EP2051831A1 - Soudo-brasage tig avec transfert de metal par gouttes a frequence controlee - Google Patents

Soudo-brasage tig avec transfert de metal par gouttes a frequence controlee

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Publication number
EP2051831A1
EP2051831A1 EP07823570A EP07823570A EP2051831A1 EP 2051831 A1 EP2051831 A1 EP 2051831A1 EP 07823570 A EP07823570 A EP 07823570A EP 07823570 A EP07823570 A EP 07823570A EP 2051831 A1 EP2051831 A1 EP 2051831A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
wire
welding
electrode
transfer
drops
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07823570A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Marie Fortain
Olivier Revel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Air Liquide Welding France
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude, Air Liquide Welding France filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP2051831A1 publication Critical patent/EP2051831A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/167—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a non-consumable electrode

Definitions

  • the present invention relates to a method of welding or welding, preferably robotized, with TIG torch and filler metal in the form of one or more fusible wires, in particular one or more pieces of coated steel or aluminum or aluminum.
  • aluminum alloy in which the transfer of the metal from or to the solder bath is by successive drops at a controlled frequency.
  • the sixth axis of the robot carrying the TIG torch is blocked and its degrees of freedom are limited since a certain directivity is necessary to guide the supply of wire in the axis of the weld joint of the makes the horizontal arrival of the wire.
  • EP-A-1459831 proposes an arc welding method not posing the aforementioned problems.
  • the supply of fusible wire is operated at an angle less than 50 ° relative to the axis of the electrode, preferably an angle between 15 and 35 °, and the end of the fuse wire is guided and kept permanently at a distance of less than 2 mm from the end of the tungsten electrode.
  • An object of the present invention is therefore to improve the process described in document EP-A-1459831 so as to obtain an effective welding or brazing-welding especially of specific materials, in particular coated steels and aluminum, and its alloys, so as to mitigate, minimize or at least mitigate the aforementioned quality problems.
  • the solution of the invention is a brazing or arc welding process using a TIG torch provided with a non-fuse electrode and a fuse wire of given diameter, in which:
  • the TIG torch is fed with said fuse wire in such a way that the supply of fusible wire is operated at an angle less than 50 ° with respect to the axis of the electrode, that is to say that the axis of the end of the wire at the non-fusible electrode and the axis of said electrode form an angle less than 50 °,
  • the end of the fuse wire is permanently guided and maintained at a distance of less than 2 mm, preferably at least 1 mm (about 1.5 times the diameter of the wire), with respect to the end of the electrode tungsten torch TIG,
  • the transfer of metal to the weld joint is effected by successive molten metal droplets, said droplets being deposited at a frequency of between 20 Hz and 90 Hz, and the size of the drops being equal, for these frequencies respectively, 1.5 to 4 times the diameter of the fuse wire.
  • droplet transfer it is meant that the transfer of metal from the end of the wire to the solder bath or brazing is by successive droplets, dissociated from each other and therefore without permanent contact between the filler wire and the molten metal.
  • Tables 1 and 2 have been schematized in the attached FIG. 2 which represents a drop transfer according to the present invention obtained with a stainless steel grade wire ER308LSi and a diameter of 1.2 mm determined by: fairly open range of wire speed (diameter equal to 1.2 mm) ranging from
  • Vfil minimum wire speed
  • TG drop size
  • FT transfer frequency
  • Table 3 shows a way to adapt the drop transfer according to the invention for different configurations of joints and two types of aluminum alloys.
  • the gait remains the same between clm welding and butt welding with a greater adjustment latitude in butt welding with respect to the electrode / wire distance and the generally higher wire speed.
  • the transfer by droplets at a particular frequency according to the invention allows the production of cords whose aesthetic quality is similar to those achieved by manual welding, in particular on aluminum, allowing with this process a reproduction of "solidification waves" surface.
  • ARCAL TM 15 is a commercial gas mixture of L'Air Liquide formed from argon and 5% by volume of hydrogen.
  • This table 4 demonstrates the advantage of the drop transfer of the invention compared to conventional TIG welding of the prior art, wherein the fusion of the wire is only by conduction in contact with the melt.
  • a transfer according to the invention makes it possible to significantly increase the speed of welding (Vs) since, with a transfer by drops according to the invention, the fusion of the wire is accelerated by its passage in the temperature zone of between about 5000 and 10000 0 K which imposes a 40% increase in the wire speed and therefore, a 66% increase in welding speed.
