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Aug 15, 2023

Efficacité de la consommation de gaz de protection

Note de l'éditeur : ceci est le premier d'un article en deux parties qui traite du blindage

Note de l'éditeur : Ceci est le premier d'un article en deux parties qui traite de l'efficacité du gaz de protection. La deuxième partie apparaît également sur thefabricator.com.

Bien que l'argon soit le gaz de protection le plus couramment utilisé pour les applications d'électrodes à fil plein, de nombreux responsables et soudeurs connaissent mal ce gaz inerte et ses coûts. On dit à la plupart des soudeurs que l'argon fait une soudure lisse, ne laisse pas de flux, coûte cher et peut provoquer une suffocation dans des environnements clos. On dit également à la plupart de conserver ce gaz en le coupant sur leurs torches de soudage à l'arc au tungstène (GTAW) pendant les pauses, le déjeuner et à la fin d'un quart de travail.

L'argon est généralement quantifié par le terme pieds centicubiques (CCF). Un CCF d'argon est égal à 100 pieds cubes de gaz argon - - la quantité nécessaire pour remplir une boîte de 4 pieds par 7-3/4 pouces.

Si le coût de l'argon est de 2,50 $ par CCF, il ne coûte que 2,50 $ pour remplir la boîte d'argon au niveau de la mer. Le remplissage de la boîte avec de l'argon à 45 pieds cubes par heure (CFH) prendrait 2 heures et 13 minutes. Parce qu'un débit de 30 à 45 CFH est adéquat pour la plupart des applications de soudage à l'arc sous gaz et métal (GMAW), on pourrait dire que 2,50 $ n'est pas beaucoup d'argent pour 2 heures et 13 minutes de soudage continu. Dans un monde parfait, cela équivaudrait à environ 9,00 $ de coût de gaz par poste de soudage par quart de travail de huit heures à 100 % de temps d'arc.

En supposant que les temps d'arc réels de la plupart des postes de soudage manuels sont de 15 à 30 %, et non de 100 %, le coût est réduit à 1,35 $ à 2,70 $ par quart de travail de huit heures. Cela n'a l'air de rien, mais ces chiffres représentent un environnement parfait avec un seul poste de soudage et un quart de travail pendant une journée de travail. Lorsque d'autres circonstances sont prises en compte, ces 135 à 270 sous peuvent augmenter rapidement.

Par exemple, 300 postes de soudage fonctionnant avec une efficacité de 100 % à 30 % de temps d'arc, trois équipes par jour, 312 jours par an utiliseront 758 160 $ d'argon par an. Cependant, la plupart des usines fonctionnent à moins de 50 % d'efficacité, ce qui, dans l'exemple précédent, signifie dépenser plus de 1,5 million de dollars par an en gaz de soudage.

Certaines usines supposent à tort que parce que la consommation ne varie pas beaucoup d'une année à l'autre et que les niveaux de production restent constants, l'efficacité a été maintenue. Après tout, les coûts du gaz sont intégrés dans le coût du produit fini. Cela peut être une hypothèse très coûteuse.

La plupart des ingénieurs en soudage semblent convenir que le gaz argon (ou un mélange) est le seul choix. Cependant, même avec ses nombreux avantages, s'il est utilisé à mauvais escient, l'argon peut rapidement devenir une épée à double tranchant.

L'achat d'argon et d'autres gaz en grande quantité et à l'état liquide réduit le coût unitaire par CCF. Par rapport aux bouteilles en acier typiques de 336 pieds cubes, le gaz pour un système en vrac peut être acheté pour environ la moitié du prix par CCF. De plus, la quantité de main-d'œuvre économisée en n'ayant pas à manipuler les cylindres et les temps d'arrêt de la production pour échanger les cylindres aideront à payer assez rapidement le coût d'installation d'un système en vrac.

Si une usine utilise un système en vrac, elle peut probablement réduire son taux de consommation de gaz. De nombreuses usines peuvent réduire leur consommation de 50 à 80 % ou plus en une seule année en instaurant une série de mesures conservatrices ; il n'y a pas de solution unique. Cependant, l'avantage est que même lorsque plusieurs mesures sont prises, aucune n'est particulièrement coûteuse par rapport aux avantages. Le retour sur investissement peut généralement être mesuré en jours, et non en mois ou en années.

