FR2540019A1 - Procede et dispositif de soudage - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé et un dispositif de commande en temps réel des caractéristiques de fonctionnement d'une machine de soudage déplaçable le long d'un joint à souder dans une pièce. Le dispositif comprend un détecteur de rayonnement thermique 14 placé à proximité de l'électrode de soudage 8 et produisant des signaux électriques représentant la quantité d'énergie thermique détectée en provenance du joint de soudure 12, un mécanisme relié au détecteur pour lui faire exécuter un mouvement de balayage le long d'une ligne transversale au trajet suivi par l'électrode de manière à permettre la détection d'un profil de rayonnement thermique 15 le long de ladite ligne de balayage transversal et des circuits, comprenant un microprocesseur 16, un comparateur 17 et des circuits logiques 19 pour traiter les signaux électriques en vue de produire des signaux servant à commander des caractéristiques prédéterminées de fonctionnement de la machine de soudage. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif perfectionnés

pour commander des opérations de soudage et plus particulièrement un procédé et un dispositif qui commandent la qualité d'une soudure en relation avec la forme réelle d'un joint à souder entre deux parties métalli- ques d'une pièce à souder par détection de l'énergie de rayonnement thermique émanant du joint à proximité étroite

d'un élément de soudage.

En accord avec une propriété générale, la présente invention permet une commande précise de certaines conditions de fonctionnement de l'électrode d'une machine de soudage à l'arc, comme la position courante de l'électrode ou bien sa vitesse de déplacement, par adaptation de ces conditions opératoires avec la configuration ou géométrie particulière du joint à souder dans la pièce afin de former une soudure homogène et régulière ayant la qualité requise Une telle soudure de qualité appropriée est évidemment obtenue à chaque fois que le joint est correctement suivi par l'électrode de soudage à l'arc et est rempli par la matière de soudure pendant l'opération de soudage, ce qui nécessite plus que

seulement un suivi axial du joint de pièce Dans l'art anté-

rieur, on a mis au point plusieurs dispositifs mécaniques qui ont été fixés sur le porte-électrode de façon à suivre et positionner l'électrode le long d'un joint Cependant ces types de dispositifs, bien qu'étant admissibles lorsque le

joint présente une configuration de largeur constante s'éten-

dant linéairement, sont encore totalement inefficaces lorsque le joint de pièce a une largeur irrégulière ou suit un trajet assez compliqué, en produisant ainsi une soudure d'une

qualité mauvaise ou inacceptable.

Du fait des progrès de la technologie, des systèmes plus complexes ont été proposés pour commander la qualité du joint soudé, la plupart desdits systèmes faisant appel à des dispositifs sensibles à un rayonnement infrarouge et qui collectent les rayons infrarouges émis par une pièce chauffée à haute température par une flamme ou par un arc électrique, au voisinage de la zone de soudage Par exemple le brevet US

2 089 015 décrit un système dans lequel une cellule photo-

électrique est focalisée sur le métal fortement chauffé ou fondu avoisinant ou placé sur le point de soudage de façon à

détecter instantanément des variations dans la zone de souda-

ge au-dessus ou en dessous d'une condition normale prédéter-

minée de manière à commander le-fonctionnement de la machine de soudage en vue d'assurer le soudage de l'intervalle entre les bords de tôle par la matière de soudage Cependant ce dernier système ne fournit pas une assurance de qualité de réalisation correcte et de précision du joint soudé résultant

de l'opération de soudage -

Le brevet US no 3 370 151 concerne un système

efficace pour déterminer la réalisation correcte et la régu-

larité de largeur du joint soudé par détection des brusques variations de température se produisant sur les deux bords du joint par une analyse transversale du joint au moyen d'une tête à cellule photo-électrique Cependant un tel système présente des inconvénients du fait que, lorsque des défauts sont détectés, l'opération de soudage doit être à nouveau reprise Les deux systèmes connus mentionnés ci-dessus sont totalement inefficaces pour contrôler avec précision, par un moyen approprié, la qualité d'une soudure à chaque fois qu'une grosse irrégularité se produit le long du profil d'un joint de pièce à souder et en outre lorsque la dissipation de température au voisinage de la zone de soudage est modifiée ou altérée par la présence d'éléments tels que des évacuateurs de chaleur, des rainures ou des trous qui ont une influence considérable sur la vitesse de dissipation de la chaleur

engendrée par l'électrode de soudage à l'arc dans la pièce.

Une caractéristique générale de la présente inven-

tion est de créer un procédé et un dispositif pour commander efficacement et en temps réel des opérations de soudage effectuées sur une pièce présentant un profil irrégulier de joint, o un joint est soudé en conformité avec la largeur

réelle du joint.

Une autre caractéristique de la présente invention consiste à créer un procédé et un dispositif pour commander efficacement les opérations de soudage et la qualité du joint soudé résultant indépendamment de la présence de sources ou d'éléments, sur les tôles à souder, qui perturbent la vitesse de dissipation de chaleur au travers de la pièce chauffée. Les caractéristiques précitées et-d'autres de la présente invention sont obtenues au moyen d'un procédé et d'un dispositif qui sont particulièrement adaptés pour détecter et déterminer la quantité de rayons infrarouges émis, immédiatement en avant d'un élément de soudage, par les bords d'un joint d'une pièce à souder, en effectuant une analyse le long d'une ligne s'étendant transversalement au joint, qui est déplacé longitudinalement, au moyen d'un dispositif sensible à une énergie de rayonnement infrarouge

en vue de détecter en temps réel le profil réel de tempéra-

ture le long de la ligne transversale de manière à-commander les caractéristiques de fonctionnement de l'élément de

soudage de la machine de soudage.

