FR2607042A1

FR2607042A1 - Procede et dispositif de controle d'une operation de soudage a l'arc

Info

Publication number: FR2607042A1
Application number: FR8716238A
Authority: FR
Inventors: Robert David Lillquist; Allen Whitmore Case Jr
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1986-11-24
Filing date: 1987-11-24
Publication date: 1988-05-27
Anticipated expiration: 2007-11-24
Also published as: FR2607042B1; SE8704648D0; JP2529302B2; IT1225481B; IT8722737A0; SE8704648L; DE3738540C2; GB8727265D0; US4711986A; GB2197722B; GB2197722A; JPS63171266A; DE3738540A1

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LA CONDUITE D'OPERATIONS DE SOUDAGE A L'ARC. ON MESURE EN TEMPS REEL LA PENETRATION DE LA SOUDURE DANS UNE OPERATION DE SOUDAGE A L'ARC EN CONTROLANT LA FREQUENCE D'OSCILLATION NATURELLE DU BAIN DE FUSION 18. ON INDUIT DES OSCILLATIONS SPATIALES DANS LE BAIN EN MODULANT SOIT LE GAZ PROTECTEUR, SOIT LE COURANT DE SOUDAGE, A UN ENSEMBLE DE FREQUENCES DIFFERENTES, ET ON DETECTE LA LUMIERE REFLECHIE PAR LE BAIN SOUS UN ANGLE NON SPECULAIRE, POUR DETERMINER LA FREQUENCE D'OSCILLATION NATURELLE. ON PEUT EMPLOYER UNE MODULATION PAR IMPULSIONS OU PAR UN SIGNAL VOBULE POUR EXCITER LE BAIN. APPLICATION AU SOUDAGE DE SUPERALLIAGES A BASE DE NICKEL.

Description

La présente invention concerne de façon générale

les opérations de soudage à l'arc, et elle porte plus par-

ticulièrement sur un procédé et un dispositif pour contrô-

ler en temps réel une opération de soudage à l'arc, afin de mesurer la pénétration de la soudure.

Pour obtenir la résistance mécanique et l'inté-

grité correctes dans un joint soudé, il est nécessaire que la soudure pénètre sur une profondeur appropriée afin d'obtenir une bonne adhérence entre les pièces métalliques formant le joint, après resolidification du métal fondu du bain de fusion de la soudure. Une pénétration trop faible

conduit à une adhérence incomplète entre les pièces métal-

liques sur toute l'épaisseur du joint, et une pénétration trop importante, ou un transpercement, peut produire un affaiblissement excessif du métal de base des pièces qui

entourent le joint soudé.

La qualité et l'intégrité d'un joint soudé à l'arc sont déterminées dans une large mesure par les caractéristiques géométriques du bain de fusion pendant l'opération de soudage, ainsi que par les propriétés métallurgiques du métal de soudage et l'effet thermique sur le métal de base. Du fait que des variations de l'épaisseur et de la composition locales du métal, de la

largeur du joint, de l'évacuation de chaleur et des carac-

téristiques géométriques de la connexion de masse peuvent provoquer des variations de la largeur et de la pénAtation du cordon, ainsi que des caractéristiques géométriques de la soudure résultante, on a besoin, en particulier dans 2607Mt des opérations de soudage automatiques, de capteurs

n'établissant pas de contact qui soient capables de mesu-

rer de façon fiable la pénétration de la soudure, en temps réel, par le côté de la soudure qui fait face à l'appareil de soudage. Diverses techniques ont été proposées dans ce but. Ces techniques présentent cependant un ou plusieurs inconvénients ou bien elles n'ont par ailleurs pas donné satisfaction. L'.une de ces techniques fait intervenir la mesure des caractéristiques géométriques de la surface plane de bains de fusion pendant l'opération de soudage à l'arc, en détectant de façon optique le bain de fusion, par exemple avec une caméra de télévision, pour mesurer la largeur et l'aire du bain. Cependant, avec certaines matières, en particulier des superalliages à base de nickel, de faibles variations de la proportion d'éléments constitutifs secondaires peuvent produire de grandes

variations de la profondeur du bain de fusion, c'est-à-

dire de la pénétration, bien que l'aspect du bain reste inchangé du côté de l'apparzeil de souage. On peut évidemient détecter la pénétration si on peut accéder au point de vue optique à la face inférieure de la pièce, et on a employé cette technique dans certaines situations, mais elle est habituellement difficile à mettre en oeuvre en pratique dans la plupart des situations de soudage qu'on rencontre

dans l'industrie.

On sait qu'il est possible de déterminer le pro-

fil de section transversale d'un bain de fusion si on con-

naît les caractéristiques géométriques de la surface du

bain, essentiellement sa largeur, et la fréquence d'oscil-

lation naturelle du métal en fusion. On sait également que la fréquence d'oscillation naturelle du bain diminue lorsqu'une condition de pénétration complète dans la pièce

est atteinte. Une autre technique qui a été utilisée con-

siste donc à exciter le bain de fusion pour le faire t60?04t osciller, par exemple par l'application d'une impulsion de courant à l'électrode de l'appareil de soudage à l'arc, et à contrôler la tension d'arc et à analyser les variations de tension pour en déduire les fréquences d'oscillation du bain de fusion. La tension d'arc n'est pas un paramètre idéal pour détecter des oscillations du bain, du fait qu'elle est influencée par la composition du gaz, l'usure des électrodes, des impuretés à la surface du bain et une foule d'autres effets, en plus de la longueur de l'arc. En outre, dans des opérations de soudage avec un mouvement d'avance, l'électrode est écartée du centroïde géométrique du bain de fusion, o l'amplitude d'oscillation du bain serait maximisée au moment de la pénétration complète, ce qui rend plus difficile la détection des'oscillations par

le contrôle de la tension d'arc.

