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Mesurer l’énergie de soudage est tout sauf

trivial : bonnes pratiques et précautions

Fabrice SCANDELLA (Institut de Soudure)

Laurent JUBIN (CETIM)

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Mesurer l’énergie de soudage

Introduction : l’énergie de soudage

Pourquoi est-il important de la maîtriser ?

Comment la déterminer ?

Résultats d’une étude CIS-FIM

Objectifs de l’étude

Travaux expérimentaux

Exploitation des données

Exemples de résultats obtenus

Cas de signaux électriques relativement stables

Cas de signaux électriques plus fluctuants

Cas de signaux électriques très fluctuants

Cas d’autres signaux électriques très fluctuants (pulsés)

Synthèse des résultats

Ce qu’il faut retenir

Recommandations concernant la mesure de Es

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Pourquoi est’il important de maîtriser l’énergie de

soudage

Une opération de soudage engendre des transformations métallurgiques dans les matériaux de base métalliques du fait de l’apport de chaleur.

Certains matériaux possèdent intrinsèquement une certaine sensibilité

à la fissuration à chaud

À la fissuration à froid

Le cycle thermique subi par le matériau de base va produire localement des microstructures avec des propriétés qui leurs sont propres

Même si le paramètre essentiel est le cycle thermique engendré par l’opération de soudage, maîtriser l’énergie de soudage permet de façon pratique :

de se prémunir des risques de fissuration dans un assemblage

de garantir diverses propriétés recherchées en ZAT et en zone fondue

Les codes et normes ont donc introduit la notion d’énergie de soudage afin de tenir compte des modifications microstructurales et de leur impact sur un assemblage soudé.

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Comment déterminer l’énergie de soudage

En soudage à l’arc, l’énergie de soudage Es est fonction de la

tension d’arc, de l’intensité et de la vitesse de soudage :

𝐸𝑠 𝑘𝐽 𝑐𝑚 = 60 ×𝐼 𝐴 ×𝑈[𝑉]

𝑉𝑠[𝑐𝑚 𝑚𝑖𝑛 ]

La vitesse de soudage est déterminée facilement

Pour U et I, on utilise habituellement les valeurs moyennes

affichées :

Soit sur le générateur de soudage si celui-ci est vérifié

Soit sur des appareils externes étalonnés : des pinces

ampèremétrique permettent de mesurer à la fois Umoyen

et Imoyen

… mais ce n’est pas aussi trivial…

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Comment déterminer l’énergie de soudage

Dans le cas d’un générateur délivrant une tension et un courant

variables mais continus, Umoyen et Imoyen sont donnés par :

𝑈𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛 =1

𝑡 𝑈(𝑡) ∙ 𝑑𝑡 et 𝐼𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛 =

1

𝑡 𝐼(𝑡) ∙ 𝑑𝑡

Dans le cas d’un générateur délivrant une tension et un courant

variables mais alternatifs, il faut déterminer des valeurs

moyennes efficaces (RMS en anglais), Umoy,eff et Imoy,eff

𝑈𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑒𝑓𝑓 =1

𝑡 𝑈(𝑡)2 ∙ 𝑑𝑡 et I𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛𝑒𝑓𝑓 =

1

𝑡 𝐼(𝑡)2 ∙ 𝑑𝑡

Les valeurs moyennes efficaces correspondent aux valeurs moyennes

que l’on obtiendrait avec une tension et un courant continu en termes

d’échauffement

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Comment déterminer l’énergie de soudage

Les onduleurs remplacent

progressivement les anciens

générateurs de soudage,

notamment en soudage MIG-MAG

et TIG.

Les formes d’onde de tension et

d’intensité sont souvent complexes,

leurs fréquences sont supérieures à

celles des appareils de mesure.

Que mesure t-on vraiment ?

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Comment déterminer l’énergie de soudage

Pour finir, ce qui est important est l’énergie réellement transmise aux pièces à souder et le cycle thermique induit.

Du fait de diverses déperditions, l’énergie fournie par l’arc électrique n’est cependant jamais transmise totalement aux pièces. On peut calculer l’apport de chaleur Q :

Q = k.Es

k = coefficient de rendement thermique du procédé,

k est un coefficient déterminé de façon empirique.

Exemple : en MAG : 0,85 en CC et 0,7 en pulvérisation axiale

Ce coefficient n’est cependant pas toujours utilisé : contrairement à l'EN 1011-1, l'édition 2010 de l’ASME IX ne fait pas intervenir k dans le calcul de l'apport de chaleur..