Conformément à un large aspect de la présente invention, il est prévu un dispositif pour commander un mécanisme de soudage en vue-du soudage du joint d'une pièce déplaçable par rapport à celui-ci, ledit dispositif compre nant un moyen de détection de rayonnement thermique pour détecter des rayons de radiation qui sont émis par une pièce chauffée et pour répondre auxdits rayons de façon,à produire

des signaux électriques représentant la quantité de rayonne-

ment détecté, ledit moyen sensible 'à un rayonnement étant disposé dans une relation d'espacement en avant dudit mécanisme de soudage; des moyens reliés audit moyen sensible à un rayonnement thermique pour faire en sorte que

ceui 4-ci effectue un balayage'le long d'une ligne transver-

sale audit trajet de déplacement afin de permettre au dit moyen de détection de rayonnement thermique de détecter un profil de rayonnement thermique le long de ladite ligne

d'analyse transversale; un circuit pour traiter lesdits-

signaux d'énergie et de rayonnement de manière à produire des signaux de commande servant -à la commande de-caractéristiques

prédéterminées de fonctionnement dudit mécanisme de soudage.

Conformément à un autre large aspect, la présente invention concerne également un procédé pour commander le soudage d'un joint d'une pièce qui est déplaçable par rapport à un mécanisme de soudage, le procédé comprenant l'étape consistant à disposer un moyen de détection d'énergie de rayonnement thermique dans une relation d'espacement par rapport à un élément chauffant dudit mécanisme de chauffage, au-dessus dudit joint de pièce et en avant dudit élément de chauffage; à faire exécuter audit moyen sensible à une énergie de rayonnement thermique un balayage le long d'une ligne transversale aux bords dudit joint pour détecter un profil de rayonnement le long de ladite ligne d'analyse

transversale en produisant des signaux électriques représen-

tant ce profil; et à traiter lesdits signaux électtiques par l'intermédiaire d'un circuit de façon à émettre des signaux de commande servant à commander des caractéristiques

prédéterminées de fonctionnement dudit mécanisme de soudage.

Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, le moyen de détection d'énergie de rayonnement thermique

comprend un pyromètre réagissant à des variations de tempé-

rature définies le long du profil de température de ladite ligne d'analyse de manière que les signaux détectés soient

utilisés pour commander la vitesse de déplacement du mécanisme.

de soudage de la pièce ou bien la vitesse d'avance de la

baguette ou des fils de soudure.

Un autre mode de réalisation de la présente inven-

tion consiste à prévoir un collimateur formé d'un faisceau de fibres optiques relié fonctionnellement à des cellules

photo-électriques pour détecter la quantité d'énergie thermi-

que émise par la pièce chauffée Le collimateur est-correcte-

ment protégé contre un rayonnement parasite et il est refroidi

de façon appropriée.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion seront mis en évidence dans la suite de la description,

donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la fig 1 est une vue en perspective montrant un profil irrégulier de joint qui pourrait être rencontré dans une opération de soudage, la fig 2 est une vue en perspective montrant des sources de 25400 'i 9 distribution d'énergie thermique le long d'un joint de pièce, ces sources affectant la vitesse de dissipation de la chaleur engendrée par l'élément de soudage, la fig 3 est un schéma à blocs d'un circuit servant à capter et à traiter des signaux détectés par un dispositif sensible à une énergie de rayonnement thermique et à commander des

caractéristiques prédéterminées de fonctionnement d'un mécanis-

me de soudage, la fig 4 est une vue en perspective d'un autre exemple du dispositif de détection conforme à la présente invention, la fig 5 a est une vue en perspective d'un autre mode de réalisation du dispositif de détection de température, dont les valeurs détectées sont indiquées sur la figure 5 b, la fig 6 montre schématiquement le procédé de positionnement de l'électrode de soudage tout en tenant compte des facteurs de dissipation de chaleur d'une pièce, la fig 7 est un organigramme définissant schématiquement les actions corr ectives à effectuer pour contrebalancer les différentes situations mises en évidence sur la figure 6, la fig 8 a illustre un procédé pour déterminer la vitesse de refroidissement du joint soudé tandis que les figures 8 b

et 8 c illustrent schématiquement la relation entrera varia-

tion de la vitesse de refroidissement et la vitesse réelle de déplacement de l'élément de soudage, et la fig 9 est un organigramme additionnel pouvant être associé à l'organigramme de la fig 7 pour tenir compte de

la vitesse de refroidissement du joint soudé.

Comme mentionné précédemment, le principe de fonctionnement sur lequel la présente invention est basée essentiellement consiste dans la détection d'un profil de

température considéré le long d'une ligne d'analyse trans-

versale à l'axe longitudinal du joint ou intervalle d'une pièce formée de deux éléments métalliques, ladite détection étant effectuée en avant d'un élément de soudage Le profil de température est détecté au moyen d'un dispositif sensible à une énergie de rayonnement infrarouge qui est déplacée par balayage le long de l'axe transversal du joint de manière à définir avec précision la largeur du joint de pièce par localisation de la position exacte des deux bords le long de ces lignes d'analyse Le procédé de détection considéré est évidemment applicable au cas o le joint est linéaire et o sa largeur est constante mais le procédé est aussi efficace dans les deux cas particuliers représentés sur les figures 1 et 2, o des systèmes classiques de commande et de détection font défaut pour produire un joint soudé de

haute qualité.

On va maintenant décrire des modes préférés de réalisation de l'invention Sur la figure 1, -la pièce est constituée de deux tôles métalliques M et N qui sont jointes bout à bout, chacune d'elles présentant un profil de bord qui est quasi-sinusoïdal, en définissant ainsi un intervalle 1 ayant une configuration irrégulière et un profil de largeur variable Dans ce cas, la largeur du joint se rétrécit dans la zone désignée par 2 tandis qu'elle s'élargit dans la zone désignée par 3 de sorte que l'utilisation d'un procédé classique de commande se traduit par la formation d'un joint soudé inacceptable, comme indiqué par des lignes en trait

mixte 4.