Il existe un besoin portant sur un procédé et un dispositif pour mesurer de façon fiable et commode la pénétration de la soudure dans une opération de soudage à l'arc, qui éliminent les inconvénients précédents ainsi

que d'autres, et c'est ce but que vise l'invention.

L'invention procure un procédé et un dispositif pour contrôler une opération de soudage à l'arc qui

atteignent les objectifs désirés précités, et qui élimi-

nent les inconvénients précités, ainsi que d'autres, des procédés et des dispositifs connus. L'invention fonctionne en temps réel et par la face avant d'une pièce, ou son côté faisant face à l'appareil de soudage, pendant une

opération de soudage avec un appareil de soudage en mouve-

ment, de façon à procurer des mesures fiables et précises des fréquences d'oscillations naturelles du bain de fusion. L'invention permet la détection, en temps réel, de la transition d'une pénétration partielle à la pénétration complète de la soudure, et lorsqu'elle est utilisée en

combinaison avec des moyens capables de mesurer les para-

mètres géométriques du bain de fusion, tels que la largeur t$of04t et l'aire de la surface, du côté de l'appareil de soudage, on peut l'employer pour déterminer la profondeur moyenne

du bain de fusion.

Brièvement, l'invention détecte de façon optique la lumière réfléchie par un bain de fusion sous un angle non spéculaire pendant une opération de soudage à l'arc,

et elle fournit un signal qui est représentatif de l'in-

tensité lumineuse détectée. Le bain de fusion est excité à un ensemble de fréquences différentes qui induisent des

oscillations spatiales dans le bain de fusion, et la fré-

quence d'oscillation naturelle du bain de fusion est déterminée à partir des changements de l'intensité de la

lumière réfléchie qui est détectée.

Selon des aspects plus spécifiques, l'invention peut fonctionner soit avec la lumière ambiante produite par l'arc qui se forme entre l'électrode de l'appareil de

soudage et la pièce à souder, soit avec une source lumi-

neuse monochromatique séparée, par exemple un laser, qui illumine le bain de fusion avec de la lumière uniforme

diffuse d'une longueur d'onde prédéterminée. Dans ce der-

nier cas, on peut employer un filtre monochromatique adapté à la longueur d'onde de la source d'illumination pour restreindre la lumière atteignant le capteur de

lumière à celle qui correspond à la longueur d'onde prédé-

terminée de la source d'illumination. Le filtre arrête la

majeure partie de la lumière de fond de l'arc pour l'empê-

cher d'atteindre le capteur de lumière. Le capteur de

lumière peut consister en un simple photodétecteur élec-

trique, tel qu'une photodiode au silicium ou un disposi-

tif analogue, ou bien il peut consister en un capteur bidimensionnel tel qu'une caméra, qui permet de mesurer à la fois l'intensité de la lumière réfléchie par le bain de fusion et les caractéristiques géométriques de la surface

de ce dernier. Dans une condition non résonnante, le pro-

fil de surface du bain de fusion est suffisamment plat

pour que la quantité de lumière réfléchie dans la direc-

tion non spéculaire dans laquelle le bain de fusion est

observé corresponde à un minimum. Lorsque le bain de fu-

sion est excité, des ondes de surface sur le bain rétro-

réfléchissent davantage de lumière vers le capteur de lumière, ce qui provoque une augmentation de son signal de sortie. A la résonance, la quantité de lumière réfléchie dans la direction non spéculaire est considérablement augmentée et le capteur de lumière produit son signal de

sortie maximal.

On peut procéder de plusieurs manières pour exciter le bain de fusion afin d'induire des oscillations

spatiales dans celui-ci. Dans un mode de réalisation pré-

féré de l'invention, on excite le bain de fusion en modu-

lant le gaz protecteur pour le soudage qui entoure l'arc.

On peut effectuer ceci en amenant le gaz protecteur à l'appareil de soudage en lui faisant traverser une chambre de modulation de débit de gaz qui contient un dispositif

commandé électriquement, tel qu'un haut-parleur ou un dis-

positif analogue, qui est capable de moduler la pression du gaz traversant la chambre. On peut également moduler le

gaz protecteur en faisant varier la quantité de gaz pro-

tecteur qui est amenéeà l'appareil de soudage à partir

d'une source de gaz secondaire, en parallèle avec l'ali-

mentation en gaz normale, comme par exemple en utilisant une valve à commande électrique ou un dispositif analogue pour commander le débit de gaz de la source secondaire. On peut également exciter le bain de fusion en modulant le

courant de soudage qui est appliqué à l'électrode de sou-

dage.

