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BREVET D'INVENTION "PROCEDE ET APPAREIL DE SOUDAGE A L'ARC ELECTRIQUE."
La présente invention concerne les procédés et appareils de soudage à l'arc électrique avec gaz protecteur, et plus particulièrement les procédés et appareils de souda- ge à l'arc en courant alternatif et sous la protection d'un gaz inerte, avec une électrode consommable ou de dépôt.
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La présente invention peut, tout au moins sous certains de ses aspects, être considérée comme un perfection nement aux procédés et appareils de soudage à l'arc sous la protection d'un gaz inerte et avec une électrode consomma- ble ou de dépôt, décrits dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 2.504.868 délivré le 18 Avril 1950, 2.544.711 délivré le 13 Mars 1951 et 2.544.801 délivré le 13 Mars 1951
De'*façon généralece nouveau procédé comporte l'addition'à l'arc de soudage d'une ou plusieurs substances qui agissent pour améliorer les caractéristiques de trans- fert du métal de l'électrode consommable à l'ouvrage, pour améliorer la stabilité de l'arc, et pour régler ou modifier à volonté les facteurs de l'arc de soudage qui déterminent la vitesse,
l'efficacité et la facilité de l'opération de soudage et les caractéristiques de la soudure obtenue.
Le nouvel appareil selon la présente invention comporte, de façon générale, de nouveaux éléments et des combinaisons nouvelles de ces éléments conçus spécialement pour la mise en oeuvre des nouveaux procédés ci-dessus men- tionnés.
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique ci-dessus mentionnés décrivent une opération de soudage du type dans lequel une électrode en un fil métallique consommable est avancée de façon continue vers un arc de soudage en gaz protecteur, maintenu entre l'électrode et un ouvrage (plaque' le courant de soudage fourni à l'arc étant au moins suffi- sant pour consommer l'électrode au fur et à mesure de son avance vers l'arc et pour transférer le métal de soudure de l'électrode à un dépôt de soudure sur l'ouvrage, afin
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de réaliser une soudure pratîquemei2satisfaîsante, le coura1'lt
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étant de préférence fourni sous une densité suffisamment élevée pour produire un dépôt lisse,
résistant et uniforme
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+ ou un transfert du type "à pulvérisation" (voir brevet des précité Etats-Unis d'Amérique N 2.504.868) de ladite électrode b métallique sur le dép8t"de soudure. Le gaz protecteur con- aiste en principe en un gaz inerte. Le gaz inerte utilisé ici comprend les gaz monoatomiques ou leurs mélanges,, tels que l'halium et (pu) l'argon et peut comporter de faibles proportions d'autres gaz qui ne modifient pas sensiblement les caractéristiques de protection du ou desdits gaz inertes mono-atomiques,
ce gaz étant de préférence fourni selon un courant sensiblement laminaire ou non turbulent dont le jet est suffisamment "rigide" pour empêcher sensiblement l' air environnant d' atteindre l'arc. Un tel arc comporte une décharge électrique à travers une atmosphère gazeuse contrôlée. Le gaz qui se trouve dans l'intervalle de jail- lissement de l'arc est ionisé et les ions gazeux positifs sont dirigés par la différence de potentiel vers la cathode à laquelle ils cèdent leur énergie, ou bien ils sont neu- tralisés par les électrons émis par la cathode.
La vapeur métallique formée dans la région de l'arc par la vaporisa- tion de l'électrode, de la plaque (ouvrage) ou de toute autre source telle qu'un fil métallique distinct d'apport, s'intègre au gaz présent dans l'intervalle de jaillissement de l'arc, de sorte que l'atmosphère de l'arc à travers la- quelle a lieu la décharge électrique et à travers laquelle le métal de soudure est transféré de l'électrode en fil métallique à la plaque, consiste en gaz inerte de protec- tion et en vapeur métallique, tandis qu'à peu près la tota- lité de l'air,de la vapeur d'eau et des autres const:L- tuants de l'air environnant sont exclus par l'écran protec-
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teur constitué par le gaz inerte.
Etant donné qu'il n'y a pas de flux, il ne peut y avoir d'air atmosphérique ou d'impuretés analogues sous une couche de flux, comme ce aerait le cas du soudage à l'air ou avec des électrodes enrobées, de sorte que les caractéristiques de l'arc, à pression constante, ne dépendent que de celles de la plaque et des métaux de l'électrode, ainsi que du gaz inerte pro- tecteur.
Dans une telle atmosphère "stérile ", on a éprouvé de grandes difficultés pour le soudage à l'arc électrique en courant alternatif des matières 1. "cathode froide". Les principales causes en sont l'instabilité de l'arc et le transfert médiocre de l'électrode métallique à l'ouvrage.
Dans certaines conditions, on a pu stabiliser les arcs en courant alternatif, en utilisant des tensions élevées en circuit ouvert, de 150 volts environ, ou en superposant un cycle de tension à haute fréquence à la tension de l'arc, ou en ayant recours simultanément à ces deux solutions.
Celles-ci ne donnent pas toutefois entière satisfaction.
L'utilisation de tensions élevées en circuit ouvert est hasardeuse et on l'évite de préférence dans les équipements ordinaires de soudage industriel, et l'équipement auxiliai- re nécessité pour la stabilisation de l'arc en haute fré- quence est beaucoup plus coûteux que les transformateurs utilisés habituellement pour les opérations de soudage en courant alternatif. En outre, ces solutions n'ont pas amé- lioré suffisamment les caractéristiques de transfert du métal dans l'arc.
On a découvert, selon la présente invention, qu'en ayant recours à certaines substances d'addition dans l'arc (en plus du métal qui doit être fondu pour former le cordon
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de soudure et de ses vapeurs métalliques, et en plus du gaz inerte de protection), on pouvait régler et modifier avantageusement les caractéristiques de l'arc de soudage.
On choisit et on ajoute ces substances à l'arc de façon à abaisser le taux de travail de la cathode, améliorer la stabilité de l'arc, permettre d'entretenir un arc à courant alternatif sous une tension normalement faible en circuit ouvert, et à obtenir un foyer cathodique concentré et stable= On pense que, pendant la moitié du cycle de polarité direc- te, tandis que l'électrode constitue la cathode, la stabi- lité est améliorée au moins en;partie par la concentration du foyer cathodique de cette manière, aussi longtemps que les gouttes ou la pulvérisation du métal fondu en provenance du fil, sont complètement immergées dans le plasma. Les ma- tières d'addition peuvent aussi modifier les facteurs tels que la vitesse de consommation du fil, la pénétration et la dimension et le profil du cordon de soudure.
L'arc en courant alternatif s'éteint et la polarité des électrodes s'inverse à chaque demi-période lorsque le courant et la tension de l'arc sont inversés.
Dans un soudage de ce type, le problème princpal est posé par la nécessité de réallumer l'arc à chaque demi-période.
Chaque fois que l'arc s'éteint, il doit pouvoir être facile- ment réallumé de façon à réaliser un arc régulier si l'on veut obtenir un procédé de soudage utilisable. Le réallumage de l'arc dépend de l'émission cathodique et de l'ionisation de la colonne de l'arc de façon à conduire le courant, les- quelles sont obtenues en appliquant une tension suffisante de réallumage entre l'électrode et l'ouvrage.
On a constaté que, lorsqu'une matière constituant un bon émetteur thermionique : d'électrons à sa température
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de soudure (c'est-à-dire une matière thermionique) fonction- ne comme cathode pour l'arc de soudage, elle constitue une cathode très efficace avec une chute de tension cathodique faible, Avec une chute de tension cathodique faible, ces matières émettent, à leur température de soudure, tous les électrons dont l'arc a besoin.
Ceci n'a pas lieu dans le cas des émetteurs thermioniques relativement médiocres ou des matières à "cathode froide", qui constituent la presque totalité des métaux courants, tels que l'aluminium, le cuivre, le nickel, le fer, le manganèse, le titane, etc. et leurs alliages, qu'on soude normalement en grandes quantit és dans l'industrie.D'un point de vue simplifié, l'é- mission des matières à "cathode froide" peut être considérée comme dépendant principalement de "l'émission du champ".
Cette émission cesse brusquement chaque fois que l'arc s'é- teint ou est interrompu* et nécessite une tension très éle- vée en circuit ouvert pour établir)une décharge à incandes- cence avant que l'arc puisse être réallumé. La tension de réallumage comprend celle qui est nécessaire pour produire une telle décharge à incandessence et pour ioniser l'inter- valle de faiblssement de l'arc, Les tensions alternatives normales, de 75 volts environ en circuit ouvert, ne sont pas suffisantes pour fournir la tension de réallumage né- cessaire et elles ne peuvent par conséquent pas entretenir un arc de soudage en gaz inerte avec ces matières à cathode froide. Par contre, une matière thermionique continue à émettre abondamment des électrons du fait de sa température.
Par suite, avec une/source de courant alternatif, elle continue à émettre des électrons même après que le courant fourni à l'arc est interrompu du fait de l'inertie thermique
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de l'électrode. Dans ce cas, il est possible d'obtenir un réallumage facile de l'ars pour des tensions normales faibles en circuit ouvert. Bien qu'on ait trouvé que les caracté- ristiques d'émission thermionique de l'électrode et de l'ou- vrage aient un effet déterminant sur la stabilité de l'arc, il est également essentiel que l'atmosphère de l'arc puisse s'ioniser facilement en vue d'assurer un arc de soudage en courant alternatif, convenablement stablisé.
La présente invention permet de modifier les ma- tières constituant les électrodes de soudage à cathode froi- de, dans un procédé de soudage en atmosphère gazeuse inerte, de façon à obtenir des caractéristiques électriques et ther- mique: de l'are qui sont analogues à celles des matières constituant les électrodes de soudure thermioniques ou qui s'en approchent d'un degré prédéterminé, pour les tempéra- tures régnant dans un arc de soudure à électrode consomma- ble et protégé par un gaz inerte.
On peut ainsi régler les caractéristiques électriques et thermiques de l'arc entre des électrodes formées de matières à cathode froide, de pré- férence en introduisant dans l'arc une matière qui agit sur la cathode aux températures de soudage pour améliorer les caractéristiques d'émission thermionique de cette ca- thode et favoriser l'ionisation de l'atmosphère de l'arc quand il en est besoin. On a trouvé qu'on pouvait procéder à ces introductions en petites quantités par rapport à la quantité du métal de soudure déposé, ou à celle de l'élec- trode en fil métallique consommée. La quantité de matière introduite peut être suffisamment faible pour n'affecter seulement que les caractéristiques électriques et thermiques de l'arc.
Elle peut être choisie et utilisée dans des
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proportions suffisamment faibles pour n'avoir pas d'effet sensible ou appréciable sur la composition chimique du métal de soudure, ou de réaction appréciable avec le métal à souder.
Les arcs de soudage auxquels on fait les additions selon l'invention sont de préférence ceux qui ont une atmosphère sensiblement "stérile" ou dont l'ambiance consiste}essentiellement en un gaz inerte de protection et en des vapeurs métalliques telles que celles qui sont déga- gées par l'électrode ou l'ouvrage. Le courant de gaz inerte dépourvu de turbulence, exclut sensiblement l'atmosphère ambiante de l'arc de soudage et, du fait que l'opération de soudage a lieu sans flux, les caractéristiques électriques et thermiques de ces arcs neépendent que du gaz de protec- tion et du métal des électrodes.
Les arcs sans flux, stéri- les, à électrode nue consommable dé cette nature, ont des propriétés électriques et thermiques différentes de celles des arcs de soudage dans l'air, de celles des arcs qui sont formés et submergés sous une couche de flux$ ou des arcs formés au moyen des électrodes ordinaires enrobées d'un flux. On a trouvé, selon l'invention, qu'on peut à volonté faire varier et régler les caractéristiques élec.- triques et thermiques des arcs de soudage à électrode consommable et protection par un gaz inerte, de façon à réaliser des soudures nouvelles et améliorées.
