CA1306513C

CA1306513C - Procede pour terminer une soudure fermee au plasma d'arc avec trou traversant

Info

Publication number: CA1306513C
Application number: CA000574967A
Authority: CA
Inventors: Eric Verna; Jean-Pierre Schultz
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1987-08-18
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1992-08-18
Anticipated expiration: 2009-08-18
Also published as: US4885455A

Abstract

Pour terminer la soudure, on commence par réduire l'énergie moyenne de l'arc jusqu'à obtenir le bouchage du trou, puis on augmente brièvement cette énergie avant de la faire décroître de nouveau. Application au soudage au plasma d'arc des aciers au carbone.

Description

~3~5~3 -, DESCRIPTION
La presente invention est relative à un procédé pour terminer une soudure fermée au plasma d'arc avec trou traversant. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, au soudage des aciers au carbone.
Dans le soudage au plasma d'arc, l'arc jaillit entre une électrode (en général de tungstène ou autre materiau réfractaire) et une autre électrode qui est en général la pièce à souder, l'énergie de l'arc étant fournie par un générateur électrique.
Cet arc est contraint de traverser un orifice étroit, de quelques dixièmes à plusieurs millimètres de diamètre, percé dans un bloc appelé tuyère. Un je~ gazeux appelé gaz plasmagène (argon, mélange argon/hydrogène, heliunlhydrogène ou tout autre gaz ou melange de gaz approprié) passe ~ travers cet orifice.
Par cette technique, l'arc électrique est de petit diamètre et de grande longueur : l'énergie y est très concentrée et pe~met donc de pénétrer profondément dans le joint à souder. L'énergie transmise et sa concentration sont liées à l'intensité du courant electrique et au débit du gaz plasmagène. Pour un débit donné, l'intensite du courant, la tension d'arc et la distance de la pièce à la torche (et plus précisement à l'electrode) sont liées, le paramètre de cGmmande étant généralement la tension d'arc.
Pour souder bord à bord deux pièces metalliques au plasma d'arc, on proc~de par pénétration complate, c'est-à-dire coupage des deux pièces dans le plan du joint. L'intensité du courant et le débit du gaz sont réglés de manière à assurer juste le perçage des deux pièces, l'arc sortant ~ l'envers des pieces. C'est ce que 1'on appelle le soudage en trou de serrure traversant ou "key-hole".
Le choix judicieux des parametres énergétiques et de la vitesse de soudage pernettent d'assurer la continuite de cette operation, et le métal fondu, au lieu d'être chassé violemment sous les pièces comme en coupage, sP rassemble derrière l'arc en le contournant et permet ainsi la liaison des deux pièces sur toute l'épaisseur d'une façon s~ure.
En soudage en général, il existe deux phases transitoires en début et fin d'operation. En particulier, en soudage au plasma d'arc, il subsiste en fin d'opération un cratère intéressant toute l'épaisseur de la pièce, cratère qu'il est indispensable d'éliminer.
Sur des soudures ayant un début ou une fin, l'adjonction 13U65~3

