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SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE .
La présente invention concerne les procédés et machines à souder à l'arc et plus particulièrement les procédés et machines à souder à l'arc les métaux en atmosphère gazeuse protectrice.
L'invention est particulièrement importante dans les opéra- tions de soudage pouvant être- dites semi-automatiques, qui consistent à faire avancer automatiquement un fil nu de métal d'apport constituant u- ne électrode qui se consomme, dans un pistolet à main tenu par l'opérateur.
L'opérateur déplace le pistolet à la main de façon à ce que la pointe de l'électrode formée par le fil qui se consomme suive le joint à souder et au fur' et à mesure des progrès de l'opération de soudage, le fil d'apport avance automatiquement dans et à travers le pistolet à main tenu par l'o- pérateur.
L'invention est basée sur des idées nouvelles impliquant la combinaison de divers facteurs tels que la densité du courant, l'atmos- phère gazeuse de protection, la vitesse du fil d'apport et la polarité inverse ducourant continu, qui permettent ainsi d'obtenir des résultats nouveaux et bien.meilleurs, en particulier dans le cas du soudage semi- automatique.
D'une manière générale, le nouveau procédé consiste à faire avancer, le métal d'apport sous forme de fil dans un support approprié, le métal d'apport étant de préférence sous forme de fil nu. Le courant de soudage .passe dans le métal d'apport et un arc est maintenu entre l'extré- mité du fil et la pièce. L'énergie électrique peut être fournie par -une génératrice de soudure normale à courant continu. Les génératrices de soudure normales à courant continu qui comportent des groupes à opéra- teurs multiples à tension constante, peuvent convenir à cet effet, étant donné qu'ils comportent la caractéristique de tension-courant tombante appropriée.
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L'invention concerne une machine perfectionnée sensible aux conditions électriques existant à l'endroit de la soudure, c'est-à-dire en- tre l'électrode et la pièce de fagon à faire avancer automatiquement le fil d'apport et elle comporte aussi un dispositif qui permet d'obtenir une den- sité de courant dans l'électrode formée par le fil d'apport, qui est un multiple de celle à laquelle s'effectuent généralement les opérations de sou- dage des métaux à l'arc en atmosphère gazeuse, de sorte que le fil d'apport se consomme à très grande vitesse, c'est-à-dire au moins à une vitesse de 2,54 m par minute, pour des fils d'un diamètre de 3,17 à 0,79 mm et infé- rieur.
D'autres caractéristiques contribuent à assurer le succès du procédé suivant l'invention consistent à protéger l'arc par un gaz, de pré- férence un gaz monoatomique, tel que l'argon ou l'hélium et à utiliser du courant continu à polarité inversée. Il a été découvert que si ces conditions sont remplies l'opération de soudage s'effectue beaucoup mieux et les appa-' reils de réglage qui sont nécessaires pour obtenir l'automaticité voulue peuvent être notablement simplifiés.
Il n'est donc pas nécessaire d'employer un dispositif de commande à vitesse variable de l'électrode qui se consomme, il suffit en effet d'un simple dispositif à vitesse constante, car, étant donné que l'opération de soudage perfectionnée s'effectue avec une grande vitesse du fil d'apport et avec une forte densité de courant compatible avec cette grande vitesse d'avancement, la longueur de l'arc se règle très rapidement et automatiquement. Les irrégularités éventuelles du mouvement de la main de l'opérateur guidant le pistolet le long du joint se compen- sent rapidement et automatiquement dans l'arc lui-même, sans qu'il soit nécessaire de faire varier la vitesse d'avancement du fil dans le pistolet à main.
De plus, en combinant cette forte densité de courant avec une gran- de vitesse d'avancement correspondante du fil d'apport, l'arc étant protégé par un gaz inerte et la polarité de l'arc étant renversée, on obtient avec certitude un'joint soudé sensiblement parfait dans toutes les conditions, car le métal d'apport est projeté suivant l'axe de l'électrode sous forme de courant régulier de gouttelettes ou de pluie avec une force suffisante pour faire arriver le métal juste à l'endroit où il doit arriver, c'est-à- dire par exemple au fond de joints d'ailleurs inacessibles et dans des joints supérieurs ou en position verticale.
Dans ces conditions, ce trans- port de métal projeté régulier est obtenu par exemple avec un fil d'a;umio- nium de 1,58 mm et un courant d'environ 160 ampères ou davantage, c'est-à- dire avec'une densité de courant d'au moins 80,6 amp/mm2 La densité de courant nécessaire varie suivant la nature des matériaux et la grosseur du fil, mais elle doit être en général suffisante pour que le fil se consomme à une vitesse moyenne d'au moins 2,54 m par minute.
Un des objets de l'invention consiste en un appareil perfec- tionné de réglage de l'avancement du fil, sensible aux conditions électri- ques existant entre l'électrode et la pièce, de façon à faire avancer le fil d'apport à vitesse constante automatiquement pendant que l'opération de soudage se poursuit à la tension de soudage normale à l'arc, le mouve- ment d'avancement du fil s'interrompant automatiquement lorsque la tension de soudage a une valeur sensiblement inférieure à sa valeur normale, par exemple au moment où l'état de court-circuit est sur le point de s'établir.
L'appareil suivant l'invention empêche aussi l'avancement automatique du- fil d'apport lorsque le circuit est ouvert ou que le court-circuit est é- tabli entre l'électrode et la pièce.
D'autres caractéristiques de l'invention consistent dans un dispositif perfectionné commandant l'application de la tension de la généra- trice de soudage à l'électrode et à la pièce avant le commencement de l'o- pération de soudage, un dispositif perfectionné par lequel une basse ten- sion de sécurité est établie dans un circuit de réglage dans le pistolet à main, et un dispositif perfectionné commandant simultanément l'arrivée du gaz de protection et l'application de la tension du générateur de soudage à l'électrode et à la pièce.
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On a constaté que les meilleurs résultats, suivant l'invention, sont obtenus en faisant arriver le gaz inerte de protection de fagon à for- mer une enveloppe sensiblement non turbulente de gaz entourant l'arc. Ce résultat est obtenu, en général, en faisant arriver le gaz de façonà le fai- re circuler suivant l'axe dans la direction générale du fil d'électrode, sans composante de vitesse périphérique ou tourbillonnante appréciable.Par exem- ple, on a constaté que si le courant de gaz comporte une composante sensible- ment périphérique autour de l'électrode, le gaz en sortant de la tête de sou- dage au voisinage de l'arc entraine une quantité d'air suffisante pour exer- cer une action nuisible sur la soudure.
Les diverses caractéristiques et avantages de l'invention sont faciles à comprendre d'après la description donnée ci-après d'une forme de réalisation, à titre d'exemple, de l'invention avec les dessins ci-joints à l'appui sur lesquels : la fig. 1 représente schématiquement une machine à souder suivant l'invention, la fig. 2 représente schématiquement une forme-de réalisa- tion d'un outil à souder ou pistolet à main faisant partie de la machine à souder suivant l'invention et convenant à une opération de soudage semi-au- tomatique et la fig. 3 est un diagramme indiquant la variation de la vitesse de combustion en fonction de la tension de l'arc pour diverses va- leurs constantes du courant de l'arc dans la gamme des fortes densités de courant, l'électrode étant un fil en aluminium de 1,58 mm et l'arc étant protégé par une atmosphère d'argon.
Suivant la forme de réalisation représentée, un fil d'élec- trode 2. tiré d'une bobine 8, supportée par une console 9 avance sous l'action de deux cylindres d'avancement 6¯ commandés par un moteur 7, Les cylindres d'avancement font avancer le fil d'électrode dans un câble ou tube 4 de longueur fixe, qui réunit le mécanisme d'avancement à la tête de soudage. Une bouteille à gaz 14 fournit le gaz inerte de protection de l'arc et la conduite de gaz comporte une soupape de réduction de pres- sion 15, un débitmètre 16, une soupape 17 commandée par un solénoïde et un tube 13 partant de la soupape 17 et aboutissant au tube 4.
Le gaz pas- se dans le tube 4 entre sa paroi et le fil d'électrode 2. que les cylindres d'avancement 6 font avancer dans le tube /.;;..
Un générateur de soudage ou autre source appropriée de cou- rant de soudage 19 est connectée par un conducteur 20 à la pièce métalli- que à souder 18 et l'autre pôle du générateur est connecté par un conduc- teur 21 à une semelle de prise de courant 10 disposée dans la tête de soudage 11 et établissant le contact électrique avec l'extrémité du fil d'électrode 5 Un interrupteur de ligne 47a est connecté en série dans le conducteur 21..
La source de courant de soudage 19 consiste, de préférence, en un générateur de soudage à courant continu comportant la caractéristi- que habituelle de tension-courant tombante pour l'arc et la borne négative du générateur est connectée à la pièce et sa borne positive au fil d'élec- trode, en réalisant ainsi le montage dit à polarité inversée de l'arc de soudage.