L'atmosphère de gaz inerte relativement pur et stérile agit sur ou avec les surfaces des électrodes et (ou) l'atmosphère de l'arc, ou les modifie, dans la mesure et de la façon désirées, sans que ce soit au détriment de l'effet avantageux procuré par le gaz de protection et sans qu'il y ait une perturba- tion du réglage ou bien une modification non désirée des
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propriétés électriques et thermiques, susceptibles de résul- ter de la présence d'impuretés telles que l'air ou des flux ou enrobages qui accompagnent le soudage classique dans l'air, ou sous une couche de flux, submergeant, ou avec des électrodes enrobées.
L'invention se propose donc notamment de réaliser un procédé industriel pratique de soudage à l'arc électrique en courant alternatif et avec protection par un gaz inerte, susceptible d'être conduit sous des tensions de soudure normalement faibles en circuit ouvert, sans stabilisation électrique.
Elle se propose également de fournir des moyens permettant d'améliorer les caractéristiques de transfert du métal et de stabilité dudit arc, en particulier dans le cas où l'on a recours à des gaz de protection possédant des propriétés d'ionisation relativement médiocres, tels que l'hélium.
D'autres buts et avantages de l'invention résulte- ront de la'description qui va suivre de ses modes préférés de mise en oeuvre, faite en se référant aux dessins annexés, dans lesquels : la fig. 1 représente schématiquement un appareil pour la mise en oeuvre de l'invention ; la fig, 2 est une coupe verticale longitudinale, représentant en détail le mode de construction du pistolet pour soudage manuel à l'arc en gaz inerte, faisant partie de l'appareil de la fig. 1; la fig. 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la tige 2 ; la fige 4 illustre schématiquement un procédé et un appareil servant à faire des additions à un fil métallique
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de soudure pour les besoins de la présente invention ;
la fig. 5 représente, à une échelle quelque peu agrandie, le fil dé soudure tel qu'il apparait au cours des diverses opérations illustrées sur la fige 4 ; la fige 6 représente une variante de l'appareil selon l'invention; la fige 7 est une vue à plus grande échelle, en partie en coupe et'partiellement arrachée, du pistolet de soudage Rasant partie de l'appareil de la fige 6 ; la fig. 8 représente une autre variante de lappa- reil selon l' inventi on ;
la fige 9 est un graphique faisant apparaître le taux d'émission thermionique de la cathode, porté en ordon- nées logarithmiques sur une période de huit , en fonction de la température de la cathode, portée en abcisses en degrés Kelvin pour certaines matières cathodique et pour des surfaces cathodiques complexes. la fige 10 est la reproduction de la trace à l'oscilloscope de la tension de l'arc de soudage en courant alternatif et protégé par un gaz inerte, utilisant une ten- sion élevée en circuit ouvert , et fait apparaître la très forte tension de réallumage nécessaire lorsqu'on a pas recours à l'invention ;
la fige 11 est la reproduction de la trace à l'os- cilloscope de la tension de l'arc de soudage en courant al- ternatif et protégé par un gaz inerte, et fait apparaître la suppression de la très forte tension de réallumage obte- nue selon l'invention.
L'ouvrage ou plaque à souder est représenté en 21 sur la fig.l. L'électrode de soudage 22 est fournie de pré- férence sous-la forme d'une grande longueur de fil métalli-
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que débité à partir d'une bobine 23 montée dans un bâti 24.
Le mécanisme 25 d'avance, à commande par moteur, tire le'fil de la bobine et le pousse continuellement, à une vitesse choisie d'avancement, égale à celle de la consommation de l'électrode, dans une gaine flexible 26 pour l'amener à un pistolet de soudage il. Ce pistolet et la gaine sont repré- sentés plus en détail sur les figs. 2 et 3. En bref, le pistolet comprend un cylindre intérieur 30, dans lequel le fil-électrode 22 avance lorsqu'il quitte"la gaine 26 et il est amené au tube de contact 31 auquel est appliqué le cour- ant de soudage. En sortant du tube 31, le fil passe directe- ment dans l'arc où il se fond ou se"consomme et il est franc féré et déposé dans le bain de soudure ou le cratère sur la plaque.
Un cylindre extérieur 32, se terminant par une buse 33, entoure le cylindre intérieur et le tube de contact.
L'espace annulaire délimité entre les deux cylindres et en- tre le tube de contact et la base constitue un canal 34 d'é- coulement du gaz inerte de protection vers la zone de l'arc.
On décrira par la suite en détail le dispositif d'alimenta- tion en gaz inerte, lequel est fourni par la gaine 26 au canal . Le gaz sort de la buse selon un courant sensible- ment dépourvu de turbulence de façon à protéger l'extrémité de l'électrode, l'arc et le bain de soudure. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 2.544.711 et 2.544.801 ci- dessus mentionnés, décrivent en détail les moyéns préférés de formation d'un écran gazeux protecteur sensiblement dépourvu de turbulence. Le pistolet de la fige 2 comprend par ailleurs une poignée-.22 ayant la forme d'une crosse de pistolet, et contenant'un interrupteur de commande 6 actionné par une détente 37.
Cet interrupteur est de pré- férence connecté de manière à permettre à l'opérateur de commander le passage du courant de soudage, l'écoulement
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du gaz de protection et le mécanisme d'avance du fil mé- tallique. Les conducteurs électriques qui aboutissent à l'interrupteur 35 et à un interrupteur de commande de l'avance d'un fil métallique auxiliaire, sont réunis dans un câble 39 de commande. Le courant de soudage est amené au pistolet par le câble de soudage 40. Le courant de soudage peut être fourni par un transformateur classique de soudage 45 à courant alternatif dont une borne est connectée à l'ouvrage par un conducteur 47 et l'autre est connectée, par le conducteur contenu dans le câble 40. au pistolet de sou dage et au tube de contact 31 par lequel le courant est fourni au fil-électrode.
Un contacteur 46est de préférence prévu pour couper et fermer le circuit de soudage.
Le gaz inerte de protection est fourni par une bouteille 49 haute pression pourvue d'un robinet 50, d'un détendeur 51 et d'un débit-mètre 52. Le gaz est amené par le tuyau 53 à l'extrémité arrière de la gaine 26.
Lorsqu'on utilise l'appareil, le gaz'de protection est admis avant de faire jaillir l'arc. Le transformateur de soudure peut être mis en action avant ou après que l'é- coulement du gaz a commencé. On touche alors l'ouvrage avec l'électrode et on la retire pour faire jaillir l'arc.
On commence à faire avancer le fil en même temps que jaillit l'arc, ou immédiatement avant, et on le fait avancer con-
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tinuellement vers l'ouvrage à vitesse propre à maintenir précité l'arc. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 2.504,868 + décrit en détail un mode opératoire commode de l'appareil des figs. 1, 2 et 3.
Les exemples ci-après montrent comment l'invention peut être mise en oeuvre.
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Exemple I.
On a fait des essais avec une plaque d'acier doux de 9,5 mm d'épaisseur et avec un fil-électrode de 1,6 mm de diamètre, enacier doux, revêtu extérieurement de carbonate de rubidium. L'appareil utilisé est celui du type décrit ci-dessus et représenté sur les figs. 1, 2 et 3. On utilise comme gaz de protection de l'argon de pureté indus- trielle, fourni sous un débit de 2,12 m3 par heure à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre.
On applique sur le fil le carbonate de rubidium comme suit-(voir figs. 4 et 5). On prépare d'abord le fil en le faisant passer entre deux galets, dont l'un est mole- té de façon à produire des empreintes transversales (d'en- viron 0,13 mm de profondeur et espacées de 0,8 mm. environ) sur sa surface (fig. 5). On fait une bouillie ou pâte de carbonate de rubidium. qui se présente sous la forme d'une poudre sèche, en mélangeant cette poudre intimement avec de l'alcool dénaturé. On appli que ensuite cette pâte à la brosse sur la surface du fil (fig,4) et dans les empreintes transversales de cette surface. On fait ensuite passer le fil à travers un tampon annulaire en caoutchouc qui l'entoure étroitement, afin d'enlever l'excès de bouillie.
Le fil passe ensuite entre deux galets à surface isse présentant une gorge semi-circulaire de façon à éliminer les rugosités dues au galet moleté et à occlure dans les empreintes une certaine quantité de la matière d'addition. On essuie ensui- te la surface du fil au moyen d'un chiffon propre et sec en vue d'éliminer sensiblement la t otalité du carbonate de rubidium, à l'exception de celui qui est inclus dans la surface de l'électrode par le traitement ci-dessus. L'alool
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s'évapore, en laissant le fil sec, Lorsqu'il est préparé de cette manière, le fil présente une surface sensiblement nue, conductrice de l'électricité et on peut le faire avancer facilement dans l'appareil de soudage ; capacité d'absorber le courant de soudage à partir du tube de contact n'est pas amoindrie.
Etant donné que le carbonate de rubidium est une matière déliquescente, elle peut absorber une quantité consi- dérable d'humidité lorsqu'elle est exposée à une atmosphère humide. Il peut en résulter une corrosion indésirable du fil-électrode, susceptible de gêner le transfert du courant de soudage au fil et d'occasionner un coincement mécanique dans le tube de contact, par suite de la formation dans ce dernier de produits de la corrosion. De même, l'eau (hydro- gène) présente, affecte défavorablement la qualité du dépôt de soudure. Toutefois, on peut remédier facilement à ces incQnvénients en maintenant dans une atmosphère sèche le fil préparé et séché. L'oxyde de rubidium constitue un composé qui a sensiblement le même effet sur l'équilibre thermique de l'arc que le carbonate, mais qui n'est pas aussi déliques- cent.
On effectue une soudure au moyen d'une électrode préparée dé la façon ci-dessus, en utilisant une tension de 75 volts en circuit ouvert et une tension à l'arc de 23 volts et une intensité à l'arc de 320 ampères qu'on lit sur les compteurs ordinaires. Le fil se consomme à une vitesse de 4,52 mètres par minute.-On maintient des condi- tions identiques au cours de plusieurs essais en montant le pistolet de soudage dans une console fixe et en déplaçant mécaniquement l'ouvrage sous le pistolet à la vitesse rela- tive de soudage désirée, soit de 25 cm. par minute dans ces essais.
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En conduisant l'opération comme on vient de le décrire, on obtient un arc de soudage stabilisé en courant alternatif, pouvant fonctionner sous une faible tension en circuit ouvert de 75 volts. On observe un bon transfert par pulvérisation du métal en-courant alternatif, en même temps qu'un fonctionnement satisfaisant et une action modé- rée de nettoyage, et un cordon de soudure bien arrondi.
Pour démontrer l'efficacité de petites quantités du carbonate de rubidium sur la stabilisation de l'arc en courant alternatif, on effectue un essai en vue de souder avec un fil nu propre, de même diamètre, en un courant en circuit ouvert de 75 volts, et sans stabilisation électrique auxiliaire. Il n'est pas possible dans des conditions d'a- morcer ou d'éntretenir l'arc.
Exemple II.
On procède à des essais analogues, avec le même appareil, en utilisant de l' oxyde de baryum qu'on applique sur un fil en acier doux de 1,6 mm de diamètre, comme ci- dessus. On effectue les essais sur une plaque en acier doux de 9,5 mm d'épaisseur et on assure un écran gazeux protec- teur en fournissant de l'argon sous un débit de 1,41 m3 par heure, à travers une buse de 1,9 cm. de diamètre. On effectue une soudure en utilisant une tension de 75 volts en circuit ouvert, une tension d'arc de 20 volts èt un cou- @ rant d'une intensité de 325 ampère . Le fil se consomme à me vitesse de 4,16 mètres par minute, pour une vitesse rela- tive de déplacement de la soudure de 25 cm. par minute.
En conduisant ainsi l'opération, on a un arc sta- bilisé en-courant alternatif,pouvant fonctionner sous une faible tension de 75 volts en circuit ouvert. On observe un bon transfert par pulvérisation, avec de légères écla-
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boussures au voisinage du cordon de soudure. Ce dernier est arrondi et présente une bonne pénétration et pas de porosité.
Au lieu de préparer le fil comme décrit à propos de la fig, 4, dans laquelle on applique la matière à la sur- face du fil ou dans les empreintes qu'on y a formées en surface, on peut ajouter cette matière à la masse fondue à partir de laquelle on forme le fil, de façon à former avec elle un alliage ou mélange. On obtient ainsi une répartition homogène de la matière d'addition dans le fil et on supprime la nécessité de faire subir à ce dernier un traitement ulté- rieur à sa fabrication sous forme de fil.
