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PERFECTIONNEMENTS AUX PROCEDES ET AUX APPARELLS DE SOUDURE ET DE DECOUPAGE ELECTRIQUE à l'ARC.
La présente addition à pour objet des perfectionnements aux pro- cédés et aux appareils de soudure et de découpage électrique à l'arc, ap- plicables aussi à la fusion des métaux, notamment à ceux qui sont décrits dans le brevet principal et dans la première addition. En particulier, la présente invention concerne l'utilisation de l'argon et de l'hélium, pour former le milieu ambiant favorable à l'arc.
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On a déjà indiqué que la présence de l'hydrogène est favorable pour obtenir des soudures ductiles, ave l'arc électrique. la tension critique d'un arc dans l'hydrogène est de 38 volts environ, et une tension d'au moins 120 volts est nécessaire pour établir et maintenir un arc alimenté en courant continu.
Cette tension d'arc élevée est avantageuse lorsqune grande quantité d'énergie est désirable pour l'arc, par exemple lorsqu'il s'agit de souder une pièce d'é- paisseur considérable, et en outre la grande énergie de l'arc permet aussi d'ob- tenir de grandes vitesses de soudure. La tension de formation de L'arc est tou- tefois supérieure aux tensions généralement fournies par les machines industriel- les établies pour exécuter la soudure dans l'air, et il n'est pas toujours pos- sible d'adapter facilement ces machines à la soudure dans l'hydrogène.
Ceci posé, on a trouve et constaté que, si une petite quantité d'argon qui est un gaz inerte chimiquement et facilement ionisable, est ajoutée à l'hy- drogène, la tension de formation est diminuée, et l'on peut ainsi utiliser des machines ayant une tension de circuit ouvert égale ou même inférieure à 60 Volts
L'addition d'une quantité d'argon comprise, par exemple, entre 3 & 5%, est suf- fisante pour obtenir cet effet technique, la tension d'arc, dans ce mélange, est à peu près la même que dans l'hydrogène pur, et les avantages d'une énergie plus grande dans l'arc permettant d'obtenir une plus grande pénétration et une vitesse plus élevée de soudure, sont conservée, tandis que la tension de forma- tion est diminuée à un point tel qu'on peut utiliser facilement des tensions de circuit ouvert.
de 60 volts environ,
II est possible aussi d'améliorer la qualité de la soudure par compa- raison à la soudure dans l'air, si l'opération de soudure est effectuée dans une atmosphère complète d'argon. En effet, le métal fondu de la soudure est ainsi protégé par un gaz qui est absolument inerte au point de vue chimique, et qui empêche la formation de composés tels que les oxydes et les nitrures, qui diminuent la qualité de la soudure.
La tension de formation dans l'argon est très faible, et une tension de 20 volts est suffisante pour établir et maintenir l'arc. la tension d'arc est un peu inférieure à celle dans l'air, et la moyenne est de 15 volts environ.
Il est possible de maintenir l'aro avec des courants très faibles, même infé- rieures à 5 ampères ; expériences ont montré qu'on obtient d'excellents résultats aKeo des intensités de 15 et 16 ampères,
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La proportion de chaleur produite à la cathode est très faible, et elle est faible aussi à l'anode, sans être toutefois aussi faible qu'à la ca- thode. Le dépôt de métal est très lent. La soudure dans l'argon ne permettant d'obtenir que de faibles quantités d'énergie, convient particulièrement pour la soudure de pièces métalliques minces. Le gaz n'est pas explosif, ni nuisible, il est invisible, et il peut donc être utilisé sans danger et sans gêner la vision de l'opérateur.
Dans certaines conditions, il peut être difficile de chasser complètes ment l'oxygène et l'azote de l'air, de l'arc et des parties fondues du métal, et il peut être alors désirable d'ajouter une petite quantité d'hydrogène, ou d'un autre élément réducteur, à l'argon, pour rendre l'atmosphère autour de l'arc et des portions fondues du métal, activement réductrice, et neutraliser ainsi l'oxygène pouvant être présent. Toutefois, il convient de remarquer que, dans les conditions convenables normales, on peut obtenir des soudures ductiles en présence d'argon.