Sur la figure 2, le joint a une largeur constante mais chaque tôle M, N comprend des éléments inhibiteurs, tels

que les trous 5 qui empêchent la chaleur engendrée par l'élec-

trode de soudage d'être uniformément dissipée au travers des tôles soudées Sur cette figure, on a comparé les joints soudés résultants produits respectivement par un procédé classique et par le procédé de la présente invention Ainsi le joint indiqué en 6 a été produit par un système de soudage qui n'est pas commandé de façon appropriée tandis que le joint indiqué en 7 est effectivement contrôlé en temps réel de manière à régler la vitesse de l'électrode de soudage en concordance avec la variation ou les changements de la capacité de dissipation de chaleur de la pièce au voisinage des trous 5 Lorsque l'électrode de soudage arrive aux points A ou C, la vitesse de dissipation de chaleur au travers de la pièce est normale et le joint soudé résultant présente une configuration ou profil régulier Cependant, au

voisinage des points B et D, la dissipation est considérable-

ment entravée par les trous 5 et en conséquence, si l'entrée de chaleur n'est pas modifiée en correspondance, il se

produit une surchauffe de la matière de soudure, la tempé-

rature de la zone de fusion augmente et la pénétration varie.

Au contraire, en contr 8 lant l'entrée de chaleur de la manière

envisagée par la présente invention, le joint soudé 7 reste-

constamment régulier et uniforme même dans la partie s'éten-

dant le long des trous, comme dans la zone Do La figure 3 représente un mode de réalisation de la commande adaptée du processus de soudage conformément à la présente invention Comme indiqué, l'électrode de soudage à l'arc 8 est correctement entraînée le long du joint 1 défini entre les tÈles métalliques M et N et délimité par les bords 9 et 10 Le mécanisme d'entraînement d'électrode peut être un mécanisme-approprié disponible dans le commerce et adapté à une machine de soudage standard Un pyromètre optique 14, qui est sensible à des rayons infrarouges émis par la surface chauffée de la pièce, est monté dans une relation d'adaptation de forme sur le porte-électrodellet il est focalisé de manière à analyser mécaniquement ou électroniquement le joint 1 au moyen d'un dispositif d'analyseî 4 a avec lequel il est relié le long d'une ligne 13-13 s'étendant transversalement au joint 1 et à l'intérieur de chaque bord de tôle, en étant monté à distance et légèrement en avant de la zone de métal

fondu 12 qui est produite à l'extrémité de l'électrode 8.

Comme cela est connu, il est à noter que la chaleur engendrée par le métal de soudure fondu ainsi que par l'électrode de soudage à l'arc, se propage sous forme d'ondes thermiques au travers de la masse des tôles métalliques et avec une

orientation radiale de façon à définir des lignes isothermi-

ques correspondant à Ses températures de valeurs progressive-

ment décroissantes à mesure que la distance par rapport à la source de chauffage augmente En conséquence, le pyromètre 14 collecte des rayons infrarouges émanant des surfaces de tôles chauffées de façon à définir une distribution de profil de température qui représente à un moment donné la condition réelle de dissipation thermique existant en avant de la zone de soudure 12 en vue d'une adaptation des caractéristiques de

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fonctionnement de l'électrode 8 à des variations ou modi-

fications éventuelles de la température environnante Une

adaptation des caractéristiques de l'électrode peut nécessi-

ter une modification proportionnelle de la vitesse d'avance de l'électrode 8 le long du joint 1, ou bien l'électrode 8 peut être déplacée latéralement en direction des bords 9 ou

en relation avec les conditions thermiques ou bien addi-

tionnellement le bout d'électrode peut être incliné vers le bord le plus froid En outre, il est à noter que la

quantité de rayons infrarouges émis par les bords 9 et 10.

est supérieure à celle rayonnée par l'environnement immédia-

tement adjacent ou surface des t 8 les, conformément à l'effet

Poynting bien connu Il en résulte qu'il est possible d'obte-

nir, à partir du profil de rayonnement thermique produit par le dispositif sensible à un rayonnement thermique 14, des signaux thermiques ayant des crêtes de températures c, comme indiqué dans le bloc 15, qui correspondent avec

précision à la position correcte des bords 9 et 10 immédiate-

ment en avant de la zone de soudure 12, ce qui permet ainsi de déterminer la largeur de l'intervalle existant entre les tôles métalliques à souder Pour assurer une commande très efficace des caractéristiques de l'opération de soudage exécutée par la machine de soudage, le dispositif sensible à

un rayonnement 14 est agencé de manière à effectuer un balaya-

ge ou analyse le long d'une ligne transversale au trajet de déplacement de l'électrode 8 à une vitesse supérieure à la vitesse de déplacement de cette électrode En outre, par une

analyse effectuée transversalement au joint et par un posi-

tionnement du pyromètre 14 en oblique par rapport à la surface de soudage, il est possible de déterminer la distance entre l'électrode et la pièce et le mésalignement vertical entre les tôles M et N On peut ainsi maintenir une distance constante d'espacement de l'électrode par rapport à la pièce pour tous les processus de soudage et effectuer des actions correctives dans le cas de mésalignements Une opération avec espacement constant lorsqu'on utilise un procédé de soudage à

l'arc sous atmosphère gazeuse protectrice devient par consé-

quent possible et permet d'obtenir des soudures de meilleure

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qualité.

