AUTOMATISATION DU PROCÉDÉ GTAW
Le soudage GTAW semi-automatique se distingue du soudage manuel principalement par le remplacement de la baguette d'apport par un fil d'apport continu et dévidé à vitesse constante (procédé « fil chaud »). Cette caractéristique évite au soudeur d'avoir à manipuler la baguette d'apport. Puisqu'il doit encore manoeuvrer la torche, on dit que ce procédé est semi-automatique.
On parle de soudage automatique lorsque le déplacement de la torche est assuré par des organes mécaniques. Le rôle du soudeur se limite alors à poser la pièce à souder sur la machine, à la mettre en marche, à régler les paramètres de soudage sur la machine, à arrêter la machine et retirer la pièce lorsque le soudage est terminé.
Description du procédé « fil chaud »
Dans ce procédé, on remplace la baguette d'apport par un fil continu. Un dévidoir alimente le bain de fusion en fil d'apport; celui-ci recoit un courant électrique, ce qui a pour effet de le faire fondre plus rapidement, permettant ainsi une augmentation de la vitesse de soudage.
Procédé de sondage « fil chaud » (AWS)
Buts de l'automatisation du procédé GTAW
L'automatisation du procédé de soudage GTAW présente les avantages suivants:
- Diminution du temps d'exécution d'une soudure. L'emploi d'un dévidoir pour fournir le fil d'apport augmente la vitesse d'avance, ce qui réduit le temps net de soudage. Lors du soudage manuel avec le procédé GTAW, la vitesse d'avance maximale est d'environ 2 mm/s; le soudage automatique permet de doubler cette vitesse (4 mm/s).
- Amélioration de la qualité des soudures. Le travail manuel ne permet pas de contrôler parfaitement les paramètres de soudage. Ainsi, même si l'on possède une excellente technique, on ne peut jamais maintenir un arc aussi court et aussi constant que ne le fait une machine. Les soudures manuelles risquent donc davantage de présenter des défauts plus graves et plus nombreux (soufflures, par exemple) que les soudures faites à l'aide d'un poste automatique.
Pour réaliser des soudures de grande précision, il est essentiel d'utiliser un poste automatisé.
Amélioration de l'aspect du cordon de soudure. Le soudage manuel suppose des temps d'arrêt. Il est donc discontinu, ce qui se traduit par l'apparition de rides à la surface des cordons. Les soudures réalisées grâce à un procédé automatique présentent une surface unie et régulière.
Réalisation d'économies. L'automatisation pemmet de remplacer le travail humain par des heures de travail-machine et d'augmenter la vitesse de production. Il est donc possible de réduire la main-d'œuvre ou d'employer une main-d'œuvre moins qualifiée. Il est à noter que l'automatisation n'entraîne pas l'économie des matériaux; en effet, la consommation de gaz et de matériaux est sensiblement la même pour les procédés GTAW manuel et automatique.
Applications du procédé GTAW automatique
Le procédé GTAW se prête assez bien à l'automatisation, puisqu'il existe des relations assez précises entre l'intensité, la vitesse d'avance, la longueur d'arc et la pénétration. On peut donc programmer ces paramètres pour obtenir des soudures de qualité. Cependant, cette automatisation présente certaines limites. En effet, si l'on augmente le rapport intensité-vitesse d'avance au-delà d'une certaine valeur, variant pour chaque métal, des caniveaux se forment le long du cordon de soudure. On ne peut donc obtenir actuellement un taux de rendement suffisant pour justifier un emploi généralisé du procédé GTAW automatique.
On recommande d'utiliser le procédé GTAW automatique dans les cas suivants:
- lorsque les soudures doivent être très précises et de grande qualité;
- lorsque les métaux sont difficilement soudables par procédé manuel (par exemple, des métaux très sujets à l'oxydation);
- lorsque les métaux sont radioactifs et que, par mesure de sécurité, le soudeur doit s'en tenir éloigné;
- lorsque les pièces à souder sont très minces (entre 0,25 et 1 mm).