EXEMple III.
On ajoute par exemple du "mischmetal" à une poche de fusion de 43 Kgs d'acier doux, à raison de 1,816 Kgs de mischmetal pour 1.000 kg d'acier fondu. Le mischmétal consiste en 52% de cérium, 33 % de lanthane, 1,5 % de fer , le reste étant des terres rares. L'alliage résultant (une certaine partie du misschmétal est perdue par vaporisation) est étiré sous la forme d'un fil de 1,6 mm. de diamètre qu'on utilise comme électrode consommable dans une opération de soudage à l'arc en atmosphère protectrice inerte, du type ci-dessus décrit, en courant alternatif.
Pour un débit de 2,12 m3 d'argon par heure à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre, on effectue le soudage d'une plaque de 9,5 mm d'épaisseur, à une vitesse d'avance de la soudure de 25 cm. par minute. Pour un courant à l'arc de 320 ampères, une tension d'arc de 24 volts et une tension de 75 volts en cir- cuit ouvert, le fil se consomme à une vitesse de 3,55 mètres par minute.
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En conduisant ainsi l'opération, on a un arc stabilisé en courant alternatif, pouvant fonctionner sous une faible tension alternative de 75 volts en circuit ouvert On observe un bon transfert par pulvérisation avec un régla- ge satisfaisant. Il n'y a pas d'éclaboussure apparente.
Exemple IV.
On a constaté qu'on peut obtenir des résultats analogues en faisant des additions selon l'invention à une électrode constituée par un fil métallique, non ferreux.
Par exemple, on peut souder l'aluminium en courant alterna- tif en ajoutant du carbonate de rubidium à un fil-électrode d'aluminium, ainsi que le montre ce qui suit. On effectue une soudure sur une plaque en alliage d'aluminium, au moyen d'une électrode en alliage d'aluminium, en utilisant comme gaz protecteur de l'argon de pureté industrielle, fourni sous la forme d'un courant non turbulent sous un dé- bit de 50 m3 par heure, à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre. L'appareil est sensiblement le même que celui mon- tré par les figures 1, 2 et 3 et décrit ci-dessus. Le fil- électrode a un diamètre de 1,6 mm. de diamètre et consiste en fil d'aluminium 435, sur lequel on a appliqué, comme décrit à propos de la fig. 4, une petite quantité de car- bonate de rubidium.
La plaqùe à souder consiste en une plaque en aluminium 61.ST, de 9,5 mm d' épaisseur. La vitesse d'avance de la soudure est de 25 cm. par minute. Dans ces conditions, et pour une tension de 75 volts en Circuit ouvert, une tension d'arc de 17 volts et une intensité du courant de l'arc de 300 ampères, le fil se consomme à une vitesse de 7,87 mètres par minute.
En conduisant ainsi l'opération, on a un arc stabilisé en courant alternatif, pouvant fonctionner sous
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une faible tension alternative de 75 volts en circuit ouvert On observe un bon transfert de métal,par pulvérisation avec un réglage satisfaisant. On forme un cordon de soudure à profil ovale.
On constate qu'il suffit de très petites quantités des matières d'addition pour obtenir les résultats désirés.
Il résulte de la description qui précède de deux modes sa- tisfaisants d'application de la matière sur le fil qu'il ne reste que très peu de cette matière d'addition sur ou dans le fil à l'état final de traitement, En fait, lorsqu'on applique cette matière sur la surface du fil, on peut éprou ver des difficultés à faire avancer le fil dans le tube de contact et à lui transférer le courant lorsque la quantité de matière d'addition déposée est suffisante pour être exposée à se détacher en partie de sa surface.
Une analyse chimique approchée d'un échantillon de fil d'acier traité par de l'oxyde de baryum et utilisé de façon satis- faisante dans l'exemple mentionné ci-dessus, a révélé que la quantité de cet oxyde contenue dans le fil était de 25 g. environ par tonne d'acier, c'est-à-dire d'environ 0,003% en poids du métal de soudure déposé, ce qui démontre qu'il suffit d'utiliser de très petites quantités des ma- tières d'addition. Le fil traité peut encore être considéré comme "nu" et sa surface est c onductrice du courant de soudage qu'elle peut recueillir à partir du tube de contact.
Bien qu'on ait mentionné dans les exemples précé- dents certaines matières particulières d'addition,à titre illustratif du fonctionnement et des résultats obtenus conformément à l'invention, il est évident que cette dernier n'est pas limitée à ces matières particulières.
Elle englobe d'autres matières d'addition consistant en un ou plusieurs agents d'émission, ou en contenant, les dits agents coopé-
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rant avec le fil-électrode et le métal de base de l'ouvrage qui fonctionnent alternativement comme cathode pour former dans chaque cas une surface cathodique de soudure en un mé- tal complexe,possédant une émissivité thermionique sensible ment plus élevée, à la température de soudage, que le métal de base seul, et qui facilitent efficacement l'ionisation de l'intervalle de jaillissement de l'arc.
Cette augmentation de l'émissivité thermionique de ladite surface cathodique complexe est mise en évidence par une chute de tension ca- thodique sensiblement moindre, par rapport à la tension de fonctionnement, que celle qui se manifeste lorsqu'on utilise le métal de base seul, à la température de soudage, Cette surface complexe d'émission comprend à la fois le ou les agents d'émission et le métal de base de la cathode. Les métaux de base sont, naturellement, ceux qui constituent l'ouvrage ou le fil-électrode et qui sont destinés à fondre avec les métaux de l'ouvrage pour former le dép8t de soudure.
Les agents d'émission sont des métaux qui sont ajoutés en
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quantité extrêmement faible à l'arc ou aux électrodes de + en soudage (soit tant qu'éléments soit sous la forme de compo- µ ses qui se dissocient pour libérer lesdits éléments dans l'arc) principalement en vue de modifier les caractéristi- ques électriques et thermiques de l'arc. Dans une opération de soudage déterminée, les métaux de basé sont déterminés par la composition de l'ouvrage à souder et par celle du dépôt de soudure à former.
Des agents d'émission convenables sont des métaux qui doivent être électropositifs par rapport au métal de base cathodique ; ils doivent présenter un taux de fonctionnement thermionique faible (plus faible que celui du métal de base) et avoir un potentiel d'ionisation peu élevé (de préférence inférieur à celui de n'importe le- quel des autres constituants de l'atmosphère de l'arc, et
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de préférence inférieur au taux efficace de fonctionnement du métal de base cathodique), et leur point de fusion doit être inférieur au point d'ébullition du métal de base et être cependant suffisamment élevé, ou non volatil, de manière à ce qu'ils restent dans la surface cathodique complexe pen- dant un temps suffisant pour augmenter l'émission thermio- nique de ladite surface, dans les conditions du soudage.
Etant donné que, dans un fonctionnement en courant alternatif, l'électrode et l'ouvrage ont une polarité qui s'inverse de façon répétée, de telle sorte qu'ils agissent alternative- ment comme cathode, il est évident que l'agent d'émission doit être efficace, conformément à ce qui précède, aux deux endroits en vue de stabiliser l'arc. On a déterminé par l'expérience qu'on peut mettre en oeuvre l'invention de façon très efficace avec un agent d'émission consistant en un élément choisi parmi le groupe des métaux alcalins ou alcalino-terreux, le lanthane et les métaux de la série du lanthane, l'actinium et les métaux de la série de l'actinium, le scandium et l'yttrium.
On peut ajouter ces éléments soit sous leur forme élémentaire ou métallique, soit sous celle de leurs composés susceptibles de se dissocier en totalité ou en partie dans l'arc pour les libérer,. On peut utiliser par exemple les oxydes, carbonates, borates, phosphates, nitrates, silicates, halogénures, de ces éléments. Des mé- langes de deux ou plus de ces éléments, et (ou) de leurs composés, peuvent également être utilisés, souvent de façon très efficace. Les métaux alcalins sont le lithium, le so- dium, le potassium, le rubidium, le césium et le francium.
Les métaux alcalino-terreux sont le calcium, le baryum, le strontium et le radium. Les métaux de la série du lanthane sont le cérium, le praseodymium, le néodymium, le prométhium le samarium, l'europium, le gadolinium, le terbium, .
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le dysprosium, l'holmium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium et le lutécium. Ceux de la série de l'actinium sont le thorium, le protactinium, l'uranium, le neptunium, le plu- tonium, l'americium et le curium.
Nombre des éléments et de leurs composés ci-des- sus mentionnés sont rares et coûteux, et quelques-uns sont dangereusement radioactifs. En conséquence, à la fois pour des raisons pratiques et aussi en raison de ce qu'on peut en obtenir des résultats avantageux dans le mode de soudage à l'arc des métaux ordinaires selon l'invention, on préfère avoir recours comme agent d'émission à un élément choisi parmi le potassium, le rubidium, le césium, le strontium, le baryum, le lanthane, ou les mélanges des métaux des terres rares de lanthane-et du cérium; on peut préférer dans certains cas le thorium et l'uranium, lorsque la tem- pérature de l'électrode de soudage est élevée.
On peut in- corporer ces agents préférés d'émission sous leur forme élémentaire ou de leurs composés susceptibles de se disso- cier en totalité ou en partie pour libérer lesdits éléments, tels par exemple que leurs oxydes, carbonates, borates, phosphates, nitrates, silicates ou halogénaves. On peut aussi utiliser des mélanges de deux ou plus de ces éléments préférés et (ou) de leurs composés, et ils sont souvent particulièrement efficaces.
A titre d'exemple des matières d'addition préfé- rées,on peut mentionner le nitrate de césium, le carbonate de rubidium, le chlorure de césium-rubidium, l'oxyde ou le carbonate de baryum, les mélanges de baryum et de strontium sous la forme de leurs oxydes ou carbonates. les mélanges de lanthane et des métaux des terres rares de la série du lanthane sous forme métallique et d'oxydes, l'oxyde de thorium et le carbonate de potassium,
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Les matières ci-dessus mentionnées, qui sont ajoutées à l'arc selon l'invention, agissent efficacement pour stabiliser l'arc formé en couranalternatif entre une électrode et un ouvrage en une matière à cathode froide, en réduisant la tension de réallumage.
Cette tension comprend d'une part celle nécessaire pour produire une émission ca- thodique suffisante pour créer ou entretenir l'intensité du courant de l'arc et, d'autre part, celle nécessaire pour ré-ioniser l'atmosphère de l'arc. Ces matières coopèrent à la fois avec l'électrode et l'ouvrage pour augmenter leur émission thermionique pendant les parties correspondantes de la période du courant alternatif, lorsqu'ils agissent respectivement comme cathode de l'arc, et pour activer l'io- nisation de l'atmosphère de l'arc.
Avec des matières à catho- de froides il est nécessaire de disposer d'une tension ini- tiale élevée pour amorcer d'abord un courant de transition de décharge à incandescence, lequel augmente par la suite pour atteindre l'intensité normale de l'arc sous un poten- tiel beaucoup plus faible. Ainsi qu'on l'a mentionné ci- dessus, une matière thermionique continue à émettre des élec- trons, même après que l'arc s'est éteint, en raison de l'i- nertie thermique. On a constaté qu'il suffit qu'un agent d'émission introduit das l'arc en courant alternatif selon l'invention, produise une émission thermionique entre l'é- lectrode à cathode froide et l'ouvrage juste suffisante pour excéder l'émission de transition à décharge à incandescence, pour rendre inutile une tension initiale élevée d'amorçage.
On peut ensuite établir la pleine intensité du courant de décharge de l'arc et la maintenir sous une faible tension en circuit ouvert, sans avoir besoin d'avoir recours à une tension élevée de décharge à incandescence. Lorsqu'on utili- se comme gaz de protection un gaz ionisable relativement
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facilement et présentant un taux relativement faible de désionisation, comme l'argon par exemple,la tension de ré- allumage dépend principalement du potentiel nécessaire pour l'émission du courant. Toutefois, lorsqu'on utilise un gaz tel que l'hélium, qui ne s'ionise pas facilement et qui se désionise facilement pendant le bref intervalle de l'extinc- tion de l'arc, la tension de réallumage dépend également pour une large part du potentiel d'ionisation de l'interval- le de jaillissement de l'arc.