Dans l'exemple considéré, un trou 5 a été repré-

senté au voisinage du bord de la t 8 le N, et la présence de

ce trou 5 entrave une dissipation de la chaleur en particu-

lier dans l'espace situé entre le bord 10 et le trou 5. Une telle inhibition de dissipation de chaleur produit une augmentation de température sur le bord 10, cette augmentation

de température engendrant à son tour une surchauffe substan-

tielle le long de la partie correspondante du bord 10 et produisant ainsi dans la machine de soudage une réaction se traduisant par des variations de dimensions du bain de matière de soudure, ainsi que par des changements de position de ce bain et de la profondeur de pénétration, en engendrant un joint soudé irrégulier Cependant, grâce à la commande en temps réel conforme à la présente invention, une augmentation de température sur le bord 10 est facilement détectée par un dispositif sensible à un rayonnement thermique 14 et une action corrective immédiate est effectuée par le circuit de traitement Une telle action corrective peut intervenir sous la forme d'une augmentation de la vitesse de déplacement de

Vlélectrode 8 jusqu'à une valeur o une distribution symétri-

que de température entre les bords 9 et 10 est à nouveau détectée En plus de la variation de la vitesse de l'électrode 8, une autre action corrective peut être effectuée, par exemple le déplacement de l'électrode sur le bord le plus froid ou bien une inclinaison du bout d'électrode vers le

bord 9, dans le cas considéré.

Dans le mode de réalisation indiqué sur la fig 3, on a également représenté un circuit capable de commander la vitesse de déplacement de l'électrode et également de commander la vitesse d'entraînement du fil de soudure Le profil de

rayonnement thermique détecté par le pyromètre optique d'ana-

lyse 14, ce profil étant indiqué dans le bloc 15, est appliqué

à un convertisseur analogique/ numérique 16 relié à un micro-

calculateur qui traite le signal sous la forme d'une quantité proportionnelle à la chaleur entrante, cette quantité est appliqu& à un comparateur 17 qui compare l'information reçue avec une quantité prédéterminée de référence qui est

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pré-étatlie * 3 ans le circuit de référence 18 Le résultat de la comparaison est appliqué à un circuit logique 19 qui fournit des sorties programmables pour engendrer des signaux de commande appliqués au circuit de commande de vitesse et de position d'électrode 20 ainsi qu'au circuit de commande

de vitesse d'avance de fil de soudure 21 de manière à comman-

der individuellement les différents mécanismes ( non repré-

sentés) assurant respectivement l'établissement de la vitesse de déplacement, le positionnement latéral et l'angle de

l'électrode ainsi que la vitesse d'avance du fil de soudure.

En conséquence il est à noter que, en addition à la détermi-

nation précise et fiable de la largeur du joint ou de l'in-

tervalle, le système de commande assure également un contr 8 le continu de la position d'électrode par rapport au joint à souder tout en tenant compte de toutes les modifications

de la largeur du joint et de la présence d'éléments d Einhibi-

tion de dissipation de chaleur ou même d'éléments d'évacuation de chaleur existant le long des bords du joint, de manière à

réaliser un joint soudé homogène et régulier 22.

Un autre mode de réalisation du dispositif

sensible à un rayonnement est représenté sur la figure 4.

Dans le cas considéré, un collimateur 23 est placé à proximité étroite, dans ce cas immédiatement en avant et le long du trajet de déplacement d'une électrode de soudage 8 de manière

à collecter d'une façon précise et instantanée les rayons -

infrarouges émis simultanément par le bout 30 de l'électrode de soudage à l'arc, la matière de soudure fondue 12 formant

le joint soudé régulier 22 et le joint 1 de la pièce chauffée.

Le collimateur 23 est constitué par un faisceau de trois fibres optiques 33, 34 et 35, dont les extrémités respectives , 26, 27 sont logées dans un carter blindé en cuivre 39, pourvu d'un compartiment de refroidissement dans lequel passe un fluide de refroidissement, tel que de l'eau, arrivant par

l'intermédiaire du tube d'amission 29 et déchargée par l'inter-

médiaire du tube de sortie 28 Pour détecter simultanément les rayons infrarouges émis respectivement par le bout d'électrode, la zone de soudage et le joint de pièce, les trois fibres optiques sont superposées le long du plan

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vertical passant par la surface avant du carter 39 et ces fibres font saillie parallèlement de la surface du carter

et sont fixées à des distances égales l'une de l'autre.

Il est à noter que chaque e trémité de fibre optique 25, 26 ou 27 est recouverte d'un manchon en cuivre qui empêche efficacemet, en coopération avec le carter en cuivre 39, la détection et la transmission de rayonnements parasites par l'intermédiaire des fibres optiques Le carter 39 est relié à un dispositif mécanique 32 au moyen d'un arbre 31 qui transmet un mouvement de balayage au collimateur 23 dans une direction transversale au trajet défini par le joint et au trajet de l'électrode ou bien en rotation La vitesse de balayage du collimateur 23 est bien supérieure à la vitesse d'avancement de l'électrode de sorte qu'un profil de rayonnement hermique représentatif peut être détecté respectivement par les cellules photo-électriques 36, 37, 38, connectées de manière à recevoir les rayons infrarouges transmis par les fibres optiques 34, 35 et 33 Il est à noter que le refroidissement des fibres optiques logées dans le carter 39 permet un positionnement des extrémités des fibres aussi près que poqible de la zone de soudage j 12 Cependant, un refroidissement des fibres optiques peut devenir inutile si une lentille, ou un jeu de lentilles d'une distance focale appropriée, est positionné en avant des extrémités des fibres afin de permettre de placer les extrémités des fibres optiques dans des-positions éloignées de la zone de soudage à haute température. En ce qui concerne les différents signaux transmis

par les fibres optiques et détectés par les cellules photo-

électriques, les signaux thermiques collectés en provenance

de la zone de soudage et détectés par la cellule 36 compor-

tent trois valeurs de crêtes, à savoir une crête centrale correspondant aux rayons infrarouges engendrés par l'arc d'électrode et le spot anodique dans la soudure et deux crêtes latérales qui représentent chacune les limites de la

zone de soudage Là signal détecté par la cellule photo-

électrique 38 se rapporte à la position du joint de pièce 1 et il comporte deux valeurs de crêtes définissant des bords d'intervalle et entre lesquels la valeur minimale définit avec précision le centre du joint En conséquence, cet agencement permet la régulation en temps réel de la largeur

de la zone de soudage, la position de cette dernière av.