La connexion de la source de courant de soudage avec le fil d'électrode et avec la pièce, l'avancement du fil d'électrode et l'arrivée du gaz de protection sont commandés dans'la machine représentée sur le des- sin par plusieurs relais et contacts d'interrupteures.La machine, comporte un relais 30,dont la bobine de commande est connectée entre l'électrode et la pièce et par suite est sensible directement à la tension existant entre ces éléments.
Le relais 30 est donc connecté avec la pièce 18 par un conducteur 29 et à l'électrode par l'intermédiaire des contacts d'un interrupteur 23a et de conducteurs 28, 25 et 22. Le relais 30, étant exci-
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té, a pour effet de fermer les contacts 30a dans un circuit formé par des
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conducteurs .21- et 32. connectés a une source d'énergie appropriée, telle qu'une source ordinaire de courant alternatif à 110 volts et les contacts 3b en série avec la bobine de commande d'un relais 60. Le moteur 2 d'a- .vancement du fil est connecté dans le circuit formé par les conducteurs 3: et ,2 et est connecté en série avec les contacts 30a du relais z ain- si qu'avec les contacts ±.la d'un relais de commande 41 et les contacts 60a du relais de commande 60.
La bobine de commande du relais 41 est connectée à une source appropriée de tension réduite, telle que l'enroulement secon-
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daire 2iL d'un transformateur 3, dont l'enroulement primaire 33. est connec- té entre les conducteurs d'alimentation 31 et 32. Le relais 43s est connecté à cet enroulement secondaire Il du transformateur par l'intermédiaire d'un conducteur AO. des contacts d'un interrupteur 3j manoeuvré à la main, d'un conducteur 39 et des conducteurs 3,7 et 4â Les contacts de l'interrupteur manoeuvré à la main 38 sont montés de préférence dans la poignée du pisto- let à souder (fig. 2), ces contacts constituant un interrupteur de poussée maintenu normalement en position d'ouverture sauf lorsqu'une pression s'exer- ce sur lui à la main de façon à maintenir les contacts fermés.
Le circuit de commande de la fig. 1 comporte aussi un relais
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de puissance 1., qui sert à actionner les contacts A7a de l'interrupteur de ligne du circuit de soudage. La bobine de commande du relais de puissance 42 est connectée entre les conducteurs d'alimentation 3; et 22 et, par suite, le relais s'excite dès que les contacts ±:la se ferment lorsque le relais 41 commandé par l'interrupteur à main 38 fonctionne. Le circuit de commande comporte aussi un relais 23 qui peut être appelé relais de bloca- ge connecté au conducteur 25 par l'intermédiaire d'un circuit en parallèle
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comprenant une résistance 26. et un condensateur 27. ainsi qu'à la pièce 18 par l'intermédiaire d'un conducteur 29,.
Le relais 23, est ainsi sensible à la tension qui existe entre le fil d'électrode et la pièce et est choisi de ) façon à ne s'exciter effectivement que lorsque la tension entre le fil d'é- lectrode et la pièce est égale ou voisine de la tension à circuit ouvert du
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générateur de soudage. Le relais 23. commande les contacts 23a en série avec la bobine de commande du relais 3j3. et les contacts 23b en série avec la bo- bine de commande du relais 60. Le relais 60 est un relais de retardement et est choisi de façon à ne s'exciter effectivement que lorsque la tension en- tre le fil d'électrode et la pièce devient supérieure à la tension de sou- dage normale. Il suffit que le retard de fonctionnement du relais soit suf- fisant pour l'empêcher de fonctionner pendant que le relais 23 se ferme lorsqu'on appuie la première fois sur le déclencheur.
Il est facile de voir que dans la machine connectée et dispo- sée de la manière décrite ci-dessus, lorsque l'opérateur saisit la poignée
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z de la tête à souder 11, l'interrupteur de poussée 38 fonctionne, ses contacts se ferment en faisant ainsi passer le courant dans le relais de commande 41 dont les contacts ±.la se ferment dans le circuit d'alimentation
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auxiliaire représenté par les conducteurs 31: et 32.
Le courant passe ainsi dans la bobine de commande du relais 47 qui provoque la fermeture des con- tacts de ligne 47a du circuit de soudure, en appliquant ainsi la tension de la source de courant de soudage entre l'électrode .2 et la pièce métallique 18 par l'intermédiaire du conducteur 20, des contacts de l'interrupteur 47a et du conducteur 21. En même temps, le courant passe dans le solénoïde 50 de commande de la soupape 17 du tuyau d'arrivée de gaz, en faisant ainsi passer le gaz inerte de la bouteille 14 dans le tube 4 et dans la tête de soudage, d'où il sort en formant une enveloppe protectrice de gaz empêchant l'air d'arriver dans la région située entre l'extrémité de l'électrode et la pièce,
dès que ces éléments sont amenés au voisinage immédiat l'un de l'autre. Dès que la tension de soudage est appliquée entre l'électrode de soudage et la pièce, la totalité de la tension de la source de soudage est disponible de façon à exciter le relais de déblocage 23, dont les contacts
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.6la et 23b s'ouvrent immédiatement en empêchant ainsi le courant de passer dans les relais 30 et 60, tant que lés conditions de circuit ouvert sub- sistent dans le circuit de soudage. L'opérateur rapproche alors le pistolet
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à main jusqu'à ce que l'électrode .2 vienne en contact avec la pièce, puis l'éloigné pour faire jaillir un arc entre l'électrode de soudage .2. et la pièce.
Lorsque le fil d'électrode vient en contact avec la pièce, le re- lais de blocage est mis en courte-circuit en permettant ainsi au contact 23a de se fermer et en mettant ainsi le relais de commande 30 en circuit entre l'électrode et la pièce. Les contacts 23b se ferment également.
Dès que l'arc jaillit, et que la tension de soudage normale existe entre l'électrode et la pièce, le courant passe dans le relais de commande 30 et ses contacts 30a se ferment dans le circuit de commande qui comprend le moteur 2 d'avancement du fil d'électrode ainsi que les contacts 30b en série avec le relais 60. Le moteur démarre et continue à tourner à vi- tesse constante, de façon à faire avancer le fil d'électrode vers l'arc.
Ce mouvement continue tant que la tension de soudage normale existe entre l'électrode et la pièce. Au moment où les conditions de court circuit sont sur le point de s'établir dans le circuit de soudage, le courant cesse de passer dans le relais de commande 30 en ouvrant ainsi le circuit aboutis- sant au moteur d'avancement 1 et en interrompant le mouvement d'avancement du fil d'électrode dans le pistolet à main ou tête de soudage. L'électrode recommence à avancer automatiquement dès que la tension de soudage augmente et atteint une valeur supérieure à cette valeur voisine de la tension de court-circuit.
Lorsque la tension dans l'arc est supérieure à la tension de soudage normale,le relais 60 s'excite, les contacts normalement fermés 60a s'ouvrent en coupant ainsi le circuit du moteur d'avancement 7, interrom- pant l'avancement du fil, ouvrant le contacteur !il et faisant cesser le pas- sage du courant dans le solénoide 50 de la soupape 18 Ainsi qu'on peut le voir sur le dessin, le relais de commande 30 est connecté de préférence, de façon à être sensible directement à l'état de tension existant dans l'arc.
Cette solution est préférable à celle qui consisterait à connecter simplement ce relais de commande entre les bornes de la source du courant de soudage car elle permet d'éviter les conséquences qui résulteraient de la forte chute de tension dans les conducteurs connectant la source de cou- rant de soudage avec le fil d'électrode et la pièce.
Il est facile de voir que tant que l'interrupteur de poussée 38 de la poignée du pistolet à main est maintenu fermé, la soupape à solé- noide, qui commande l'arrivée du gaz inerte, reste ouverte en faisant ainsi arriver régulièrement le gaz de protection dans la tête de soudage, sauf pendant les intervalles de courte durée, pendant lesquels le courant passe dans le relais 60.
Lorsqu'on relâche cet interrupteur manoeuvré à la main, les contacts 38 s'ouvrent, le courant cesse de passer dans le relais de commande 41. de sorte que les contacts ¯4¯ la 's'ouvrent, en faisant cesser le passage du courant dans le solénoïde de la soupape et dans le relais de puissance !Il, en interrompant ainsi l'arrivée du gaz dans la tête de sou- dage et déconnectant.la source de courant de soudage par l'ouverture des contacts de ligne !;la commandés par le relais 47.
Le relais de puissance !Il. et les contacts de ligne 47a peu- vent être supprimés si on le désire, et dans ce cas le courant passe dans le relais de blocage 23 dès que l'électrode et la pièce sont connectés à la source de courant de soudage par tout autre dispositif quelconque appro- prié.Cependant, dans la plupart des applications, il est préférable d'em- ployer le relais de puissance 47 pour commander les contacts de ligne 47a en faisant en sorte que ces contacts 47a connectent la source de courant de soudage avec l'électrode et la pièce au même moment que le gaz commence à arriver dans la tête de soudage par la fermeture de l'interrupteur de com- mande 38, qui sert ainsi à lui seul à commander simultanément ces deux opé- rations.