Par suite, la capacité de l'agent d'émission à sioniser facilement dans l'atmosphère de l'arc a une grande importance, en plus de sa capacité d'augmenter l'émission thermionique pour stabiliser l'arc.
Les figs. 10 et 11 illustrent l'effet d'un agent d'émission fourni à l'arc selon l'invention, sur la tension de réallu- mage de l'arc en courant alternatif. Ces figures sont la reproduction des traces, à l'oscilloscope, des tensions d'are se produisant dans une opération de soudage en courant al- ternatif et en gaz inerte de protection, en utilisant des matières à cathode froide,. Les traces de la tension d'arc représentent, à titre d'exemple, celles obtenues lors d'une soudure obtenue au moyen d'une électrode et d'un ouvrage en aluminium, faite dans les conditions de l'exemple IV ci- dessus. La fig.10 correspond à une opération de soudage ef- fectuée-sans le-bénéfice d'une matière d'addition selon l' inventi on. Afin d'amorcer et d'entretenir l'arc, on a utilisé une tension élevée de 150 volts en circuit ouvert.
On voit qu'au début de chaque demi-période correspondant à l'inversion du courant de l'arc, il se produit un maximum ou pointe dans la trace de la tension d'arc.Cette pointe représente la tension élevée de réallumage qui est nécessai- re dans l'atmosphère "stérile" qui règne dans ces condi- tions. La tension élevée en circuit ouvert estuffisante
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pour fournir la tension maximum et entretenir l'arc. La fig. 11 correspond à une opérati on de soudage conduite selon l'invention, comme décrit dans l'exemple IV, et dans laquelle le fil d'aluminium comporte une addition de carbonate de rubidium. On a procédé au soudage en atmosphère protectrice d'argon. Pour obtenir la trace à l'oscilloscope, on a de nouveau utilisé une tension élevée de 150 volts en cir- cuit ouvert.
Dans ces conditions, on voit que la pointe de tension de réallumage est efficacement réduite et qu'elle ne dépasse pas 75 volts. Ainsi, en fournissant à l'arc une matière d'additiôn selon l'invention, on peut l'amorcer et l'entretenir avec une faible tension normale de 75 volts en circuit ouvert. On remarquera, en particulier en se ré- férant aux oscillogrammes, que l'effet produit par la ma- tière d'addition doit exister à la fois sur l'électrode et sur l'ouvrage, afin de permettre le réamorçage de l'arc sous de faibles tensions en circuit ouvert.
Par conséquent, lorsqu'on mentionne ici l'action ou l'effet des agents d'émission sur la cathode, il convient d'entendre que cette action ou cet effet règne à la fois à l'électrode et à l'ou- vrage, lesquels fonctionnent alternativement comme cathode au cours des demi-périodes successives, Lorsqu'on utilise un gaz protecteur moins facilement ionisable, tel que l'hé- lium, on c onstate sensiblement le même effet que celui il- lustré sur la fig. 11, dû à l'ionisation, dans l'atmosphère de l'arc, de l'agent d'émission. Toutes les matières d'addi- tion n'agissent pas de façon également efficace sur des ouvrages et électrodes de diverses compositions.
Bien que les principes ou la théorie du fonction- nement de l'invention n'aient pas encore été complètement élucidés, on peut expliquer comme suit la façon dont l'in- vention produit ses effets, cette explication s'étant montrée
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utile dans lapratique comme guide pour déterminer les matières d'addition et d'émission qu'il convient d'utiliser pour obtenir les résultats désirés dans le soudage d'un ou- vrage en une matière donnée et au moyen d'une électrode en un métal de base donné.
Les matières d'addition de l'in- vention sont des matières qui se décomposent (dans le cas d'un composé) pour libérer un agent métallique ou élément d'émission, présentant un taux pour élevé de fonctionnement et un potentiel faible d'ionisation, qui est électropositif par rapport au métal de base de la cathode et qui produit une pellicule mince sur tout ou partie de la surface de cathode (électrode et ouvrage) au cours de l'opération de soudage. Le recouvrement par dépôt d'un métal électropositif sur un métal relativement plus électro-négatif produit un abaissement notable du taux de fonctionnement de la surface complexe, se traduisant par une augmentation de l'émission thermionique à la température de l'électrode de soudage.
Lorsque, au cours de l'extinction et du rétablissement de l'arc en courant alternatif, l'augmentation de l'émission thermionique ainsi procurée est supérieure à l'émission de l'arc de décharge à incandescence de transition, l'arc se réallume facilement sous de faibles tensions en circuit ou- vert. On pense que le phénomène a lieu comme suit.
Le composé contenant l'agent ou élément d'émission (en supposant que l'agent d'émission soit ajouté à l'arc sous forme de composé) est réduit ou dissocié et libère l'agent d'émission à l'état métallique dans ou sur la portion fondue de la cathode de soudage (surface du fil métallique ou de l' ouvrage). L'élé- ment d'émission se diffuse vers la surface de la cathode fondue et (ou) émigre sur ladite surface pour former une surface cathodique de soudure complexe, à forte émission
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thermionique. Il semble que la surface entièrement activée correspondra une couche mono-atomique d'ions de l'agent d'émission qui recouvre une grande pie de la surface dé la cathode.
Cette couche mince de l'élément d'émission est maintenue sur la surface par des forces d'attraction telle- ment élevées qu'il ne commence à se produire une évapora- tion sensible qu'au moment où l'on atteint une température bien supérieure au point d'ébullition de l'élément d'émis- sion, bien que des quantités en excès de cet élément puissent s'évaporer à une basse température pour quitter la couche mince de l'élément déposé sur la surface de la cathode.
Il convient de remarquer que les températures de l'arc de soudage, dans les conditions normales de fonc- tionnement à la pression atmosphérique, sont supérieures aux températures de décomposition de la plupart des composés- On pense que la couche mono-atomique constituée par les atomes de l'élément d'émission est absorbée à titre d'ions sur la surface de la cathode du métal de base et que les forces qui tendent à la maintenir en place sont d'autant plus élevées que le potentiel d'ionisation de l'élément d'é- mission est plus faible ;
il semblerait que le potentiel d'ionisation de l'élément d'émission doive être inférieur au taux de fonctionnement du métal de base de la cathode, mais, en pratique, et sans doute du fait qu'il est difficile de déterminer avec précision les taux de fonctionnement, on a constaté que le potentiel d'ionisation du métal d'é- mission peu(parfois être une fois et demie plus élevé que les valeurs en électro*volts données par des expérimentateurs dignes de foi pour le taux de fonctionnement du métal de base.
En général , l'élément d'émission doit être électro- positif par rapport au métal de base; le taux de fonctionne-
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ment de la surface complexe est d'autant plus faible et son émissivité thermionique d'autant plus élevée que cette différence a sa plus grande valeur positive, et le taux de fonctionnement est d'autant plus élevé et l'émissivité thermionique d'autant plus faible que cette différence tend vers zéro et devient négative.
On a déterminé avec une précision raisonnable les potentiels d'ionisation de nombre des éléments d'émis- sion selon l'invention mais ,ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, il existe des différences assez grandes dans l'évaluation des taux de fonctionnement du métal de base se- lon les expérimentateurs. On donne ci-après un tableau, ex- trait de la littérature, des potentiels d'ionisation de quelques éléments d'émission, ainsi que les taux de fonc- tionnement de divers métaux de base.
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Potentiels <SEP> d'ionisation <SEP> Taux <SEP> de <SEP> fonctionnement
<tb>
<tb>
<tb> d'agents <SEP> d'émission <SEP> thermionique
<tb>
<tb>
<tb> (en <SEP> électron-volts) <SEP> de <SEP> métaux <SEP> de <SEP> base
<tb>
<tb>
<tb> (en <SEP> électro <SEP> volts)
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<tb>
<tb>
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<tb> Lithium <SEP> 5,37 <SEP> Magnésium <SEP> 3,78
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sodium <SEP> 5,12 <SEP> Aluminium <SEP> 4,08
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Potassium <SEP> 4,32 <SEP> Cuivre <SEP> 4,33
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rubidium <SEP> 4,16 <SEP> Fer <SEP> 4,48
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Césium <SEP> 3,87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Strontium <SEP> 5,67
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Baryum <SEP> 5,19
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Scandium <SEP> 6,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Yttrium <SEP> 6,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lanthane <SEP> 5,59
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Thorium <SEP> 5,
25
<tb>
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Bien que le césium apparaisse fournir la meilleure surface complexe d'émission thermionique pour n'importe le- quel des métaux de base énumérés dans le tableau ci-dessus, il a un faible point d'ébullition et n'est pas bien retenu sur les métaux de base à point d'ébullition élevé tels que le fer, dans les conditions de l'opération de soudage. Le césium augmente très efficacement l'émission thermionique des métaux à point d'ébullition moins élevé, tels que l'a- luminium. On devait s'attendre à ce que le baryum, le stron- tium, le lanthane et le cérium constituent des émetteurs à surface complexe d'émission thermionique bien plus efficaces avec le fer qu'avec l'aluminium, et c'est ce que l'expérien- ce a démontré.
Les agents d'émission qui ont les potentiels d'ionisation les plus bas sont particulièrement avantageux lorsqu'on les utilise avec des gaz -de protection, tels que l'hélium, qui présentent des propriétés d'ionisation relati- vement médiocres.
Habituellement, on ne peut choisir que l'agent d'émission destiné à entrer dans la composition de la surfa- ce complexe lorsqu'on applique l'invention à des opérations pratiques, attendu que le métal de base de la cathode est déterminé par la composition du fil-électrode ou celle de l'ouvrage, laquelle à son tour, est déterminée par le type de soudure à faire ou le type de l'ouvrage à souder. En outre, la surface de la cathode doit fonctionner à une tem- pérature comprise entre les points de fusion et d'ébulli- tion des compositions de fil, afin que le métal du fil- électrode puisse fondre et être transféré dans l'intervalle de jaillissement de l'arc et déposé dans le métal de soudure fondu sur l'ouvrage.
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Il convient de prendre en considération le fait que les arcs de soudage fonctionnent normalement sensiblement à la pression atmosphérique, car le point d'ébullition de l'agent d'émission doit être élevé pour qu'il puisse demeurer intact sur la surface de la cathode pendant un temps suffi- samment long, et les températures et points d'ébullition à considérer doivent par conséquent être ceux à la pression atmosphérique.
Du fait que la matière d'addition est amenée continuellement à l'arc, l'élément d'émission présent sur la surface complexe de cathode dst continuellement renouvelé et n'a, par suite, pas besoin d'avoir une longue durée acti- ve ; les agents d'émission dont le point d'ébullition est de beaucoup inférieur à la température de la cathode de soudure peuvent, s'ils sont continuellement fournis à l'arc, agir pour maintenir constamment active une surface complexe de ca- thode d'émission thermionique, bien que le métal de base de la cathode soit rapidement enlevé ou ajouté au cours de l'opération de soudage par le transfert du métal du fil- électrode sur le dép3t de soudure formé sur l'ouvrage.
Le traitement d'activation (réduction ou décompo- sition de-la matière d'addition lorsqu'elle est sous la forme de composé et migration de l'élément d'émission sur surface de la cathode en une couche monoatomique) doit avoir lieu tandis que le fil-électrode est avancé dans l'arc. Il importe que l'élément d'émission choisi puisse être maintenu en une couche mince adsorbée sur le métal de base à sa température de soudage, car c' est à cette température (com- prise entre le point de fusion et la température d'ébulli- tion du métal de base) que la surface de la cathode de soudure fonctionne et que, par suite, la surface complexe
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doit agir.