On peut exciter le bain de soudage pour le faire osciller, en attaquant le modulateur employé,quel que soit sa forme, avec un échelon ou une impulsion de tension qui induit une oscillation simultanée du bain de fusion à un ensemble de fréquences différentes, ou avec une fréquence 260704t variant dans le temps ou vobulée, c'est-à-dire ce qu'on appelle un signal "chirp". Lorsqu'on excite le bain de fusion en utilisant une impulsion, on peut déterminer la

fréquence d'oscillation résonnante ou naturelle en effec-

tuant une analyse spectrale en temps réel du signal de

sortie du capteur de lumière. Lorsqu'on utilise une fré-

quence vobulée ou un signal "chirp'y, on peut déterminer

la fréquence de résonance du bain en détectant la fréquen-

ce d'excitation à laquelle apparaît le signal de sortie

maximal du capteur de lumière.

La suite de la description se réfère aux des-

sins annexés qui représentent respectivement: Figure 1: une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de l'invention; Figure 2: une autre structure de modulation du gaz protecteur conforme à l'invention;

Figure 3: un spectre de fréquence caractéris-

tique de la lumière réfléchie par un bain de fusion; Figure 4A: un graphique amplitude-temps illustrant une modulation par une fréquence vobulée; Figure 4B: un graphique fréquence-temps illustrant la variation au cours du temps de la fréquence vobulée; Figure 4C: une réponse amplitude-temps de type caractéristique d'un détecteur de lumière; et Figure 5: un second mode de réalisation de l'invention.

La figure 1 représente un premier mode de réa-

lisation de l'invention qui est employé avec un appareil de soudage à l'arc à électrode de tungstène sous gaz inerte, 10. L'appareil de soudage, qui est représenté

schématiquement, peut comprendre une enveloppe 12 à l'in-

térieur de laquelle une électrode 14 est supportée en

position centrale, et cette électrode fait saillie à par-

tir d'une extrémité de l'enveloppe adjacente à une pièce à souder 16. Lorsqu'un arc électrique est amorcé entre l'électrode et la pièce, le métal de base de la pièce fond pour former un bain de fusion 1_ audessous de l'appareil de soudage. Lorsque l'appareil de soudage est déplacé le long de la pièce, par exemple vers la gauche

sur la figure 1, le métal en fusion situé derrière l'appa-

reil de soudage se refroidit et se resolidifie. En abou-

tant deux pièces ensemble et en dépla;ant l'appareil de soudage le long du joint entre les deux pièces, les bords aboutés des pièces fondent sous l'action de l'appareil de soudage et les pièces se soudent ensemble lorsque le métal fondu se résolidifie. Si on le désire, on peut introduire dans l'arc électrique un fil de métal d'apport et le faire fondre en compagnie du métal de base des deux pièces. Un gaz protecteur inerte, tel par exemple que de l'argon, est introduit sous pression à l'intérieur de l'enveloppe de l'appareil de soudage, par un orifice d'entrée 20. Le gaz inerte sort par l'extrémité de l'appareil de soudage, comme l'indiquent les flèches, et il enveloppe et protège

l'arc formé entre l'électrode et la pièce.

Une pénétration correcte de la soudure est nécessaire pour obtenir une bonne adhérence entre les pièces et pour garantir une résistance mécanique et une intégrité appropriées de joints soudés. Si la pénétration de la soudure, c'est-à-dire la profondeur du bain de

fusion dans une pièce, n'est pas assez profonde, l'adhé-

rence peut être incomplète, ce qui peut conduire à un joint faible. Si la pénétration de la soudure est trop

importante, il peut se produire un transpercement suscep-

tible d'entraîner un affaiblissement du métal de base. La pénétration de la soudure est influencée par un certain

nombre de facteurs différents, parmi lesquels les proprié-

tés métallurgiques du métal utilisé pour la soudure et l'effet thermique sur le métal de base. Des variations de

l'épaisseuret del]acomposition locales du métal, de la lar-

860704t

geur du joint, de la dissipation de chaleur et des carac-

téristiques géométriques de la connexion de masse peuvent conduire à des variations inacceptables de la largeur et de la pénétration du cordon de soudure, ainsi que des caractéristiques géométriques du joint résultant. Bien que

la pénétration de la soudure soit liée aux caractéristi-

ques géométriques de la surface plane du bain de fusion,

la seule connaissance de ces caractéristiques est insuf-

fisante pour déterminer la pénétration de la soudure. Avec certaines matières, en particulier des superalliages à base de nickel, de faibles variations de la proportion d'éléments constitutifs secondaires des matières peuvent entraîner des variations importantes de la profondeur du bain, c'est-à-dire de la pénétration, bien que l'aspect du bain de fusion reste inchangé du côté de l'appareil de soudage. Comme on l'expliquera sous peu de façon plus complète, l'invention mesure la pénétration de la soudure en contrôlant la fréquence d'oscillation naturelle du bain

de fusion, par le côté de la soudure o se trouve l'appa-

reil de soudage, et en temps réel. La fréquence d'oscilla-

tion naturelle diminue de façon abrupte au moment de la

pénétration complète, et on peut employer ceci pour détec-

ter la transition de la pénétration partielle à la péné-

tration complète, et pour commander l'opération de souda-

ge.. La fréquence d'oscillation naturelle de bains de

fusion est de façon caractéristique dans la plage de fré-

quences de 300 Hz ou moins, et au moment de la pénétration

complète la fréquence d'oscillation naturelle peut dimi-

nuer de moitié. L'invention mesure la pénétration de la soudure en contrôlant de façon optique la lumière qui est