Si, du fait que le mécanisme d'avancement du fil cesse accidentel- lement de fonctionner, ou pour toute autre raison, l'arc devient trop long, le relais 60 s'excite, ses contacts 60a s'ouvrent en faisant cesser le passage du courant dans le relais de puissance 47 et en ouvrant le circuit du générateur de courant de soudage et par suite en provoquant, l'extinction de l'arc.
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Il doit être bien entendu que le relais 23 n'est sensible qu'à la tension de circuit ouvert @ à une tension voisine, tandis que le relais 60 fonctionne à une tension légèrement supérieure à la tension normale de
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l'arc., Le relais 60 ne peut seerciter qui.-,- lorsque l'arc jaillit et que, pour une raison quelconque, cet arc est trop long. Dans ces conditions, le relais
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60 s'excite, es contacts 60a s'ouvrent en faisant cesser le passage du courant dans le relais de puissance 47 et, par suite, en ouvrant le contact de ligne !:{la.. Les contacts 60a en s'ouvrant font également cesser le passa-
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ge du courant dans le solénoïde .2Q. en fermant ainsi la soupape Il et inter- rompantl'arrivée du courant dans le moteur 7 d'avancement du fil.
L' inter- rupteur de déclenchement 38 étant relâché à ce moment, tous les dispositifs de commande reprennent leur état initial normal décrit précédemment. Mais si on maintient fermé l'interrupteur de déclenchement, le relais 60 retombe :immédiatement, étant donné que l'interrupteur de ligne 47a. en s'ouvrant, empêche la tension de soudage de passer dans le circuit. Le courant passe
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de nouveau dans le relais 7 du contacteur, la soupape â. gaz z s'ouvre et les conditions normales de démarrage se rétablissent. Il y a lieu de remar- quer que le mouvement d'avancement du fil ne peut être interrompu sans ou- vrir simultanément le contacteur /;la et éteindre l'arc.
Il est également avantageux de disposer sur la poignée du pis- tolet à main un interrupteur de démarrage 43,connecté en série avec la bo-
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bine de commande d'un relais !.i2. et des contacts 46 a d'un circuit auxiliaire court-circuitant les contacts des interrupteurs lola, 60a et 30a. Par suite, lorsque l'interrupteur de démarrage 3, est fermé, le relais 46 s'excite par l'intermédiaire des conducteurs , 45. kk et 6 en faisant arriver le cou- rant dans le moteur 7 d'avancement du fil par l'intermédiaire des contacts 46a, que le fil d'électrode et la pièce soient ou non connectés en circuit fermé avec la source de courant de soudage.
Cet interrupteur de démarrage sert en conséquence à faire avancer le fil d'électrode dans la tête de soudage 11 lorsque le circuit de soudage est ouvert, ce mouvement d'avan- cement du fil servant à régler la position de la pointe du fil d'électrode avant le commencement d'une opération de soudage.
La résistance 26 et le condensateur 27 connectés à la bobine
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de commande du relais de blocage 2",', provoquent le fonctionnement rapide de ce relais, de façon à le faire retomber rapidement lorsque le court-cir- cuit est établi par le contact de l'électrode avec la pièce métallique avant que l'arc jaillisse, ce qui a pour effet de provoquer la re-fermeture rapi-
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de des contacts 2a,,a, qui commandent l'arrivée du courant dans le relais de commande 30.
Ainsi qu'il a déjà été dit, une caractéristique remarquable de la machine suivant l'invention consiste dans le transport régulier et satisfaisant du métal, obtenu au moyen d'une forte densité de courant et une grande vitesse correspondante de combustion, ce qui provoque le dépôt d'un cordon de soudure lisse et non poreux pénétrant d'une manière satis- faisante dans le joint. Le moteur 2 d'avancement du fil, qui fait tourner les cylindres d'avancement 6 en contact avec le fil d'électrode, est de préférence un moteur à vitesse réglable qui fonctionne à vitesse constante lorsque celle-ci a été réglée à la valeur qu'on désire.
La vitesse de ré- glage de l'avancement du fil d'électrode dépend-de la grosseur et de la composition de l'électrode, mais on peut dire d'une manière générale que le fil d'électrode avance à une vitesse d'au moins 2,54 m/min. La source du courant de soudage telle que le générateur 19 à courant continu repré- senté, peut également être réglée de façon à faire arriver-un courant de soudage dans l'électrode et la pièce d'une intensité suffisante pour que l'électrode se consomme à la vitesse à laquelle elle avance vers l'arc.
Cette condition implique pour une vitesse d'avancement de 2,54 m/min, et
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plus grande, une densité de courant relativement forte dans le fil daélec- trode et on a constaté qu'elle peut atteindre avantageusement une valeur 10 à 12 fois plus grande que celle des opérations ordinaires de soudage à l'arc des métaux, en atmosphère gazeuse de protection. De préférence, le fil d'électrode se rapproche de la pièce à une vitesse constante d'une fagon complètement indépendante des variations instantanées éventuelles de
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la longueur de l'arc. On a constaté qu'en faisant avancer le fil d'électro- de vers la pièce à grande vitesse avec une forte densité de courant corres- pondante, la longueur de l'arc reste sensiblement constante et se règle en quelque sorte rapidement et automatiquement.
Lorsque l'arc'a tendance à devenir trop long, l'intensité du courant de soudage subit une diminution correspondante automatique du fait de la forme tombante de la caractéris- tique tension-courant de la source de courant de soudage. De plus, il a été découvert qu'avec la forte densité de courant adoptée suivant l'inven- tion, la vitesse de combustion de l'électrode diminue lorsque la longueur et la tension de l'arc augmentent quoique la consommation d'énergie soit plus forte. Par exemple, dans le cas d'une électrode en aluminium protégée par une enveloppe d'argon (fig. 3), même si l'intensité du courant reste constante lorsque la longueur et la tension de l'arc augmentent, la vi- tesse de combustion diminue.
Les actions exercées par ces facteurs combi- nés, c'est-à-dire l'effet produit par la caractéristique tombante de tension- courant et la diminution de la vitesse de combustion en fonction de l'augmen- tation de la tension de l'arc s'ajoutent en faisant ainsi revenir rapide- ment le fil d'électrode dans sa position moyenne normale par rapport à la pièce. De même, si l'arc devient trop court, le courant augmente automati- quement en raison de la caractéristique tombante de tension-courant de la source du courant de soudage, et la diminution de tension de l'arc qui résulte de cette variation contribue également à faire augmenter la vitesse de combustion (fig. 3) et ces deux facteurs se combinent, de façon à faire augmenter rapidement la longueur de l'arc, et lui faire prendre la valeur moyenne voulue.
Les légères variations de la longueur de l'arc dues évenT tuellement à l'irrégularité du mouvement de la main de l'opérateur ou à toute autre cause, se compensent ainsi automatiquement et on considère qu'on obtient ainsi de meilleurs résultats qu'avec tout autre type de mécanisme de commande de l'avancement du fil qui a pour but de faire varier la vi- tesse d'avancement conformément aux variations de la longueur de l'arc.
Si on considère de nouveau la fig. 3, on remarquera que l'in- clinaison de ses courbes est moindre au voisinage de leur partie inférieure que de leur portion supérieure. En d'autres termes, une faible variation de la tension de l'arc provoque une variation de la vitesse de combustion plus grande dans la région voisine de l'extrémité inférieure de chaque courbe qu'en un point situé plus haut sur la courbe. Cette caractéristique est ex- trêmement avantageuse, car lorsque le court-circuit est sur le point de s'établir dans l'arc à basse tension correspondante, la correction automa- tique s'effectue plus rapidement.
Par suite, quoique l'invention puisse s'appliquer à certains cas où la vitesse d'avancement du fil n'est pas constante, par exemple lorsqu'un dispositif quelconque sert à faire varier la vitesse d'avancement en fonction des variations de la longueur de l'arc, on préfère, d'une ma- nière générale, faire avancer le fil d'électrode vers l'arc à vitesse constante, en réglant la vitesse du moteur d'avancement à la valeur constan- te qui convient le mieux à la grosseur et à la composition du fil de l'é- lectrode. Ce mouvement d'avancement constant permet d'obtenir un réglage automatique particulièrement satisfaisant de la longueur de l'arc. Le ré- glage automatique que l'invention permet d'obtenir est de beaucoup supé- rieur à celui qu'on a pu obtenir jusqu'à présent avec la faible densité de courant habituelle.
Dans les opérations de soudage à l'arc des métaux en atmosphère de gaz de protection, telles qu'on les exécute actuellement dans la pratique, le fil d'électrode avance à une vitesse sensiblement inférieure à 2,54 m par minute et la densité de courant dans l'électrode est de beaucoup plus faible que dans les opérations suivant l'invention.
Lorsque la densité de courant est faible comme dans les conditions actuel- les, la vitesse de combustion de l'électrode est sensiblement proportion- nelle au courant de soudage et augmente généralement en fonction de la. tension de l'arc pour un courant d'intensité donnée. Par exemple, avec une électrode en aluminium de 4,76 mm, un courant de soudage de 250 ampères et une tension de l'arc de 29 volts, la vitesse de combustion est voisine
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de 0,76 m par 'minute et si, dans ces conditions, la longueur de- l'arc aug0 mente de façon'que sa tension soit égale à 32 volts, le courant^de soudage devient voisin de 238 ampères at la vitesse de combustion de l'électrode n'est que de 0,71 m par minute, tandis que le fil avance à là vitesse de 0,
76 m/min. Dans ces conditions, l'arc a tendance à se raccourcir de 50 mm par minute.