Souvent, la première étape consiste à sensibiliser les employés aux coûts de consommation annuels de l'entreprise. Ces données peuvent ensuite être comparées à d'autres consommables (principalement du fil) qui sont directement proportionnels à la consommation de gaz. Ceci peut être accompli en déterminant une vitesse de fil moyenne (dans les applications GMAW) pour une usine ou une zone d'usine. Cette vitesse de fil peut être utilisée pour calculer la quantité de gaz de protection nécessaire pour brûler 1 livre de fil à un débit de gaz donné à la pointe de la torche. Par exemple, supposons qu'un fil d'acier doux de 0,045 pouce de diamètre est utilisé à une vitesse de fil moyenne de 300 pouces par minute (IPM) et un débit de gaz de protection de 35 CFH. Si environ 2 210 pouces de fil d'acier doux de 0,045 pouce de diamètre sont nécessaires pour égaler 1 livre, ce qui suit s'applique :

(300) (60) / 2 210 = 8,14 livres de fil d'acier doux par heure

Étant donné que le débit de gaz est de 35 CFH, le rapport gaz/fil est de 35 divisé par 8,14, soit 4,29 CFH de gaz pour 1 livre de fil (4,29-1). Ainsi, si la consommation annuelle de fil d'une usine est de 500 000 livres, la consommation annuelle de gaz de protection devrait être d'environ 2 149 500 pieds cubes.

N'oubliez pas que ce scénario représente une efficacité de consommation de 100 % et ne représente pas nécessairement un environnement réel. Plusieurs facteurs peuvent affecter cette méthode de comparaison tels que :

La plupart des usines qui fabriquent systématiquement les mêmes produits en acier doux sont assez cohérentes avec les vitesses et les tailles de fil. Ces usines peuvent généralement vérifier les données de consommation, et la seule consommation hors soudage à vérifier est la perte. Cela laisse le point 2 (grandes variations de débit) comme le facteur le plus répandu dans ce type de comparaison.

Dans ces types d'usines, la plupart des ingénieurs en soudage et autres experts dans le domaine conviennent qu'un rapport de 10-1 ou moins est acceptable même s'il s'agit de plus du double du rapport donné dans l'exemple précédent (4,29-1). Certaines plantes, selon leurs données, ont initialement des ratios aussi élevés que 55 pour 1 et aussi bas que 7 pour 1. De nombreuses usines peuvent réduire leurs ratios de la plage de 18 pour 1 à 30 pour 1, jusqu'à la plage de 9 pour 1 à 14 pour 1 en résolvant certains problèmes apparemment mineurs, abordés dans une section ultérieure.

S'il est correctement conçu, installé et entretenu, un système en vrac peut offrir de nombreux avantages en termes de coût et de productivité par rapport aux bouteilles conventionnelles.

Les systèmes en vrac doivent être conçus, conçus et construits en gardant plusieurs choses à l'esprit. Tout d'abord, ils doivent être d'une conception en boucle fermée capable de gérer toutes les exigences de débit présentes et futures avec un minimum de pression et de chute de pression dans l'ensemble du système. Le système doit être conçu pour minimiser les besoins en flexibles et fournir une protection maximale contre les impacts externes, tout en restant facilement accessible pour l'inspection, les modifications et les réparations. Les matériaux de construction doivent varier en fonction de chaque domaine d'application du système.

Un tuyau en cuivre avec des joints argent-phosphore convient bien à la plupart des applications. Cependant, les tuyaux en acier avec à la fois des joints vissés et des joints soudés fonctionnent également bien dans certains systèmes, en fonction de la sévérité de l'environnement. Lorsque des joints soudés sont utilisés, le type de soudure à emboîtement est généralement meilleur car la plupart des services de maintenance ne disposent pas de soudeurs qualifiés pour effectuer des modifications et des réparations. Toutes les formes de tuyaux en PVC doivent être évitées si possible.

Les gouttes du système doivent provenir du haut du collecteur et descendre jusqu'à un petit collecteur avec un robinet à tournant sphérique d'isolement situé directement au-dessus. Ces vannes d'isolement doivent être installées de manière à ce que tout type de force gravitationnelle exercée sur la poignée de la vanne ferme la vanne. Chaque goutte doit être fournie avec le nombre approprié de sorties et une vanne d'isolement associée. Toutes les vannes de sortie inutilisées doivent être fermées et bouchées.

Ces gouttes doivent être accessibles mais pas nécessairement pratiques. Les employés les utilisent souvent pour accrocher des manteaux, meuler des boucliers, des chapeaux et des tuyaux. Cette pratique peut entraîner une libération accidentelle de gaz de protection qui peut passer inaperçue pendant longtemps. Pour cette raison et d'autres, les collecteurs de descente ou les collecteurs doivent normalement être d'un tuyau de plus grande taille que celui de la conduite d'alimentation de descente et, si possible, construits en laiton, en acier ou en un autre matériau dur résistant à la déformation due aux abus.