On a déjà proposé d'améliorer la qualité des soudures obtenues à l'arc. électrique, en exécutant l'opération dans une atmosphère d'azote; mais on ne peut pas obtenir ainsi des soudures ferreuses ductiles, car, même en exécutant l'opération dans des conditions de laboratoire, dans une enveloppe contenant un grand excès d'azote sec, de pureté parfaite, les soudures sont au moins aus- si cassantes que celles obtenues dans l'air, dans la proportion de 80%. L'azote se combine soit directement, soit indirectement, avec le métal, pour former des nitrures dont la présence est une des principales causes de la fragilité. la difficulté provient peut-être de petites traces d'oxygène introduites dans l'a- gent gazeux, ou bien se trouvant dans la pièce d'ouvrage.
On a trouvé qu'en ajoutant, à l'atmosphère d'azote, une quantité con- venable d'un gaz chimiquement inerte ou inactif et susceptible d'être facile- ment ionisé, par exemple l'argon, on peut obtenir des soudures ductiles avec certitude et uniformité. Il est possible que l'argon, grâce à son ionisation facile, assure au mélange une nature neutre, en empêchant l'azote de devenir actif en présence de l'arc, et de former des composés avec le métal de soudure.
De toutes façonsw et indépendamment de toute théorie, il est certain que l'ad- dition d'argon à l'azote permet d'obtenir des soudures ductiles. On a obtenu
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en particulier de bas résultats avec un mélange de 75% d'azote et 25% d'argon.
Des mélanges d'azote et d'argon, comprenant jusqu'à 80% d'argon, peuvent être obtenus de manière facile et économique, et le procédé proposé est donc avan- tageux au point de vue industriel et au point de vue commercial.
Les opérations de soudure peuvent être exécutées non seulement dans des mélanges d'hydrogène et d'argon, et d'azote et d'argon, mais aussi dans des mélanges ternaires d'hydrogène, d'azote et d'argon, où les gaz consti- tuants se trouvent en proportions convenables. lorsque l'opération de soudure est effectuée à la main, on peut utiliser avantageusement un appareil du type représenté sur la Fig.l du brevet principal. Dans ce cas, le réservoir 10.contient, par exemple, de l'hydrogène ou de l'azote, et le réservoir 1 contient de l'argon. Si l'on désire effectuer la soudure dans une atmosphère d'argon pur, on supprime le réservoir 10 ou bien on ferme sa valve, suivant les cas.
Si l'opération de soudure doit être effectuée d'une manière au- tomatique ou semi-automatique, on utilise avantageusement un dispositif du type représenté sur la droite de la Fig.5 de la première addition. L'argon, ou bien le mélange d'argon avec un ou plusieurs gaz convenables, tels que ceux qui ont été indiqués ci-dessus, sont amenés par le tu;,au flexible 120.
Ainsi qu'il a été dit, l'utilisation de l'argon est applicable à toutes les espèces de soudure exécutées, soit à la main, soit d'une manière semi-automatique, soit d'une manière complètement automatique. On peut utiliser avantageusement des électrodes ou des fondants complexes produisant une scorie qui flotte ou surnage à la surface du cratère du métal soudé et qui l'empêche de se refroidir rapidement, lorsque le métal de soudure absorbe facilement l'agent gazeux utilisé. la scorie ou le fondant empêche le métal d'être refroi- di rapidement, en arrêtant l'échappement des gaz dissous dans la métal de sou- dure, et empêche ainsi la porosité.
Ainsi qu'il a été dit, une des principales causes de la fragili- té des soudures est'constituée par la présence de nitrures et d'oxydes dans le métal soudé. On a-trouvé aussi que cettefragilité peut être évitée en chassant du métal soudé, l'oxygène et l'azote, ou les autres éléments nuisibles qui sont
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susceptibles de dégager de l'oxygène et de l'azote, en présence de l'arc; à cet effet, on enveloppe l'arc et les parties fondues de la pièce d'ouvrage par un agent absolument inerte, par exemple l'hélium. la tension de formation avec une électrode métallique nue, dans une atmosphère dlium, est de 40 volts environ. La tension d'arc nécessaire pour un arc de ce type est de 18 volts environ et est donc voisine de la ten- sion d'arc dans l'air.