réfléchie par le bain de fusion, pour déterminer sa fré-

quence d'oscillation naturelle. En considérant la figure 1, on note qu'on peut réaliser ceci au moyen d'un système optique d'observation de bain qui comprend une lentille 22 montée à l'intérieur de l'enveloppe 12 de l'appareil de soudage, de façon à observer la majeure partie du bain de fusion sous un angle de réflexion non spéculaire. La lumière reçue par la lentille 22 peut être focalisée sur l'extrémité d'un câble à fibres optiques 24 qui entre dans l'enveloppe de l'appareil de soudage. Le câble à fibres optiques transmet la lumière reçue à un capteur de

lumière 26 qui mesure la quantité, c'est-à-dire l'intensi-

té, de la lumière reçue, et qui fournit un signal électri-

que correspondant à un dispositif de traitement 28. Le

dispositif de traitement analyse le signal électrique pro-

venant du capteur de lumière pour déterminer la fréquence d'oscillation naturelle du bain de fusion, et il peut émettre un signal sous un format défini qui identifie cette fréquence naturelle. Le format spécifique du signal de sortie peut être adapté au dispositif particulier

auquel il est appliqué.

Le câble à fibres optiques 24 peut consister soit en un câble à fibres optiques ne transmettant pas une image, soit en un faisceau de fibres optiques transmettant une image. Bien que la figure 1 représente la lentille 22 et le câble à fibres optiques 24 incorporés physiquement

dans l'enveloppe de l'appareil de soudage, ces disposi-

tifs peuvent également être contenus dans un bottier sépa-

ré qui est fixé à l'appareil de soudage. Les brevets des E.U.A. no 4 532 405 et 4 578 561, cédés à la demanderesse, et le brevet des E.U.A. n 4 488 032 montrent des exemples d'appareils de soudage à l'arc comportant des systèmes optiques intégrés pour l'observation de bains de fusion,

qu'on peut employer avec l'invention. Le capteur de lumiè-

re 26, qui mesure la lumière transmise par le câble à fibres optiques, peut consister simplement en un détecteur de lumière 30, tel qu'une photodiode au silicium, contenu dans un bottier qui comporte une lentille 32 disposée de façon à projeter sur le détecteur la lumière provenant du câble à fibres optiques. Avec cette configuration, le

détecteur de lumière intègre la lumière reçue et il four-

nit un signal de sortie dont le niveau correspond à la quantité de lumière reçue. Selon une variante, le capteur

de lumière 26 peut consister en un dispositif bidimension-

nel, tel qu'une caméra vidéo ou un dispositif analogue, qui forme une image du bain de fusion et qui fournit un signal de sortie correspondant. Lorsqu'on utilise un détecteur bidimensionnel, le dispositif de traitement 28

peut être conçu de façon à mesurer non seulement la fré-

quence d'oscillation naturelle du bain de fusion, mais

également les caractéristiques géométriques de sa surfa-

ce, et il permettrait le suivi d'une ligne de joint entre

des pièces qui sont soudées.

Du fait que le système optique de formation d'une image du bain observe le bain de fusion sous un angle de réflexion non spéculaire, lorsque le bain de fusion, qui a une surface spéculaire, est dans l'état non perturbé ou non résonnant, sa surface est pratiquement plane et la majeure partie de la lumière réfléchie par la

surface du bain de fusion n'est pas dirigée vers le sys-

tème optique d'observation du bain. Par conséquent, le signal de sortie du détecteur de lumière aura de façon correspondante un niveau faible. Normalement, la pièce

aura une surface relativement rugueuse et elle réfléchi-

ra la lumière de façon diffuse. Par conséquent, si le champ du système optique de formation d'une image du bain est suffisamment grand pour englober à la lois le bain de fusion et une partie de la pièce entourant le bain, la pièce réfléchira vers le système optique d'observation du bain une plus grande quantité de lumière que le bain de

fusion, et si on emploie un capteur de lumière bidimen-

sionnel, le bain de fusion apparaîtra sombre par rapport à la région qui l'entoure. Lorsque le bain de fusion sera t607042 perturbé ou excité, la matière en fusion du bain subira des oscillations spatiales, et des ondes de surface réfléchiront temporairement la lumière vers le système

optique de formation d'image du bain, selon une configura-

tion variable dans le temps, ce qui fait que le signal de sortie du capteur de lumière variera dans le temps d'une manière similaire. Lorsque le bain de fusion est excité à une fréquence d'oscillation naturelle ou de résonance, ces ondes de surface sur le bain de fusion augmenteront et provoqueront une augmentation de la quantité de lumière réfléchie vers le système optique d'observation, ce qui

produira une augmentation correspondante du signal de sor-

tie du détecteur de lumière. L'invention utilise ce fait pour déterminer la fréquence d'oscillation naturelle du

bain de fusion, d'une manière qu'on décrira sous peu.