A rencontre de ces conditions de fonctionnementj on constate que lorsque la densité de courant est forte avec une grande vitesse d'avan- cement correspondante du fil, supérieure à 2,54 m/min, l'augmentation de la longueur de l'arc s'accompagne d'une augmentation de sa tension, mais quoi- que l'intensité du courant de soudage reste la même, la vitesse de combus- tion diminue, malgré la plus grande quantité d'énergie consommée dans l'arc.
On voit donc que lorsque la densité de courant est forte, la vitesse de com- bustion pour un courant d'intensité donnée n'augmente pas en fonction, de la . tension de l'arc, comme dans le cas où la densité de courant est faible pendant l'opération de soudage. Ge résultat inattendu est extrêmement avan- tageux car il facilite le réglage automatique de la longueur de l'arc. La diminution de la vitesse de combustion a pour effet de faire ,diminuer plus rapidement la longueur de l'arc, quoique le courant de l'arc reste'le même, que lorsque la longueur et la tension de l'arc augmentent et dépassent leurs valeurs moyennes normales. La vitesse de correction ou de réglage ainsi ob- tenue avec une forte densité de courant peut atteindre 10 fois la vitesse de variation de la longueur de l'arc obtenue dans les opérations de souda- ge à la faible densité de courant habituelle.
Lorsque la densité de .courant est forte, l'inclinaison de la courbe de vitesse de combustion est beaucoup plus grande qu'avec les densités de courant normales et la variation de la vitesse de combustion augmente du fait qu'aux fortes densités de courant el- le varie en raison inverse de la tension de l'arc. La vitesse d'avancement du fil de l'électrode étant constante et la densité de courant' étant forte, le réglage de la longueur de l'arc est très rapide et automatique et ne comporte aucune inertie mécanique ni oscillations comme dans le cas où l'a- vancement est variable, .
Suivant l'invention le métal se transporte dans l'arc d'une manière complètement différente du transport globulaire goutte à goutte qu'on obtient dans les opérations de soudage aux densités de courant ordinaires en atmosphère gazeuse de protection. Le métal fondu est projeté de l'ex- trémité du fil et la densité de courant peut être assez forte pour que le métal transporté prenne la forme d'un courant conique de fines gouttelettes et pratiquement d'un jet pulvérisé. La force de projection est suffisante pour surmonter l'action de la pesanteur et par conséquent il est possible de souder de bas en haut, la main étant en position verticale ou en bas,en obtenant des résultats aussi satisfaisants.
On a constaté que l'invention s'applique avec avantage au soudage des métaux ou alliages suivants :
I. Métaux ferreux.
A. Ferritiques.
1 Aciers simplement au carbone.
2. Alliages d'acier.,
B. Austénitiques.
1. Types à 18% chrome et 8% nickel.
II.Métaux non ferreux.
A. Aluminium et ses alliages.
1. Aluminium du commerce pur type 2s 2. Alliages d'aluminium type 3 S 3 . Alliages d'aluminium type 4#S
4, Alliages d'aluminium type 716
B.Cuivre.
1. Cuivre désoxydé
2. Alliages de cuivre - Bronze phosphoreux
3. Alliages de cuivre - Bronze d'aluminium
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c. Magnésium.
1, Alliage de magnésium - type Jl (6% aluminium, 1% zinc)
On considère également que l'invention peut s'appliquer au sou- dage d'autres métaux et alliages, par exemple d'autres métaux ferreux, tels que les aciers à forte teneur en manganèse ou en nickel, etc. et à d'autres métaux non ferreux.
A titre d'exemple, on a constaté qu'avec un fil d'électrode d'aluminium de 1,58 mm et une atmosphère protectrice d'argon, on obtient d'excellents résultats en faisant avancer l'électrode à une vitesse constan- te de 4,06 m/min avec un courant de soudage compris entre 130 et 180 ampè- res, suivant la longueur de l'arc et le réglage du générateur.
On peut dire d'une manière générale que la relation la plus avantageuse entre la densi- té de courant D et la vitesse d'avancement B du fil de l'électrode peut s'exprimer par l'équation suivante :
D x 1,55 = B x 0,025/3 + C dans laquelle C varie de-10 à +10, D représente la densité de courant en am- pères par mm B la vitesse d'avancement du fil en mètres par minute B étant au moins égal à 2,54 m/min. Lorsque la résistance électrique des électrodes est très faible, comme celle des électrodes en aluminium et en cuivre, la résistance due au chauffage dans la longueur de l'électrode entre la semel- le de contact et l'arc est insignifiante, et même lorsque la résistance des électrodes est plus forte, ce chauffage dû à la résistance peut être né- gligeable,
car en aucun cas il n'est nécessaire de les chauffer par résis- tance pour faire jaillir l'arc ou le maintenir. Suivant l'invention, le mé- tal se transporte de l'électrode dans l'arc presqu'exclusivement sous l'ac- tion de la chaleur intense dégagée dans l'arc lui-même.
On a constaté qu'avec une électrode en aluminium d'un diamètre de 1,58 mm, en faisant avancer cette électrode vers l'arc à une vitesse de 3,68 m/min. avec un courant de soudage de 140 ampères et une tension de l'arc voisine de 20 volts, on obtient en permanence une soudure satisfaisante en atmosphère d'argon. On constate d'après des oscillogrammes que les globules de métal sont transportés dans l'arc, l'électrode étant tenue en position horizontale,et sont projetés à partir de l'extrémité de l'électrode sur la pièce à raison d'environ 34 par seconde. Une longueur de fil de 1,8 mm se consume donc pour chaque globule ainsï transporté.
On a remarqué que ces globules sont assez gros pour court-circuiter l'arc pendant un instant au moment où chaque globule se déforme et est sur le point de quitter l'électro- de. Ce mode de transport donne lieu à un arc crépitant et quoique le métal puisse être déposé en position verticale ou de bas en haut, ce n'est pas le mode de transport le plus avantageux permettant d'obtenir les cordons de soudure du meilleur aspect et les plus sains.
En augmentant encore l'inten- sité du courant à 160 ampères et la tension à 23 volts, et en maintenant la vitesse d'avancement du fil à 3,68 m/min., l'arc a une longueur d'envi- ron 6,34 mm et on obtient un transport sous forme de véritable projection ou pluie qui comporte la formation de gouttelettes de métal fondu plus petites, passant de l'électrode sur la pièce à raison de 49 gouttelettes. par seconde correspondant ainsi à une vitesse de combustion de 12,4 mm de fil par gouttelette. Ces gouttelettes séparées sont projetées du fil de l'électrode sur la pièce sans provoquer aucun court-circuitage de l'arc.
On observe donc dans ce cas que le métal fondu est projeté suivant l'axe à partir de l'extrémité de l'électrode, au lieu de suivre simplement un arc suivant le trajet le plus court entre l'électrode et la pièce, les fi- nes gouttelettes séparées formant un noyau nettement délimité de métal en mouvement. On peut dire d'une manière générale que la densité de courant doit être suffisante pour projeter le métal horizontalement suivant un arc, c'est-à-dire entre une électrode maintenue en position horizontale et une pièce en position verticale.
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Si l'intensité ou densité de courant est insuffisante pour pro- jeter le métal fondu suivant 1-',axe entre le fil de l'électrode et la pièce sous forme de pluie visible de fines gouttelettes séparées à l'intérieur de l'enveloppe gazeuse de protection (ou dans,le cas des électrodes en alumi- nium de 1,58 mm de diamètre, sous forme de transport de= globules à, raison d'environ 34 par seconde) on n'obtient pas de résultat satisfaisant.
Par exemple, si avec une électrode en aluminium de 1,58 mm, avançant à une vi- tesse de 3,68 m/min, en atmosphère d'argon, on 'réduit l'intensité du cou- rant à 120 ampères avec une tension de l'arc de 18 volts, on constateque l'électrode étant maintenue en position horizontale, un arc d'environ 6,34 mm se maintient,mais aucun transport de métal de l'électrode horizontale à la plaque verticale ne se produit. Au contraire, de gros globules se for- ment à l'extrémité de l'électrode et tombent par leur-propre poids. Gha- que fois qu'un de ces globules quitte l'extrémité de l'électrode, on'ob- serve un accroissement temporaire de la tension de l'arc'et on constate d'après l'oscillogramme que ces gros globules se détachent à raison seu- lement de 3,6 globules par seconde dans ces conditions spéciales de sou- dage.
Suivant l'invention, l'intensité du courant de soudage est suffisante pour que, lorsque l'électrode se rapproche de la pièce à une vitesse d'au moins 2,54 m/min., le métal de la soudure soit projeté suivant l'axe à partir de l'extrémité de l'électrode sous forme d'un noyau nette- ment délimité se composant de particules séparées. Cette forme caractéris- tique du transport du métal spéciale à l'invention apparaît brusquement au moment où le courant de soudage atteint la valeur qui convient. Ce noyau nettement délimité est formé par le courant de fines gouttelettes et est extrêmement stable, car il n'a aucune tendance à cheminer ou à s'écarter de la direction du fil à la pointe de l'électrode.