Lorsque la matière d'addition est fournie à l'arc sous forme de composé, ce dernier ne doit pas être stable au point qu'il ne puisse se décomposer au moins en partie pour libérer l'élément ou métal d'émission aux surfaces d'électrode de l'arc ; parailleurs, lorsqu'on utilise un com- posé, il doit de préférence ne pas se dissocier facilement au point de permettre l'évaporation complète de l'élément d'émission avant qu'il puisse atteindre la surface de la cathode pour y être adsorbé sous la forme d'ions. Lorsque la matière d'addition est sous la forme d'un composé, elle peut être considérée comme formée d'une partie "efficace" qui est l'élément d'émission et d'une partie de "support" qui est l'élément ou groupe qui transporte l'élément d'é- mission à sa place dans la surface complexe.
Pour illustrer l'effet des surfaces complexes de cathode en vue de régler et d'améliorer l'émission électro- nique thermionique dans l'arc de soudage, on a établi le graphique de la fig. 9, sur lequel on a porté en ordonnées (en ampères par cm3) les taux d'émission thermionique de deux métaux de base (aluminium et fer) et de deux agents dé- mission (cérium et baryum) en fonction de la température en degrés Kelvin, portée en abcisses. On a représenté éga- lement les courbes relatives à l'émission de surfaces de cathode comportant du césium et du baryum. Il est bien entendu que ces courbes ne sont données qu' à titre purement illustratif de l'invention, en vue de faire ressortir l'a- mélioration de l'émission thermionique et qu'elles ne sont pas quantitativement exactes.
Elles illustrent qualitative- ment la relation existant entre les taux d'émission ther- mionique de diverses surfaces, mais les relations quantita-
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tives représentées ne sont pas exactes, attendu que le taux de fonctionnement d'une surface complexe de cathode varie avec la composition du métal de base, de même qu'avec l'é- lément d'émission adopté,.Le taux de fonctionnement d'une surface complexe est plus faible que celui du métal de base ou de l'élément d'émission en soi.
Bien que le métal ou l'agent d'émission de revêtement soit maintenu dans une cou- che adsorbée sur le métal de base bien au-dessus de sa tem- pérature d'ébullition, si l'on atteint des températures suf- fisamment élevées, la couche adsorbée se perd trop rapide- ment du fait de lévaporation et, dans ce cas, l'émission thermionique est sensilement identique à celle du métal de base seul. On a également représenté la courbe d'émissivité du tungstène métallique réfractaire et thermionique et celle de l'oxyde de thorium sur le tungstène. On a indiqué dans le haut du graphique les points de fusion et d'ébulli- tion de l'aluminium et du fer.
Etant donné que les tempé- ratures d'électrode de l'arc de soudage pour ces matières doivent être comprises dans les limites indiquées au cours de l'opération de soudage en gaz inerte conduite selon l'invention, il est évident que le césium serait plus effi- cace pour favoriser une émission thermionique sur l'alumi- nium,et le baryum plus efficace sur le fer.
Bien qu'on préfère actuellement mettre en oeuvre l'invention en appliquant ou incorporant les matières d'ad- dition sur ou dans la surface du fil-électrode, en ajoutant ces matières à la composition du fil au moment de sa fabri- cation, on peut aussi les ajouter à l'arc d'autres manières.
La fig. 6 représente de façon schématique l'une de ces variantes, dans laquelle on incorpore de façon con- tinue les matières d'addition dans le courant du gaz de
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protection. Une électrode 60 en fil métallique non traité est présentée en position dé fonctionnement par rapport à un ouvrage 62 au moyen d'un pistolet de soudure 61. De même que dans le cas de l'appareil représenté sur la fig. 1, le fil 60 est débitée partir d'une bobine 65 et tiré sous l'action d'un mécanisme d'avance 63 entraîné par un moteur et il est poussé dans une gaine 64 jusqu'au pistolet 61.
Le courant de soudage est fourni par un-transformateur classique 66 de courant alternatif. L'une des bornes de ce transformateur est connectée au pistolet 61 par l'intermé- diaire d'un contacteur 67 et de conducteurs 68 et 68'.
L'autre borne du transformateur est connectée à l'ouvrage 62 par un conducteur 69. Le courant de soudage est transmis à l'électrode 60 à l'intérieur du pistolet 61 par un tube de contact, de la même manière que dans-le cas du pistolet de la figure 2. Le pistolet peut être refroidi à l'eau, comme indiqué par'les raccords d'eau de refroidissement prévus sur sa buse; il est maintenu dans un support fixe comprenant un manchon fendu 70 muni d'un pignon du'on peut faire tourne. au moyen d'un volànt à main 71. Une crémaillère 72, fixée sur le canon du pistolet 61,'est en prise avec le pignon de façon à permettre de régler le pistolet verticalement à l'intérieur du manchon fendu. La fig. 7 représente en détail la construction de la partie inférieure du pistolet 61.
Le fil avance dans le cylindre intérieur 75 et dans un tube de contact 76 qui transmet le courant de soudage à l'é- lectrode 60. Le courant de soudure est amené dans le haut du pistolet par le conducteur 68' et conduit par les parties métalliques internes du pistolet jusqu'au tube de contact 76.
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Le gaz de protection est fourni à partie. d'une bouteille 80 de gaz comprimé (fig. 6) . Il en sort à travers le robinet habituel 81. le détendeur 82 et un débit-mètre pour arriver dans ùn conduit 84 qui le décharge dans un dispositif vibratoire de distribution de poudre (ce
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t dispositif est décrit en détail dans le brevet des Etats- du 17 Unis d'Amérique N 2.549.033).
Il comprend en principe une Avril 1951 trémie à partir de laquelle la matière en poudre est fournie \. par un mécanisme vibratoire de distribution- La matière en poudre est entraînée par le courant de gaz inerte lorsque ce dernier, introduit dans le dispositif par le tuyau 84, en sort par le tuyau 86. Le gaz contenant en suspension' la matière en poudre passé par le conduit 86 du distribuiez de poudre 85 au pistolet 61, Dans cette variante de l'in- vention, la matière d'addition est fournie sous la forme d'une poudre sèche introduite dans le courant du gaz de pro tection.
Ce dernier, entraînant en suspension la matière en poudre, s'écoule dans des canaux prévus à cet effet dans le pistolet et sort de la buse annulaire 89 (fig.7) sous la forme d'un courant non turbulent, entourant le tube de contact 76. La matière d'addition en suspension dans le gaz de protection pénètre dans la région de l'arc pour y fournir la substance stabilisatrice à faible potentiel d'ionisation et pour conférer aux surfaces.de cathode de l'arc les pro- priétés d'émission thermionique décrites ci-dessus.
Le distributeur de poudre 85 peut naturellement affecter toute forme convenable autre que celle de l'exem- ple représenté, à condition d'assurer une alimentation con- tinue de la poudre à l'arc.
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Exemple V.
On va décrire dans ce qui suit un exemple du mode de fonctionnement et les résultats de l'invention dans le cas où lôn fournit la matière d'addition à l'arc sous la forme d'une poudre en suspension dans le gaz de protec- tion. Il s'agit de souder une plaque d'acier doux de 9,5mm d'épaisseur en utilisant un fil-électrode non traité de 1,6 mm. de diamètre, de même composition. On assure un écran de protection gazeux en fournissant de l'argon sous un débit de 2,12 m3 par heure, à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre. 'On fournit à l'arc de l'oxyde de baryum à l'état de poudre fine en suspension dans le gaz de protec- tion. Avec une tension en circuit ouvert de 75 volts, une intensité de courant de 300 ampères et une tènsion d'arc de 19 volts, la vitesse de consommation du fil non traité est de 3,30 mètrespar minute.
La vitesse de progression de la soudurë est de 25 cm. par minute .
En conduisant l'opération comme indiqué, on a un arc stabilisé pouvant fonctionner sous une faible tension alternative de 75 volts en circuit ouvert.
On observe un bon transfert du métal par pulvéri- sation avec un réglage satisfaisant.
Exemple VI.
On effectue un essai analogue en utilisant l'hé- lium comme-gaz de protection fourni sous un débit de 2,83 m3 à l'heure à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre.
On fournit à l'arc l'oxyde de baryum sous la forme de poudre fine en suspension dans le gaz, comme ci-dessus. Avec une tension en circuit ouvert de 75 volts, une intensité de cou- rant à l'arc de 270 ampères et une tension d'arc de 30 volts, la vitesse de consommation du fil est de 3,80 m. par minute.
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En conduisant l'opération comme indiqué, on a un arc stabilisé en courant alternatif pouvant fonctionner sous une faible tension alternative de 75 volts. On observe un transfert du métal sous forme de gouttelettes avec un bon réglage. On constate une quantité moyenne d'éclaboussu- res et le cordon de soudure est presque plat,
En outre des modes ci-dessus décrits d'introduc- tion de la matière d'addition aux fins ici exposées,on a constaté qu'on pouvait placer cette matière sur un fil de charge auxiliaire qu'on fournit à la soudure, ou bien encore qu'on peut la déposer directement sur l'ouvrage.
La fig. 8 représente un appareil utilisant un fil de charge-auxiliaire, sur lequel on a appliqué les matiè- res d'addition du type décrit ci-dessus.
Le fil-électrode 90 (fig.8) est débité à partir d'une bobine entraînée par un mécanisme 92 à commande par moteur, comme dans les modes précédents de réalisation.
Dans ce cas, l'électrode consiste en un fil nu, propre, non traité, qu'on fournit au pistolet de soudage 94 dans une gafne 93. Le pistolet peut être du type décrit à propos des figs 6 et 7 , Le courant de soudage est fourni par un transformateur de soudage 100. L'une des bornes de ce der- nier est connectée au pistolet par un conducteur 101, un contacteur 102 et un conducteur 103. Le courant est trans- féré au fil-électrode 90 à l'intérieur du pistolet 94.
L'autre borne du transformateur est connectée à l'ouvrage par un conducteur 104 ,Le gaz de protection est fourni au pistolet en provenance d'une bouteille 110 de gaz comprimé, par l'intermédiaire du robinet usuel !il, d'un détendeur 112, d'un débit-mètre 113 et du tuyau 114. Le gaz
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de protection sort de la buse du pistolet sous la forme d'un courant non turbulent qui entoure l'extrémité de l'arc de l'électrode, l'arc et le bain de soudure. On emploie ici un second dispositif d'avance de fil pour fournir à la soudure un fil de charge 119 dont le corps contient la matière d'addition, ou dont la surface est enduite de ladite matière. Ce fil traité n'est pas mis sous tension et ne constitue pas une électrode.
Il est fourni de façon indé- pendante à la région de l'arc où il est fondu. dans le bain de soudure par la chaleur de l'arc. Le dispositif d'avance de cefil peut être identique à celui qui fait avancer le fil-électrode. Il comprend une bobine 120 et un mécanisme 121 entraîné par un moteur et qui déroule le fil de la bo- bine et le pousse dans une gaine 122 vers la zone de soudure Une monture 123 supporte la gaine 122 à proximité de la torche et guide le fil de charge 119 dans le cordon de soudure. On obtient les meilleurs résultats en fournissant le fil 119 à la zone de soudure de façon que son extrémité touche l'ouvrage au bord du bain de soudure et se consomme en fondant dans ce bain avant d'arriver directement sous 1' arc.
Exemple VII
L'exemple suivant montre l'effet produit sur un arc de soudure en courant alternatif sous la protection d'un gaz inerte, avec addition faite à un fil de charge auxiliaire. Au, moyen de l'appareil de la fig. 8, on utilise un fil-électrode de 1,6 mm, de diamètre en acier doux et l'argon à titre de gaz inerte, fourni sous un débit de 2,12 m3 par heure à travers une buse de 2,5 cm. de diamètre.' L'ouvrage consiste en une plaque d'acier doux, épaisse de
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9,5 mm. Un fil de charge auxiliaire, consistant en un fil d' acier de 1,14 mm. de diamètre et traité à l'oxyde de baryum, comme décrit dans l'exemple 1 pour le traitement d'un fil à électrode en acier de 1,6 mm. de diamètre au moyen du carbonate de rubidium.
On fait avancerle fil auxi- liaire dans l'arc où il fond dans le bain de soudure et constitue un supplément au métal de soudure fourni par l'é- lectrode consommable. En amorçant l'arc et en ajoutant ce fil traité à l'oxyde de baryum, à la soudure à un taux de 2,28 mètres par minute, sous une tension de 75 volts en cir- cuit ouvert, une tension d'arc de 29 volts et une intensité de courant d'arc de 370 ampères, le fil-électrode se con- somme à la vitesse de 8,13 mètres par minute, la vitesse de progression de la soudure étant de 25 cm. par minute.