  • the maximum wire feed speeds allow welding speeds of the order of 1 to 1.2 m / min.
  • ARCAL TM 1 is gaseous argon marketed by L'Air Liquide and ARCAL TM 10 is a commercial gas mixture of L'Air Liquide formed by 2.5% by volume of hydrogen and argon for the remainder.
  • the method of the invention may comprise one or more of the following characteristics:
  • the droplet transfer frequency is preferably between 30 Hz and 80 Hz.
  • the size of the drops is equal to 1.5 to 3 times the diameter of the fuse wire.
  • the droplet transfer frequency is between 20 Hz and 40 Hz and the size of the drops is between 3 and 4 times the diameter of the fusible wire, preferably the frequency is of the order of 30 Hz.
  • the droplet transfer frequency is the result of a pulse frequency of the wire combined with a pulsating frequency of the direct or alternating current in the case of aluminum and its alloys (or of variable polarity type) which allows more precise control of the welding and stripping phases.
  • the droplet transfer frequency is between 70 Hz and 90 Hz and the size of the drops is between 1, 2 and 1.5 times the diameter of the fusible wire, preferably of the order of 80 Hz.
  • the supply of fusible wire is operated at an angle between 10 and 30 ° relative to the axis of the electrode, preferably between 10 and 20 °.
  • the end of the fuse wire is permanently guided and maintained at a distance of less than 1.5 mm from the end of the tungsten electrode of the TIG torch, preferably at a minimum distance of 1 mm.
  • the surface of the end of the wire should not come into contact with the tungsten electrode.
  • a gaseous protection is carried out with a gas chosen from argon, helium and argon / helium mixtures with or without micro-additions of nitrogen, and mixtures of argon and hydrogen.
  • the method is implemented on a robotic welding arm carrying a TIG torch with a non-fuse electrode and fuse welding wire feeding means or in manual or automatic welding.
  • the process is used to weld or braze one or more parts - the parts are in coated steel, in particular in galvanized or electro-galvanized steel, in austenitic or ferritic stainless steel, in nickel and nickel alloys, titanium and alloys titanium, as well as aluminum or aluminum alloys.
  • the intensity of the direct current supplying the TIG torch is between 10 A and 400 A Max, and the voltage is between 10 V and 20 V.
  • the wire has a diameter between 0 6 mm and 1.6 mm, preferably between 1 mm and 1.2 mm.
  • the wire is cupro-sihcium alloy (Q1S1 3 ) or cupro-alummium (CuA18).
  • the wire is also made of pure aluminum or aluminum alloy, for example 2000, 4000 or 5000 series.
  • part of the energy of the arc is used for the melting of the end of the wire at fairly low wire speeds, typically of the order of 1 to 10 m / min, which explains that per unit of time, this energy will interest a longer wire length and thus give rise to the formation of drops which will be larger when the wire speed is low and the transfer frequency is also low; and vice versa, for a wire speed higher but lower than that of the appearance of a liquid bridge, the size of the drops will decrease and the transfer frequency will increase.
  • the parameters, for a given wire diameter are linked by the relation:
  • the method of the invention with droplet transfer can be applied to the welding or brazing of any assembly of coated steel, austenitic or ferritic stainless steel parts, nickel and nickel alloys, titanium and titanium alloys, aluminum or its alloys, for which aesthetic conditions are sought or favored, in particular regular striations on the surface of cords or for which important preparation tolerances must be compensated
  • the method of the invention is particularly advantageous for welding very thin galvanized sheets, for example less than 1 mm, to promote degassing of ZnO vapors, or welding aluminum or its alloys to promote degassing of H 2 .
  • the method of the invention is preferably implemented with a torch with fusible wire passing through the wall of the nozzle at an angle of less than 50 °, in particular the torch described in EP-A-1459831.
  • the wire feed which is integrated in the torch, is at an angle of the order of generally 10 ° to 20 °, for example of the order of 15 °, compared to the axis of the non-fusible electrode and this, by maintaining a small distance between the end of the wire and the cone end of the tungsten electrode, for example 1 mm minimum or the diameter of the filler wire
  • the end of the fuse wire is guided and also maintained permanently at a distance of less than about 2 mm from the end of the electrode.
  • tungsten that is to say that the distance between the outer surface of the fuse wire and the electrode should not exceed 2 mm, preferably greater than 1 mm.
  • the preferred wire speed is given according to the various parameters chosen by the operator: material to assemble, nature and diameter of the filler wire, intensity, shielding gas, welding speed ....
