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11,30U DE L'ULiINIULrF1 La présente invention est relative à un procédé per-
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f'ed;iol1IJÓ do soudure de l'aluminium et de ses alliages. Dans le cas de l'invention, les alliages d'aluminium envisagés
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sont ceux dans lesquels l'aluminiumest le constituant prin- cipal et, dans ce qui suit, l'expression aluminium couvre égaleront les alliages d'aluminium de ce genre.
Ce n'est que relativement récemment que l'on a soudé l'aluminium. Pendant longtemps, on considérait que cette opération était impossible du fait de la facilité avec la- quelle les oxydes d'aluminium se forment à température élevée.
Toutefois, on a trouvé des procédés de soudure utilisant la flambe d'un gaz ou un arc électrique et un fondant lourd protégeant la soudure. Le fondant est en général appliqué sous forme d'un revêtement sur l'électrode. Plus récemment, on a amélioré le procédé de manière à éviter l'utilisation d'un fondant en protégeant une électrode non consommable en tungstène ou en carbone au moyen d'un gaz inerte, tel que l'argon.
Cos méthodes présentent des inconvénients inhérents et des limitations. Lorsque l'on utilise un fondant, il est nécessaire de nettoyer à fond la soudure terminée car tout résidu de fondant provoquerait rapidement la corresion du métal. Parfois, il est impossible d'effectuer un nettoyage effectif car une partie du fondant peut être enfermée dans la soudure ou se trouver sur un côté de celle-ci où il est inaccessible. Pour des éléments minces où il ne faut pas de métal de charge, on peut utiliser, de façon satisfaisante, un arc avec électrode en tungstène, protégé par un gaz inerte, mais lorsqu'il faut une charge, comme cela est le cas dans des soudures en métal relativement épais, l' opération est relativement lente car le chauffage de la baguette de charge se fait indirectement.
Par suite, les procédés connus ne permettent pas d'effectuer rapidement et de façon industrell mant pratiqua la soudure de l'aluminium et de ses alliages.
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souder 16' Cette machine est reliée par un câble 17 à la pièce à souder 18. Ils gaz protecteur est contenu dans un cylindre ou autre récipient 19 et est amené par une soupape 20 à un réducteur de pression 21, puis à un tuyau 22 commandé par un robinet 23 aboutissant à la chambre 13. Des manomètres 24 et 25 indiquent la pression du gaz dans le cylindre 19 et la pression à laquelle il est amené au tuyau 22.
De cette façon , le gaz protecteur peut être amené à la vitesse vou- lue en s'écoulant sans tourbillon dans la chambre 13 et en volume suffisant pour protéger l'arc établi entre l'extrémité du fil et la pièce 18. Le gaz entoure l'extrémité du fil 2 et la soudure faite dans la pièce 18, en empêchant effective- ment l'oxygène de l'atmosphère de venir au contact du métal coulé dans la soudure.
Il est essentiel, pour la présente invention, que le gaz protecteur soit amené en quantité et d'une façon telles que l'atmosphère de l'arc ne contienne pas plus de 2% en volume d'impuretés, c'est-à-dire que la pureté de l'atmos- phère de l'arc ne doit pas être inf érie ur à 98%. Conformément à la présente invention, on a découvert que la difficulté que l' on rencontrait jusqu'ici pour essayer de souder de l'aluminium avec une électrode consommable en aluminium -ou alliage d'aluminium était due à ce que l'on ne réussissait pas à exclure de l'atmosphère de l'arc des impuretés atmos- phériques du fait de la turbulence dans le courant de gaz fourni.
La turbulence , provenant de changements brusques de sens de l'écoulement, d'obstructions dans les parois du canal où passe le gaz et d'autres causes, entraine de l'air atmosphérique dans l'atmosphère de l'arc et annihile l'uti- lisation prévue du gaz inerte. Selon l'invention, 00 règle
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l'écoulement du gaz de façon que cet écoulement soit luminai- re et non turbulent comme dans les façons de faire antérieu- res. En outre, on a trouve que le gaz inerte agit, avec l'écoulement de particules de métal provenant de 1'électrode consommable, tout à fait autrement qu'il ne le fait dans le cas d'une électrode non consommable, par exemple en tungstè- ne.