relation avec le joint de pièce et la géométrie du joint en fonction du profil de rayonnement thermique, et également la détection appropriée de la position de l'électrode de soudage par détection de la grande intensité de rayonnement

engendré par l'électrode et transmis à la cellule photo-

électrique 37 Bien que cela ne soit pas représenté, il serait également possible avec le présent agencement do placer une fibre optique additionnelle sur l'arrrière de la pièce pour détecter la profondeur depénétration de soudure dans un joint En outre, il est envisagé de pouvoir écarter -15 la fibre optique 35, l'extrémité 27 et la cellule 37 dur collimateur 23 et de déterminer au contraire la position de l'électrode de soudage à l'arc par la valeur centrale de

crête de la cellule photo-électrique 36 représentant l'inten-

sité du rayonneme'nt engendré par les rayons infrarouges de l'arc d'électrode De tels signaux peuvent être interpoles pour déterminer la position de l'électrode Egalement, pour remplir la fonction de positionnement adaptation, il est envisagé que la fibre optique 34 et l extrémité 26 puissent être écartées du collimateur 23 et qu'au contraire la position

de l'électrode de soudage à l'arc soit déterminée mécanique-

ment par sa relation géométrique connue par rapport à la

torche de soudage Tous les signaux détectés par les différen-

tes cellules photo-électriques 36, 37 et 38 peuvent ensuite être analysés par des microprocesseurs qui servent à commander des paramètres de soudage ainsi que la position de l'électrode de soudage, une telle commande étant effectuée en temps réel en vue d'un suivi efficace du joint en même temps qu'une détermination correcte de la largeur de la zone de soudage et un positionnement correct du bain de matière de soudure

fondue dans le joint.

Sur la fig 5 a, on a représenté un autre mode de réalisation du dispositif de détection de température pour collecter les rayons infrarouges émanant de la zone de soudage

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en vue d'analyser électroniquement l'intervalle du joint de pièce au voisinage de l'élément de soudage, afin d'obtenir

un profil de distribution de température qui soit précis.

A la différence de l'agencement représenté sur la fig 4 o l'analyse ou balayage est effectué complètement mécanique- ment, l'analyse ou lebalayage sont effectués dans ce cas au moyen d'un circuit d'analyse électronique 41 Le circuit 41

collecte les différentes données de températures qui sont -

transmises par un réseau 40 formé de plusieurs fibres optiques positionnées linéairement le long d'une ligne d'analyse orientée transversalement à l'-axe longitudinal du joint de soudure Le réseau 40 est monté dans une position fixe en avant de l'élément de soudage 8 Les données collectées par le circuit d'analyse 41 sont appliquées à un détecteur de rayons infrarouges 42 de façon à déterminer, en temps réel, Le profil réel de température qui est en concordance avec la

fonction de distribution T(X) comme indiqué sur la figure 5 b.

Par intégration de la fonction T(X), il devient possible de

déterminer avec précision le domaine de ses parties perti-

nentes et d'assurer ainsi un positionnement précis de l'élé-

ment de soudage dans le bain de métal de soudure tout en tenant compte éventuellement de variations de la vitesse de dissipation de chaleur dans chaque tôle de la pièce En conséquence,-pour maintenir un flux thermique constant au

voisinage du bain de matière de soudure, on calcule l'inté-

grale suivante: I= fc T(X) dx, o I désigne le domaine de la a fonction T(X), et un signal de commande est appliqué au courant de soudage

de façon à maintenir l'intégrale ci-dessus constante.

I = J c T(X) dx = 1 référence.

a Puisque le chauffage des tôles provoque une

augmentation de I et un changement du flux thermique à proxi-

mité de la zone de soudage, on doit assurer la régulation de la chaleur introduite dans la soudure Par une mesure en temps réel de la valeur de I par une commande correcte du courant de soudage pour établir une valeur constante de I, on établit alors un flux thermique constant le long de tout

le joint soudé.

D'autre part, par comparaison des valeurs de domaine de I et I 2 qui sont respectivement de Il b 4T(X) dx I 2 __c T(X) dx, o b correspond au point minimal de la fonction T(X), il est non seulement possible d'obtenir un système de suivi de joint correct qui maintient l'élément de soudage avec précision au centre de l'intervalle du joint de pièce mais qui permet également une détection d'une asymétrie dans le taux de dissipation de la chaleur au travers de chaque tôle de manière à exercer une action corrective sur le mécanisme de déplacement de l'élément de soudage pour le décaler latéralement ou l'incliner en vue de rétablir une symétrie dans le flux de

transmission de chaleur.

Sur la figure 6, on a représenté plusieurs cas désignés de 6 A à 6 E', o un repositionnement de l'élément de soudage est effectué en concordance avec le principe général expliqué ci-dessus On se référera également à la figure 7 o on a représenté schématiquement l'organigramme donnant les différents signaux de commande permettant de résoudre chacune des situations mises en évidence sur la figure 6 Dans le cas 6 A, on a représenté la forme générale de la fonction T(X) lorsque l'élément de soudage est correctement centré, lorsqu'il ne se produit aucune dissipation asymétrique de chaleur et

lorsque les conditions opératoires de soudage sont optimales.