L'hélium étant plus léger que l'air, la soudure en tête (overhead) peut être exécutée en dirigeant un jet de gaz autour de l'arc et de la pièce d'ouvrage, pour chasser l'air et empêcher la formation d'oxydes ou de nitrures qui sont si nuisibles à la soudure. Ce gaz étant incombustible et transparent, l'opération peut être facilement exécutée, sans gêne pour l'opérateur. La sou- dure dans des places restreintes, ou des agents inflammables ou combustibles présenteraient des difficultés ou des inconvénients, est aussi facilitée par l'utilisation d'un gaz inerte de ce type.
Pour souder sur des surfaces horizontales ou inclinées, on peut utiliser le même procédé, ou bien on peut prendre avantageusement un capuchon ou une boite entourant l'arc et les parties fondues du métal de soudure. Le gaz peut aussi être amené au point de soudure par une électrode creuse.
L'invention est applicable à la soudure à l'arc métallique ainsi qu'à la soudure à l'arc au carbone. Elle est particulièrement avantageuse dans ce dernier cas, car, avec l'arc plus long utilisé pour cette soudure, la pré- sence de l'oxygène et de l'azote peut être plus nuisible au métal de soudure, que dans le cas d'arcs plus courts utilisés, par exemple, pour la soudure à l'arc métallique. Comme précédemment, le procédé perfectionné de soudure à 1' hélium peut être utilisé à volonté pour la soudure manuelle ,semi-automatique ou complètement automatique.
Dans' le cas de la soudure manuelle, on utilise avantageusement un appareil du type représenté sur la Fig.l du brevet principal et pouvant comporter seulement un réservoir contenant de l'hélium.
Dans le cas de la soudure semi-automatique ou de la soudure com- plètement automatique, on utilise avantageusement un dispositif du type repré- senté sur la droite de la Fig.5 du premier perfectionnement, ainsi qu'il a été dit plus haut au sujet de l'argon.
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la description qui va suivre, en regard du dessin annexé, donné à titre d'exemple, fera bien comprendre la nature et les avantages de l'invention, dans certains cas d'application.
La Fig.l représente l'application du système perfectionné à un dispo- sitif comprenant des moyens indépendants pour amener l'agent gazeux autour de l'arc et des parties fondues du métal.
La Fig.2 représente un autre dispositif de soudure manuelle, dans le- quel le gaz est amené par une ouverture se déplaçant dans l'axe de l'électrode.
Dans le dispositif de la Fig.l, l'hélium venant d'une source convenable non représentée, est amené par un tuyau 12 et une tu;,ère 13 qui le dirigent en
14 vers l'&rc et les parties fondues du métal, 15 désigne un support d'électro- de muni d'une électrode de type quelconque. Sur cette figure, l'invention est représentée dans son application à la soudure en tête (overhead), mais le même dispositif pourrait, bien entendu, être utilisé pour exécuter l'opération de soudure, dans toute autre position.
En outre, le capuchon représenté sur la
Fig.l du brevet principal, pourrait être utilisé pour la soudure en tête, au lieu du dispositif qui vient d'être décrit. la Fig.2 représente un dispositif obtenu en combinant les organes du dispositif de la Fig.l en une structure unitaire, comprenant essentiellement une électrode creuse et un support convenable pour celle-ci. L'agent gazeux est conduit au support i6 par un tube flexiole 17, et le courant de soudure est amené à l'électrode par un conducteur 18. L'électrode creuse 19 est fixée dans le support d'électrode 16 par des moyens convenables quelconques, par exemple une vis à oreilles 20. L'électrode 19 peut être établie, soit en métal, soit en carbone.
Ces dispositions perfectionnées peuvent être appliquées comme précé- demnent, à tous les types de soudure. le milieu gazeux peut être constitué par l'hélium seul ou par des mélanges d'hélium avec d'autres gaz, soit inertes, soit fournissant des résultats techniques améliorés,
D'une manière générale, il est bien entendu que les dispositions et les applications qui ont été indiquées ci-dessus, à titre d'exemple, ne sont nullement limitatives, et qu'on peut s'en écarter sans pour cela sorti, -du cadre de l'invention.
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IMPROVEMENTS TO ARC WELDING AND ELECTRICAL CUTTING PROCESSES AND APPARELLS.
The object of the present addition is to improve the processes and apparatuses for welding and electric arc cutting, also applicable to the melting of metals, in particular to those which are described in the main patent and in the first addition. In particular, the present invention relates to the use of argon and helium, to form the ambient medium favorable to the arc.