Dans le dernier cas, le métal \ souder et amené à la soudure est introduit extérieurement et est simplement fondu par la chaleur de l'arc. Dans le cas d'une électrode consom- mable, le métal est amené dans un état de fine division à partir de l'extrémité de l'électrode dans l'atmosphère de l'arc* La gaz inerte, ionisé, de l'atmosphère de l'arc Joue unrôle important de direction et de transmission du métal.
Le métal finement divisé constitue une partie du total des 2/0 des impuretés présentes dans l'atmosphère de l'arc. Il n'y a pas plus de 0,5% d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère que l'on laisse souiller l'atmosphère de l'arc.
Comme exemple particulier de l'opération, le fil 2. peut; avoir un diamètre de 4,8 mm et être en aluminium pur ou en un alliage d'aluminium, par exemple un alliage conte- nant 5%de silicium.. Le fil arrive à raison de 1,5 m Par minute taudis que l'on utilise un courant de soudure de 400 à 500 ampères, sous une tension d'arc de 21 à 24 volts (cou- rant continu de polarité inverse). La tuyère 14 assurant la protection par le gaz peut être maintenue très près de l'ou- vrage car les projections de la soudure d'aluminium ne col- lent pas facilement à la tuyère. L'arc est le plus stable lorsque l'électrode est positive et l'ouvrage négatif.
L'uti- lisation de l'ouvrage comme cathode présente encore l'avanta- ge que la pellicule d'oxyde protecteur sur l'ouvrage est enlevée par l'action de nettoyage résultant de l'émission
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d'électrons et du bombardement pur des ions positifs se pro- duisant sur la coucha de soudure et l'atmosphère de gaz en- bourunt l'arc empêche l'oxydation de mutai fondu en laissant une soudure brillante et propre.
Il est préférable de fonction- ner avec du courant continu, mais nn peut également opérer avec de l'alternatif quoique l'arc soit moins stable. Environ 30 dme. par minute d'un gaz inerte, tel que l'argon, suffisent pour protéger la soudure lorsque l'on opère avec une distance de 9,5 mm entre la tuyère et la surface de la pièce.
Les conditions particulières indiquées/sont celles qui conviennent le mieux pour obtenir les résultats désirés avec un arc dont la longueur varie de 3 à 5 mm. On peut modi- fier beaucoup les conditions suivant la vitesse désirée de la soudure et la dimension de la soudure à faire. L'invention convient particulièrement pour souder des pièces d'aluminium ayant 3mm. d'épaisseur ou plus. Dans ces opérations, il est proscrit d'avoir un métal de charge pour la soudure. Celui-ci est fourni, selon l'invention, par l'avance continuelle du fil 2. à mesure qu'il se consume. La chaleur produite par l'arc fait fondre le fil aussi rapidement qu'il avance et le métal fondu est amené à la soudure qui est complètement proté- gée par l'écran da gaz inerte qui l'entoure.
Grâce à l'inven- tion, on peut souder des tôles d'aluminium ou d'alliage d'alu- minium ayant plus de 9,5 mm d'épaisseur, en une seule passe, à de grandes vitesses avec un courant continu de 480 ampères, do polarité inverse, à une vitesse de 40cm. par minute, sans préparation des bords autrement que par sciage. Il n'existe pus actuellement de procédé de soudure de l'aluminium qui donne la pénétration nécessaire pour obtenir une soudure telle que celle décrite. La pénétration de la soudure dans des
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pièces épaisses en aluminium est difficile à obtenir du fait de la conductibilité thermique élevée de la matière. La cha- leur concentrée intense de l'arc produit entre ne-'taux est par suite très avantageuse.
Le réchauffage nécessaire des pièces épaisses peut avoir lieu à 65 ou moins au lieu de 210 comme précédemment.
Le courant peut être de 75 ampères (électrode de 1,2mm) à 1050 ampères pour des électrodes de grand diamètre, avec 14 à 30 volts.
Bien qu'il soit préférable d'utiliser l'argon comme gaz inerte dans l'opération ci-dessus, on peut utiliser dautres gaz inertes, tels que l'hélium ou tout autre gaz inerte de l'atmosphère, de poids atomique supérieur à celui de l'argon, ou des mélanges de ces gaz. On peut faire varier la vitesse d'arrivée du fil de manière à maintenir constante la longueur de l'arc, mais, il 'est également possible de faire arriver le fil à vitesse constante et de modifier l'énergie électrique Ce soudure appliquée, dons le même but. On peut appliquer l'invention pour la soudure à l'arc à la main, partiellement automatique ou complètement automatique.