La lumière ambiante produite par l'arc électri-

que entre l'électrode 14 et la pièce 16 est suffisante pour permettre de déterminer la fréquence de résonance du bain de fusion. On peut cependant obtenir un meilleur rapport signal à bruit dans le signal de sortie du capteur de lumière en illuminant le bain de fusion avec une source intense de lumière monochromatique, telle que la lumière d'un laser, et en restreignant la lumière qui atteint le

détecteur à une bande spectrale étroite autour de la lon-

gueur d'onde de la lumière monochromatique. Comme le mon-

tre la figure 1, on peut effectuer ceci en transmettant la lumière d'une source de lumière monochromatique 38, telle qu'un laser, par un cable à fibres optiques 40, vers un système optique de projection de lumière d'illumination générale, qui élargit le faisceau lumineux et illumine en lumière monochromatique le bain de fusion et la région qui l'entoure. Le laser 38 peut avoir par exemple une longueur

d'onde de fonctionnement de 632,8 nm, le système de pro-

jection de lumière d'illumination générale peut 8tre logé à l'intérieur de l'enveloppe de l'appareil de soudage, et il peut comprendre une première lentille 42 qui reçoit et élargit le faisceau lumineux provenant du câble à fibres optiques 40, et le dirige vers une seconde lentille de forme prismatique 44, qui projette le faisceau lumineux de façon à produire un éclairage diffus uniforme du bain de fusion. La lumière monochromatique réfléchie que reçoit la lentille 22 est transmise au détecteur de lumière 26 par

le câble à fibres optiques 24, comme décrit précédemment.

Pour empêcher que la lumière de fond due à l'arc n'attei-

gne le détecteur de lumière 30, le capteur de lumière peut

comporter un filtre de bande spectrale 50 adapté à la lon-

gueur d'onde de la lumière monochromatique, et placé entre la lentille 32 et le détecteur de lumière 30. Le filtre

spectral 50 transmet au détecteur 30 la lumière monochro-

matique, mais la majeure partie de la lumière de fond due à l'arc que reçoit la lentille 22 ne peut pas atteindre le détecteur. Ceci réduit le bruit de fond dans le signal que

le détecteur de lumière 30 applique au dispositif de trai-

tement 28, et améliore le rapport signal à bruit. Bien que la figure 1 montre le système optique de projection de lumière d'illumination générale avec les lentilles 42 et 44 intégrées physiquement dans l'enveloppe de l'appareil de soudage, comme dans le cas de l'optique d'observation du bain, ce système optique peut être logé dans un boÂtier séparé fixé à l'appareil de soudage. Les brevets des E.U.A. n 4 532 405 et 4 578 561, mentionnés précédemment, décrivent des appareils de soudage à l'arc employant des systèmes d'illumination et de détection fonctionnant en lumière monochromatique qui peuvent être employés dans

l'invention.

On peut procéder de plusieurs manières différen-

tes pour exciter à la résonance le bain de fusion 18. Une manière préférée d'effectuer ceci consiste à moduler le gaz protecteur qui est fourni à l'appareil de soudage. La figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un

160704!

système d'attaque/excitation 60 conforme à l'invention,

ayant pour but de moduler le débit du gaz protecteur. Com-

me représenté, le gaz protecteur qui circule vers l'appa-

reil de soudage dans un conduit 62 passe tout d'abord à travers une chambre d'attaque 64 qui est placée en amont de l'orifice d'entrée de gaz 20 dans l'enveloppe de l'appareil de soudage. Le gaz protecteur entre dans la chambre par le conduit 62, et il sort de la chambre par un autre conduit 66 qui est raccordé à l'orifice d'entrée 20 dans l'enveloppe de l'appareil de soudage. A l'intérieur de la chambre d'attaque se trouve un modulateur de débit de gaz 68 qui est attaqué par un générateur de modulation

70. Le modulateur de débit de gaz 68 peut être un disposi-

tif quelconque capable de moduler le débit du gaz qui tra-

verse la chambre, sous la dépendance du signal provenant

du générateur de modulation. Le modulateur 68 peut consis-

ter par exemple en un dispositif électromagnétique tel

qu'un haut-parleur, en un dispositif d'attaque piézoélec-

trique ou en un autre transducteur sonore capable de con-

vertir un signal électrique provenant du générateur de modulation, pour donner un signal acoustique. Le signal acoustique fait varier la pression du gaz à l'intérieur de la chambre d'attaque 64, ce qui fait varier à son tour le débit du gaz traversant la chambre qui est dirigé vers l'appareil de soudage. Les variations du débit de gaz font varier la force qui est appliquée au bain de fusion, ce qui induit des oscillations spatiales ou des ondes sur la surface du bain de fusion. Le modulateur peut être conçu

de façon à moduler le débit de gaz à un pourcentage prédé-

terminé du débit de gaz moyen,par exemple 10%. La modula-

tion ne doit pas être élevée au point d'annuler complète-

ment le débit de gaz, ou de faire trop varier le débit, du fait que ceci pourrait éteindre l'arc. La modulation du gaz doit seulement être suffisamment élevée pour que les oscillations spatiales induites dans le bain de fusion réfléchissent suffisamment de lumière vers le système optique de formation d'une image du bain, pour permettre de détecter de façon fiable la fréquence d'oscillation naturelle du bain de fusion. La figure 2 représente un autre mode de réalisation d'un sous-système d'attaque/ excitation 60 destiné à moduler le débit de gaz dirigé vers l'appareil de soudage. Comme le montre la figure 2, on peut combiner le gaz protecteur principal circulant dans le conduit 62 avec le débit de gaz secondaire dans un conduit 72, en reliant ensemble les conduits 62 et 72 au moyen d'un raccord en T, 74, de façon que le débit de gaz

combiné entre dans le conduit 66 qui dirige le gaz protec-

teur vers l'appareil de soudage. On peut moduler le débit

de gaz secondaire dans le conduit 72 au moyen d'un dispo-

sitif 76 actionné électriquement, tel qu'une valve, com-

mandé par le générateur de modulation 70. La valve 76 fait

varier le débit de gaz secondaire dans le conduit 72 con-

formément au signal électrique provenant du générateur de

modulation, et elle fait donc varier d'une manière simi-

laire le débit de gaz combiné dans le conduit 66.