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d'appendices ensuite élimines permet de resoudre ce probleme. Par contre, dans le cas de soudures "fern~es", en general circulaires (raboutage de tubes ou viroles, pose de fonds sur des viroles, etc.), on ne peut utiliser cet artifice, et il est donc necessaire d'envisager d'autres solutions pour obtenir un joint sain.
La technique habituellement utilisee consiste à diminuer conjointement ou non, avec decalage ou non dans le temps, l'intensité de courant et le debit de gaz. Le trou se bouche et le métal d'apport remplit progressivement la cavité en fin de soudure. Pendant cette opération, la vitesse de soudage peut egalement varier, ainsi que la quantité de metal d'apport et l'instant où l'on assure son transfert.
Cette technique donne généralement satisfaction sur des métaux ccmme les aciers inoxydables. Par contre, l'application directe de ce principe "d'évanouissement" sur des aciers au carbone ne permet pas d'assurer des fins de cordon sans défauts : on constate la presence frequente de "soufflures", c'est-à-dire d'occlusion de bulles, à
l'endroit de l'évanouissement, ce qui interdit d'exploiter le procede d'une fason industrielle.
L'invention a pour but de permettre d'obtenir des soudures fermees saines de fason fiable sur les aciers au carbone.
A cet effet, le procedé suivant l'invention est caracterisé en ce qu'on commence par reduire l'energie moyenne de l'arc jusqulà obtenir le bouchage du trou, puis on augmente briève~,ent cette énergie avant de la faire decroître de nouveau.
Suivant des caracteristiques avantageuses du procede :
- juste avant ou au debut de la durée d'aug~entation de l'~nergie moyenne de l'arc, on reduit le debit de gaz plasmagène ; dans ce cas, de preference, l'augmentation de l'energie moyenne de l'arc dure plus longtemps, et de preference au moins deux fois plus longtemps, que ladite reduction de d~bit ;
- pendant la première duree de reduction de l'énergie moyenne de l'arc on reduit la vitesse d'avance du soudage ;
- après la durée d'augmentation de l'energie moyenne de l'arc et pendant qu'on fait decroître de nouveau l'energie moyenne de l'arc, on éloigne la torche de soudage de la pièce ;
- pendant qu'on fait decroitre de nouveau l'énergie moyenne de l'arc, on apporte dans la zone de soudure du métal d'apport.
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Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure unic~e est un diagramme illustrant l'évolution des divers parametres de soudage.
Sur le dessin, on a porte en abscisses une échelle unique des temps t et, en ordonnees, cin~ paramètres du soudage : l'intensite I
du courant électrique ; la distance d entre l'electrode de la torche de soudage et la pièce à souder ; le debit D du gaz plasmagène ; la vitesse Vs d'avance du soudage ; et la vitesse Vf d'avance du fil de metal d'apport.
L'installation utilisee est une installation de soudage autcmatique destinee a souder des joints circulaires entre deux pièces en acier au carbone. Elle ccn~orte les autcmatismes classiques, et un microprocesseur qui permet de faire varier à volonté les parametres D, Vs et Vf, ainsi que la tension d'arc de reference dont dependent directement l'in-tensite I et la distance d.
Le diagramme illustre ccm~ence à un instant ar~itraire to où le regime permanent du soudage est ~tabli. On suppo~e que le soudage s'effectue en courant continu, ccmme indique en traits pleins. A
l'instant tl, le cordon de soudure est ferme (par exemple à la suite d'une rotation de 360~ d'un joint circulaire), et l'on procade à un recouvrement de la zone transitoire du debut du cordon, mais sans metal d'apport supplementaire (Vf = O).
Lorsque le recouvrement est suffisant, à l'intant t2, on aborde la phase d'evanouissement de l'arc proprement dite, afin de cc~ ler le "key-hole" :
(1) de t2 à t4, on reduit progressivement l'intensité I en augmentant la distance d. L'energie de l'arc diminue donc progressivement, ce qui provoque le bouchage du fond du "key-hole". A ce moment, c'est-à-dire à la fin de cette période, on réduit la vitesse d'avance V (de t3 à t4) ;
(2) des que ce bouchage est obtenu, on procede simultan~ment à
une augmentation de l'intensité I, à une diminution de la distance d (eventuellenent ccrrigee~ par une variation de la tension de reference affichee pour eviter de reduire trop cette distance), et à une reduction du d~bit de gaz D. Ces deux variations cc~nmencent à l'instant t4, et celle de l'intensit~ I dure plus longtemps, et de preference au moins deux fois plus long~Emps (de t4 à t6), que celle du débit gazeux (de t4 à
13(~65~3 t5).
Toutefois, l'augmentation de l'mtensité I est elleim~me très brève, de l'ordre de 0,5s à ls.
Pinsif l'énergie de l'arc est augmentée, et la pression gazeuse sur le joint est relâchee, tant en direction axiale qu'en direction radiale. Ceci a pour résultat le maintien d'un volume Impoxtant de m~tal en fusion, lequel est transféré dans la partie superieure de l'epaisseur de la pièce.
(3~ de t6 à tlO, on reduit l'intensite I pour diminuer le - lO volume du bain, et l'on augmente la distance d. Par suite, la tache anodique s'élargit, ce qui a pour effet d'evaser le cratère et de diminuer la penétration de l'arc et, finalement, de permettre au métal fondu de re~lir progressivement le cratère sans précipitation brutale.
Pendant une partie de cette phase (de t7 > t6 à t8 < tlO), on apporte la quan1ite necessaire de metal d'apport pour remplir entièrement le cratere, ce qui complete le processus d'evanouissement. L'instant t7 peut par exemple correspondre à l'instant où I est revenue ~ sa valeur minimale de t4. On a indiqué de t8 à t9 < tlO un léger recul du fil d'apport, comme il est classique dans la technique.
Enfin, à l'instant tlO, le courant electrique et le debit gazeux sont cou~es et la torche est immLbilisee ; l'opération de soudage est terminée.
On a constate d'excellents resultats, c'est-à-dire des cordons fermés sains e-t exempts de soufflures, avec la mise en oeuvre de la sequence d'operations decrites ci-dessus, sur des aciers au carbone.
Cependant, l'invention s'applique ~galement au soudage d'autres metaux soudables ~ar plasna d'arc, par exemple d'aciers inoxydables.
A titre d'exemple numérique, on peut choisir les durees suivantes : t2 à t4 = 2s, t4 à t6 = 0,5 ~ ls, t4 à t7 = 2s, t7 à tlO =
3s, ces durées n'etant que des ordres de grandeur, ceci permet de ccmpre~dre que" en variante, les instants où les divers parametres commencent ou finissent leurs variations peuvent être quelque peu décalés les uns relativement aux autres, par rapport à ce qui est illustré au dessin, tout en respectant les phases décrites plus haut. Par exemple, la réduction de Vs peut commencer des l'instant t2, et/ou, en molifiant la tension d'arc de référence, d peut augmenter dès l'instant t4 pour provoquer l'évase~,ent du cratère.
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i Par ailleurs, c~nr,e indiqu~ en trait interrarpu sur le dessin, 1 ' invention 5 1 applique au souda~e à courant pulsé . Dans ce cas, on peut continuer la pulsation pendant toutes les opérations décrites ;
l'intensité I évol~lant alors entre la courbe en trait plein et la ccurbe 5 en tra~t mixte, e-t c'est l'énergie moyenne de l'arc qui varie cc~e decrit plus haut.