  • the invention is illustrated in the attached figure which schematizes a transfer by drops according to the invention.
  • the hottest part of the electric arc 6 which forms at the tip 7 of the electrode 1 makes it possible to obtain a progressive melting of the end 3 of the wire 2 in the arc zone 5
  • the transfer of the molten metal from the end 3 of the wire 2 to the solder bath 8 forming the welded bead on the part 10 is done by successive drops 4 whose drop diameter is between 1.2 and 4 times the diameter.
  • the yarn typically has a diameter of between 0.6 and 1.6 mm.
  • the frequency of the drops is between 20 and 90 Hz.
  • the frequency of the droplets is generated by a pulsation of the wire combined with a pulsation of current.
  • the distance D between the tip of the electrode 1 and the surface of the parts to be welded is between 2 mm and 3 mm approximately.
  • the minimum distance d between the wire 2 and the surface of the electrode 1, including at its point 7, is kept less than 2 mm but preferably greater than 1 mm.
  • the wire speed range for obtaining drop transfer is wide and flexible with respect to the frequency and the size of the corresponding drops.
  • the minimum wire speed (min Vf) and maximum wire speed (max Vf) are those to be applied to remain in a drop transfer. Above the maximum value, a liquid bridge transfer is achieved.
  • the drop transfer method of the invention can be applied to a variety of joint configurations: butt, lap, angle, and flanged welding, for degraded preparation conditions, such as games or misalignments, as this type of transfer. can absorb more specifically, and finally for reloading operations since it controls the energy provided respectively to the filler wire and the support material.

Landscapes

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de soudo-brasage ou de soudage à l'arc mettant en oeuvre une torche TIG munie d'une électrode (1) non fusible et un fil d'apport fusible (2) de diamètre donné, dans lequel le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré par gouttelettes de métal fondu successives, déposées à une fréquence comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille desdites gouttes est comprise entre 1,2 et 4 fois le diamètre du fil fusible.

Description

Soudo-brasage TIG avec transfert de métal par gouttes à fréquence contrôlée
La présente invention concerne un procédé de soudage ou soudo-brasage, préférentiellement robotisé, avec torche TIG et métal d'apport sous forme d'un ou plusieurs fils fusibles, en particulier d'une ou plusieurs pièces en acier revêtu ou en aluminium ou en alliage d'aluminium, dans lequel le transfert du métal depuis le ou les fds vers le bain de soudure se fait par gouttes successives à fréquence contrôlée.
Il est connu des documents US-A-5512726 et DE-A-3542984, une configuration conventionnelle de torche TIG avec apport de fil fusible, dans laquelle l'amenée du fil fusible dans le bain de fusion est opérée de manière horizontale ou quasi-horizontale de manière à obtenir un transfert de métal fondu par gouttes depuis l'extrémité fondue du fil fusible vers le bain de fusion, c'est-à-dire vers la zone de soudage sur les pièces à souder ou à soudo-braser.
Toutefois, avec une telle torche, le sixième axe du robot portant la torche TIG est bloqué et ses degrés de liberté sont limités étant donné qu'une certaine directivité est nécessaire pour orienter l'amenée de fil dans l'axe du joint à souder du fait de l'arrivée horizontale du fil.
De plus, avec ce type de configuration, la productivité du procédé est affectée par une vitesse de fusion de fil limitée et donc une vitesse de soudage limitée.
Le document EP-A-1459831 propose un procédé de soudage à l'arc ne posant pas les problèmes susmentionnés. Dans ce cas, l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence un angle entre 15 et 35°, et l'extrémité du fil fusible est guidée et maintenue en permanence à une distance inférieure à 2 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène.
Un tel procédé permet d'obtenir de bons résultats dans la majorité des applications. Cependant, on a observé que, lors du soudage ou soudo-brasage de certains matériaux particuliers, en particulier les aciers revêtus, par exemple galvanisés ou électro-zingués, et l'aluminium et ses alliages, se posaient des problèmes de qualité de la soudure, en particulier des problèmes de compacité de cordons et/ou de microstructure à gros grains du métal fondu.
De plus, sur l'aluminium, il n'était pas possible d'obtenir une qualité des cordons équivalente, notamment d'aspect et d'esthétique, à celle obtenue en soudage manuel. Un but de la présente invention est dès lors d'améliorer le procédé décrit par le document EP-A-1459831 de manière à obtenir un soudage ou un soudo-brasage efficace en particulier de matériaux spécifiques, notamment les aciers revêtus et l'aluminium et ses alliages, de manière à pallier, minimiser ou au moins atténuer les problèmes de qualité susmentionnés.