Pour induire dans le bain de fusion des oscil-

lations spatiales à sa fréquence d'oscillation naturelle,

il est nécessaire d'exciter le bain de fusion à cette fré-

quence, qui est de façon caractéristique dans la plage de 300 Hz, ou moins, comme indiqué précédemment. Ceci exige que le sous-système d'attaque/excitation et le générateur

de modulation modulent le débit de gaz à cette fréquence.

Cependant, la fréquence d'oscillation naturelle est la quantité qui est mesurée et est donc inconnue et, de toute

manière, cette fréquence varie en fonction de la pénétra- tion et cette variation est le paramètre qu'on doit con-

trôler. En outre, des bains de fusion oscillent non seule-

ment à leur fréquence de résonance fondamentale, mais éga-

lement sur des harmoniques de cette fréquence, et si les

bains de fusion ne sont pas circulaires (ce qui est norma-

lement le cas avec des appareils de soudage ayant un mou-

vement d'avance, du fait que le bain de fusion tend à devenir allongé), les bains de fusion peuvent osciller à un certain nombre de fréquences naturelles différentes. Il est donc nécessaire que le sous-système d'attaque/excita- tion 60 et le générateur de modulation 70 excitent le bain de fusion à un ensemble de fréquences différentes, et d'une manière qui autorise des changements de la fréquence d'oscillation naturelle à mesurer. On peut accomplir ceci

de plusieurs manières qu'on décrira ci-après, et la maniè-

re choisie déterminera le traitement appliqué au signal

provenant du capteur de lumière 26.

Une manière de déterminer et de contr8ler des changements de la fréquence d'oscillation naturelle d'un bain de fusion consiste à exciter simultanément ce dernier à un ensemble de fréquences différentes. On peut effectuer ceci en construisant le générateur de modulation 70 de façon qu'il consiste en un générateur d'impulsions et en modulant le débit de gaz avec des impulsions. Du fait que le spectre de fréquence d'une impulsion est large, ceci revient à exciter simultanément le bain de fusion à un ensemble de fréquences différentes. De ce fait, le signal résultant du capteur de lumière 26, variant dans le temps, contiendra la fréquence naturelle du bain de fusion ainsi que des harmoniques de cette fréquence. On peut déterminer ces fréquences en effectuant une analyse spectrale de

Fourier de ce signal variant dans le temps, et le dispo-

sitif de traitement 28 peut comprendre un analyseur de spectre classique destiné à effectuer cette analyse. La figure 3 montre un spectre de fréquence caractéristique du signal variant dans le temps qui provient du capteur de lumière, en réponse à une excitation impulsionnelle du

bain de fusion. Les pics d'amplitude qui s'élèvent à par-

tir du bruit de fond correspondent aux fréquences d'oscil-

lation du bain de fusion, le pic ayant la fréquence la plus basse, fo, correspondant à la fréquence d'oscillation naturelle fondamentale, tandis que les pics restants sont

des harmoniques de cette fréquence. Le dispositif de trai-

tement 28 détermine la fréquence de ce pic en temps réel, et il émet un signal approprié indiquant cette fréquence. Le générateur de modulation 70 peut être conçu de façon à émettre une seule impulsion à la réception d'un ordre, ou de préférence à émettre automatiquement un train d'impulsions vers le modulateur 68, avec la séparation temporelle entre les impulsions sélectionnée de façon à être adaptée au temps nécessaire pour traiter le signal variant dans le temps que fournit le capteur de lumière,

pour permettre un contrôle continu de la fréquence natu-

relle. Le générateur de modulation peut également émettre un signal de synchronisation dirigé vers le dispositif de

traitement 28 par un ligne 80, chaque fois qu'une impul-

sion est produite, de façon à permettre de synchroniser le

dispositif de traitement avec la modulation.

Une autre façon de procéder pour exciter le bain de fusion à un ensemble de fréquences différentes consiste

à moduler le débit de gaz avec un signal d'amplitude cons-

tante à fréquence vobulée, ou signal "chirp", comme le

montre la figure 4A. Dans ce cas, le générateur de modula-

tion 70 peut comprendre un oscillateur à fréquence varia-

ble qui produit un signal d'amplitude constante dont la fréquence varie continuellement en sens montant ou en sens

descendant, sur une bande de fréquence prédéterminée, pen-

dant un intervalle de temps t2-t1. La bande de fréquence associée à des oscillations du bain de fusion est de façon nominale la bande 0 - 300 Hz, et la fréquence variable que fournit l'oscillateur peut être soumise à un balayage

entre des fréquences fl et f2 dans cette bande de fréquen-

ce. La modulation par un signal vobulé qui est appliquée au débit de gaz fera osciller brièvement le bain de fusion

au moment o la fréquence vobulée coincide avec la fré-

quence fondamentale du bain de fusion (ou l'une de ces fréquences si le bain n'est pas circulaire), ou avec un harmonique de ces fréquences, et le signal variant dans le temps qui provient du capteur de lumière 26 aura une amplitude variant dans le temps de la manière représentée sur la figure 4C. Comme on le voit, il est possible de détecter une condition de résonance du bain de fusion en détectant une augmentation notable du signal de sortie du capteur de lumière, et en corrélant l'instant auquel ceci

se produit, avec la fréquence du générateur de modulation.