Cet excellent résultat est obtenu sans éclaboussures quoique suivant les résultats obte- nus dans les opérations de soudage ordinaires, les éclaboussures posent un problème difficile à résoudre lorsque l'intensité du courant augmente.
Ce résultat inattendu n'est obtenu que lorsque la vitesse d'avancement du fil dépasse 2,54 m/min, et que l'intensité du courant est suffisante pour projeter le métal de la soudure suivant l'axe à partir de l'extré- mité de l'électrode.
Ainsi qu'il a déjà été dit, la borne négative du générateur de soudage à courant continu est connectée à la pièce, en inversant ainsi la polarité, la pièce constituant la cathode et l'électrode l'anode.- Ce ren- versement de polarité est particulièrement avantageux lorsque l'arc est protégé par un gaz inerte. On a constaté que dans ces conditions, il se pro- duit un effet de nettoyage par lequel la couche d'oxyde est éliminée par le crachement de la cathode, (bombardement par les ions positifs) en assu- rant ainsi une fusion satisfaisante du dépôt sur le métal de base. Le ren- versement de polarité suivant l'invention ne provoque aucune surchauffe nui- sible de l'électrode positive, étant donné qu'elle se rapproche de l'arc si rapidement que cette surchauffe ne se produit pas.
De plus, le renver- sement de polarité sert à concentrer la chaleur dans le métal de base en assurant ainsi une pénétration appropriée. On a cependant constaté que lorsque l'électrode est en laiton, il y a lieu d'adopter la polarité di- recte au lieu de la,polarité renversée.
Le gaz fourni par la bouteille 14 est de préférence un gaz inerte mono-atomique, tel que l'hélium ou l'argon. Cependant, il doit être bien entendu que dans certaines applications, il peut être préférable d'em- ployer un gaz réducteur au lieu d'un milieu gazeux inerte. Par exemple, on a obtenu des résultats satisfaisants avec une électrode en fil d'acier d'un diamètre de 1,58 mm avec un courant de soudage de 260 ampères, en faisant avancer le fil vers l'arc à une vitesse d'environ 4,19 m/min, dans une at0- mosphère réductrice d'oxyde de carbone et d'anhydride carbonique.
On a constaté que la puissance peut être comprise entre des limites très étendues pour exécuter avec succès des opérations de soudage suivant l'invention, en particulier lorsque l'électrode est en acier inoxy-
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dable. Par exemple, on a constaté qu'avec une électrode en fil d'acier ino- xydable on peut faire varier la puissance de soudage dans un intervalle d'en- viron 5000 watts, tandis que lorsque il s'agit d'opérations de soudage ordi- naires avec un fil de même grosseur constituant une électrode enrobée 'nor- male, la puissance ne peut être comprise que dans l'intervalle d'environ 500 'watts!,
On a constaté que pour réaliser le meilleur effet de protection de l'arc par le gaz,
celui-ci doit sortir par son orifice de façon à former une enveloppe sensiblement non turbulente de gaz dans la zone de soudage.
Si le gaz sort autour de l'arc à une vitesse suffisante pour que le courant de gaz comporte une composante de vitesse périphérique ou tourbillonnante, le gaz de protection entraine une quantité d'air suffisante pour que la pro- tection ne soit plus assurée. D'autre part, s'il arrive de façon que son courant suive la direction générale de l'électrode, sans circulation péri- phérique ou tourbillonnante appréciable autour de l'électrode, l'enveloppe de gaz autour de l'arc n'est sensiblement pas turbulente et peut éliminer jusqu'à 99% de l'air de la zone de soudage.
Le dispositif d'alimentation en gaz représenté schématiquement sur le dessin comporte. un tuyau 12. partant de la bouteille à gaz et aboutissant au tube ¯4 qui entoure le fil d'électro- de 5 Le gaz circule dans ce tube jusqu'à ce qu'il arrive dans une chambre à gaz située dans la tête de soudage et continue son trajet vers la pointe de l'électrode dans la direction générale de l'axe de cette électrode.-Si on le désire, on peut disposer des chicanes ou un tamis , fig. 1, dans le tuyau ou chambre à gaz de la tête de soudage pour s'opposer à tout mou- vement périphérique éventuel du courant de gaz et avoir la certitude que ce mouvement du gaz de protection est dirigé suivant l'axe et passe par l'orifice au voisinage de la pointe de l'électrode.
Il doit être bien entendu que l'invention ne doit pas être considérée comme limitée à la forme de réalisation représentée et décrite, ci-dessus à titre d'exemple, mais peut comporter diverses variantes. Par exemple, quoique la machine à souder représentée et décrite comporte un pistolet à main, cette machine peut comporter d'autres types de.têtes de soudage, et on peut dire, d'une manière générale, que le moyen par lequel la tête de soudage peut être tenue dans la position qui convient par.rap- port à la pièce, peut être modifié suivant les conditions à remplir dans l'opération de soudage.
De plus, ainsi qu'il a été dit précédemment, quoi- qu'on emploie de préférence un moteur d'avancement du fil fonctionnant à; vitesse constante, il convient dans certains cas d'employer un moteur ou un mécanisme d'avancement du fil fonctionnant à vitesse variable, la vites- se moyenne d'avancement du fil d'électrode étant d'au moins 2,54 m/min. De même, on obtient des résultats satisfaisants avec le générateur ou autre ' source de courant de soudage, pourvu que la source de courant soit de na- ture à débiter un courant de soudage assez intense pour, consommer l'élec trode à la grande vitesse à laquelle elle avance vers la pièce et projeter le métal de la soudure suivant l'axe à partir de l'extrémité de l'électrode.
L'opération de soudage peut être considérée comme étant une soudure ordi- naire ou une opération de surface.
L'expression "électrode se consommant en fil nu" doit être considérée comme désignant les fils nus ordinaires de métal d'apport ainsi que les fils en métal d'apport recouverts d'une couche mince ou de lavage à l'encontre des électrodes recouvertes d'une couche épaisse de flux. De même,l'expression t'électrode en aluminium" doit être considérée comme dé- signant l'aluminium ainsi que ses alliages.
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ELECTRIC ARC WELDING.
The present invention relates to methods and machines for arc welding and more particularly to methods and machines for arc welding metals in a protective gas atmosphere.
The invention is particularly important in welding operations which may be said to be semi-automatic, which consist in automatically advancing a bare wire of filler metal constituting a consumable electrode, in a hand held gun. by the operator.
The operator moves the gun by hand so that the tip of the electrode formed by the wire which is consumed follows the joint to be welded and as the welding operation progresses, the wire feeder automatically advances into and through the hand gun held by the operator.
The invention is based on new ideas involving the combination of various factors such as current density, protective gas atmosphere, filler wire speed and reverse polarity of direct current, which thus allow obtain new and better results, especially in the case of semi-automatic welding.
In general, the new method consists in advancing the filler metal in the form of wire in a suitable support, the filler metal preferably being in the form of bare wire. Welding current is passed through the filler metal and an arc is maintained between the end of the wire and the work. Electrical energy can be supplied by a normal direct current welding generator. Normal direct current welding generators which have constant voltage multiple operator groups may be suitable for this purpose since they have the appropriate voltage-current drop characteristic.
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The invention relates to an improved machine sensitive to the electrical conditions existing at the place of the weld, that is to say between the electrode and the part for automatically advancing the filler wire, and it comprises also a device which makes it possible to obtain a current density in the electrode formed by the filler wire, which is a multiple of that at which metal arc welding operations are generally carried out in a gaseous atmosphere, so that the filler wire is consumed at very high speed, that is to say at least at a speed of 2.54 m per minute, for wires with a diameter of 3.17 at 0.79 mm and less.
Other characteristics contribute to ensuring the success of the process according to the invention consist in protecting the arc by a gas, preferably a monoatomic gas, such as argon or helium and in using direct current with polarity. reversed. It has been found that if these conditions are fulfilled the welding operation takes place much better and the control devices which are necessary to achieve the desired automaticity can be considerably simplified.
It is therefore not necessary to use a variable speed control device for the consumable electrode, a simple constant speed device is sufficient, because, given that the improved welding operation s 'carried out with a high speed of the filler wire and with a high current density compatible with this high speed of advance, the length of the arc is adjusted very quickly and automatically. Any irregularities in the movement of the operator's hand guiding the gun along the joint are quickly and automatically compensated for in the arc itself, without the need to vary the wire feed speed. in the hand gun.
In addition, by combining this high current density with a high corresponding advance speed of the filler wire, the arc being protected by an inert gas and the polarity of the arc being reversed, one obtains with certainty a '' welded joint substantially perfect in all conditions, because the filler metal is projected along the axis of the electrode in the form of a regular stream of droplets or rain with sufficient force to bring the metal right to the place where it must end, that is to say for example at the bottom of joints which are otherwise inaccessible and in upper joints or in a vertical position.