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It has already been indicated that the presence of hydrogen is favorable for obtaining ductile welds, with the electric arc. the critical voltage of an arc in hydrogen is about 38 volts, and a voltage of at least 120 volts is required to establish and maintain a DC supplied arc.
This high arc voltage is advantageous when a large amount of energy is desirable for the arc, for example when it comes to welding a workpiece of considerable thickness, and furthermore the large energy of the arc. also allows high welding speeds to be obtained. The arc forming voltage is, however, higher than the voltages generally supplied by industrial machines established to perform welding in air, and it is not always possible to easily adapt these machines to welding in hydrogen.
This being said, it has been found and observed that if a small amount of argon which is a chemically inert and easily ionizable gas is added to the hydrogen, the formation voltage is lowered, and thus it is possible to use machines with an open circuit voltage equal to or even less than 60 Volts
The addition of an amount of argon of, for example, between 3 & 5%, is sufficient to obtain this technical effect, the arc voltage in this mixture is approximately the same as in 'pure hydrogen, and the advantages of higher energy in the arc allowing greater penetration and higher welding speed, are retained, while the forming voltage is decreased to such an extent. that one can easily use open circuit voltages.
approximately 60 volts,
It is also possible to improve the quality of the weld as compared to air welding, if the welding operation is carried out in a full argon atmosphere. Indeed, the molten metal of the weld is thus protected by a gas which is absolutely inert from a chemical point of view, and which prevents the formation of compounds such as oxides and nitrides, which reduce the quality of the weld.
The formation voltage in argon is very low, and a voltage of 20 volts is sufficient to establish and maintain the arc. the arc voltage is a little lower than that in air, and the average is about 15 volts.
It is possible to maintain the aro with very low currents, even below 5 amps; experiments have shown that excellent aKeo results are obtained at intensities of 15 and 16 amperes,
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The proportion of heat produced at the cathode is very low, and it is also low at the anode, without however being as low as at the cathode. Metal deposition is very slow. Welding in argon, allowing only small amounts of energy to be obtained, is particularly suitable for welding thin metal parts. The gas is neither explosive nor harmful, it is invisible, so it can be used without danger and without obstructing the vision of the operator.
Under certain conditions it may be difficult to completely remove oxygen and nitrogen from the air, arc and molten parts of the metal, and it may then be desirable to add a small amount of hydrogen. , or other reducing element, to argon, to make the atmosphere around the arc and the molten portions of the metal actively reducing, thereby neutralizing any oxygen that may be present. However, it should be noted that under normal suitable conditions ductile welds can be obtained in the presence of argon.
It has already been proposed to improve the quality of the welds obtained with the arc. electric, carrying out the operation in a nitrogen atmosphere; but one cannot thus obtain ductile ferrous welds, because, even when carrying out the operation under laboratory conditions, in an envelope containing a large excess of dry nitrogen, of perfect purity, the welds are at least as well brittle than those obtained in air, in the proportion of 80%. Nitrogen combines either directly or indirectly with the metal to form nitrides, the presence of which is one of the main causes of brittleness. the difficulty may be due to small traces of oxygen introduced into the gaseous agent, or else being in the workpiece.
It has been found that by adding to the nitrogen atmosphere a suitable quantity of a chemically inert or inactive gas which is capable of being easily ionized, for example argon, welds can be obtained. ductile with certainty and uniformity. It is possible that argon, thanks to its easy ionization, gives the mixture a neutral nature, preventing the nitrogen from becoming active in the presence of the arc, and from forming compounds with the weld metal.
In any case, and independently of any theory, it is certain that the addition of argon to nitrogen allows ductile welds to be obtained. We got
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especially low results with a mixture of 75% nitrogen and 25% argon.
Mixtures of nitrogen and argon, comprising up to 80% argon, can be obtained easily and economically, and the proposed process is therefore industrially and commercially advantageous.
Welding operations can be performed not only in mixtures of hydrogen and argon, and nitrogen and argon, but also in ternary mixtures of hydrogen, nitrogen and argon, where gases constituents are found in suitable proportions. when the welding operation is carried out by hand, an apparatus of the type shown in Fig.l of the main patent can advantageously be used. In this case, the reservoir 10 contains, for example, hydrogen or nitrogen, and the reservoir 1 contains argon. If it is desired to carry out the welding in an atmosphere of pure argon, the reservoir 10 is eliminated or its valve is closed, as the case may be.