Dans ce cas, la valeur minimale de T(X) se situe au point-

milieu et en conséquence ab=bc, I = I ref et 11 = I 2; aucun

signal de commande n'est alors appliqué au mécanisme d'action-

nement de l'élément de soudage Comme le montre la figure 7, un écart ou une modification des conditions opératoires du cas 6 A imposera des actions correctives au moyen de signaux de commande soit sur le courant de sudage soit sur le déplacement latéral de l'élément de soudage, soit sur son inclinaison à

l'aide de moyens mécaniques appropriés.

A chaque fois que l'élément de soudage W est

excentré, notamment vers la gauche dans l'exemple corres-

pondant au cas 6 B, le point minimal de la fonction T(X) est également excentré, en rendant ab supérieur à bc Un signal de commande est alors produit pour faire déplacer l'élément de soudage vers la droite, comme indiqué sur la figure 7 Additionnellement, si les tôles deviennent surchauffées, I est alors supérieur à I ref de-sorte qu'un signal de commande est appliqué au courant de soudage pour

établir à nouveau I = Iref.

Dans lescas 6 C, 6 D et 6 E, on a représenté d'une façon générale des exemples de situations o l'élément de soudage est excentre et o un évacuateur de chaleur est en

contact avec la tôle M de manière à provoquer une augmenta-

tion de la vitesse de dissipation de chaleur sur le côté gauche, La valeur minimale de TOZ) est alors excentrée, I est inférieur à I ref et, dans la plupart des cas-, Il est différent de I 2, bieh qu'il soit également possible que I 1 = I 2 lorsqu'un tel déplacement latéral de l'élément de soudage compense effectivement l'influence de l'évacuateur de chaleur ( cas 6 C)0 Cependant, comme le montre la figure 7, la première action à exercer sur l'élément de soudage consiste à le faire revenir au centre de manière que ab = bc L'élément de soudage étant centré et l'évacuateur de chaleur étant encore placé à gauche, on a alors I inférieur à 12-et I inférieur à

I 1

I ref, comme indiqué pour le cas 6 D Un signal de commande est alors engendré pour commander le courant de soudage de manière

à établir I = I ref et le mécanisme d'actionnement de l'élé-

ment de soudage est incliné vers la gauche pour établir la

relation I = 12 t comme indiqué en 6 A ainsi que dans l'orga-

nigramme de la figure 7.

En résumé, l'organigramme de la figure 7 montre les différentes actions qui doivent se produire et être exercées sur le mécanisme d'actionnement de l'élément de soudage pour obtenir un joint soudé correct La première action consiste à positionner l'élément de soudage au centre du joint, ensuite le courant de soudage est ajusté pour maintenir une vitesse constante de dissipation de chaleur et finalement l'élément de soudage est orienté de manière à

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tenir compte d'un flux de chaleur asymétrique.

On en déduit qu'une corrélation correcte entre I ref et la vitesse de déplacement de l'élément de soudage est tout à fait suffisante pour établir une bonne vitesse de refroidissement du métal de soudure en solidification après le passage de l'électrode de soudage, de manière à obtenir

un joint soudé de bonne qualité.

La figure 8 a montre schématiquement comment on peut déterminer I ref à partir d'une mesure en temps réel de deux températures Tl et T 2 qui sont prises après l'élément de soudage tandis que la figure 9 représente un organigramme additionnel montrant comment les valeurs mesurées peuvent être intégrées dans l'organigramme de la figure 7 L'agencement de la figure 8 a permet la détermination correcte de la vitesse de solidification du métal du joint soudé, cette vitesse étant exprimée par Tl T 2, O Tl désigne la température

déterminée au premier dp 6 nt, T 2 désigne la température déter-

minée au second point, d désigne la distance entre les deux points de mesure de température et v désigne la vitesse de

déplacement de l'élément de soudage En sélectionnant correc-

tement d, il est possible de déterminer d T/dt à l'intérieur de la zone critique et, en faisant varier la vitesse v, on peut obtenir l'assurance que la vitesse réelle de solidification ne dépasse pas la vitesse critique du métal au-dessus de laquelle des criques peuvent apparaître dans le joint soudé résultant. Les figures 8 b et 8 c montrent clairement qu'il existe une corrélation correcte entre d T/dt et I puisque les lignes isothermiques L sont de plus en plus rapprochées à mesure que la vitesse v croit En conséquence, pour une basse vitesse, I est relativement-grand tandis que d T/dt est alors faible La situation opposée se produit pour des hautes

vitesses En conséquence, en maintenant I supérieur à I criti-

que, on obtient une certaine assurance que la vitesse de refroidissement du joint de soudure reste à l'intérieur de

limites sûres.

La figure 9 représente un organigramme à associer à un des organigrammes de la figure 3 pour obtenir une soudure

de qualité appropriée par définition d'une valeur sûre de I ref.

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2 540 020

AUCUNE DEMANDE

N'EST PUBLIEE SOUS CE

NUMERO

un

Claims (26)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de commande en temps réel pour comman-

der les caractéristiques de fonctionnement d'un mécanisme de soudage déplaçable le long d'un joint à souder dans une pièce, caractérisé en ce qu'il comprend:

un moyen de détection de rayonnement thermique ( 14) réagis-

sant à une énergie de rayonnement thermique émanant d'un joint de pièce chauffée ( 1), ledit moyen de détection étant positionné le long d'un trajet de déplacement et à proximité étroite d'un élément de soudage ( 8) dudit mécanisme de soudage et produisant des signaux électriques représentant la quantité d'énergie thermique détectée;

un moyen ( 14 a) relié audit moyende détection de'rayonnement-

thermique ( 14) pour l'obliger à exécuter un mouvement d'ana-

lyse ou de balayage le long-d'une ligne transversale audit trajet de déplacement afin de permettre audit moyen de détection de détecter un profil de rayonnement thermique ( 15) le long de ladite ligne d'analyse transversale des circuits ( 16, 17, 18, 19) pour traiter lesdits signaux

électriques fournis par ledit moyen de détection de rayonne-

ment afin de produire des signaux de commande servant à

commander des caractéristiques prédéterminées de fonctionne-

ment dudit mécanisme de soudage.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de rayonnement thermique

( 14) comprend un moyen optique réagissant à des rayons infra-

rouges émis par le joint de pièce chauffée ( 1) et par l'élé-

ment de soudage ( 8) dudit mécanisme de soudage, ledit moyen

de détection étant placé en avant dudit élément de soudage.