Under these conditions, this regular projected metal transport is obtained, for example, with an aluminum wire of 1.58 mm and a current of about 160 amps or more, that is to say with '' a current density of at least 80.6 amp / mm2 The current density required varies according to the nature of the materials and the size of the wire, but it must in general be sufficient for the wire to be consumed at an average speed of d 'at least 2.54 m per minute.
One of the objects of the invention consists of an improved apparatus for adjusting the advance of the wire, sensitive to the electrical conditions existing between the electrode and the workpiece, so as to advance the filler wire at high speed. constant automatically while the welding operation continues at the normal arc welding voltage, the wire advancement movement stopping automatically when the welding voltage has a value appreciably lower than its normal value, for example at the moment when the short-circuit state is about to be established.
The apparatus according to the invention also prevents the automatic advancement of the filler wire when the circuit is open or when the short circuit is established between the electrode and the workpiece.
Further features of the invention consist of an improved device controlling the application of voltage from the welding generator to the electrode and to the workpiece before the start of the welding operation, an improved device by which a low safety voltage is established in a control circuit in the hand gun, and an improved device simultaneously controlling the supply of the shielding gas and the application of the voltage from the welding generator to the electrode and by the piece.
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It has been found that the best results, according to the invention, are obtained by causing the inert protective gas to arrive so as to form a substantially non-turbulent envelope of gas surrounding the arc. This is generally achieved by causing the gas to flow along the axis in the general direction of the electrode wire, without appreciable peripheral or vortex speed component. For example, we have observed that if the gas current has a substantially peripheral component around the electrode, the gas leaving the welding head in the vicinity of the arc entrains a sufficient quantity of air to exert an action harmful on the weld.
The various characteristics and advantages of the invention are easily understood from the description given below of an embodiment, by way of example, of the invention with the accompanying drawings supported by which: fig. 1 schematically represents a welding machine according to the invention, FIG. 2 schematically shows an embodiment of a welding tool or hand gun forming part of the welding machine according to the invention and suitable for a semi-automatic welding operation and FIG. 3 is a diagram showing the variation of the combustion rate as a function of the arc voltage for various constant values of the arc current in the range of high current densities, the electrode being an aluminum wire 1.58 mm and the arc being protected by an atmosphere of argon.
According to the embodiment shown, an electrode wire 2. drawn from a coil 8, supported by a console 9, advances under the action of two advancement cylinders 6¯ controlled by a motor 7, the cylinders d The advancement advances the electrode wire in a cable or tube 4 of fixed length, which joins the advancement mechanism to the welding head. A gas cylinder 14 supplies the inert gas to protect the arc and the gas line has a pressure reducing valve 15, a flow meter 16, a valve 17 controlled by a solenoid and a tube 13 leading from the valve. 17 and ending in tube 4.
The gas passes through the tube 4 between its wall and the electrode wire 2. which the advancing cylinders 6 advance in the tube /. ;; ..
A welding generator or other suitable source of welding current 19 is connected by a conductor 20 to the metal part to be welded 18 and the other pole of the generator is connected by a conductor 21 to a socket. current 10 disposed in the welding head 11 and making electrical contact with the end of the electrode wire 5 A line switch 47a is connected in series in the conductor 21 ..
The welding current source 19 is preferably a direct current welding generator having the usual falling voltage-current characteristic for the arc and the negative terminal of the generator is connected to the workpiece and its positive terminal. to the electrode wire, thus achieving the so-called reverse polarity assembly of the welding arc.
The connection of the welding current source with the electrode wire and with the workpiece, the advancement of the electrode wire and the arrival of the shielding gas are controlled in the machine shown in the drawing by several relay and switch contacts. The machine has a relay 30, the control coil of which is connected between the electrode and the part and therefore is directly sensitive to the voltage existing between these elements.
The relay 30 is therefore connected with the part 18 by a conductor 29 and to the electrode by means of the contacts of a switch 23a and of conductors 28, 25 and 22. The relay 30, being energized.
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tee, has the effect of closing the contacts 30a in a circuit formed by
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conductors .21- and 32. connected to a suitable power source, such as an ordinary source of 110-volt alternating current and the contacts 3b in series with the control coil of a relay 60. The motor 2 of a-. wire feed is connected in the circuit formed by the conductors 3: and, 2 and is connected in series with the contacts 30a of the relay z as well as with the ± .la contacts of a control relay 41 and the contacts 60a of the control relay 60.
The control coil of relay 41 is connected to an appropriate source of reduced voltage, such as the secondary winding.
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daire 2iL of a transformer 3, the primary winding 33 of which is connected between the supply conductors 31 and 32. The relay 43s is connected to this secondary winding II of the transformer via a conductor AO . contacts of a hand-operated switch 3j, a conductor 39 and conductors 3,7 and 4â The contacts of the hand-operated switch 38 are preferably mounted in the handle of the soldering gun ( fig. 2), these contacts constituting a thrust switch normally maintained in the open position except when pressure is exerted on it by hand so as to keep the contacts closed.
The control circuit of FIG. 1 also has a relay
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power 1., which is used to actuate contacts A7a of the welding circuit line switch. The control coil of the power relay 42 is connected between the supply conductors 3; and 22 and, consequently, the relay is energized as soon as the contacts ±: la close when the relay 41 controlled by the hand switch 38 operates. The control circuit also comprises a relay 23 which may be called a blocking relay connected to the conductor 25 by means of a circuit in parallel.
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comprising a resistor 26. and a capacitor 27. as well as to the part 18 via a conductor 29.
The relay 23 is thus sensitive to the voltage which exists between the electrode wire and the workpiece and is chosen so as to be effectively energized only when the voltage between the electrode wire and the workpiece is equal. or close to the open circuit voltage of the
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welding generator. The relay 23. controls the contacts 23a in series with the control coil of the relay 3j3. and contacts 23b in series with the control coil of relay 60. Relay 60 is a delay relay and is chosen so as to only actually energize when the voltage between the electrode wire and the workpiece becomes higher than normal welding voltage. It suffices that the delay in operation of the relay is sufficient to prevent it from functioning while the relay 23 closes when the trigger is pressed for the first time.
It is easy to see that in the machine connected and arranged in the way described above, when the operator grasps the handle
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z of the soldering head 11, the thrust switch 38 operates, its contacts close, thus passing the current through the control relay 41 whose ± .la contacts close in the supply circuit
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auxiliary represented by conductors 31: and 32.
The current thus passes through the control coil of the relay 47 which causes the closing of the line contacts 47a of the welding circuit, thereby applying the voltage of the welding current source between the electrode .2 and the metal part. 18 through the conductor 20, the contacts of the switch 47a and the conductor 21. At the same time, current flows through the control solenoid 50 of the valve 17 of the gas supply pipe, thereby passing the inert gas from the cylinder 14 into the tube 4 and into the welding head, from which it exits forming a protective gas jacket preventing air from reaching the region between the end of the electrode and the room,
as soon as these elements are brought into the immediate vicinity of one another. As soon as the welding voltage is applied between the welding electrode and the workpiece, all of the voltage from the welding source is available so as to energize the unlocking relay 23, whose contacts
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.6la and 23b open immediately thereby preventing current from flowing through relays 30 and 60, as long as open circuit conditions remain in the weld circuit. The operator then brings the gun closer
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until electrode .2 comes in contact with the workpiece, then pull it away to cause an arc to strike between the welding electrode .2. and the room.
When the electrode wire comes in contact with the workpiece, the blocking relay is short-circuited thereby allowing contact 23a to close and thereby switching control relay 30 between the electrode and the workpiece. the room. The contacts 23b also close.
As soon as the arc bursts, and the normal welding voltage exists between the electrode and the workpiece, the current flows through the control relay 30 and its contacts 30a close in the control circuit which includes the motor 2 of advancement of the electrode wire as well as the contacts 30b in series with the relay 60. The motor starts and continues to rotate at constant speed, so as to advance the electrode wire towards the arc.
This movement continues as long as normal welding voltage exists between the electrode and the workpiece. At the moment when the short circuit conditions are about to establish in the welding circuit, the current ceases to flow through the control relay 30 thus opening the circuit to the feed motor 1 and interrupting. the advancing movement of the electrode wire in the hand gun or welding head. The electrode begins to advance automatically as soon as the welding voltage increases and reaches a value greater than this value close to the short-circuit voltage.
When the voltage in the arc is greater than the normal welding voltage, the relay 60 is energized, the normally closed contacts 60a open, thus cutting the circuit of the feed motor 7, interrupting the advancement of the machine. wire, opening the contactor! il and ceasing the flow of current in the solenoid 50 of the valve 18 As can be seen in the drawing, the control relay 30 is preferably connected, so as to be sensitive directly to the state of tension existing in the arc.
This solution is preferable to that which would consist in simply connecting this control relay between the terminals of the welding current source because it avoids the consequences which would result from the strong voltage drop in the conductors connecting the power source. welding rant with the electrode wire and the workpiece.
It is easy to see that as long as the push switch 38 on the handle of the hand gun is kept closed, the solenoid valve, which controls the flow of inert gas, remains open, thus supplying the gas regularly. protection in the welding head, except during the short intervals, during which the current flows through relay 60.