Poste de soudage GTAW automatique
Dans le cas d'un poste de soudage GTAW automatique, le déplacement de la torche et celui de la pièce sont assurés par des mécanismes qui doivent être programmés. De même, la longueur de l'arc doit aussi être programmée pour être maintenue constante durant le soudage. Pour ce faire, on utilise souvent un servomécanisme sensible à la tension de l'arc.
Un poste de soudage GTAW automatique comporte les éléments suivants:
- source de courant;
- torche;
- porte-torche coulissant formant avec la torche la tête de soudage;
- moteur de régulation de la longueur d'arc;
- support mobile (ou chariot) d'entraînement de la tête de soudage;
- dévidoir du fil d'apport et sa gaine;
- moteur de dévidoir à vitesse variable;
- bobine de fil d'apport;
- fils de prise de tension à l'arc;
- coffret de commande de la tension à l'arc;
- coffret de commande du courant de soudage muni d'un dispositif de réglage soit magnétique (transducteur), soit électronique (déphaseur). Ce second svstème est préférable pour les travaux de précision.
- coffret de commande de la vitesse de dévidage;
- coffret de commande de la séquence d'exécution;
- source de gaz;
- circuit de refroidissement de la torche.
Poste de soudage GTAW automatique
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| 1 Torche | 7 Bobine de fil d'apport |
| 2 Porte-torche | 8 Fils de prise de tension à l'arc |
| 3 Moteur de régulation de la longueur d'arc | 9 Coffret de commande de tension à l'arc |
| 4 Support mobile | 10 Coffret de commande du courant de soudage |
| 5 Dévidoir | 11 Coffret de commande de la vitesse de dévidage |
| 6 Moteur du dévidoir | 12 Coffret de commande de la séquence d'exécution |
Organes et accessoires d'automatisation
Divers organes et accessoires peuvent être utilisés pour l'automatisation du procédé de soudage GTAW. Vous verrez le rôle et le fonctionnement de quelques-uns de ceux-ci.
Régulateur de la longueur d'arc
Le rôle de ce régulateur est de modifier la distance entre l'électrode et la pièce afin que la longueur d'arc demeure constante. Ce servomécanisme doit avoir un temps de réponse très court pour modifier rapidement la distance lors des changements des conditions de soudage.
Selon sa conception, le régulateur peut régler la longueur de l'arc selon:
- la longueur d'arc elle-même, c'est-à-dire selon la distance entre le bout de la torche et la pièce à souder;
- la tension à l'arc;
- la luminosité de l'arc. Dans ce cas, une cellule photoélectrique fournit une tension proportionnelle à la luminosité.
Le mouvement de la torche et celui de la pièce sont généralement assurés par un chariot ou un système de chariots croisés.
Il peut être avantageux d'immobiliser la torche et de déplacer seulement la pièce. C'est le cas, par exemple, pour souder des pièces circulaires; la pièce est alors installée sur un positionneur motorisé à vitesse variable.
Régulateur de la vitesse de sondage
À partir du moment de l'amorçage de l'arc, la vitesse de soudage doit atteindre la valeur fixée dans un temps très court. Cette vitesse doit être maintenue constante durant le soudage avec une précision de ± 1 %. Le moteur d'entraînement du chariot est un moteur à courant continu à alimentation séparée. Sa vitesse est réglée électroniquement.
Palpeur
Ce dispositif permet de maintenir la torche à une distance prédéterminée et constante. Il peut par conséquent remplacer le régulateur de longueur d'arc. Il est fréquent d'utiliser un palpeur magnétique pour souder un joint d'angle intérieur par exemple.
Les palpeurs peuvent être de trois types:
- mécaniques;
- pneumatiques;
- électromagnétiques.