A. Haelsig et al. : Calorimetric analyses of the comprehensive heat flow of the welding process,

IIW Doc. XII-2139-13]

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Comment déterminer l’énergie de soudage

Une autre solution consiste à utilisé un wattmètre :

Certains constructeurs intègrent un wattmètre dans le générateur de

soudage

Des appareils portatifs sont également disponibles

Ces appareils mesurent U et I avec une fréquence

d’acquisition élevées, puis intègrent les signaux

Pour obtenir une valeur précise de puissance (P)

ou d’énergie (E) permettant de calculer l’énergie de

soudage très facilement :

𝐸𝑠 =𝑃×𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠 𝑎𝑟𝑐

𝐿𝑜𝑛𝑔𝑢𝑒𝑢𝑟

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La mesure de l’énergie de soudage

En 2010, la Commission Interprofessionnelle Soudage de la FIM a demandé la rédaction d’un guide concernant la mesure de l’énergie de soudage :

Un nombre croissant de non-conformités (concernant le respect des énergies de soudage) avait été constaté chez les fabricants

Le but était de fournir une méthodologie (bonnes pratiques) pour réaliser les mesures électriques.

Par ailleurs, l’édition de juillet 2010 du code ASME section IX prévoyait l’utilisation d’appareils de type wattmètres pour intégrer les formes d’ondes complexes délivrées par les onduleurs.

Une étude complémentaire a donc été réalisée en 2013 et 2014 pour :

Comparer les résultats obtenus avec différents moyens de mesure électrique

Evaluer l’intérêt des wattmètres.

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Travaux expérimentaux

Des mesures avec 10 générateurs de soudage (différentes marques et technologies de générateur, différents réglages…)

En soudage TIG, MIG-MAG et sous flux en poudre.

Différents moyens de mesure :

Un oscilloscope (référence)

Une pince RMS

Une pince TRMS

Deux wattmètres

W1 à fréquence 2-3 kHz

W2 à fréquence d’acquisition élevée 16 kHz

Ainsi que les afficheurs des générateurs (U, I ou puissance)

[HAOUAS J.., 2013, Evaluation des appareils de mesure de type Wattmètres, CETIM 060311, RT IS 4237-VPEIE-V1]

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Exploitation des données

Les valeurs mesurées par les différents appareils ont ensuite été utilisées pour calculer l’énergie de soudage moyenne pour un même cycle (court) de soudage :

formule « standard » 𝐸𝑠1 = 60 ×𝑈×𝐼

𝑉𝑠

formule avec la puissance donnée par les wattmètres 𝐸𝑠2 = 60 ×𝑃𝑚𝑜𝑦𝑒𝑛

𝑉𝑠

formule utilisant l’énergie cumulée 𝐸𝑠3 = 60 ×𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒

𝑉𝑠×𝑇𝑒𝑚𝑝𝑠

Les trois formules ne peuvent pas être utilisées pour tous les appareils de mesure

cela dépend du type de grandeur donnée par chaque appareil

Les différentes valeurs Es obtenues sont comparées à la valeur Es de référence

obtenue par intégration des signaux d’un oscilloscope avec une fréquence d’acquisition de 2 kHz

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Cas des signaux relativement stables

TIG DC-, MAG en mode

pulvérisation axiale, sous flux

en poudre en courant continu

Les écarts restent faibles, on

peut les considérer acceptables

dans la grande majorité des cas

évalués 0%

10%20%30%40%50%60%70%80%

Es2 Es1 Es2 Es1 Es1

W1 W2 TRMS RMS

Ecar

t à

la r

éfé

ren

ce

écart minimum écart moyen

écart maximum

[HAOUAS J.., 2013, Evaluation des appareils de mesure de type Wattmètres, CETIM 060311, RT IS 4237-VPEIE-V1]

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Cas de signaux électriques plus fluctuants

TIG en courant alternatif,

sous flux en poudre à onde

contrôlée

Avec parfois 20% d’écart par

rapport à la valeur réelle de l’Es,

le manque de précision des

mesures peut devenir

problématique

0%10%20%30%40%50%60%70%80%

Es2 Es1 Es2 Es1 Es1

W1 W2 TRMS RMS

Ecar

t à

la r

éfé

ren

ce

écart minimum écart moyen

écart maximum

[HAOUAS J.., 2013, Evaluation des appareils de mesure de type Wattmètres, CETIM 060311, RT IS 4237-VPEIE-V1]

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Cas de signaux électriques très fluctuants

MAG en mode court-circuit

libre ou globulaire, MAG en

régime court-circuit contrôlé

Les écarts obtenus avec certains

générateurs/modes de

transfert/régimes d’arc sont

critiques (jusqu’à 60 % !).