Les atmosphères d'arc ayant la composition ci- dessus, non seulement assurent le passage d'aluminium dans l'arc sans qu'il se forme des oxydes, des nitrures et autres inclusions nuisibles, mais encore assurent le nettoyage convenable des surfaces d'aluminium à souder. Cette action de nettoyage est partic ulièrement prononcée lorsque l'on uti- lise des atmosphères d'arc en argon et elles consistent litté- ralement à souffler la surface de la pellicule d'oxyde d'alu- minium par le bombardement des ions d'argon. Le degré de cette action de nettoyage est fonction du poids atomique du
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Gaz et c'est pour cette raison que l'argon et les autres élé- ments de poids atomique élevé donnent de meilleurs résultats que l'hélium qui est relativement léger.
Le fil de soudure est de préférence nu. Il peut cependant comporter un revêtement de lavage en une matière appropriée. Un revêtement de lavage diffère d'un revêtement de fondant d'épaisseur déterminée que l'on utilise parfois pour introduire des éléments d'alliage dans la soudure. On n'utilise pas dans ce but des revêtements de lavage.
On peut modifier de nombreuses façons le procédé ci-dessus décrit ainsi que l'appareil permettant son applica- tion, sans sortir du cadre de l'invention ni perdre de ses avantages.
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11.30U OF ULiINIULrF1 The present invention relates to a per-
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f'ed; iol1IJÓ do welding of aluminum and its alloys. In the case of the invention, the aluminum alloys envisaged
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are those in which aluminum is the major constituent and, in the following, the expression aluminum covers will equal aluminum alloys of this kind.
It is only relatively recently that aluminum has been welded. For a long time, this was considered to be impossible due to the ease with which aluminum oxides are formed at elevated temperature.
However, welding methods have been found using gas flame or an electric arc and a heavy flux to protect the weld. The flux is generally applied as a coating on the electrode. More recently, the process has been improved so as to avoid the use of a flux by protecting a non-consumable tungsten or carbon electrode by means of an inert gas, such as argon.
Cos methods have inherent drawbacks and limitations. When using flux, it is necessary to thoroughly clean the finished weld as any flux residue will quickly cause the metal to corrode. Sometimes it is not possible to perform effective cleaning because some of the flux may be trapped in the solder or be on a side of it where it is inaccessible. For thin elements where no charging metal is required, an arc with a tungsten electrode, protected by an inert gas, can be used satisfactorily, but when charging is required, as is the case in relatively thick metal welds, the operation is relatively slow because the heating of the load rod is done indirectly.
Consequently, the known methods do not allow the welding of aluminum and its alloys to be carried out quickly and in an industrial manner.
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welding 16 'This machine is connected by a cable 17 to the piece to be welded 18. The protective gas is contained in a cylinder or other container 19 and is supplied by a valve 20 to a pressure reducer 21, then to a controlled pipe 22 by a valve 23 leading to the chamber 13. Manometers 24 and 25 indicate the pressure of the gas in the cylinder 19 and the pressure at which it is brought to the pipe 22.
In this way, the protective gas can be brought at the desired speed by flowing without vortex in the chamber 13 and in sufficient volume to protect the arc established between the end of the wire and the part 18. The gas surrounds the end of the wire 2 and the solder made in the part 18, effectively preventing atmospheric oxygen from coming into contact with the metal cast in the solder.
It is essential, for the present invention, that the protective gas is supplied in an amount and in such a manner that the atmosphere of the arc does not contain more than 2% by volume of impurities, i.e. say that the purity of the arc atmosphere must not be less than 98%. In accordance with the present invention, it has been found that the difficulty which has hitherto been encountered in attempting to weld aluminum with an aluminum -or aluminum alloy consumable electrode is due to the failure to succeed. not to exclude from the atmosphere of the arc atmospheric impurities due to the turbulence in the gas stream supplied.
Turbulence, arising from abrupt changes in flow direction, obstructions in the walls of the channel where gas passes, and other causes, draw atmospheric air into the arc atmosphere and annihilate the intended use of inert gas. According to the invention, 00 rule
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the flow of gas so that this flow is luminous and non-turbulent as in the previous procedures. Further, it has been found that the inert gas acts, with the flow of metal particles from the consumable electrode, quite differently than it does in the case of a non-consumable electrode, for example by tungsten.