La solution de l'invention est un procédé de soudo-brasage ou de soudage à l'arc mettant en œuvre une torche TIG munie d'une électrode non fusible et un fil d'apport fusible de diamètre donné, dans lequel :
a) on alimente la torche TIG avec ledit fil fusible de manière telle que l'amenée de fil fusible soit opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode, c'est-à-dire que l'axe de l'extrémité du fil au niveau de l'électrode non fusible et l'axe de ladite électrode forment un angle inférieur à 50°,
b) on guide et on maintient l'extrémité du fil fusible en permanence a une distance inférieure à 2 mm, de préférence à 1 mm au minimum (environ 1.5 fois le diamètre du fil), par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG,
c) on opère une fusion progressive de l'extrémité du fil fusible par l'arc électrique généré entre l'électrode non fusible et au moins une pièce à souder de manière à réaliser un transfert de métal fondu depuis l'extrémité du fil vers ladite au moins une pièce et obtenir ainsi un joint de soudure ou de soudo-brasage,
caractérisé en ce que le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré par gouttelettes de métal fondu successives, lesdites gouttelettes étant déposées à une fréquence comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille des gouttes étant égale, pour ces fréquences respectivement, de 1,5 à 4 fois le diamètre du fil fusible.
Par transfert par gouttelettes, on entend que le transfert de métal depuis l'extrémité du fil vers le bain de soudage ou de brasage se fait par gouttelettes successives, dissociées les unes des autres et donc sans contact permanent entre le fil d'apport et le métal fondu.
La solution de l'invention repose donc sur le fait de réaliser un transfert de métal fondu sous forme de gouttes dont la fréquence et la taille dépendent de la vitesse de fil, de la distance fil électrode et de la distance électrode pièce. Ces tendances et variations sont présentées dans les Tableaux 1 et 2 ci-après. Tableau 1 : Influence de la variation de la distance fil-électrode
Comme visible dans le Tableau 1 , pour une vitesse fil (Vfil) et une distance électrode- pièce constantes : - lorsque la distance fil-électrode augmente, on s'écarte de la zone la plus chaude de l'arc pour se situer dans la zone comprise entre 2000 et 50000K, la taille des gouttes augmente et la fréquence diminue en fonction des lois énoncées ci-après dans la description.
- à l'inverse, lorsque la distance fil électrode diminue, le fil transfère dans la zone chaude de l'arc, à savoir entre environ 5000 et 100000K, la taille des gouttes diminue et la fréquence de transfert augmente. On peut alors accélérer la vitesse de soudage. Tableau 2 : Influence de la variation de la distance électrode-pièce
Comme montré dans le Tableau 2, pour une vitesse fil (Vfil) et une distance fil électrode pièce constantes : - lorsque la distance électrode pièce augmente, la taille des gouttes augmente et la fréquence diminue en fonction des lois énoncées ci-après, jusqu'à obtenir des grosses gouttes capables d'endommager la partie active de l'électrode.
- à l'inverse, lorsque la distance électrode-pièce diminue, les gouttes évoluent vers un mode de transfert dans lequel elles sont presque simultanément en liaison avec le fil et le bain de fusion pour passer les seuils du transfert par pont liquide.
Les données consignées dans les Tableaux 1 et 2 ont été schématisées sur la Figure 2 ci-jointe qui représente un transfert par gouttes selon la présente invention obtenu avec un fil de nuance d'acier inoxydable ER308LSi et de diamètre 1.2 mm déterminé par : - une plage assez ouverte de vitesse fil (diamètre égale à 1.2 mm) allant d'environ
0.5m/mn à environ 3.5 à 4.m/min pour laquelle on conserve un régime de transfert par gouttes caractérisé par une vitesse de fil (Vfil) minimale pour laquelle une taille de goutte moyenne de 3,5 fois le diamètre du fil est associée à une fréquence de transfert de 20 Hz et par une vitesse fil maximale de 3 m/mn pour laquelle une taille de goutte de 1.2 diamètre du fil est associée à une fréquence de transfert de 90 Hz.