Comme le montrent les figures 4D et zC, si la fréquence du

* générateur de modulation est soumise à un balayage linéai-

re en sens montant entre des fréquences f1 et f2, on peut

déterminer aisément la fréquence d'oscillation fondamenta-

le du bain de fusion, qui est la fréquence la plus basse ou le premier pic qui est détecté dar.ns l'intervalle de temps t1 à t2, en mesurant l'intervalle de temps t0 - t1

et en interpolant entre les fréquences f1 et f2. Par con-

séquent, le dispositif de traitement 28 peut simplement comprendre un dispositif de mesure de temps qui mesure cet intervalle de temps et qui émet un signal de sortie

correspondant à la fréquence fO' Le signal de synchronisa-

tion présent sur la ligne 80 et provenant du générateur de modulation restaurera évidemment le dispositif de mesure de temps au début de chaque cycle de signal vobulé. Le

générateur de modulation peut être conçu de façon à émet-

tre un signal vobulé soit à des intervalles réguliers,

soit chaque fois qu'une mesure de fréquence est désirée.

L'utilisation d'un signal vobulé pour exciter le bain de fusion, comme on vient de le décrire, présente l'avantage de simplifier quelque peu l'analyse du signal variant

dans le temps que fournit le capteur de lumière, par rap-

port à l'analyse spectrale qu'exige la modulation du débit

de gaz avec des impulsions.

La figure 5 représente un autre mode de réalisa-

tion de l'invention qui utilise un procédé différent pour

exciter le bain de fusion. Le mode de réalisation repré-

senté sur la figure 5 est similaire à celui de la figure 1, et les éléments semblables sont désignés par les mêmes références numériques, la différence consistant en ce que, dans le mode de réalisation de la figure 5, le bain de fusion est excité en modulant le courant de soudage qu'une alimentation de soudage 82 applique à l'électrode 14 par l'intermédiaire d'une ligne 84. Comme la figure le montre schématiquement, la ligne 84 peut traverser le conduit de gaz protecteur 66 et l'orifice d'entrée de gaz 20 dans l'enveloppe de l'appareil de soudage, et être connectée à

l'électrode. Le signal provenant du générateur de modula-

tion 70 peut être appliqué à l'alimentation de soudage 82, comme représenté, pour moduler le courant de soudage qui est appliqué à l'électrode. Le générateur de modulation peut être un générateur d'impulsions ou un générateur

vobulé, comme décrit précédemment, et le signal de modula-

tion provenant du générateur fait varier le courant de soudage conformément à la modulation, par rapport à une valeur fixée à l'avance. Les variations du courant font osciller le bain de fusion à la fréquence à laquelle le

courant est modulé. On peut détecter et traiter la fré-

quence d'oscillation naturelle du bain de fusion d'une

manière identique à celle décrite précédemment en rela-

tion avec la modulation du gaz protecteur.

En contrôlant continuellement la fréquence d'oscillation naturelle du bain de fusion, comme décrit, on peut détecter aisément la transition de la pénétration

partielle à la pénétration complète. De façon caractéris-

tique, la fréquence naturelle diminue environ de moitié au moment o la pénétration complète est atteinte, et cette information de fréquence peut être fournie à un dispositif

de commande (non représenté) destiné à commander l'opéra-

tion de soudage de façon à maintenir une pénétration cor-

t607042 recte. En outre, en combinant l'information de fréquence avec les paramètres géométriques de la surface du bain de fusion, comme sa largeur et son aire, on peut déterminer

un degré de pénétration inférieur à la pénétration com-

plète. On peut mesurer les paramètres géométriques de la surface en utilisant un capteur optique bidimensionnel, comme indiqué précédemment, de la manière décrite dans

les brevets précités.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif destiné à contrôler une opération de soudage à l'arc dans laquelle un courant électrique forme un arc entre une électrode (14) d'un appareil de soudage (10) et une pièce (16), pour créer un bain de

fusion (18) dans la pièce, caractérisé en ce qu'il com-

prend des moyens optiques (22, 24, 32, 50, 30) destinés à détecter la lumière réfléchie par le bain sous un angle non spéculaire, et à fournir un signal représentatif de la lumière détectée; des moyens (60, 70, 82) destinés à

exciter le bain (18) à un ensemble de fréquences diffé-

rentes afin d'induire des oscillations spatiales dans le bain (18); et des moyens (28) qui réagissent au signal desmoyens de détection (22, 24, 32, 50, 30) en déterminant

la fréquence d'oscillation naturelle du bain (18).

2. Dispositif selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que les moyens d'excitation comprennent des moyens (60) destinés à appliquer une force variable au bain (18), et des moyens générateurs de fréquence (70) destinés à attaquer les moyens d'application de force

(60) à des fréquences correspondant à l'ensemble de fré-

quences différentes.

3. Dispositif selon la revendication 2, caracté-

risé en ce qu'un gaz protecteur circule vers l'appareil de soudage (10) pour protéger l'arc, et en ce que les moyens

d'application de force comprennent des moyens (60) desti-

nés à moduler le débit de gaz.