In the latter case, the metal to be welded and brought to the weld is introduced externally and is simply melted by the heat of the arc. In the case of a consumable electrode, the metal is brought into a state of fine division from the tip of the electrode into the atmosphere of the arc * The inert, ionized gas of the atmosphere arc Plays an important role in directing and transmitting metal.
The finely divided metal constitutes a part of the total of 2/0 of the impurities present in the atmosphere of the arc. There is no more than 0.5% oxygen or nitrogen in the atmosphere that is allowed to contaminate the atmosphere of the arc.
As a particular example of the operation, the wire 2. can; have a diameter of 4.8 mm and be made of pure aluminum or an aluminum alloy, for example an alloy containing 5% silicon. The wire arrives at the rate of 1.5 m Per minute slums as the a welding current of 400 to 500 amperes is used, at an arc voltage of 21 to 24 volts (direct current of reverse polarity). The nozzle 14 providing protection by the gas can be kept very close to the work, since the projections of the aluminum weld do not easily stick to the nozzle. The arc is most stable when the electrode is positive and the work negative.
The use of the work as a cathode still has the advantage that the protective oxide film on the work is removed by the cleaning action resulting from the emission.
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electrons and the pure bombardment of positive ions occurring on the solder bed and gas atmosphere surrounding the arc prevents oxidation of molten mutai leaving a shiny and clean solder.
It is preferable to operate with direct current, but nn can also operate with alternating, although the arc is less stable. About 30 dme. per minute of an inert gas, such as argon, is sufficient to protect the weld when operating with a distance of 9.5 mm between the nozzle and the workpiece surface.
The particular conditions indicated are those which are best suited to obtain the desired results with an arch whose length varies from 3 to 5 mm. The conditions can be varied greatly depending on the desired weld speed and the size of the weld to be made. The invention is particularly suitable for welding aluminum parts having 3mm. thick or more. In these operations, it is prohibited to have a filler metal for welding. This is provided, according to the invention, by the continuous advance of the wire 2. as it is consumed. The heat generated by the arc melts the wire as quickly as it advances and the molten metal is brought to the weld which is completely protected by the surrounding inert gas shield.
Thanks to the invention, aluminum or aluminum alloy sheets having more than 9.5 mm thick can be welded in a single pass at high speeds with a direct current of 480 amps, reverse polarity, at a speed of 40cm. per minute, without edge preparation other than by sawing. There is currently no process for welding aluminum which gives the necessary penetration to obtain a weld such as that described. The penetration of solder into
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thick aluminum parts is difficult to obtain due to the high thermal conductivity of the material. The intense concentrated heat of the arc produced between the temperatures is therefore very beneficial.
The necessary reheating of thick parts can take place at 65 or less instead of 210 as before.
The current can be from 75 amps (1.2mm electrode) to 1050 amps for large diameter electrodes, with 14 to 30 volts.
Although it is preferable to use argon as the inert gas in the above operation, other inert gases, such as helium or any other inert gas of the atmosphere, of atomic weight greater than that of argon, or mixtures of these gases. The speed of arrival of the wire can be varied so as to keep the length of the arc constant, but it is also possible to make the wire arrive at constant speed and to modify the electrical energy. the same goal. The invention can be applied for hand arc welding, partially automatic or fully automatic.
Arc atmospheres having the above composition not only ensure passage of aluminum through the arc without the formation of harmful oxides, nitrides and other inclusions, but also ensure proper cleaning of the surfaces of the arc. aluminum to be welded. This cleaning action is particularly pronounced when using argon arc atmospheres and it literally consists of blowing the surface of the aluminum oxide film by bombardment of the aluminum ions. argon. The degree of this cleaning action is a function of the atomic weight of the
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Gas and it is for this reason that argon and other high atomic weight elements perform better than helium which is relatively light.
The solder wire is preferably bare. It may, however, include a wash coating of a suitable material. A wash coating differs from a fondant coating of specified thickness which is sometimes used to introduce alloying elements into the weld. Washing coatings are not used for this purpose.
The method described above as well as the apparatus allowing its application can be modified in many ways, without departing from the scope of the invention or losing its advantages.