- entre ces deux bornes, la variation de taille de gouttes (TG) et de fréquence de transfert (FT) est linéaire et peut être associée aux lois de type :
FT (en Hz) = 28 . Vfil (m/mn) + 6 TG (en mm) = k . diamètre fil = - 0,6 . Vfil (m/mn) + 3,3 Pour un couple fil-gaz donné, ces courbes de transfert sont à associer à une distance fil électrode et une distance électrode pièce préalablement définies et fixes.
On peut par exemple procéder comme indiqué dans le Tableau 3 ci-après pour choisir la fréquence et la taille des gouttes, lors d'un soudage d'éprouvettes en alliage d'aluminium d'épaisseur égale à 2 mm, en 2 nuances différentes d'aluminium, à savoir les nuances 6061 et 5083, pour des configurations de joint de type à clin, en angle et bout à bout.
Tableau 3 : Transfert par gouttes sur aluminium
Dce = distance ; G = goutte
Le Tableau 3 précédent montre une manière d'adapter le transfert par gouttes selon l'invention pour différentes configurations de joints et deux types d'alliages d'aluminium.
Comme on le voit, pour le matériau 6061, il convient de mettre en œuvre des vitesses de fil plus faibles en soudage à clin qu'en soudage en angle avec des distances électrode fil associées réduites, c'est-à-dire de l'ordre de 1 à 2 fois le diamètre du fil, pour avoir une taille de goutte réduite et une fréquence plus élevée, ce qui permet de mieux maîtriser la directivité du transfert dans le clin.
Pour le matériau 5183, la démarche reste identique entre soudage à clm et soudage bout à bout avec une latitude de réglages plus grande en soudage bout à bout vis à vis de la distance électrode/fil et de la vitesse fil généralement plus élevée.
Ces réglages pour les basses vitesses fil, c'est-à-dire inférieures ou égales à 1.5 m/min environ, notamment pour les fils de diamètres importants, c'est-à-dire d'au moins 1.2 mm environ, nécessitent un dévidage approprié, par exemple de type avance/recul (« push pull » en anglais), dans lequel la platine galets du dévidoir assure le déroulement du fil et les galets de la torche la régulation du dévidage.
Le transfert par gouttelettes à une fréquence particulière selon l'invention permet la réalisation de cordons dont la qualité esthétique s'apparente à ceux réalisés en soudage manuel, en particulier sur l'aluminium, permettant avec ce procédé une reproduction de « vagues de solidification » en surface.
Par ailleurs, il permet également de résoudre des problèmes de compacité de cordons et microstructure du métal fondu à gros grains rencontrés avec les procédés connus.
Dans le cas de l'acier inoxydable austénitique, les conditions d'obtention du transfert par gouttes avec un fil de nuance 308LSi sont données comparativement dans le Tableau 4.
Tableau 4 : Soudage d'acier inoxydable austénitique
Vf : vitesse fil - Vs : vitesse de soudage
ARCAL™ 15 est un mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé d'argon et de 5% en volume d'hydrogène.
Ce tableau 4 met en évidence l'intérêt du transfert par goutte de l'invention par rapport au soudage TIG conventionnel de l'art antérieur, dans lequel la fusion du fil ne se fait que par conduction au contact du bain de fusion.
En effet, un transfert selon l'invention permet d'augmenter notablement la vitesse de soudage (Vs) puisque, avec un transfert par gouttes selon l'invention, la fusion du fil est accélérée par son passage dans la zone de température comprise entre environ 5000 et 100000K qui impose une augmentation de 40% de la vitesse fil et, par conséquent, une augmentation de 66% de la vitesse de soudage.
Dans le cas du soudo-brasage des aciers carbone galvanisés comme on peut le constater dans le tableau 5 suivant, la plage opératoire d'obtention du transfert par gouttes reste étroitement liée à la nature du fil utilisée Cu Al ou Cu Si .
Dans ce type de transfert, pour une épaisseur de matériau de 1 mm, les vitesses maxi de dévidage de fil autorisent des vitesses de soudage de l 'ordre de 1 à 1.2 m/mn.
Tableau 5 : soudobrasage des aciers carbone galvanisés
ARCAL™ 1 est de l'argon gazeux commercialisé par L'Air Liquide et ARCAL™ 10 est un mélange gazeux commercial de L'Air Liquide formé de 2,5 % en volume d'hydrogène et d'argon pour le reste.
Dans les deux cas d'applications, c'est-à-dire à clin et lignes de fusion, les plages opératoires de vitesse de fil restent suffisantes, avec respectivement 2 à 5.5m/min et 1 à 3.2 m/min, pour être exploitables industriellement.