4. Dispositif selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que les moyens de modulation (60) comprennent

une chambre de modulation (64) traversée par le gaz pro-

tecteur, et des moyens (68) disposés dans la chambre pour

faire varier la pression de gaz à l'intérieur de la cham-

bre (64).

5. Dispositif selon la revendication 4, caracté-

risé en ce que les moyens faisant varier la pression de gaz consistent en un transducteur acoustique à commande

électrique (68).

6. Dispositif selon la revendication 5, caracté-

risé en ce que le transducteur acoustique consiste en un haut-parleur (68) .

7. Dispositif selon la revendication 3, caracté-

risé en ce que les moyens d'application de force (60) com-

prennent des moyens (72, 74) destinés à diriger un autre débit de gaz protecteur vers l'appareil de soudage, et des moyens (76) qui fonctionnent sous la dépendance des moyens générateurs de fréquence (70) de façon à moduler cet autre

débit de gaz.

8. Dispositif selon la revendication 7, caracté-

risé en ce que les moyens destinés à moduler l'autre débit de gaz comprennent une valve à commande électrique (76)

destinée à faire varier cet autre débit de gaz.

9. Dispositif selon la revendication 2, caracté-

risé en ce que les moyens générateurs (70) comprennent un générateur d'impulsions, et les moyens de détermination

(28) comprennent des moyens destinés à effectuer une ana-

lyse spectrale du signal provenant des moyens de détection (22, 24, 32, 50, 30), pour détecter une fréquence à

laquelle ce signal présente un pic d'amplitude.

10. Dispositif selon la revendication 2, carac-

térisé en ce que les moyens générateurs (70) comprennent un générateur vobulé, et les moyens de détermination (28) comprennent des moyens destinés à détecter une fréquence du générateur à laquelle le signal provenant des moyens de

détection (22, 24, 32, 50, 30) présente un pic d'ampli-

tude.

11. Dispositif selon la revendication 10, carac-

térisé en ce que les moyens de détermination (28) compren-

nent des moyens destinés à mesurer un intervalle de temps entre le début d'un cycle du signal vobulé provenant du générateur, et l'instant d'apparition du pic d'amplitude, et des moyens destinés à corréler cet intervalle de temps avec la fréquence du générateur à l'instant d'apparition précité.

12. Dispositif selon la revendication 1, carac-

térisé en ce que les moyens d'excitation comprennent des moyens (82) destinés à moduler le courant électrique à

l'ensemble de fréquences différentes.

13. Dispositif selon la revendication 1, carac-

térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (38, 40, 42, 44) destinés à illuminer l'ensemble du bain (18) avec de la lumière monochromatique ayant une longueur d'onde

prédéterminée, et-en ce que les moyens de détection com-

prennent des moyens (30, 50) destinés à détecter la lumiè-

re réfléchie dans une bande étroite de longueurs d'ondes

autour de la longueur d'onde prédéterminée.

14. Dispositif selon la revendication 13, carac-

térisé en ce que les moyens de détection comprennent un détecteur photoélectrique (30) et un filtre spectral à bande étroite (50), et des moyens (20, 24, 32) destinés à transmettre la lumière réfléchie du bain (18) vers le

détecteur photoélectrique (30), à travers le filtre (50).

15. Procédé pour contr8ler une opération de soudage à l'arc dans laquelle un courant électrique forme un arc entre une électrode (14) d'un appareil de soudage (10) et une pièce (16), pour créer un bain de fusion (18)

dans la pièce, caractérisé en ce qu'il comprend les opéra-

tions suivantes: on détecte la lumière réfléchie par le bain (18) sous un angle non spéculaire; on produit un signal représentatif de la lumière détectée; on excite le bain (18) à un ensemble de fréquences différentes, de façon à induire des oscillations spatiales dans le bain; et on analyse le signal pour déterminer la fréquence

d'oscillation naturelle du bain (18).

16. Procédé selon la revendication 15, caracté-

risé en ce que l'excitation comprend la modulation du débit d'un gaz protecteur qui circule vers l'appareil de

soudage (10).

17. Procédé selon la revendication 16, caracté-

risé en ce que l'opération de modulation comprend l'opéra-

tion qui consiste à faire varier le débit de gaz de façon

impulsionnelle, et l'opération d'analyse comprend l'opéra-

tion qui consiste à effectuer une analyse spectrale du

signal précité.

18. Procédé selon la revendication 16, caracté-

risé en ce que l'opération de modulation comprend l'opéra-

tion qui consiste à faire varier le débit du gaz à une

fréquence vobulée, et en ce que l'opération d'analyse com-

prend la mesure de l'instant d'apparition d'un pic du signal précité, et la corrélation de cet instant avec une

fréquence de la modulation.

19. Procédé selon la revendication 15, caracté-

risé en ce que l'opération d'excitation comprend l'opéra-

tion qui consiste à moduler le courant électrique à l'en-

semble de fréquences différentes.

20. Procédé selon la revendication 15, caracté-

risé en ce qu'il comprend en outre l'opération consistant

à illuminer l'ensemble du bain (18) avec une lumière mono-

chromatique ayant une longueur d'onde prédéterminée, et en ce que l'opération de détection comprend l'opération qui consiste à détecter la lumière réfléchie dans une bande étroite de longueurs d'ondes, autour de la longueur d'onde prédéterminée.