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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.