Traceur (« suiveur de joint »)
On utilise cet appareil pour souder des joints aux formes complexes. Il sert à détecter la présence du bord libre du joint à souder. Le traceur est placé sur un chariot, lui-même monté sur le chariot de la torche. Lorsqu'il est en fonction, il entraîne le chariot portant la torche pour réaliser la soudure voulue.
Régulateur de pénétration
On utilise parfois ce dispositif pour souder des plaques très épaisses. Le régulateur est installé à l'envers de la soudure. Il est constitué d'une cellule photoélectrique qui mesure les rayons infrarouges émis par la racine de la soudure. Par l'intermédiaire d'un circuit amplificateur, il agit sur le courant de soudage pour maintenir l'intensité de ces rayons constante. La cellule détectrice doit être liée rigidement à la tête de soudage au moyen, par exemple, d'un bras passant dans l'écartement entre les bords du joint.
Procédure de soudage avec le procédé GTAW automatique
Voici les étapes nécessaires pour effectuer le soudage d'une pièce avec un poste
GTAW automatisé:
Installer les pièces à assembler. Les pièces sont généralement immobilisées ou bridées par des dispositifs de serrage; il n'est donc pas nécessaire de pointer les bords du joint.
Installer la tête de soudage de manière que son l'axe central coïncide avec la ligne médiane du joint.
Régler la distance entre la torche et la pièce. Cette distance déterminera la longueur de l'arc.
Purger le gaz.
Enfoncer le bouton-poussoir qui commande la séquence de soudage. Cette action entraîne:
- l'écoulement du gaz de protection;
- l'amorcage de l'arc (sans contact entre l'électrode et la pièce);
- le passage du courant, qui met en mouvement la tête de soudage, la pièce et amorce le dévidage du fil d'apport.
Une fois le soudage terminé, appuyer sur le bouton-poussoir pour interrompre la séquence de soudage, ce qui se traduit par:
- L'arrêt progressif du courant, du mouvement de la torche et du dévidage de fil. L'arrêt est automatique;
- L'arrêt de la circulation du gaz après refroidissement.
Retirer la pièce soudée de la machine.
Séquence de soudage
Durant le soudage d'une pièce avec le procédé GTAW automatique, les paramètres suivants peuvent varier:
- débit de gaz;
- intensité du courant de soudage;
- vitesse de soudage, selon le déplacement de la torche et celui de la pièce.
Ces paramètres peuvent être réglés pour demeurer constants ou pour varier de différentes façons durant le soudage de la pièce. On distingue donc trois séquences de soudage:
- séquence à paramètres constants;
- séquence à variation continue du courant;
- séquence à paramètres variables.
Séquence à paramètres constants
Dans ce type de séquence, le débit de gaz, l'intensité du courant et la vitesse d'avance conservent une valeur constante durant le soudage. Cependant, il est à noter que le courant varie au moment de l'amorçage.
Afin de comprendre de quelle manière ces paramètres varient durant cette séquence de soudage, observez le diagramme qui représente leur variation en fonction du temps.
Valeurs des paramètres de sondage en fonction du temps
Analysons les événements se produisant à chacune des périodes de ce diagramme.
- Temps t l: purge du gaz de protection.
- Temps t 1-t 2: amorçage de l'arc grâce à un dispositif de haute fréquence à haute tension. On remarque que la mise en mouvement de la pièce s'effectue avec un certain retard, ce qui favorise la formation du bain de fusion.
Après l'amorçage, la haute fréquence est mise automatiquement hors tension si l'on soude avec du courant continu. Toutefois, elle est maintenue si l'on soude avec du courant alternatif afin de stabiliser l'arc.
- Temps t 2-t 3: soudage de la pièce. Tous les paramètres demeurent constants.
- Temps t 3-t 4: diminution du courant et arrêt. Le mouvement s'interrompt un peu avant le courant, ce qui permet de bien remplir le cratère à la fin du cordon de soudure.