Ces différences ont pour origine la nature différente des alliages des métaux d'apport qui ont des températures liquidus solidus différentes, ainsi que le revêtement de 10 μm pour le soudage à clin qui impose des conditions différentes de dégazage du zinc de l'interface obligeant à opérer selon une vitesse de soudage la plus élevée possible. Dans le cas du fil CuSi, le gaz Arcal™ 10 a été utilisé pour ralentir la formation de silicates sur la surface des cordons.
Par ailleurs, selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- la fréquence de transfert des gouttelettes est préférentiellement comprise entre 30 Hz et 80 Hz.
- la taille des gouttes est égale à 1,5 à 3 fois le diamètre du fil fusible.
- la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 20 Hz et 40 Hz et la taille des gouttes est comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du fil fusible, de préférence la fréquence est de l'ordre de 30 Hz.
- la fréquence de transfert des gouttelettes est le résultat d'une fréquence de pulsation du fil combinée à une fréquence de pulsation du courant continu ou alternatif dans le cas de l'aluminium et des ses alliages (ou de type à polarité variable) qui permet un pilotage plus précis des phases soudage et décapage. - la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 70 Hz et 90 Hz et la taille des gouttes est comprise entre 1 ,2 et 1 ,5 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 80 Hz.
- on soude avec une vitesse de fil allant jusqu'à 20 m/min, en particulier entre 1 et 10 m/min. On choisit la vitesse de fil en fonction du diamètre dudit fil. - l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle entre 10 et 30° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence entre 10 et 20°.
- on guide et on maintient en permanence l'extrémité du fil fusible à une distance inférieure à 1,5 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, de préférence à une distance minimum de 1 mm. Toutefois, dans tous les cas, la surface de l'extrémité du fil ne doit pas venir en contact avec l'électrode en tungstène.
- pendant le soudage, on opère une protection gazeuse de l'électrode, du fil et du métal fondu .
- on opère une protection gazeuse avec un gaz choisi parmi l'argon, l'hélium et les mélanges argon/hélium avec ou sans micro-additions d'azote, et les mélanges d'argon et d'hydrogène. - le procédé est mis en œuvre sur un bras de soudage robotisé portant une torche TIG à électrode non fusible et des moyens d'amenée de fil de soudage fusible ou en soudage manuel ou automatique.
- le procédé est mis en œuvre pour souder ou braser une ou plusieurs pièces - les pièces sont en acier revêtu, en particulier en acier galvanisé ou électro-zingué , en acier inoxydable austémtique ou ferritique , en nickel et alliages de nickel, titane et alliages de titane, ainsi qu'en aluminium ou alliages d'aluminium.
- l'intensité du courant continu alimentant la torche TIG est comprise entre 10 A et 400 A Maxi, et la tension est comprise entre 10 V et 20 V. - le fil a un diamètre compris entre 0 6 mm et 1.6 mm, de préférence entre 1 mm et 1.2 mm.
- le fil est en alliage de cupro-sihcium (Q1S13) ou cupro-alummium (CuA18).
- le fil est également en aluminium pur ou en alliage d'aluminium, par exemple des séries 2000, 4000 ou 5000. Selon la présente invention, une partie de l'énergie de l'arc est utilisée pour la fusion de l'extrémité du fil à des vitesses de fil assez faibles, typiquement de l'ordre de 1 à 10 m/min, ce qui explique que par unité de temps, cette énergie va intéresser une longueur de fil plus importante et donc donner naissance à la formation de gouttes qui seront d'autant plus grosses que la vitesse de fil est faible et dont la fréquence de transfert sera également basse ; et vice versa, pour une vitesse fil plus élevée mais inférieure à celle de l'apparition d'un pont liquide, la taille des gouttes va diminuer et la fréquence de transfert va augmenter. Les paramètres, pour un diamètre de fil donné, sont liés par la relation :
Vfil . section du fil = fréquence de gouttes . volume de gouttes avec : (mm/s) . (mm2) = (nombre de gouttes/s) . (mm 3) On peut donc aisément, via un réglage de la vitesse fil et pour un régime d'arc donné
(paramètres électriques et gaz associé), maîtriser/régler le diamètre et la fréquence des gouttes. Ces différents paramètres peuvent être évalues et contrôlés d'une manière très précise à la l'aide d'une caméra vidéo à grande vitesse, î.e. par exemple de 10000 images par seconde. Visuellement, l'effet est directement perceptible sur la surface du cordon, par la présence de vagues régulières, appelées stries de solidification.