Tous les raccords doivent être filetés, en acier forgé 300 # (ou supérieur). Les collecteurs d'égouttage doivent être solidement montés et équipés d'un pied d'égouttement d'au moins 6 pouces qui peut être retiré à des fins de purge et pour fournir un moyen de modifications futures du collecteur sans arrêter l'ensemble du système. Les raccords en Y sur les sorties du collecteur doivent également être évités.

Souvent, dans les usines plus anciennes, la tuyauterie et le système de distribution de gaz de protection existants ont dépassé les objectifs de sa conception d'origine. Cela est principalement dû à l'expansion de l'usine, aux modifications internes, aux changements dans le gaz de protection utilisé, etc.

Une documentation précise de toutes les tuyauteries est nécessaire pour effectuer une analyse de débit sur n'importe quel système. Cette documentation doit contenir l'emplacement et les types de toutes les vannes, les changements de taille de tuyau, les régulateurs de pression et toutes les mesures dimensionnelles correspondantes. Dans la plupart des cas, des modifications majeures ne sont pas nécessaires pour mettre un système à niveau.

Le type de dispositifs qui doivent être utilisés pour réguler le débit vers chaque poste de soudage fait l'objet d'un débat considérable. Les usines utilisant des dispositifs à débit réglable ou des rotormètres doivent s'assurer que les débits requis pour la procédure de soudage restent dans une plage raisonnable. Ceci est encore plus critique dans les systèmes non en vrac. L'inspection de centaines d'usines qui utilisent les rotormètres pour la régulation du débit révèle que moins de 20 % sont réglés sur le débit de livraison approprié.

En règle générale, ce type de compteur fournira jusqu'à 450 CFH à ou près de la position complètement ouverte (selon le modèle et la pression du système). Ce n'est pas parce que l'indicateur atteint le haut du voyant que le débit cesse d'augmenter si la vanne est davantage ouverte.

Pour l'exemple donné plus tôt concernant le coût du gaz de protection du monde parfait de 2,70 $ (à 45 CFH) par quart de travail de huit heures, le coût est maintenant de 11,25 $ par quart de travail. Même pour une opération en une équipe, le coût annuel du gaz de protection passe de 842,40 $ à 3 510,00 $ par poste de soudage. Annuellement, la consommation d'argon de l'usine passe de 252 720 $ à plus d'un million de dollars. En réglant un débitmètre réglable à ou près de sa position d'ouverture maximale, la consommation de gaz de protection d'une usine peut être multipliée par dix.

Les raisons pour lesquelles ces rotormètres sont souvent complètement ouverts varient. Pendant les mois d'été, le personnel de soudage a souvent plus de ventilation ou de ventilateurs soufflant directement sur lui et augmente ainsi le débit pour maintenir sa purge de gaz de protection. Lorsque le temps froid arrive, les ventilateurs disparaissent mais le réglage du débitmètre ne change pas.

Certains soudeurs pensent que "si un peu c'est bien, beaucoup c'est encore mieux". Ce n'est pas forcément vrai. Selon les angles torche-pièce, ce jet de gaz de protection à grande vitesse peut en fait induire une contamination atmosphérique du bain de fusion et créer plus de problèmes de contamination de la soudure qu'il n'en résout. Aussi, c'est du gaspillage.

Les rotormètres doivent toujours être montés sur les chutes de tuyauterie dures situées à chaque poste de soudage. La longueur du tuyau typique de 1/4 de pouce qui va jusqu'au dévidoir doit être prise en compte. Le tuyau offre généralement beaucoup de coefficient de frottement en raison de sa composition interne. De plus, le tuyau est généralement acheminé vers le haut, vers le bas et tout autour, ce qui limite le débit de gaz. À moins qu'il ne suive une ligne droite, le tuyau ne doit pas dépasser 25 à 30 pieds.

Si les rotormètres sont montés sur ou à proximité des dévidoirs, l'emplacement de montage doit être rigide, droit et hors de danger. Les rotormètres ne sont pas très résistants aux chocs et lorsqu'ils sont montés de cette façon, ils deviennent souvent la source de fuites et peuvent provoquer une contamination par les gaz.