3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen optique comprend un pyromètre optique ( 14) pourvu de cellules photoélectriques adaptées pour collecter lesdits rayons infrarouges et pour produire des signaux de sortie représentant ledit profil de rayonnement

thermique détecté.

4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen optique est monté de façon fixe suivant un certain angle sur ledit mécanisme de soudage en étant déplaçable le long d'un trajet parallèle au trajet de

déplacement dudit élément de soudage ( 8).

Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de rayonnement ( 14) produit des signaux de crêtes représentant la position relative des bords ( 9, 10) dudit joint de pièce ( 1) en concordance avec le profil de rayonnement thermique ( 15)

afin-de définir la largeur réelle dudit joint ( 1).

6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits circuits comprennent un moyen ( 16) pour traiter lesdits signaux de crêtes par l'intermédiaire d'un comparateur ( 17) relié à un circuit logique ( 19) pour régler les caractéristiques de fonctionnement dudit mécanisme de soudage. 7 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen sensible à un rayonnement thermique ( 14) comprend un collimateur ( 23) réagissant à des rayons infrarouges émis par le joint chauffé ( 1), l'élément de soudage ( 8) et une matière de soudure fondue dans une zone

de soudage.

8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit collimateur ( 23) comprend un faisceau de fibres optiques ( 33, 34, 35) disposées fonctionnellement le long dudit joint de pièce ( 1) et en relation avec l'élément de soudage ( 8) pour transmettre des rayons infrarouges émis à des cellules photo-électriques ( 36, 37, 38) placées en un endroit éloigné de la zone de matière de soudure fondue

( 12).

9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ledit faisceau de fibres optiques ( 33, 34, 35) est protégé sur une partie de sa longueur au moyen d'un carter métallique ( 39) afin d'éviter un passage de rayons infrarouges

parasites dans les fibres.

D Ispositif selon la revendication 9, caractérisé

en ce que ledit carter métallique ( 39) comporte un comparti-

ment dans lequel passe un-fluide de refroidissement pour assurer le refroidissement de ladite partie des longueurs

des fibres optiques dudit faisceau.

11 Dispositif selon l'une des revendications 7, 8

ou 9, caractérisé en ce que des lentilles optiques sont interposées entre ledit collimateur ( 23) et ledit joint de

pièce ( 1).

12 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un dispositif mécanique est relié audit carter de protection au moyen d'un arbre afin de déplacer ledit carter et lesdites fibres optiques pour l'analyse du joint de pièce ( 1). 13 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de détection de rayonnement thermique

( 14) comprend un groupe de plusieurs fibres optiques.

14 Dispositif selon l'une des revendications 1, 7 ou

13, caractérisé en ce qu'il comprend en outre-un moyen pour déterminer la vitesse de solidification d'un joint de soudure résultant. Dispositif de commande en temps réel pour assurer la commande des caractéristiques de fonctionnement d'un mécanisme de soudage déplaçable le long d'un joint d'une pièce à souder, caractérisé en ce qu Ul comprend un dispositif optique sensible à une énergie de rayonnement thermique émanant d'un joint de pièce chauffée et comportant des cellules photo-électriques réagissant à ladite énergie-de rayonnement pour produire des signaux représentant la quantité d'énergie de rayonnement thermique détectée; un moyen pour faire en sorte que ledit dispositif optique exécute un mouvement d'analyse et de balayage le long d'une ligne tranversale au trajet de déplacement de -l'élément de soudage ( 8) dudit mécanisme de soudage et placé à proximité étroite de celui-ci pour détecter un profil de rayonnement thermique ( 15) le long de ladite ligne d'analyse transversale; et des circuits pour traiter des signaux fournis par les cellules photo-électriques du dispositif optique afin d'engendrer des

signaux de commande servant à commander lesdites caractéris-

tiques de fonctionnement du mécanisme de soudage.

16 Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit dispositif optique comprend-un pyromètre optique ( 14) placé immédiatement en avant dudit élément-de

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soudage ( 8).

17 Dispositif selon la revendication ( 16), caracté-

risé en ce que lesdits circuits comprennent un circuit de traitement de signaux analogiques ( 16) recevant les signaux qui sont émis par les cellules photo-électriques ( 36, 37, 38), ledit circuit étant relié à uncircuit comparateur ( 17) qui est lui-même relié à un circuit logique ( 19) pour commander au moins une caractéristique de fonctionnement du mécanisme de soudage en concordance avec des valeurs préréglées de fonctionnement qui sont appliquées audit circuit comparateur

( 17).