Ce transfert par gouttes est différent de ceux connus dans l'état de l'art du procédé TIG automatique conventionnel, dans lequel le fil est fondu par conduction thermique directe du bain de fusion et non, comme dans le cas présent, par une partie de l'énergie de l'arc de soudage qui accroît la vitesse de fusion du dit fil et la productivité du procédé.
En effet, des résultats comparatifs montrent que pour une même configuration d'assemblage clin ou angle et mêmes paramètres électriques l'accroissement du taux de dépôt est de l'ordre de 40%.
Le procédé de l' invention avec transfert par gouttelettes peut être appliqué au soudage ou soudo-brasage de tout assemblage de pièces en acier revêtu, en acier inoxydable austénitique ou ferritique, en nickel et alliages de nickel, en titane et alliages de titane, en aluminium ou ses alliages, pour lequel on recherche ou on privilégie des conditions d'esthétique, notamment des stries régulières en surface de cordons ou pour lesquels on doit compenser des tolérances de préparation importantes
Ce transfert par goutte engendre un cycle thermique cadencé du bam de fusion qui peut avoir des effets sur la microstructure du bain de fusion mais également sur la compacité du métal fondu par effet mécanique d'impact de la goutte sur le bain de fusion provoquant une agitation du bam et favorisant ainsi son dégazage. Ce phénomène est également visible et quantifiable comme précédemment par caméra vidéo à grande vitesse.
Le procédé de l'invention est particulièrement intéressant en soudage de tôles très fines galvanisées, par exemple de moins de 1 mm, pour favoriser le dégazage des vapeurs de ZnO, ou en soudage de l'aluminium ou de ses alliages pour favoriser le dégazage de H2. Le procédé de l'invention est préférentiellement mis en œuvre avec une torche avec fil fusible traversant la paroi de la buse selon un angle de moins de 50°, notamment la torche décrite dans le document EP-A-1459831. En effet, dans une telle torche, l'amenée de fil, qui est intégrée à la torche, se fait selon un angle de l'ordre de généralement 10° à 20°, par exemple de l'ordre de 15°, par rapport à l'axe de l'électrode non fusible et ce, en maintenant une distance faible entre l'extrémité du fil et l'extrémité du cône de l'électrode en tungstène, par exemple lmm minimum ou au diamètre de fil d'apport
Dans tous les cas, pour obtenir un transfert de métal par gouttes tel que précédemment cité, l'extrémité du fil fusible est guidée et également maintenue en permanence à une distance inférieure à 2 mm environ par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène, c'est- à-dire que la distance entre la surface externe du fil fusible et l'électrode ne doit pas excéder 2 mm environ, de préférence supérieure à 1 mm.
Le transfert par gouttes selon l'invention présente les avantages suivants :
- un point d'impact en dessous de l'arc, ce qui facilite le positionnement de la torche - un transfert maîtrisé par gouttes successives de métal bien dirigé dans le bain.
- un aspect esthétique du cordon de soudage correspondant à des préconisations particulières recherchées.
- un transfert par gravité et tensions de surface facilite le travail en position. - un réglage et un contrôle de la fréquence et de la taille des gouttes par liés par la relation précédente à la vitesse fil pour un diamètre de fil donné.
- une réalisation de cordons de soudage multi-directionnels sans changement d'orientation du fil au niveau de la torche TIG.
- une possibilité de réaliser des synergies de soudage, comme pour le procédé de soudage MIG/MAG. La vitesse de fil préférée est donnée en fonction des différents paramètres choisis par l'opérateur : matière à assembler, nature et diamètre du fil d'apport, intensité, gaz de protection, vitesse de soudage....
L'invention est illustrée sur la figure annexée qui schématise un transfert par gouttes selon l'invention.
Plus précisément, on a représenté une torche de soudage TIG avec électrode 1 non fusible alimentée avec un fil 2 fusible. Comme on le voit, la partie la plus chaude de l'arc électrique 6 qui se forme à la pointe 7 de l'électrode 1 permet d'obtenir une fusion progressivement de l'extrémité 3 du fil 2 dans la zone d'arc 5. Le transfert du métal fondu depuis l'extrémité 3 du fil 2 vers le bain de soudure 8 formant le cordon soudé sur la pièce 10 se fait par gouttes 4 successives dont le diamètre de goutte est compris entre 1,2 et 4 fois le diamètre du fil 2. Le fil a typiquement un diamètre compris entre 0,6 et 1,6 mm. La fréquence des gouttes est comprise entre 20 et 90 Hz. La fréquence des gouttelettes est générée par une pulsation du fil combinée avec une pulsation de courant.