Un autre risque associé aux débitmètres à rotor montés sur le dévidoir est la sévérité des fuites. Les tuyaux peuvent développer des fuites en amont du compteur avec un débit combiné bien supérieur à ce qu'un rotormètre laisse passer, même en position complètement ouverte. Si un débitmètre est monté à la chute et que le tuyau développe une fuite, le compteur limite le débit, réduisant l'alimentation en gaz de la torche, ce qui deviendrait apparent pour l'opérateur.

Si le débitmètre est monté sur le dévidoir, la fuite est constamment soumise à la pression de la ligne, le débit n'étant limité que par la taille de l'orifice de fuite et la pression de service. Cette configuration ne donne aucune indication sur le débit en amont et conduit généralement l'opérateur à compenser en augmentant le débit au compteur.

Ce scénario introduit également une contamination atmosphérique dans le système sur une période de temps. À mesure que le nombre d'occurrences augmente, les paramètres de conception d'origine sont surchargés, ce qui entraîne une plus grande chute de pression dans le système. Ceci, à son tour, entraîne généralement une augmentation de la pression globale du système pour compenser la chute de pression plus élevée. Cette action augmente encore plus la chute de pression à travers le système et amplifie la gravité de toutes les fuites du système et autres pertes.

Quel que soit son emplacement de montage, le débitmètre de type rotormètre doit être maintenu dans un état lisible et soumis à sa pression calibrée appropriée. Il n'est pas rare de trouver des débitmètres calibrés pour une jauge de 20 livres par pouce carré (PSIG) installés dans des systèmes fonctionnant à 60 PSIG. Cela peut entraîner des débits de refoulement jusqu'à 15 à 18 % supérieurs au débit de refoulement indiqué par l'échelle du débitmètre. Cette pratique, à l'échelle de l'usine, peut être très coûteuse.

La pointe de débit initiale rencontrée à la pointe de la torche lorsque l'électrovanne est activée sur le dévidoir doit également être prise en compte. Cette pointe de débit est généralement associée aux dispositifs de débit montés à la chute du système et/ou lorsqu'une grande quantité de tuyau ou d'autre tuyauterie est utilisée entre le dispositif de mesure du débit et l'électrovanne du dévidoir. Ce plus grand volume interne est soumis à la pression du système principal lorsque le dévidoir n'est pas utilisé.

Lorsque le dévidoir est activé, la pression accumulée s'écoule rapidement de la pointe de la torche et diminue progressivement jusqu'à la valeur définie par le dispositif de débit. Si le dispositif de débit est monté plus près de la pointe de la torche (au niveau du dévidoir), ce volume interne est minimisé, ce qui diminue le temps nécessaire au flux pour atteindre le débit réglé. Ceci, à son tour, diminue la quantité de gaz gaspillée par un excès ou un débordement momentané. Dans certaines applications robotiques et autres applications à cadence élevée (soudures par points, etc.), ce débordement peut être substantiel.

Par exemple, supposons qu'un dispositif de débit est situé sur une chute du système principal et que 15 pieds de tuyau de 1/4 de pouce de diamètre intérieur (ID) sont connectés au dévidoir. Lorsque le dévidoir n'est pas utilisé, la pression dans le tuyau augmente rapidement jusqu'à la pression du système de, disons, 30 PSIG. Lorsque le dévidoir est activé, la pression du tuyau chute à presque rien (selon le portage de l'électrovanne). Cela gaspille environ 0,01 pied cube de gaz de protection en tant que gaz excédentaire jusqu'à ce qu'un flux stable soit établi. Sur la base de l'exemple d'usine mentionné précédemment, ces déchets coûtent environ 3/100 d'un sou par événement.

Supposons maintenant que la longueur du tuyau passe de 25 à 75 pieds. La valeur de ce dépassement est maintenant égale à 14/100 de centime à chaque fois que chaque dévidoir est activé. Encore une fois, ce type de perte ne semble pas beaucoup par événement, mais lorsqu'il est multiplié par le nombre de dévidoirs dans toute l'usine et le taux de cycle ou le nombre de fois que chaque dévidoir est activé quotidiennement, il peut devenir très important, très rapidement.

En utilisant des chiffres ronds pour plus de simplicité, supposons que chaque dévidoir de l'exemple d'usine est activé une fois par minute. Cela équivaut à 8 (heures) 60 (minutes) 300 (soudeurs) ou 144 000 activations par quart de travail à l'échelle de l'usine. À un coût de 14/100 de centime par événement et avec trois quarts de travail, le coût total est d'environ 540 $ par jour et de plus de 168 000 $ par année.

Une seule perte de gaz de protection semble insignifiante, mais lorsqu'elle se produit sur le long terme, son coût peut être important.