18 Dispositif de commande en-temps réel servant à

commander les caractéristiques de fonctionnement d'un mécanis-

me de soudage déplaçable le long d'un joint de pièce à souder,

caractérisé en ce qu'il comprend un collimateur ( 23) réagis-

sant à une énergie de rayonnement thermique émanant du joint de pièce chauffée ( 1), ledit collimateur ( 23) étant relié à des cellules photoélectriques ( 36, 37, 38) produisant des signaux représentant la quantité d'énergie thermique détectée par le collimateur ( 23), ce dernier étant positionné à proximité étroite d'un élément de soudage ( 8) dudit mécanisme de soudage; un moyen pour faire en sorte que le collimateur exécute un mouvement d'analyse ou de balayage par rapport au joint de pièce et-par rapport à l'élément de soudage le long

d'une ligne transversale audit joint ( 1) de manière à détec-

ter un profil de rayonnement thermique ( 15) le long de ladite ligne d'analyse transversale; et un moyen pour traiter les signaux fournis par lescellules photo-électriques de manière à produire des signaux de commande servant à commander lesdites caractéristiques de fonctionnement du mécanisme de soudage. 19 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit collimateur ( 23) comprend au moins deux fibres optiques ( 33, 34) pour transmettre individuellement des rayons infrarouges émis par l'élément de soudage ( 8) et le joint de

pièce chauffée < 1) à leurs cellules photo-électriques respec-

tives ( 36, 37) afin de déterminer la position relative de l'élément de soudage ( 8) et du joint de pièce ( 1), ledit collimateur ( 23) étant positionné en avant dudit élément de soudage. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit collimateur ( 23) comprend une troisième fibre optique ( 35) adaptée pour collecter les rayons infrarouges émis par une matière de soudure fondue et entraînée par ledit moyen d'analyse pour définir la largeur de la zone de matière

de soudure fondue.

21 Dispositif selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'une partie de la longueur desdites fibres optiques ( 33, 34, 35) est protégée au moyen d'un carter métallique ( 39) pour empêcher les fibres de transmettre des rayons

infrarouges parasites.

22 Dispositif selon l'une des revendications 18, 19

ou 21, caractérisé en ce que des moyens optiques sont placés

entre ledit collimateur ( 23) et ledit joint de pièce ( 1).

23 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé

en ce que ledit moyen d'analyse comprend un moyen mécanique.

24 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé

en ce que ledit moyen d'analyse comprend un moyen électroni-

que ( 41).

Dispositif selon la revendication 21, caractérisé

en ce que ledit carter métallique ( 39) comprend un comparti-

ment dans lequel passe un fluide de refroidioement servant à refroidir de façon appropriée ladite partie de longueur

desdites fibres optiques ( 33, 34, 35).

26 Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que ledit collimateur comprend un ensemble de plusieurs

fibres optiques.

27 Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que ledit moyen de traitement de signaux comprend des microprocesseurs pour analyser les signaux fournis par les cellules photo-électriques de manière à commander les

caractéristiques de fonctionnement dudit mécanisme de soudage.

28 Procédé pour commander en temps réel les caracté-

ristiques d'exécution d'une opération de soudage d'un joint de pièce qui est mobile par rapport à un mécanisme de soudage, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à: disoser un moyen de détection d'énergie de rayonnement thermique ( 14) en relation espacée par rapport à l'élément chauffant ( 8) dudit mécanisme de soudage au-dessus dudit joint de pièce ( 1) et à proximité étroite de l'élément chauffnt ( 8) obliger ledit moyen de détection de rayonnement thermique à exécuter un mouvement de balayage ou d'analyse le long d'une ligne transversale aux bords ( 9, 10) dudit joint ( 1) pour détecter un profil de rayonnement ( 15) le long de ladite ligne d'analyse transversale et pour produire des signaux électriques le représentant; et traiter lesdits signaux électriques par l'intermédiaire de circuits pour produire des signaux de commande servant à

commander les caractéristiques prédéterminées de fonctionne-

ment dudit mécanisme de soudage.

29 Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que ledit profil de rayonnement ( 15) comprend des valeurs de crêtes correspondant à l'émission d'un fort rayonnement thermique sur chaque bord dudit joint afin de déterminer avec

précision la largeur dudit joint et à modifier en correspon-

dance lesdites caractéristiques de fonctionnement.

Procédé selon la revendication 28, caractérisé en

ce que ladite étape de traitement comprend l'étape de compa-

raison des valeurs dudit profil-de rayonnement avec des

* 25 valeurs de référence en vue de modifier la vitesse de déplace-

ment dudit élément de soudage ( 8) à chaque fois que ladite énergie thermique détectée par ledit moyen de détection varie. 31 Procédé selon la revendication 28, caractérisé en ce que l'énergie de rayonnement dudit élément de soudage ( 8), la position dudit joint de pièce ( 1) et la largeur

d'une zone de matière de soudure fondue sont détectées simul-

tanément au moyen d'un collimateur ( 23) protégé contre un rayonnement énergétique parasite et positionné en avant

dudit élément chauffant ( 8).

32 Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce qu'un fluide de refroidissement passe dans un carter

protégé ( 39) dudit collimateur ( 23).

33 Procédé selon la revendication 31, caractérisé en ce que ladite étape d'analyse comprend un déplacement en

rotation dudit collimateur ( 23).

34 Procédé selon la revendication 28, caractérisé en-

ce que ledit profil de rayonnement ( 15) comprend deux zones de distribution de températures et en ce que ladite-étape de commande comprend l'étape de positionnement de l'élément de soudage dudit mécanisme de soudage au centre dudit joint de pièce ( 1) par un déplacement latéral ou angulaire dudit élément de soudage d'une valeur suffisante pour donner aux

deux zones précitées des valeurs égales.

Proc 6 dé selon la revendication 28, caractérisé en ce qu'il comprend l'autre étape consistant à déterminer la vitesse de solidification du métal de soudure résultant

après le passage dudit mécanisme de soudage -

36 Procédé selon la revendication 35, caractérisé en ce que ladite étape de détermination comprend l'étape consistant à détecter individuellement les températures de deux points placés le long de l'axe longitudinal dudit joint de soudure et espacés d'une distance prédéterminée l'un de l'autre.