Certains onduleurs de dernière

génération sont concernés.

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Es2 Es1 Es2 Es1 Es1

W1 W2 TRMS RMS

Ecar

t à

la r

éfé

ren

ce

écart minimum écart moyen

écart maximum[HAOUAS J.., 2013, Evaluation des appareils de mesure de type Wattmètres, CETIM 060311, RT IS 4237-VPEIE-V1]

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Cas de signaux électriques très fluctuants - Pulsés

TIG pulsé, MAG pulsé

Cet exemple montre que l’on

peut obtenir des écarts de plus

de 70 % même avec des

générateurs classiques : ce sont

les fluctuations des signaux qui

sont déterminants 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

Es2 Es1 Es2 Es1 Es1

W1 W2 TRMS RMS

Ecar

t à

la r

éfé

ren

ce

écart minimum écart moyen

écart maximum[HAOUAS J.., 2013, Evaluation des appareils de mesure de type Wattmètres, CETIM 060311, RT IS 4237-VPEIE-V1]

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Synthèse des résultats

On ne peut pas privilégier un appareil de mesure

tout dépend de la technologie du générateur et des réglages mis en

œuvre.

Le type de grandeur mesurée et la formule de calcul choisie

(Es1, Es2 ou Es3) ont aussi leur importance

Dynamique contrôlée

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Synthèse des résultats

Avec des wattmètres, on observe des écarts de mesure parfois

importants selon leur fréquence d’acquisition (des appareils

avec f = 2 et 16 kHz ont été comparés).

Un wattmètre à haute fréquence

d’acquisition donne une mesure

plus juste.

Un wattmètre n’est pas un outil

universel et ne permet pas de

résoudre certains conflits

Le plus important est d’utiliser

toujours la même méthode de

mesure et le même type d’appareil.

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A retenir

La mesure de l’énergie de soudage n’est pas aussi simple

Les pinces ampèremétriques :

Donnent des résultats satisfaisants si les signaux sont relativement stables

Des erreurs de plus de 60 % peuvent être obtenues si les signaux sont fluctuants

Les wattmètres :

Peu de précision supplémentaire si les signaux sont stables

Mais réduisent beaucoup l’écart maximal dans le cas de signaux fluctuants : 20%

L’erreur est liée à la fréquence d’échantillonnage de l’appareil et à la méthode de calcul

Le plus important pour la qualité : une traçabilité de la méthodologie de mesure et de l’appareil utilisé …et de ne pas en changer !

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Quand et où prendre la mesure ?

Réaliser les mesures une fois que le régime d’arc est établi

Réaliser trois mesures et calculer la moyenne

Se mettre au plus près de l’arc électrique pour mesurer la tension

attention aux chutes de tension dans les câbles

Positionner les appareils de mesure fonctionnant avec une sonde à effet Hall

au centre d’une portion rectiligne du circuit secondaire, éloignée de champs

magnétiques parasites

Numéro de procédé Prendre la mesure de tension entre le câble de masse,

au plus près des pièces à souder et…

111, 141, 15 L’autre borne du générateur

121 La lance de soudage

114, 131, 132, 133, 135, 136, 138 Le dévidoir

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Les précautions à prendre

Ne pas piquer la sonde au travers du câble de masse.

Mettre sous tension les divers appareils et le générateur environ 30 minutes avant les mesures.

Vérifier la gamme de mesure de l’appareil.

Si plusieurs prises de masse sont installées

réaliser une mesure en englobant l’ensemble des câbles.

Ne pas mesurer sur un seul câble et multiplier par le nombre de câble de masse.

Pour des courants faibles, il est possible de faire passer le câble plusieurs fois dans la pince ampèremétrique.

Diviser la valeur obtenue par le

Attention à la haute fréquence.

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Précautions à prendre

Attention à la haute fréquence.

Quel que soit l’appareil de mesure choisi, il devra avoir été

vérifié dans la gamme de mesure choisie.

Dans le cas du soudage multi-fils,

l’énergie totale de soudage est la somme de l’énergie apportée par

chacun des fils

Dans le cas du TIG fil chaud,

il faut ajouter l’énergie apportée par le système de chauffage du fil

[CARTAUD D., 1996, Etude des cycles thermiques du soudage TIG – Fill Chaud, CETIM 104360, RT IS 31529]

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Merci pour votre attention

Fabrice SCANDELLA

Institut de Soudure

f.scandella@isgroupe.com

Laurent JUBIN

CETIM

Laurent.jubin@cetim.fr

[Guide pratique pour la mesure

des énergies de soudage,

Collection Cetim Performances,

Réf : 9Q185, 2012]