Procédé arc-fil MIG-MAG

L’idée de superposer des cordons de métal fondu avec un arc électrique pour fabriquer des pièces n’est pas nouvelle : Ralph Baker déposa un brevet en 1920 dans lequel il décrit une méthode pour fabriquer des objets décoratifs par la superposition de couches de métal fondu avec un arc électrique (figure 5) [21]. Il a fallu attendre le début des années 90 pour avoir les premières applications, par exemple la fabrication d’aubes de roues Pelton présentées à la figure 6. L’évolution de l’électronique et de l’informatique permet désormais un pilotage plus simple des robots ou d’axes numériques au travers de logiciel CFAO (conception et fabrication assistée par ordinateur) et PHL (programmation hors ligne). Néanmoins, il n’existe actuellement aucun logiciel CFAO dédié à la FA arc-fil. L’université de Cranfield en Angleterre, qui est un acteur majeur dans le domaine de la FA arc-fil, prévoit de sortir une première version de logiciel courant 2019. D’autres solutions de programmation s’adaptant à la FA permettent de faciliter les étapes de programmation comme par exemple le logiciel NX de Siemens.

FIGURE5 – Illustrations d’objets décoratifs fabriqués par la superposition de cordons, brevet de 1920 [21].

FIGURE6 – Exemple d’application arc-fil dans les années 1990 pour (a) la fabrication avec deux robots de la partie supérieure d’augets de roues Pelton (supérieure au mètre) et (b) la

pièce finie [22].

Comme déjà évoqué, l’arc-fil peut utiliser trois procédés de soudage pour réaliser les dépôts : le MIG-MAG, le TIG et le plasma. Chaque procédé possède ses avantages et ses inconvénients qu’il est important de connaître afin de faire un choix judicieux. Le MIG- MAG utilise un fil qui arrive de manière coaxiale à la torche : ceci permet de simplifier les trajectoires de fabrication [1]. Il est toutefois problématique sur les alliages de titane, car l’arc électrique est instable et forme des cordons irréguliers [23]. Cependant, le générateur de soudage CMT (cold metal transfer) développé par Fronius est un procédé MIG-MAG avec un mode de transfert par court-circuit contrôlé combiné à une rétractation mécanique du fil1. Il permet d’améliorer la qualité des cordons déposés en titane [24]. Le TIG et le plasma sont plus adaptés pour le dépôt de titane. L’apport de fil étant latéral, il est

nécessaire d’adapter les paramètres de dépôt en fonction de l’orientation du fil par rapport à la direction d’avance, ou d’orienter le fil toujours de la même manière. Dans les deux cas, la programmation des trajectoires devient plus complexe [1, 9].

La vitesse de fabrication, généralement exprimée en kg/h, correspond à la masse de matière déposée ramenée au temps de fabrication de la pièce. Cette vitesse tient compte des temps d’arrêt pour le refroidissement ou le changement de consommables. Il ne faut pas la confondre avec le taux de dépôt qui correspond à un débit de matière instantané également exprimé en kg/h. Dans le cas où l’on ne considère aucune perte lors de la fusion du fil, le taux de dépôt s’exprime de la manière suivante :

Td= ρ × π × D_{f il}2 4 × Vf il× 60.10 −6 ₍₁₎ avec : Td: le taux de dépôt en kg/h, ρ : la masse volumique en kg/m3, Df il: le diamètre du fil en mm,

Vf il: la vitesse du fil en m/min.

De manière classique, le taux de dépôt en FA arc-fil est d’environ 1 kg/h pour des alliages de titane et d’aluminium et de 3 kg/h pour les aciers [1]. Il est néanmoins possible d’atteindre 10 kg/h en utilisant deux fils [25].

La technologie CMT, de par sa méthode de régulation de l’arc électrique, présente un grand intérêt pour la stabilité de l’arc, un apport énergétique faible et la régularité des dépôts ainsi que pour réduire les projections [26]. La régulation de l’arc électrique lors du dépôt est réalisée via un contrôle de la forme des signaux électriques (tension et courant) ainsi qu’une action mécanique sur l’avance/recul du fil : celle-ci est possible par le pilotage d’un moteur situé en amont de la torche avec des fréquences de 70 à 120 Hz.

La régulation de l’arc électrique est décrite par Chen et al. [27] à l’aide d’une caméra rapide et de systèmes de mesure du courant et de la tension. La figure 7 montre le cycle réalisé par le CMT avec une phase arc allumé et une phase court-circuit (arc éteint). Les mesures de tension, de courant et de vitesse du fil sont présentées au centre. Les images situées en haut montrent l’évolution du transfert de métal durant la phase d’arc allumé et les images du bas montrent l’évolution durant la phase de court-circuit. Le cycle de transfert de métal est découpé en quatre temps :

Boost stage : l’arc électrique s’établit grâce à la remontée du fil (vitesse négative) et l’augmentation du courant et de la tension.

Wait stage : l’arc fait fondre le bout du fil durant une phase d’attente. La vitesse de fil est alors positive ; la tension et le courant diminuent progressivement. De ce fait, la

distance entre le bout du fil et le bain de fusion diminue jusqu’à ce qu’ils rentrent en contact.

Necking stage : la phase de court-circuit débute et l’arc est éteint. La vitesse de fil diminue et le courant augmente afin de déposer la goutte en douceur dans le bain de fusion grâce aux forces de gravité et de tension de surface.

Detachment stage : dès que la goutte est déposée, le fil remonte pour la détacher et amorcer un nouvel arc.

Le générateur CMT surveille de manière continue les signaux électriques pour contrôler les dépôts et le détachement des gouttes. En fonction des matériaux et des lois de synergie, la forme des signaux électriques peut varier.

FIGURE7 – Description des phases d’un cycle CMT avec relation entre tension, courant, vitesse de fil et transfert du métal [27].

La technologie CMT est fiable pour la régulation et la stabilité de l’arc électrique et pour la maîtrise de l’apport d’énergie avec peu de projection, ce qui la rend particulièrement adaptée à la FA arc-fil.