En conduisant l'opération dans ces condition:!, on a un arc stabilisé en courant alternatif, fonctionnant sous une faible tension de 75 volts en circuit ouvert. On observe un bon transfert de métal par pulvérisation avec un assez bon réglage.
Lorsqu'on fournit l'oxyde de baryum sous la forme d'addition au fil de charge auxiliaire comme ci-dessus, il n'est pas possible d'amorcer l'arc à la manière habituelle.
Ceci est dû au fait que la matière d'addition du fil de charge n'agit pas pour favoriser l'émission ou pour stabili- ser l'arc, tant qu'il n'a pas été fondu ou que l'arc n'est pas amorcé. On obtient un amorçage satisfaisant en endui- sant une petite zone de l'ouvrage, au point de départ de la soudure, d'une solution alcoolique de la matière de stabi- lisation. Une fois l'arc amorcé, il se maintient sans in- terruption du fait de l'avance continue du fil de charge auxiliaire traité.
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Exemple VIII
On peut également mettre en oeuvre l'invention en appliquant une matière d'addition directement sur la plaque. Par exemple, au moyen de l'appareil de la fig.l, o applique à la brosse une bouillie de carbonate de rubi- dium et d'alcool sur une zone de la plaque d'acier doux é- paisse de 9,5 mm. à souder. On effectue la soudure avec un fil en acier doux non traité de 1,6 mm. de diamètre. On fournit de l'argon comme gaz inerte de protection, sous un débit de 2,12 m3 par heure, à travers une base de 2,5 cm. de diamètre. Avec une intensité de courant d'arc de 310 ampères et une tension en circuit ouvert de 75 volts, le fil se consomme à la vitesse de 6,35 mètres par minute.
La vitesse de progression de la soudure est de 25 cm. par minute.
En conduisant l'opération dans ces conditions, on a en courant alternatif un arc stabilisé fonctionnant sous une faible tension de 75 volts en circuit ouvert. On ob- serve un bon transfert du métal par pulvérisation avec un bon réglage. Le cordon de soudure est bien arrondi.
Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, qui n'ont été donnés qu'à titre illustratif et non limitatif.
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PATENT OF INVENTION "METHOD AND APPARATUS FOR ELECTRIC ARC WELDING."
The present invention relates to methods and apparatus for electric arc welding with protective gas, and more particularly to methods and apparatus for arc welding in alternating current and under the protection of an inert gas, with an electrode. consumable or deposit.
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The present invention can, at least in certain of its aspects, be considered as an improvement to the methods and apparatus for arc welding under the protection of an inert gas and with a consumable or depositing electrode, described. in U.S. Patent Nos. 2,504,868 issued April 18, 1950, 2,544,711 issued March 13, 1951 and 2,544,801 issued March 13, 1951
In general, this new process involves the addition to the welding arc of one or more substances which act to improve the metal transfer characteristics from the consumable electrode to the work, to improve stability. of the arc, and to adjust or modify at will the factors of the welding arc which determine the speed,
the efficiency and ease of the welding operation and the characteristics of the weld obtained.
The new apparatus according to the present invention generally comprises new elements and novel combinations of these elements designed especially for the implementation of the new methods mentioned above.
The above-mentioned US patents describe a welding operation of the type in which a consumable wire electrode is continuously advanced to a protective gas welding arc, held between the electrode and an electrode. work (plate 'the welding current supplied to the arc being at least sufficient to consume the electrode as it advances towards the arc and to transfer the weld metal from the electrode to a deposit welding on the structure, so
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to achieve a practically satisfactory weld, the course will
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preferably being provided at a density high enough to produce a smooth deposit,
resistant and uniform
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+ or a transfer of the "spray" type (see patent of the aforementioned United States of America No. 2,504,868) of said metal electrode b on the weld deposit. The protective gas in principle consists of an inert gas. The inert gas used here comprises monoatomic gases or their mixtures, such as halium and (pu) argon and may comprise small proportions of other gases which do not appreciably modify the protective characteristics of said gas or gases. mono-atomic inert materials,
this gas preferably being supplied in a substantially laminar or non-turbulent stream, the jet of which is sufficiently "rigid" to substantially prevent the surrounding air from reaching the arc. Such an arc involves an electric discharge through a controlled gas atmosphere. The gas in the arc spout interval is ionized and the positive gas ions are directed by the potential difference to the cathode where they give up their energy, or they are neutralized by the electrons emitted by the cathode.
The metallic vapor formed in the region of the arc by the vaporization of the electrode, of the plate (work) or of any other source such as a separate metallic filler wire, integrates with the gas present in the arc spurt interval, so that the atmosphere of the arc through which the electric discharge takes place and through which the weld metal is transferred from the wire electrode to the plate , consists of inert shielding gas and metallic vapor, while nearly all of the air, water vapor and other constituents are excluded from the surrounding air. by the screen protec-
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tor constituted by the inert gas.
Since there is no flux, there can be no atmospheric air or similar impurities under a flux layer, as in the case of welding with air or with coated electrodes, so that the characteristics of the arc, at constant pressure, depend only on those of the plate and the metals of the electrode, as well as on the inert protective gas.
In such a "sterile" atmosphere, great difficulties have been encountered in the AC electric arc welding of "cold cathode" materials. The main causes are the instability of the arc and the poor transfer from the metal electrode to the work.
Under certain conditions, alternating current arcs have been able to be stabilized, using high open circuit voltages of about 150 volts, or by superimposing a high frequency voltage cycle on the arc voltage, or by using simultaneously with these two solutions.
However, these are not entirely satisfactory.
The use of high open-circuit voltages is hazardous and is preferably avoided in ordinary industrial welding equipment, and the auxiliary equipment required for high frequency arc stabilization is much more expensive. than transformers usually used for AC welding operations. In addition, these solutions did not sufficiently improve the metal transfer characteristics in the arc.
It has been found, according to the present invention, that by having recourse to certain additive substances in the arc (in addition to the metal which must be melted to form the bead
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welding and its metallic vapors, and in addition to the inert shielding gas), the characteristics of the welding arc could be adjusted and advantageously modified.
These substances are chosen and added to the arc so as to lower the working rate of the cathode, improve the stability of the arc, make it possible to maintain an alternating current arc at a normally low voltage in open circuit, and to obtain a concentrated and stable cathodic focus = It is believed that during half the cycle of direct polarity, while the electrode constitutes the cathode, the stability is improved at least in part by the concentration of the cathodic focus in this way, as long as the drops or the spray of molten metal from the wire, are completely submerged in the plasma. The additives can also change factors such as wire consumption rate, penetration, and weld bead size and profile.
The alternating current arc is extinguished and the polarity of the electrodes is reversed every half period when the arc current and voltage are reversed.
In welding of this type, the main problem is posed by the need to reignite the arc at each half-period.
Each time the arc is extinguished, it must be possible to easily reignite it so as to achieve a regular arc if a usable welding process is to be obtained. The reignition of the arc depends on the cathodic emission and on the ionization of the arc column so as to conduct the current, which are obtained by applying a sufficient reignition voltage between the electrode and the work.
It has been observed that, when a material constituting a good thermionic emitter: of electrons at its temperature
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material (i.e. a thermionic material) functions as a cathode for the welding arc, it is a very efficient cathode with low cathode voltage drop, With low cathode voltage drop, these materials emit, at their welding temperature, all the electrons that the arc needs.
This does not happen in the case of relatively poor thermionic emitters or "cold cathode" materials, which constitute almost all common metals, such as aluminum, copper, nickel, iron, manganese, titanium, etc. and their alloys, which are normally welded in large quantities in industry. From a simplified point of view, the emission of "cold cathode" materials can be considered to depend mainly on "the emission of field".
This emission stops abruptly each time the arc is extinguished or interrupted * and requires a very high open circuit voltage to establish) an incandescent discharge before the arc can be reignited. The reignition voltage includes that which is necessary to produce such an incandescent discharge and to ionize the arc weakening interval. Normal alternating voltages, of about 75 volts in open circuit, are not sufficient to provide reignition voltage required and therefore cannot sustain an inert gas welding arc with these cold cathode materials. On the other hand, a thermionic material continues to emit abundantly electrons because of its temperature.
Therefore, with an alternating current source, it continues to emit electrons even after the current supplied to the arc is interrupted due to thermal inertia.
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of the electrode. In this case, it is possible to obtain an easy re-ignition of the ars for normal low voltages in open circuit. Although it has been found that the thermionic emission characteristics of the electrode and the structure have a decisive effect on the stability of the arc, it is also essential that the atmosphere of the arc can be easily ionized to ensure an alternating current welding arc, suitably stabilized.
The present invention makes it possible to modify the materials constituting the cold cathode welding electrodes, in a welding process in an inert gas atmosphere, so as to obtain electrical and thermal characteristics which are similar. those of the materials constituting the thermionic welding electrodes or which approach them by a predetermined degree, for the temperatures prevailing in a welding arc with consumable electrode and protected by an inert gas.
It is thus possible to control the electrical and thermal characteristics of the arc between electrodes formed of cold cathode materials, preferably by introducing into the arc a material which acts on the cathode at welding temperatures to improve the characteristics of the arc. thermionic emission of this cathode and favor the ionization of the atmosphere of the arc when it is needed. It has been found that such introductions can be made in small amounts relative to the amount of weld metal deposited, or that of wire electrode consumed. The quantity of material introduced may be small enough to affect only the electrical and thermal characteristics of the arc.
It can be chosen and used in
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proportions small enough to have no appreciable or appreciable effect on the chemical composition of the weld metal, or of appreciable reaction with the metal to be welded.
The welding arcs to which the additions according to the invention are made are preferably those which have a substantially "sterile" atmosphere or whose environment consists essentially of an inert shielding gas and of metallic vapors such as those which are released. - managed by the electrode or the structure. The turbulence-free inert gas stream substantially excludes the ambient atmosphere of the welding arc and, because the welding operation takes place without flux, the electrical and thermal characteristics of these arcs depend only on the shielding gas. - tion and metal of the electrodes.
Fluxless, steric, bare electrode consumable arcs of this nature have different electrical and thermal properties from welding arcs in air, from arcs which are formed and submerged under a layer of flux. or arcs formed by means of ordinary electrodes coated with a flux. It has been found, according to the invention, that it is possible at will to vary and adjust the electrical and thermal characteristics of the welding arcs with consumable electrode and protection by an inert gas, so as to achieve new and improved welds. .
The relatively pure and sterile inert gas atmosphere acts on or with the surfaces of the electrodes and / or the arc atmosphere, or modifies them, to the extent and in the manner desired, without doing so to the detriment of the advantageous effect provided by the shielding gas and without there being a disturbance of the setting or an unwanted modification of the
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electrical and thermal properties, likely to result from the presence of impurities such as air or fluxes or coatings which accompany conventional welding in air, or under a flux layer, submerging, or with coated electrodes .
The invention therefore proposes in particular to provide a practical industrial method of electric arc welding in alternating current and with protection by an inert gas, capable of being carried out under normally low welding voltages in open circuit, without electrical stabilization. .
It also proposes to provide means making it possible to improve the characteristics of transfer of the metal and of stability of said arc, in particular in the case where use is made of shielding gases having relatively poor ionization properties, such as than helium.
Other objects and advantages of the invention will result from the following description of its preferred embodiments, made with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 schematically represents an apparatus for carrying out the invention; FIG. 2 is a longitudinal vertical section showing in detail the mode of construction of the gun for manual inert gas arc welding, forming part of the apparatus of FIG. 1; fig. 3 is a cross section taken on line 3-3 of rod 2; Fig. 4 schematically illustrates a method and apparatus for making additions to a wire
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solder for the purposes of the present invention;
fig. 5 shows, on a somewhat enlarged scale, the solder wire as it appears during the various operations illustrated in fig 4; Fig. 6 represents a variant of the apparatus according to the invention; Fig 7 is a view on a larger scale, partly in section and partially cut away, of the Rasant welding gun part of the apparatus of Fig 6; fig. 8 shows another variant of the apparatus according to the invention;
Fig. 9 is a graph showing the thermionic emission rate of the cathode, plotted in logarithmic ordinates over a period of eight, as a function of the temperature of the cathode, plotted in abscissa in degrees Kelvin for certain cathodic materials and for complex cathode surfaces. Fig 10 is the reproduction of the oscilloscope trace of the voltage of the welding arc in alternating current and protected by an inert gas, using a high voltage in open circuit, and shows the very high voltage of re-ignition necessary when not having recourse to the invention;
the pin 11 is the reproduction of the trace with the oscilloscope of the voltage of the welding arc in alternating current and protected by an inert gas, and shows the suppression of the very high reignition voltage obtained. naked according to the invention.