Claims

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendiqué, sont définies comme il suit:

1. Procédé pour terminer une soudure fermée au plasma d'arc avec débit de gaz plasmagène et trou traversant, ladite soudure étant pratiquée sur une pièce à souder avec une torche de soudage au plasma d'arc opérant dans une zone de soudure, caractérisé
en ce qu'on commence par réduire de façon continue l'énergie moyenne de l'arc jusqu'à obtenir le bouchage du trou, puis on augmente brièvement cette énergie avant de la faire décroître de nouveau de façon continue jusqu'à zéro, le débit de gaz plasmagène étant réduit juste avant ou au début de la durée d'augmentation de l'énergie moyenne de l'arc.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'augmentation de l'énergie moyenne de l'arc dure plus longtemps que ladite réduction du débit.

3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'augmentation de l'énergie moyenne de l'arc dure au moins deux fois plus longtemps que ladite réduction de débit.

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pendant une première durée de réduction de l'énergie moyenne de l'arc, on réduit la vitesse d'avance du soudage.

5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, après la durée d'augmentation de l'énergie moyenne de l'arc, et pendant qu'on fait décroître de nouveau l'énergie moyenne de l'arc, on éloigne la torche de soudage de la pièce.

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pendant qu'on fait décroître de nouveau l'énergie moyenne de l'arc, on apporte dans la zone de soudure du métal d'apport.