Mesure des signaux électriques du générateur de soudage

L’étude des caractéristiques des signaux électriques produits par le procédé CMT est très utile pour améliorer la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans les transferts de matière et de chaleur, mais aussi pour évaluer la stabilité des transferts et détecter l’apparition de défauts. La mesure et l’enregistrement des signaux de tension et d’intensité au cours du soudage nécessitent cependant l’utilisation de capteurs spécifiques qui ne seront pas perturbés par le générateur de soudage, et pouvant atteindre de grandes vitesses d’acquisition. Ces mesures doivent de plus être enregistrées de manière synchronisée à l’aide d’une centrale d’acquisition. La Figure 2.10.1 donne une représentation schématique de l’installation, montrant la position des capteurs utilisés.

Figure 2.10.1 Schéma représentant l’installation et la connexion des différents capteurs

2.10.1. Mesure du courant de soudage

Le courant ou intensité de soudage que délivre le générateur permet la création et le maintien de l’arc électrique, et détermine en grande partie ses caractéristiques, la chaleur de condensation des électrons, qui fournit la majeure partie de l’échauffement produit par un arc électrique, étant directement liée à cette caractéristique. Cette grandeur peut atteindre des valeurs de 500 A, c’est pourquoi il faut utiliser des capteurs disposant d’une gamme de mesure de cet ordre avec une bande passante suffisamment large (100-400 kHz) pour permettre l’observation des fluctuations les plus brèves.

Nous avons choisi d’utiliser un capteur à boucle fermée de marque LEM©, qui mesure le flux d’électrons par effet Hall et traduit l’intensité du courant mesurée en tension. Pour mesurer le courant de soudage, le capteur a été placé autour du câble de puissance reliant la borne négative du générateur au plateau de travail. Les capteurs LEM© ont besoin d’une source d’alimentation électrique externe de type symétrique et d’un réseau de résistances en série (les valeurs sont

54 indiquées par le fournisseur selon le modèle de capteur), afin de conditionner le signal de sortie pour qu’il soit dans la gamme ±10𝑉, valeurs de tension acceptées par la carte d’acquisition. Ce conditionneur est protégé des effets électromagnétiques par une cage de Faraday. Toutes les connexions physiques entre le capteur LEM, le conditionneur, et la carte d’acquisition se font avec des câbles coaxiaux blindés. Nous avons choisi un capteur de courant LEM LF 305-S, qui permet de mesurer des intensités comprises entre 0 et 500 A, à une fréquence pouvant atteindre 100 kHz.

2.10.2. Mesure de la tension de soudage

Pour la mesure de la tension en soudage, il est nécessaire de prévoir du matériel qui puisse supporter des tensions très variables, qui vont de moins de 1 V pendant les court-circuit à plus de 50 V au moment de l’amorçage, voire même plusieurs kilovolts pour les procédés de soudage à l’arc de type GTAW. La dynamique de la tension est liée à celle de l’intensité de soudage, et il faudra donc des fréquences d’acquisition élevées. La tension en soudage à l’arc est un objet d’étude important, parce qu’elle reflète l’image de la hauteur d’arc, c’est-à-dire la distance entre l’extrémité du fil électrode et la surface du bain de fusion, ce qui est une donnée importante pour le procédé CMT, puisque cette distance varie pendant les différentes phases du cycle de transfert. La tension de soudage est mesurée par la différence de potentiel entre l’électrode, ou plus précisément le « tube contact » dans lequel est guidé le fil électrode à la sortie de la torche de soudage, et le plateau de travail sur lequel est fixée la tôle servant de support de fabrication des pièces. La tension relevée doit être conditionnée à l’aide d’un pont diviseur de tension, pour que le signal de tension transmis à la carte d’acquisition soit dans la gamme ±10𝑉. Les connexions physiques entre l’électrode, le plateau de travail, les bornes du conditionneur et la carte d’acquisition sont assurées par des câbles coaxiaux blindés, reliés à la terre pour éviter les perturbations électromagnétiques.

2.10.3. La centrale d’acquisition

Pour enregistrer la mesure des variations d’intensité et de tension au cours du dépôt de métal par le procédé de soudage à l’arc CMT et synchroniser les différentes voies de mesure, une carte d’acquisition de données contenant différentes entrées / sorties numériques ou analogiques pouvant être utilisées simultanément est nécessaire. Nous avons choisi d’utiliser une carte d’acquisition de la société National Instruments© (NI) de type NI USB-9215, qui permet de stocker les données grâce à son module NI DAQmx©, et le logiciel LabVIEW© pour créer un programme d’acquisition. Les différents signaux de sortie des mesures de tension et intensité sont branchés à la carte d’acquisition de données (NI) et configurés en mode RSE (Referenced Single Ended), le potentiel de référence de chaque voie étant alors branché à la terre pour éviter les perturbations dérivées dans le signal.

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Figure 2.10.2 Diagramme de connexion en configuration RSE (Referenced Single Ended) à la carte d’acquisition de données NI USB-9215 [129]

2.10.4. Le programme d’acquisition

Le langage de programmation graphique LabVIEW© (pour Laboratory Virtual Instrument Engineering

Workbench) est un environnement de programmation particulièrement bien adapté à la mesure, au

test, à l’instrumentation et à l’automatisation. LabVIEW© propose un flux de programmation graphique appelé langage de programmation G. Un programme développé dans l’environnement LabVIEW© se compose principalement de deux éléments, la « face-avant » et le « diagramme ». Ces deux fenêtres, bien que totalement distinctes au niveau de l’écran, et de niveaux informatiques très différents, sont indissociables et constituent les deux aspects d’une application. La « face-avant » représente le panneau de contrôle, elle constitue l’interface utilisateur et est composée de divers objets virtuels représentant les informations d’entrée (fournies par l’utilisateur) et de sortie (fournies par le programme), comme par exemple des boutons, des indicateurs, des graphiques, etc. Le « diagramme » constitue le corps proprement dit de notre programme/application, écrit sous la forme de diagramme de flux de donnée en langage G. Le diagramme comprend toutes les fonctions de l’instrument virtuel de la « face-avant ». Le programme d’acquisition LabVIEW© que nous avons développé pour l’acquisition de la tension et de l’intensité, mais aussi des autres données issues de caméras (cf. sections suivantes), démarre de façon automatique. Il comprend un premier écran qui présente les champs à compléter (Figure 2.10.3), contenant toutes les informations relatives au mode opératoire de l’expérience en cours, comme les paramètres du procédé. Cette information est enregistrée dans un fichier de type Excel.

Figure 2.10.3 Premier écran de la « face avant » du programme d’acquisition LabVIEW

Une fois le premier écran complété, un deuxième écran (Figure 2.10.4) est ouvert, correspondant aux courbes des signaux électriques, tracées à partir des données de tension et d’intensité enregistrées en temps réel, et récupérées à partir des buffers à la fréquence de 25 kHz. Une fois l’expérience terminée, les données sont enregistrées dans un fichier au format texte (.txt) pour pouvoir les traiter ultérieurement. Tout ce processus s’effectue de manière automatique grâce à un script python, via la carte Arduino, qui détecte le signal numérique de la carte RAMPS dès qu’un nouvel essai de fabrication est lancé ou arrêté. Ce signal numérique de la carte RAMPS provient d’une instruction en G-code préalablement définie par l’utilisateur.

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Figure 2.10.4 Deuxième écran de la « face avant » de notre programme d’acquisition LabVIEW™