The work or plate to be welded is shown at 21 in fig.l. The welding electrode 22 is preferably provided as a long length of metal wire.
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that debited from a reel 23 mounted in a frame 24.
The motor-driven feed mechanism 25 pulls the thread from the spool and pushes it continuously, at a selected speed of advance, equal to that of the consumption of the electrode, into a flexible sheath 26 for the wire. 'bring to a welding gun there. This gun and the sheath are shown in more detail in figs. 2 and 3. Briefly, the gun comprises an inner cylinder 30, in which the wire electrode 22 advances as it leaves the sheath 26 and is supplied to the contact tube 31 to which the welding current is applied. On exiting tube 31, the wire passes directly into the arc where it melts or is consumed and is frank and deposited in the solder bath or the crater on the plate.
An outer cylinder 32, terminating in a nozzle 33, surrounds the inner cylinder and the contact tube.
The annular space delimited between the two cylinders and between the contact tube and the base constitutes a channel 34 for flowing the inert shielding gas towards the arc zone.
The inert gas supply device, which is supplied by the sheath 26 to the channel, will be described in detail below. The gas leaves the nozzle in a flow substantially free of turbulence so as to protect the end of the electrode, the arc and the solder bath. The aforementioned US Patents 2,544,711 and 2,544,801 describe in detail the preferred means of forming a substantially turbulence-free protective gas shield. The pistol of the fig 2 also comprises a handle-.22 having the shape of a pistol grip, and containing a control switch 6 actuated by a trigger 37.
This switch is preferably connected so as to allow the operator to control the passage of the welding current, the flow
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shielding gas and the wire feed mechanism. The electrical conductors which terminate at the switch 35 and at a switch for controlling the advance of an auxiliary metal wire, are united in a control cable 39. The welding current is supplied to the gun by the welding cable 40. The welding current can be supplied by a conventional AC welding transformer 45, one terminal of which is connected to the work by a conductor 47 and the other is connected, by the conductor contained in the cable 40. to the soldering gun and to the contact tube 31 through which the current is supplied to the wire electrode.
A contactor 46 is preferably provided to cut and close the welding circuit.
The protective inert gas is supplied by a high pressure cylinder 49 provided with a tap 50, a pressure reducer 51 and a flow meter 52. The gas is brought through the pipe 53 at the rear end of the sheath. 26.
When the apparatus is in use, protective gas is admitted before the arc is ignited. The welding transformer can be activated before or after the gas flow has started. The work is then touched with the electrode and it is withdrawn to cause the arc to shoot out.
The wire is started to advance at the same time as the arc emerges, or immediately before, and it is made to advance con-
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tinually towards the work at speed suitable for maintaining the above-mentioned arc. U.S. Patent No. 2,504,868 + describes in detail a convenient procedure of the apparatus of Figs. 1, 2 and 3.
The examples below show how the invention can be implemented.
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Example I.
Tests were carried out with a 9.5 mm thick mild steel plate and with a 1.6 mm diameter wire electrode, mild steel, externally coated with rubidium carbonate. The apparatus used is that of the type described above and shown in FIGS. 1, 2 and 3. Industrial purity argon is used as shielding gas, supplied at a flow rate of 2.12 m 3 per hour through a 2.5 cm nozzle. of diameter.
Rubidium carbonate is applied to the wire as follows (see figs. 4 and 5). The wire is first prepared by passing it between two rollers, one of which is milled to produce transverse indentations (about 0.13 mm deep and spaced 0.8 mm apart. approximately) on its surface (fig. 5). We make a paste or paste of rubidium carbonate. which is in the form of a dry powder, by mixing this powder thoroughly with denatured alcohol. This paste is then applied with a brush on the surface of the wire (fig, 4) and in the transverse indentations of this surface. The thread is then passed through an annular rubber pad which surrounds it tightly, to remove excess slurry.
The wire then passes between two rollers with an isse surface having a semi-circular groove so as to eliminate the roughness due to the knurled roller and to occlude a certain quantity of the additive material in the indentations. The surface of the wire is then wiped with a clean, dry cloth in order to substantially remove all of the rubidium carbonate, except that which is included in the surface of the electrode by the treatment above. Alool
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evaporates, leaving the wire dry. When prepared in this way, the wire has a substantially bare, electrically conductive surface and can be easily fed through the welding apparatus; ability to absorb welding current from the contact tip is not impaired.
Since rubidium carbonate is a deliquescent material, it can absorb a considerable amount of moisture when exposed to a humid atmosphere. This can result in undesirable corrosion of the wire electrode, which may interfere with the transfer of welding current to the wire and cause mechanical jamming in the contact tip, due to the formation of corrosion products in the latter. Likewise, the water (hydrogen) present adversely affects the quality of the weld deposit. However, these drawbacks can be easily remedied by maintaining the prepared and dried yarn in a dry atmosphere. Rubidium oxide is a compound which has much the same effect on the thermal equilibrium of the arc as carbonate, but which is not as deliquescent.
Welding was carried out by means of an electrode prepared as above, using an open circuit voltage of 75 volts and an arc voltage of 23 volts and an arc current of 320 amps. we read on ordinary meters. The wire is consumed at a speed of 4.52 meters per minute.-Identical conditions are maintained during several tests by mounting the welding gun in a fixed bracket and by mechanically moving the work under the gun at the desired relative welding speed, ie 25 cm. per minute in these tests.
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By carrying out the operation as just described, a stabilized AC welding arc is obtained which can operate at a low open circuit voltage of 75 volts. Good spray transfer of the metal to AC is observed, along with good operation and moderate cleaning action, and a well rounded weld bead.
To demonstrate the effectiveness of small amounts of rubidium carbonate in stabilizing the alternating current arc, a test is carried out to weld with a clean bare wire of the same diameter at an open circuit current of 75 volts. , and without auxiliary electrical stabilization. It is not possible under condi- tions to break or maintain the arc.
Example II.
Similar tests were carried out, with the same apparatus, using barium oxide which was applied to a mild steel wire 1.6 mm in diameter, as above. The tests are carried out on a mild steel plate 9.5 mm thick and a protective gas shield is provided by supplying argon at a flow rate of 1.41 m3 per hour, through a nozzle of 1. , 9 cm. of diameter. A weld is made using an open circuit voltage of 75 volts, an arc voltage of 20 volts and a current of 325 amps. The wire is consumed at a speed of 4.16 meters per minute, for a relative speed of displacement of the weld of 25 cm. per minute.
By carrying out the operation in this way, we have a stabilized AC arc, capable of operating at a low voltage of 75 volts in open circuit. Good spray transfer is observed, with slight flashes.
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scuffs in the vicinity of the weld bead. The latter is rounded and has good penetration and no porosity.
Instead of preparing the yarn as described in connection with Fig. 4, in which the material is applied to the surface of the yarn or in the indentations formed thereon, this material can be added to the mass. molten from which the wire is formed, so as to form with it an alloy or mixture. A homogeneous distribution of the additive material in the yarn is thus obtained and the need for the latter to be subjected to a treatment subsequent to its manufacture in the form of yarn is eliminated.
EXAMPLE III.
For example, "mischmetal" is added to a melting ladle of 43 kg of mild steel, at a rate of 1.816 kg of mischmetal per 1,000 kg of molten steel. Mischmetal consists of 52% cerium, 33% lanthanum, 1.5% iron, the remainder being rare earths. The resulting alloy (some of the misschmetal is lost by vaporization) is drawn in the form of a 1.6mm wire. of diameter which is used as a consumable electrode in an operation of arc welding in an inert protective atmosphere, of the type described above, in alternating current.
For a flow rate of 2.12 m3 of argon per hour through a 2.5 cm nozzle. in diameter, welding a plate 9.5 mm thick, at a weld advance speed of 25 cm. per minute. For an arc current of 320 amps, an arc voltage of 24 volts and a voltage of 75 volts in open circuit, the wire consumes at a rate of 3.55 meters per minute.
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By carrying out the operation in this way, there is a stabilized AC arc which can operate at a low AC voltage of 75 volts in open circuit. Good spray transfer is observed with a satisfactory setting. There is no apparent splash.
Example IV.
It has been found that similar results can be obtained by making additions according to the invention to an electrode constituted by a metallic, non-ferrous wire.
For example, aluminum can be welded in alternating current by adding rubidium carbonate to an aluminum wire electrode, as shown in the following. Welding is carried out on an aluminum alloy plate, by means of an aluminum alloy electrode, using as protective gas argon of industrial purity, supplied in the form of a non-turbulent current in a 50 m3 flow rate per hour, through a 2.5 cm nozzle. of diameter. The apparatus is substantially the same as that shown in Figures 1, 2 and 3 and described above. The wire electrode has a diameter of 1.6 mm. in diameter and consists of aluminum wire 435, on which has been applied, as described in connection with fig. 4, a small amount of rubidium carbonate.
The plate to be welded consists of a 61.ST aluminum plate, 9.5 mm thick. The speed of advance of the weld is 25 cm. per minute. Under these conditions, and for a voltage of 75 volts in Open Circuit, an arc voltage of 17 volts and an intensity of the arc current of 300 amps, the wire is consumed at a speed of 7.87 meters per minute. .
By carrying out the operation in this way, we have an arc stabilized in alternating current, which can operate under
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a low alternating voltage of 75 volts in open circuit Good transfer of metal is observed by spraying with a satisfactory setting. An oval profile weld bead is formed.
It is found that very small amounts of the additive materials are sufficient to achieve the desired results.
It follows from the above description of two satisfactory methods of applying the material to the yarn that very little of this additive material remains on or in the yarn in the final processing state. In fact, when this material is applied to the surface of the wire, it may be difficult to advance the wire through the contact tube and transfer current to it when the amount of additive material deposited is sufficient to be exposed. to partially detach from its surface.
An approximate chemical analysis of a sample of steel wire treated with barium oxide and used satisfactorily in the example mentioned above, revealed that the amount of this oxide contained in the wire was of 25 g. about per tonne of steel, that is, about 0.003% by weight of the weld metal deposited, demonstrating that very small amounts of the additive are sufficient. The treated wire can still be considered "bare" and its surface is conducive to the welding current which it can collect from the contact tip.
Although certain particular addition materials have been mentioned in the foregoing examples, by way of illustration of the operation and results obtained in accordance with the invention, it is evident that the latter is not limited to these particular materials.
It encompasses other additive materials consisting of or containing one or more emission agents, said cooperating agents.
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rant with the wire electrode and the base metal of the work which function alternately as the cathode to form in each case a cathodic solder surface of a complex metal, having a appreciably higher thermionic emissivity, at the temperature of welding, than the base metal alone, and which effectively facilitate the ionization of the arc spouting gap.
This increase in the thermionic emissivity of said complex cathode surface is evidenced by a drop in cathodic voltage which is appreciably less, compared to the operating voltage, than that which occurs when using the base metal alone, at the welding temperature, this complex emission surface comprises both the emission agent (s) and the base metal of the cathode. The base metals are, of course, those which constitute the work or the wire electrode and which are intended to melt with the metals of the work to form the weld deposit.
Emitting agents are metals that are added in
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extremely small quantity with the arc or the electrodes of + in welding (either as elements or in the form of compounds which dissociate to release said elements in the arc) mainly in order to modify the characteristics electric and thermal arc. In a given welding operation, the base metals are determined by the composition of the work to be welded and by that of the weld deposit to be formed.