When this manually operated switch is released, the contacts 38 open, the current stops passing through the control relay 41. so that the contacts ¯4¯ la 'open, stopping the passage of the current in the valve solenoid and in the power relay! Il, thus interrupting the flow of gas to the welding head and disconnecting.the welding current source by opening the line contacts!; the controlled by relay 47.
The power relay! and line contacts 47a can be removed if desired, and in this case current flows into blocking relay 23 as soon as the electrode and workpiece are connected to the welding current source by any other device. however, in most applications it is preferable to use the power relay 47 to control the line contacts 47a by having these contacts 47a connect the welding current source with the The electrode and the workpiece at the same time as the gas begins to flow into the welding head by the closing of the control switch 38, which thus serves on its own to control these two operations simultaneously.
If, due to the fact that the wire advancement mechanism accidentally stops functioning, or for any other reason, the arc becomes too long, the relay 60 is energized, its contacts 60a open, stopping the passage. of the current in the power relay 47 and by opening the circuit of the welding current generator and consequently causing the extinction of the arc.
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It should of course be understood that relay 23 is only sensitive to open circuit voltage @ at a neighboring voltage, while relay 60 operates at a voltage slightly higher than the normal voltage of
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the arc., The relay 60 cannot act which .-, - when the arc bursts and that, for some reason, this arc is too long. Under these conditions, the relay
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60 is energized, the contacts 60a open by stopping the flow of current in the power relay 47 and, consequently, by opening the line contact!: {La .. The contacts 60a when opening also make stop the past
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ge of current in the solenoid .2Q. thus closing the valve II and interrupting the flow of current to the wire feed motor 7.
With the trip switch 38 released at this time, all control devices return to their normal initial state described above. But if the trip switch is kept closed, the relay 60 drops: immediately, since the line switch 47a. when opening, prevents welding voltage from passing into the circuit. The current flows
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again in the relay 7 of the contactor, the valve â. gas z opens and normal starting conditions are restored. It should be noted that the wire feed movement cannot be interrupted without simultaneously opening the contactor /; la and extinguishing the arc.
It is also advantageous to have on the handle of the hand gun a start switch 43, connected in series with the bo-
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control box of a relay! .i2. and contacts 46a of an auxiliary circuit short-circuiting the contacts of switches lola, 60a and 30a. Consequently, when the start switch 3 is closed, the relay 46 is energized by the intermediary of the conductors, 45. kk and 6, causing the current to flow into the wire feed motor 7 through the wire feed motor 7. 'intermediate contacts 46a, whether or not the electrode wire and the workpiece are connected in a closed circuit with the welding current source.
This start switch therefore serves to advance the electrode wire through the welding head 11 when the welding circuit is open, this wire advancing movement serving to adjust the position of the wire tip. electrode before starting a welding operation.
Resistor 26 and capacitor 27 connected to the coil
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control of the blocking relay 2 ", ', cause this relay to operate rapidly, so as to drop it rapidly when the short-circuit is established by the contact of the electrode with the metal part before the arc springs out, which has the effect of causing the rapid re-closing
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of contacts 2a ,, a, which control the arrival of the current in the control relay 30.
As has already been said, a remarkable characteristic of the machine according to the invention consists in the regular and satisfactory transport of the metal, obtained by means of a high current density and a corresponding high speed of combustion, which causes depositing a smooth, non-porous weld bead satisfactorily penetrating the joint. The wire feed motor 2, which rotates the feed rollers 6 in contact with the electrode wire, is preferably an adjustable speed motor which operates at constant speed when this has been set to the value that we want.
The rate of adjustment of the advancement of the electrode wire depends on the size and composition of the electrode, but it can generally be said that the electrode wire advances at a speed of at least 2.54 m / min. The source of the welding current, such as the DC generator 19 shown, can also be adjusted so as to cause a welding current to flow into the electrode and the work of a sufficient intensity for the electrode to contact. consumes at the speed at which it advances towards the arc.
This condition implies for a forward speed of 2.54 m / min, and
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higher, a relatively high current density in the electrode wire and it has been found that it can advantageously reach a value 10 to 12 times greater than that of ordinary metal arc welding operations in a gas atmosphere protection. Preferably, the electrode wire approaches the workpiece at a constant speed in a manner completely independent of any instantaneous variations in temperature.
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the length of the arc. It has been found that by advancing the electrode wire towards the workpiece at high speed with a corresponding high current density, the arc length remains substantially constant and is somewhat quickly and automatically adjusted.
When the arc tends to become too long, the intensity of the welding current undergoes a corresponding automatic decrease due to the drooping shape of the voltage-current characteristic of the welding current source. In addition, it has been found that with the high current density adopted according to the invention, the burning rate of the electrode decreases as the arc length and voltage increase even though the power consumption is. stronger. For example, in the case of an aluminum electrode protected by an argon envelope (fig. 3), even if the intensity of the current remains constant when the length and the voltage of the arc increase, the speed combustion decreases.
The actions exerted by these combined factors, that is, the effect produced by the falling characteristic of voltage-current and the decrease of the combustion rate according to the increase of the voltage of the The arc is added thereby rapidly returning the electrode wire to its normal mean position with respect to the workpiece. Likewise, if the arc becomes too short, the current automatically increases due to the voltage-current falling characteristic of the welding current source, and the decrease in arc voltage that results from this variation contributes also to increase the rate of combustion (fig. 3) and these two factors combine, so as to rapidly increase the length of the arc, and make it take the desired average value.
The slight variations in the length of the arc, possibly due to the irregularity of the movement of the operator's hand or to any other cause, are thus automatically compensated for and it is considered that we thus obtain better results than with any other type of wire feed control mechanism which aims to vary the feed rate in accordance with variations in the length of the arc.
If we consider again fig. 3, it will be noted that the inclination of its curves is less in the vicinity of their lower part than of their upper part. In other words, a small change in the arc voltage causes a greater change in the burning rate in the region near the lower end of each curve than at a point higher on the curve. This characteristic is extremely advantageous, because when the short circuit is about to establish in the corresponding low voltage arc, the automatic correction takes place more quickly.
Consequently, although the invention can be applied to certain cases where the advancement speed of the wire is not constant, for example when any device is used to vary the advancement speed as a function of the variations in the feed rate. length of the arc, it is generally preferred to advance the electrode wire towards the arc at constant speed, adjusting the speed of the feed motor to the constant value which suits the best to the size and composition of the electrode wire. This constant forward movement makes it possible to obtain particularly satisfactory automatic adjustment of the length of the arc. The automatic adjustment which the invention allows to obtain is much higher than that which has hitherto been obtained with the usual low current density.
In metal arc welding operations in a shielding gas atmosphere, as currently performed in practice, the electrode wire advances at a speed substantially less than 2.54 m per minute and the density current in the electrode is much lower than in the operations according to the invention.
When the current density is low as under present conditions, the burn rate of the electrode is substantially proportional to the welding current and generally increases as a function of the. arc voltage for a current of given intensity. For example, with a 4.76 mm aluminum electrode, a welding current of 250 amps and an arc voltage of 29 volts, the burning rate is close to
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of 0.76 m per minute and if, under these conditions, the length of the arc increases so that its voltage is equal to 32 volts, the welding current becomes close to 238 amperes at the speed of combustion of the electrode is only 0.71 m per minute, while the wire advances at the speed of 0,
76 m / min. Under these conditions, the arc tends to shorten by 50 mm per minute.
When these operating conditions are met, it is observed that when the current density is high with a corresponding high speed of advance of the wire, greater than 2.54 m / min, the increase in the length of the arc s 'is accompanied by an increase in its voltage, but although the intensity of the welding current remains the same, the rate of combustion decreases, despite the greater amount of energy consumed in the arc.
It can therefore be seen that when the current density is high, the combustion speed for a current of given intensity does not increase as a function of the. arc voltage, as in the case where the current density is low during the welding operation. This unexpected result is extremely advantageous because it facilitates automatic adjustment of the arc length. The decrease in the rate of combustion has the effect of causing the arc length to decrease more rapidly, although the arc current remains the same, than when the length and voltage of the arc increase and exceed their limits. normal average values. The speed of correction or adjustment thus obtained with a high current density can reach 10 times the speed of variation of the length of the arc obtained in welding operations at the usual low current density.
When the current density is high, the inclination of the burning rate curve is much larger than with normal current densities and the variation of the burning rate increases because at high current densities. - it varies inversely with the arc voltage. The speed of advance of the wire of the electrode being constant and the current density 'being high, the adjustment of the length of the arc is very fast and automatic and does not involve any mechanical inertia or oscillations as in the case where the the progress is variable,.
According to the invention the metal is transported in the arc in a completely different manner from the globular dropwise transport which is obtained in welding operations at ordinary current densities in a protective gas atmosphere. The molten metal is thrown from the end of the wire and the current density can be high enough that the transported metal takes the form of a conical stream of fine droplets and practically a spray jet. The projection force is sufficient to overcome the action of gravity and therefore it is possible to weld from the bottom up, with the hand in a vertical position or down, obtaining such satisfactory results.