Par ailleurs, la distance D entre la pointe de l'électrode 1 et la surface des pièces à souder est comprise entre 2 mm et 3 mm environ. Par ailleurs, la distance minimale d entre le fil 2 et la surface de l'électrode 1, y compris au niveau de sa pointe 7, est maintenue inférieure à 2 mm mais préférentiellement supérieure à 1 mm.
Quel que soit le type de matériau soudé, on constate que la plage de vitesse fil pour l'obtention du transfert par gouttes est large et flexible vis à vis de la fréquence et de la taille des gouttes correspondantes. Les vitesses de fil minimale (Vf mini) et maximale (Vf maxi) sont celles à appliquer pour rester dans un transfert par gouttes. Au-delà de la valeur maxi, on atteint un transfert par pont liquide.
Le procédé de l'invention avec transfert par gouttes peut être appliqué à différentes configurations de joint : soudage bout à bout, à clin, angle et bords tombés, pour des conditions de préparation dégradées, tel que jeux ou mésalignements, que ce type de transfert peut absorber plus spécifiquement , et enfin pour des opérations de rechargement puisque l'on contrôle l'énergie apportée respectivement au fil d'apport et au matériau support.

Claims

Revendications
1. Procédé de soudo-brasage ou de soudage à l'arc mettant en œuvre une torche TIG munie d'une électrode non fusible et un fil d'apport fusible de diamètre donné, dans lequel :
a) on alimente la torche TIG avec ledit fil fusible de manière telle que l'amenée de fil fusible soit opérée selon un angle inférieur à 50° par rapport à l'axe de l'électrode,
b) on guide et on maintient l'extrémité du fil fusible en permanence à une distance inférieure à 2 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG,
c) on opère une fusion progressive de l'extrémité du fil fusible par l'arc électrique généré entre l'électrode non fusible et au moins une pièce à souder de manière à réaliser un transfert de métal fondu par gouttes depuis l'extrémité du fil vers ladite au moins une pièce et obtenir ainsi un joint de soudure ou de soudo-brasage,
caractérisé en ce que le transfert de métal vers le joint de soudure est opéré par gouttelettes de métal fondu successives, déposées à une fréquence comprise entre 20 Hz et 90 Hz, et la taille desdites gouttes est comprise entre 1,2 et 4 fois le diamètre du fil fusible.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est préférentiellement comprise entre 30 Hz et 80 Hz.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 20 Hz et 40 Hz, et la taille des gouttes est comprise entre 3 et 4 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 30 Hz.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence de transfert des gouttelettes est comprise entre 70 Hz et 90 Hz, et la taille des gouttes est comprise entre 1,2 et 1,5 fois le diamètre du fil fusible, de préférence de l'ordre de 80 Hz.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la fréquence des gouttelettes est générée par une pulsation du fil synchronisée avec une pulsation de courant.
6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'amenée de fil fusible est opérée selon un angle entre 10 et 30° par rapport à l'axe de l'électrode, de préférence entre 10 et 20°.
7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'on guide et maintien en permanence l'extrémité du fil fusible à une distance inférieure à 1,5 mm par rapport à l'extrémité de l'électrode en tungstène de la torche TIG, de préférence supérieure à 1 mm.
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que, pendant le soudage, on opère une protection gazeuse du joint de soudure en cours de formation et/ou de l'électrode en tungstène avec un gaz choisi parmi l'argon, l'hélium et leurs mélanges, avec ou sans addition d'azote, et les mélanges d'argon et d'hydrogène.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre pour souder ou braser une ou plusieurs pièces en acier revêtu, en particulier en acier galvanisé ou électro-zingué, ou une ou plusieurs pièces en en acier inoxydable austénitique ou ferritique, en nickel ou en un alliage de nickel, en titane ou en un alliage de titane, en aluminium ou en un alliage d'aluminium.
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'intensité du courant continu alimentant la torche TIG est comprise entre 10 A et 400 A et/ou la tension est comprise entre 10 V et 20 V.
11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le fil a un diamètre compris entre 0.6 mm et 1.6 mm.
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'on soude ensemble plusieurs pièces métalliques
13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'on réalise des opérations de rechargement par soudage avec dilution et taux de dépôt contrôlés.
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