly of a tubular stud on a perforated plate.
Figure 1 shows partially an axial section through a welding head according to the invention to be mounted on a conventional welding gun. The welding head preferably has a circular section, in correspondence with the circular shape of the tubular studs to be welded. As a result, it has a longitudinal axis I.
In Figure 1, the welding device is symbolized by a gun P, well known to those skilled in the art, which will not be described or illustrated in more detail here.
A tubular stud welding head, generally designated by the reference numeral 1, has a first end, said upstream end, on the side of the barrel P, and a second end, said downstream end, close to a support, such as a piece 2, on which a stud must be welded.
The welding head 1 comprises a magnetic envelope 3, preferably a steel sleeve, disposed coaxially in the extension of the barrel P. It is connected to the barrel P via an annular fixing cover 4, which is at its right. tower attached to the barrel by appropriate means, for example by fixing screws 5. An electromagnetic coil 6 is arranged coaxially inside the casing 3, and has an interior space in which is housed a magnetic core 7. The core 7 extends beyond the coil 6 towards the barrel P, by a larger diameter portion 8 conducted through the fastening cover 4. This extension extends axially to an adapter piece 9, connected to the power supply of the welding gun in a known manner.
At its end opposite the barrel P, the magnetic core 6 has an axial cavity for receiving a tubular stud to be welded.
At its upstream end, the magnetic envelope 3 is internally provided with a metal junction ring 10, surrounding the extension 8 of the magnetic core 7. This ring 10 is applied to this extension 8 via an electrically conductive sleeve. insulator 11, preferably of PTFE (Teflon (R)). This sleeve allows axial sliding of the core 7, 8 thus guided in the ring 10. In this way, the welding current flowing in the adapter part 9 and the core 7 is not transmitted to the envelope 3.
At its downstream end, the envelope 3 extends beyond the coil 6, and ends with a conical conical wall 12, which has a central opening
13 allowing the passage of the stud to be welded. The taper of this wall 12 relative to the longitudinal axis I of the welding head 1 is here 60 [deg.]. However, it is not limited to this value.
The welding head 1 terminates at its downstream end by an annular piece 14, disposed essentially around the conical end region of the casing 3. This part 14 forms a bearing base of the welding head 1 on the room 2.
The magnetic core 7 has a channel 16 for the arrival of protective gas in the welding zone. The channel 16 advantageously comprises inlet and outlet branches, inclined in the direction of flow of the gas to promote its flow through the magnetic core 7 towards the downstream end of the welding head.
The welding head according to the invention operates as follows. By way of example, reference is made to the welding of a steel tubular stud to a piece of steel 2.
A tubular stud 15 is placed in the housing provided for this purpose in the magnetic core 7, and the welding head 1 is applied perpendicularly to the workpiece 2 by the base 13. A welding voltage is applied to the stud 15 via the workpiece adapter 9 and the magnetic core 7. The core 7 is then moved towards the part 2, in order to put the pin 15 in contact with the part 2 and thus close the electrical circuit. The stud 15 is then moved away from the part 2 by moving the core 7 towards the barrel P, so as to make an electric arc emerge between the stud 15 and the part 2.
Until this point, the method corresponds to the conventional welding of a stud to a workpiece. According to the invention, a magnetic field is created in the welding head by means of a derived circuit comprising the magnetic coil 6, the magnetic core 7, the ring 10, the casing 3 and the stud 15 placed in the housing. of the core 7. This magnetic circuit has an air gap between the two magnetic poles constituted by the stud and the region of the edge of the opening 13 formed in the conical wall 12.
Due to the configuration of the end of the envelope 3, the magnetic field has in this gap a large radial component, very uniform, and a very low axial component.
The coil 6 thus produces magnetic lines of force which circulate in the core 7 and in the stud 15. The magnetic flux leaving the stud 15 is channeled in the form of a ply of lines of force because of the shape of the another magnetic pole, that is to say the conical wall 12, and then circulate in the wall of the casing 3 to return to the core 7 by the junction ring 10, which closes the magnetic circuit.
The essentially radial magnetic field created in the gap causes rotation of the electric arc on the periphery of the end face of the stud, which is thus heated and fused uniformly over its entire surface. The stud can then be pushed by appropriate means present in the welding gun to be immersed in the melt also formed by the electric arc in the surface of the workpiece 2.
Figure 2 shows, in axial section, the assembly of a tubular stud 15 on a drilled sheet 2, made by means of the welding head according to the invention.
The weld 17 is made correctly over the entire periphery of the stud, and provides a very strong assembly of these two elements.
The invention is of course not limited to the particular embodiment which has been described and illustrated here. It encompasses all the modifications and improvements that could be made to them in the following claims.