If the welding operation is to be carried out in an automatic or semi-automatic manner, advantageously a device of the type shown on the right of Fig. 5 of the first addition is used. Argon, or the mixture of argon with one or more suitable gases, such as those which have been indicated above, are brought by the tu;, to the flexible 120.
As has been said, the use of argon is applicable to all kinds of welding performed, either by hand, or in a semi-automatic manner, or in a fully automatic manner. It is advantageously possible to use electrodes or complex fluxes producing a slag which floats or floats on the surface of the crater of the welded metal and which prevents it from cooling rapidly, when the weld metal easily absorbs the gaseous agent used. the slag or flux prevents the metal from cooling rapidly, stopping the escape of gases dissolved in the weld metal, and thus prevents porosity.
As has been said, one of the main causes of brittleness of welds is the presence of nitrides and oxides in the welded metal. It has also been found that this fragility can be avoided by expelling welded metal, oxygen and nitrogen, or other harmful elements which are
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liable to release oxygen and nitrogen in the presence of the arc; for this purpose, the arc and the molten parts of the workpiece are enveloped with an absolutely inert agent, for example helium. the formation voltage with a bare metal electrode, in an atmosphere of aluminum, is about 40 volts. The arc voltage required for an arc of this type is approximately 18 volts and is therefore close to the arc voltage in air.
Since helium is lighter than air, the overhead weld can be carried out by directing a jet of gas around the arc and the workpiece, to expel air and prevent the formation of oxides or nitrides which are so detrimental to soldering. This gas being incombustible and transparent, the operation can be easily carried out, without inconvenience for the operator. Welding in confined spaces, where flammable or combustible agents would present difficulties or drawbacks, is also facilitated by the use of an inert gas of this type.
For welding on horizontal or inclined surfaces, the same process can be used, or alternatively, a cap or box can be taken which surrounds the arc and the molten parts of the weld metal. The gas can also be brought to the weld point by a hollow electrode.
The invention is applicable to metal arc welding as well as to carbon arc welding. It is particularly advantageous in the latter case, since, with the longer arc used for this weld, the presence of oxygen and nitrogen can be more detrimental to the weld metal, than in the case of. shorter arcs used, for example, for metal arc welding. As before, the improved helium welding process can be used at will for manual, semi-automatic or fully automatic welding.
In the case of manual welding, an apparatus of the type shown in FIG. 1 of the main patent is advantageously used and which may only include a reservoir containing helium.
In the case of semi-automatic welding or fully automatic welding, a device of the type shown on the right of FIG. 5 of the first improvement is advantageously used, as was said above in subject of argon.
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the description which will follow, with reference to the appended drawing, given by way of example, will make the nature and advantages of the invention clearly understood, in certain cases of application.
Fig. 1 shows the application of the improved system to a device comprising independent means for supplying the gaseous agent around the arc and the molten parts of the metal.
Fig. 2 shows another manual welding device, in which the gas is fed through an opening moving in the axis of the electrode.
In the device of Fig.l, the helium coming from a suitable source not shown, is brought by a pipe 12 and a tube 13 which direct it in
14 towards the & rc and molten parts of the metal, 15 denotes an electrode holder provided with an electrode of any type. In this figure, the invention is shown in its application to overhead welding, but the same device could, of course, be used to perform the welding operation, in any other position.
In addition, the cap shown in
Fig.l of the main patent, could be used for the head weld, instead of the device which has just been described. FIG. 2 represents a device obtained by combining the members of the device of FIG. 1 into a unitary structure, essentially comprising a hollow electrode and a suitable support for the latter. The gaseous agent is led to the support 16 by a flexiole tube 17, and the solder current is supplied to the electrode by a conductor 18. The hollow electrode 19 is fixed in the electrode support 16 by any suitable means. , for example a wing screw 20. The electrode 19 can be made either of metal or of carbon.
These improved arrangements can be applied as before to all types of welds. the gaseous medium can be constituted by helium alone or by mixtures of helium with other gases, either inert, or providing improved technical results,
In general, it is understood that the provisions and applications which have been indicated above, by way of example, are in no way limiting, and that one can deviate from them without leaving it out, - within the scope of the invention.