It has been found that the invention applies with advantage to the welding of the following metals or alloys:
I. Ferrous metals.
A. Ferritics.
1 Steels simply carbon.
2. Steel alloys.,
B. Austenitics.
1. 18% chrome and 8% nickel types.
II.Non-ferrous metals.
A. Aluminum and its alloys.
1. Pure commercial aluminum type 2s 2. Aluminum alloys type 3 S 3. Aluminum alloys type 4 # S
4, Aluminum alloys type 716
B. Copper.
1. Deoxidized copper
2. Copper alloys - Phosphor bronze
3. Copper alloys - Aluminum bronze
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vs. Magnesium.
1, Magnesium alloy - type Jl (6% aluminum, 1% zinc)
It is also considered that the invention can be applied to the welding of other metals and alloys, for example other ferrous metals, such as steels with a high manganese or nickel content, etc. and other non-ferrous metals.
For example, it has been found that with a 1.58 mm aluminum electrode wire and a protective atmosphere of argon, excellent results are obtained by advancing the electrode at a constant speed. te of 4.06 m / min with a welding current of between 130 and 180 amperes, depending on the length of the arc and the setting of the generator.
In general, it can be said that the most advantageous relation between the current density D and the advancement speed B of the electrode wire can be expressed by the following equation:
D x 1.55 = B x 0.025 / 3 + C in which C varies from -10 to +10, D represents the current density in amps per mm B the wire advancement speed in meters per minute B being at least equal to 2.54 m / min. When the electrical resistance of the electrodes is very low, like that of aluminum and copper electrodes, the resistance due to heating in the length of the electrode between the contact base and the arc is insignificant, and even when the resistance of the electrodes is higher, this heating due to the resistance can be negligible,
because in any case it is not necessary to heat them by resistance to make the arc spring or maintain it. According to the invention, the metal is transported from the electrode in the arc almost exclusively under the action of the intense heat given off in the arc itself.
It was found that with an aluminum electrode with a diameter of 1.58 mm, by advancing this electrode towards the arc at a speed of 3.68 m / min. with a welding current of 140 amperes and an arc voltage close to 20 volts, satisfactory welding is permanently obtained in an argon atmosphere. It can be seen from oscillograms that the metal globules are transported in the arc, the electrode being held in a horizontal position, and are projected from the end of the electrode onto the part at a rate of approximately 34 per second. A length of wire of 1.8 mm is therefore consumed for each globule thus transported.
It has been noticed that these globules are large enough to short-circuit the arc for a moment as each globule deforms and is about to leave the electrode. This mode of transport results in a crackling arc and although the metal can be deposited in a vertical position or from the bottom up, it is not the most advantageous mode of transport for obtaining the best looking weld beads and the healthiest.
By further increasing the intensity of the current to 160 amperes and the voltage to 23 volts, and by keeping the wire feed speed at 3.68 m / min., The arc has a length of approx. 6.34 mm and one obtains a transport in the form of true projection or rain which involves the formation of droplets of molten metal smaller, passing from the electrode on the part at the rate of 49 droplets. per second thus corresponding to a combustion speed of 12.4 mm of wire per droplet. These separate droplets are projected from the electrode wire onto the workpiece without causing any shorting of the arc.
It is therefore observed in this case that the molten metal is projected along the axis from the end of the electrode, instead of simply following an arc following the shortest path between the electrode and the part, the fi - separate droplets forming a clearly defined core of moving metal. In general, it can be said that the current density must be sufficient to project the metal horizontally in an arc, that is to say between an electrode kept in a horizontal position and a part in a vertical position.
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If the current intensity or density is insufficient to project the molten metal along 1 - ', axis between the electrode wire and the part in the form of visible rain of fine droplets separated inside the envelope shielding gas (or in the case of aluminum electrodes 1.58 mm in diameter, in the form of transport of = globules at a rate of about 34 per second) a satisfactory result is not obtained.
For example, if with an aluminum electrode of 1.58 mm, advancing at a speed of 3.68 m / min, in an argon atmosphere, the intensity of the current is reduced to 120 amperes with a voltage of the arc of 18 volts, it is found that the electrode being kept in a horizontal position, an arc of approximately 6.34 mm is maintained, but no transport of metal from the horizontal electrode to the vertical plate occurs. On the contrary, large globules form at the end of the electrode and fall by their own weight. Each time one of these globules leaves the end of the electrode, a temporary increase in the voltage of the arc is observed and it is observed from the oscillogram that these large globules are detached. at a rate of only 3.6 globules per second under these special soldering conditions.
According to the invention, the intensity of the welding current is sufficient so that, when the electrode approaches the workpiece at a speed of at least 2.54 m / min., The metal of the weld is projected along the line. axis from the end of the electrode as a sharply defined core consisting of separate particles. This characteristic form of metal transport peculiar to the invention appears suddenly when the welding current reaches the appropriate value. This clearly defined core is formed by the current of fine droplets and is extremely stable, since it has no tendency to travel or deviate from the direction of the wire at the tip of the electrode.
This excellent result is obtained without spattering, although according to the results obtained in ordinary welding operations, spattering is a difficult problem to solve as the amperage increases.
This unexpected result is only obtained when the speed of advance of the wire exceeds 2.54 m / min, and the intensity of the current is sufficient to project the metal of the weld along the axis from the extremity. - moth of the electrode.
As has already been said, the negative terminal of the DC welding generator is connected to the workpiece, thus reversing the polarity, the workpiece constituting the cathode and the electrode the anode. polarity is particularly advantageous when the arc is protected by an inert gas. It has been observed that under these conditions, a cleaning effect is produced by which the oxide layer is removed by spitting from the cathode (bombardment by the positive ions), thus ensuring satisfactory melting of the deposit. on the base metal. The reverse polarity according to the invention does not cause any detrimental overheating of the positive electrode, since it approaches the arc so rapidly that this overheating does not occur.
In addition, the reverse polarity serves to concentrate heat in the parent metal thus ensuring proper penetration. However, it has been found that when the electrode is made of brass, the direct polarity should be adopted instead of the reverse polarity.
The gas supplied by the cylinder 14 is preferably a mono-atomic inert gas, such as helium or argon. However, it should be understood that in some applications it may be preferable to employ a reducing gas instead of an inert gaseous medium. For example, satisfactory results have been obtained with a steel wire electrode with a diameter of 1.58 mm with a welding current of 260 amps, advancing the wire towards the arc at a speed of about 4.19 m / min, in a reducing atmosphere of carbon monoxide and carbon dioxide.
It has been found that the power can be between very wide limits in order to carry out successfully welding operations according to the invention, in particular when the electrode is made of stainless steel.
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dable. For example, it has been found that with an electrode made of stainless steel wire the welding power can be varied within a range of about 5000 watts, while in the case of welding operations ordinary with a wire of the same size constituting a normal coated electrode, the power can only be in the range of about 500 watts!
It has been found that in order to achieve the best effect of protecting the arc by the gas,
the latter must exit through its orifice so as to form a substantially non-turbulent envelope of gas in the welding zone.
If the gas exits around the arc at a speed sufficient for the gas stream to include a peripheral or swirling speed component, the shielding gas entrains a sufficient quantity of air so that the protection is no longer assured. On the other hand, if it happens so that its current follows the general direction of the electrode, without appreciable peripheral or swirling circulation around the electrode, the envelope of gas around the arc is not not significantly turbulent and can remove up to 99% of the air from the welding area.
The gas supply device shown schematically in the drawing comprises. a pipe 12. starting from the gas cylinder and ending in the tube ¯4 which surrounds the electrode wire 5 The gas circulates in this tube until it arrives in a gas chamber located in the head of the welding and continues its path towards the tip of the electrode in the general direction of the axis of this electrode.-If desired, we can have baffles or a sieve, fig. 1, in the pipe or gas chamber of the welding head in order to oppose any possible peripheral movement of the gas stream and to be sure that this movement of the shielding gas is directed along the axis and passes through the 'orifice near the tip of the electrode.
It should be understood that the invention should not be considered as limited to the embodiment shown and described above by way of example, but may include various variants. For example, although the welding machine shown and described has a hand gun, this machine may have other types of welding heads, and it can be said, in general, that the means by which the welding head welding can be held in the correct position relative to the workpiece, can be changed according to the conditions to be fulfilled in the welding operation.
In addition, as has been said previously, although a thread advancement motor operating at; constant speed, it is appropriate in some cases to use a motor or a wire feed mechanism operating at variable speed, the average feed speed of the electrode wire being at least 2.54 m / min . Likewise satisfactory results are obtained with the generator or other source of welding current, provided that the source of current is such as to deliver a welding current intense enough to consume the electrode at high speed. at which it advances towards the workpiece and project the weld metal along the axis from the end of the electrode.
The welding operation can be considered to be an ordinary weld or a surface operation.
The term "electrode consumed in bare wire" should be taken to mean ordinary bare wires of filler metal as well as wires of filler metal coated with a thin or wash film against the coated electrodes. a thick layer of flux. Likewise, the expression the aluminum electrode "should be considered as designating aluminum as well as its alloys.