- Temps t 4-t 5: refroidissement de l'électrode et de la soudure, avec maintien de la protection gazeuse. Cette période peut durer de 3 à 30 secondes selon l'épaisseur de la pièce.
Séquence à variation continue du courant
Cette séquence est obtenue à l'aide d'un déphaseur afin de produire des variations continues du courant de soudage. Concrètement, le courant est réglé grâce à trois potentiomètres, qui règlent indépendamment le courant initial, le courant de soudage et le courant final.
Deux autres potentiomètres agissent sur des circuits à minuterie pour régler la variation de l'intensité, soit en pente croissante (augmentation de l'intensité) soit en pente décroissante (diminution de l'intensité). L'opérateur peut donc adapter la variation du courant au cycle thermique convenant le mieux au type de métal à souder:
- variation faible de l'intensité (pente douce) pour un métal résistant à la chaleur;
- variation importante de l'intensité (pente prononcée) pour un métal bon conducteur.
Une séquence à variation continue du courant permet d'effectuer un cordon de soudure circulaire sans défaut.
Séquence à paramètres variables: programmation
Pour obtenir des soudures de qualité, il est souvent nécessaire de faire varier, de façon parfois discontinue, un ou plusieurs paramètres au cours d'une séquence de soudage. C'est le cas, par exemple, pour le soudage d'un couvercle sur une boîte rectangulaire à angles arrondis. Si la vitesse était constante, il y aurait surchauffe du cordon lors du soudage des angles. On évite cette surchauffe en augmentant la vitesse dans les angles et en la diminuant lors du soudage des parties rectilignes. La vitesse de soudage doit donc être programmée pour varier à des moments précis.
Plusieurs moyens peuvent être utilisés pour programmer les paramètres de soudage. Par exemple, on peut employer un programmateur analogique constitué de plusieurs potentiomètres qui permettent de régler la valeur d'un paramètre en fonction du temps ou de la position.
Programmation d'un paramètre en fonction du temps ou de la position
Résumé
Le soudage GTAW automatique emploie un fil d'apport dévidé à vitesse constante, ce qui évite d'avoir à manipuler une baguette d'apport.
Le procédé GTAW est complètement automatisé lorsque le déplacement de la torche et celui de la pièce sont assurés mécaniquement. Le rôle de l'opérateur consiste alors essentiellement à régler les paramètres sur le panneau de commande de la machine.
L'automatisation du procédé de soudage permet:
- d'effectuer les soudures plus rapidement,
- d'améliorer la qualité et l'aspect des soudures;
- de réduire les coûts de main-d'œuvre.
Le procédé GTAW automatique ne convient pas pour des usages généraux, car son taux de rendement est insuffisant. En effet, on ne peut dépasser certaines intensités et vitesses sans causer des défauts de soudage.
Le procédé GTAW automatique est particulièrement utilisé pour effectuer des soudures de très grande qualité, pour assembler des métaux difficiles à souder manuellement et pour souder des pièces minces.
La longueur d'arc peut être réglée automatiquement grâce à un servomécanisme qui détecte l'un des éléments suivants:
- distance entre la torche et la pièce à souder;
- tension à l'arc;
- luminosité de l'arc.
Le palpeur sert à maintenir la torche à une distance prédéterminée de la pièce à souder ou de toute autre pièce.
On utilise un traceur (« suiveur de joint ») pour souder des pièces aux formes complexes. Ce dispositif détecte la présence du bord libre du joint et guide la tête de sondage.
On peut contrôler la pénétration de la soudure dans des pièces épaisses grâce à une cellule photoélectrique.
La tête de soudage doit être installée de manière que son axe central coïncide avec la ligne médiane du joint.
Un bouton-poussoir commande l'amorce de la séquence de soudage. Celle-ci détermine le débit du gaz, l'intensité du courant et la vitesse de soudage. La séquence peut être:
- à paramètres constants;
- à variation continue du courant;
- à paramètres variables.