Suitable emitting agents are metals which should be electropositive to the cathodic base metal; they must exhibit a low thermionic function rate (lower than that of the base metal) and have a low ionization potential (preferably lower than that of any of the other constituents of the atmosphere of the base metal). 'arc, and
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preferably less than the effective rate of operation of the cathodic base metal), and their melting point must be below the boiling point of the base metal and yet be sufficiently high, or non-volatile, so that they remain in the complex cathode surface for a time sufficient to increase the thermal emission of said surface, under welding conditions.
Since in alternating current operation the electrode and the work have a polarity which is repeatedly reversed so that they act alternately as a cathode, it is evident that the agent d The emission must be effective, in accordance with the above, at both locations in order to stabilize the arc. It has been determined by experience that the invention can be carried out very effectively with an emission agent consisting of an element selected from the group of alkali or alkaline earth metals, lanthanum and the metals of the earth. lanthanum, actinium and metals of the actinium, scandium and yttrium series.
These elements can be added either in their elemental or metallic form, or in that of their compounds capable of dissociating in whole or in part in the arc to free them. It is possible, for example, to use the oxides, carbonates, borates, phosphates, nitrates, silicates, halides, of these elements. Mixtures of two or more of these elements, and (or) their compounds, can also be used, often very effectively. The alkali metals are lithium, sodium, potassium, rubidium, cesium and francium.
The alkaline earth metals are calcium, barium, strontium and radium. The metals of the lanthanum series are cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium,.
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dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and lutetium. Those of the actinium series are thorium, protactinium, uranium, neptunium, plutonium, americium and curium.
Many of the elements and their compounds mentioned above are rare and expensive, and a few are dangerously radioactive. Accordingly, both for practical reasons and also because of the advantageous results that can be obtained therefrom in the mode of arc welding of ordinary metals according to the invention, it is preferred to use as an agent of the invention. emission to an element selected from potassium, rubidium, cesium, strontium, barium, lanthanum, or mixtures of the rare earth metals of lanthanum and cerium; thorium and uranium may be preferred in certain cases when the temperature of the welding electrode is high.
These preferred emission agents can be incorporated in their elemental form or of their compounds capable of dissolving in whole or in part to liberate said elements, such as for example their oxides, carbonates, borates, phosphates, nitrates, etc. silicates or halogenaves. Mixtures of two or more of these preferred elements and / or their compounds can also be used, and they are often particularly effective.
By way of example of the preferred addition materials, there may be mentioned cesium nitrate, rubidium carbonate, cesium-rubidium chloride, barium oxide or carbonate, mixtures of barium and strontium. in the form of their oxides or carbonates. mixtures of lanthanum and rare earth metals of the lanthanum series in metallic form and oxides, thorium oxide and potassium carbonate,
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The above-mentioned materials, which are added to the arc according to the invention, act effectively to stabilize the arc formed alternately between an electrode and a work of cold cathode material, by reducing the reignition voltage.
This voltage comprises on the one hand that necessary to produce a cathodic emission sufficient to create or maintain the intensity of the arc current and, on the other hand, that necessary to re-ionize the atmosphere of the arc. . These materials cooperate with both the electrode and the work to increase their thermionic emission during the corresponding parts of the alternating current period, when they act as the arc cathode, respectively, and to activate ionization. of the atmosphere of the arc.
With cold cathodic materials it is necessary to have a high initial voltage to first initiate an incandescent discharge transition current, which subsequently increases to reach the normal arc intensity. under a much lower potential. As mentioned above, thermionic material continues to emit electrons, even after the arc has extinguished, due to thermal inertia. It has been found that it suffices for an emission agent introduced into the alternating current arc according to the invention to produce a thermionic emission between the cold cathode electrode and the work just sufficient to exceed the temperature. transition emission to discharge to incandescent, to eliminate the need for a high initial starting voltage.
The full intensity of the arc discharge current can then be built up and maintained at a low open-circuit voltage, without the need for a high incandescent discharge voltage. When a relatively ionizable gas is used as the shielding gas.
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easily and exhibiting a relatively low rate of deionization, such as argon for example, the reignition voltage depends mainly on the potential necessary for the emission of the current. However, when a gas such as helium is used, which does not easily ionize and which easily deionizes during the brief interval of arc extinction, the reignition voltage is also largely dependent. part of the ionization potential of the arc spurt interval.
Therefore, the ability of the emitting agent to readily ionize in the arc atmosphere is of great importance, in addition to its ability to increase the thermionic emission to stabilize the arc.
Figs. 10 and 11 illustrate the effect of an emitting agent supplied to the arc according to the invention on the re-ignition voltage of the alternating current arc. These figures are the reproduction of traces, on an oscilloscope, of the voltages occurring in an operation of welding in alternating current and in inert shielding gas, using cold cathode materials. The traces of the arc voltage represent, by way of example, those obtained during a weld obtained by means of an electrode and an aluminum structure, made under the conditions of Example IV above . FIG. 10 corresponds to a welding operation carried out without the benefit of an additive material according to the invention. In order to start and maintain the arc, a high voltage of 150 volts was used in open circuit.
We see that at the start of each half-period corresponding to the reversal of the arc current, there is a maximum or peak in the trace of the arc voltage. This peak represents the high reignition voltage which is necessary in the "sterile" atmosphere which prevails under these conditions. The high open circuit voltage is sufficient
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to provide maximum voltage and maintain the arc. Fig. 11 corresponds to a welding operation carried out according to the invention, as described in Example IV, and in which the aluminum wire comprises an addition of rubidium carbonate. Welding was carried out in a protective argon atmosphere. To obtain the oscilloscope trace, again a high voltage of 150 volts was used in open circuit.
Under these conditions, it can be seen that the reignition voltage peak is effectively reduced and that it does not exceed 75 volts. Thus, by supplying the arc with an additive material according to the invention, it can be started and maintained with a normal low voltage of 75 volts in open circuit. It will be noted, in particular by referring to the oscillograms, that the effect produced by the addition material must exist at the same time on the electrode and on the work, in order to allow the re-ignition of the arc. at low voltages in open circuit.
Therefore, when the action or effect of the emitting agents on the cathode is mentioned here, it should be understood that this action or effect prevails both at the electrode and at the work. , which function alternately as the cathode during the successive half-periods. When a less easily ionizable protective gas, such as helium, is used, substantially the same effect as that illustrated in FIG. 11, due to ionization, in the atmosphere of the arc, of the emission agent. Not all additive materials work equally effectively on articles and electrodes of various compositions.
Although the principles or theory of operation of the invention have not yet been fully elucidated, the manner in which the invention produces its effects may be explained as follows, this explanation having been shown
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useful in practice as a guide to determining the addition and emission materials to be used to achieve the desired results in welding a work of a given material and using a one-piece electrode. given base metal.
The additive materials of the invention are materials which decompose (in the case of a compound) to liberate a metallic agent or emitting element, exhibiting a high rate of operation and a low potential of operation. ionization, which is electropositive with respect to the base metal of the cathode and which produces a thin film on all or part of the cathode surface (electrode and work) during the welding operation. The coating by deposition of an electropositive metal on a relatively more electro-negative metal produces a noticeable lowering of the operating rate of the complex surface, resulting in an increase in thermionic emission at the temperature of the welding electrode.
When, during the quenching and re-establishment of the alternating current arc, the increase in thermionic emission thus provided is greater than the emission of the transition incandescent discharge arc, the arc becomes re-ignites easily at low voltages in open circuit. The phenomenon is believed to take place as follows.
The compound containing the emitting agent or element (assuming the emitting agent is added to the arc as a compound) is reduced or dissociated and releases the emitting agent in the metallic state in or on the molten portion of the welding cathode (surface of the metal wire or the work). The emitting element diffuses towards the surface of the molten cathode and (or) migrates onto said surface to form a complex, high emission cathode weld surface.
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thermionic. It appears that the fully activated surface will correspond to a mono-atomic layer of emitting agent ions which covers a large portion of the cathode surface.
This thin layer of the emitting element is held on the surface by forces of attraction so high that a noticeable evaporation begins to take place only when a good temperature is reached. above the boiling point of the emitting element, although excess amounts of this element may evaporate at low temperature to leave the thin layer of the element deposited on the surface of the cathode.
It should be noted that the temperatures of the welding arc, under normal operating conditions at atmospheric pressure, are higher than the decomposition temperatures of most compounds. It is believed that the mono-atomic layer formed by the atoms of the emitting element are absorbed as ions on the surface of the base metal cathode and the forces which tend to hold it in place are greater the greater the ionization potential of the the emission element is lower;
it would appear that the ionization potential of the emitting element must be less than the operating rate of the base metal of the cathode, but, in practice, and probably because it is difficult to determine with precision the operating rate, it has been found that the ionization potential of the emitting metal little (sometimes be one and a half times higher than the values in electro * volts given by reliable experimenters for the operating rate of the base metal.
In general, the emitting element should be electro-positive with respect to the base metal; the rate of operation
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of the complex surface is all the lower and its thermionic emissivity all the higher as this difference has its greatest positive value, and the operating rate is all the higher and the thermionic emissivity all the more low that this difference tends towards zero and becomes negative.
The ionization potentials of many of the emission elements according to the invention have been determined with reasonable accuracy but, as mentioned above, there are quite large differences in the evaluation of the ionization potentials. rate of operation of the base metal according to the experimenters. A table is given below, taken from the literature, of the ionization potentials of some emission elements, as well as the functional rates of various base metals.
EMI27.1
<tb>
Ionization <SEP> potentials <SEP> Operation <SEP> rate <SEP>
<tb>
<tb>
<tb> of thermionic <SEP> emission <SEP> agents
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> electron-volts) <SEP> of <SEP> metals <SEP> of <SEP> base
<tb>
<tb>
<tb> (in <SEP> electro <SEP> volts)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lithium <SEP> 5.37 <SEP> Magnesium <SEP> 3.78
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Sodium <SEP> 5.12 <SEP> Aluminum <SEP> 4.08
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Potassium <SEP> 4.32 <SEP> Copper <SEP> 4.33
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Rubidium <SEP> 4.16 <SEP> Iron <SEP> 4.48
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Cesium <SEP> 3.87
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Strontium <SEP> 5.67
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Barium <SEP> 5.19
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Scandium <SEP> 6.7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Yttrium <SEP> 6.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Lanthanum <SEP> 5.59
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Thorium <SEP> 5,
25
<tb>
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Although cesium appears to provide the best thermionic emission complex surface for any of the base metals listed in the table above, it has a low boiling point and is not well retained on the base metals. high boiling base metals such as iron under the conditions of the welding operation. Cesium very effectively increases the thermionic emission of lower boiling point metals, such as aluminum. Barium, strontium, lanthanum and cerium were to be expected to be much more efficient thermionic-emitting complex surface emitters with iron than with aluminum, and this is what experience has shown.
Emitting agents which have the lowest ionization potentials are particularly advantageous when used with shielding gases, such as helium, which exhibit relatively poor ionization properties.
Usually, only the emission agent intended to enter into the composition of the complex surface can be selected when applying the invention to practical operations, since the base metal of the cathode is determined by composition of the wire electrode or that of the work, which in turn is determined by the type of weld to be made or the type of work to be welded. In addition, the surface of the cathode should operate at a temperature between the melting and boiling points of the wire compositions, so that the metal of the wire electrode can melt and be transferred within the range of. arc burst and deposited in molten weld metal on the work.
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It should be taken into consideration that welding arcs normally operate at substantially atmospheric pressure, as the boiling point of the emitting agent must be high in order for it to remain intact on the surface of the cathode. for a sufficiently long time, and the temperatures and boiling points to be considered should therefore be those at atmospheric pressure.
Because the additive material is continuously arced, the emitting element present on the complex cathode surface is continually renewed and therefore does not need to have a long active life. ve; emitting agents whose boiling point is much lower than the temperature of the solder cathode can, if continuously supplied to the arc, act to keep constantly active a complex surface of the cathode. thermionic emission, although the base metal of the cathode is quickly removed or added during the welding operation by the transfer of metal from the wire electrode onto the weld deposit formed on the work.
The activation treatment (reduction or decomposition of the additive when it is in the form of compound and migration of the emitting element over the surface of the cathode into a monoatomic layer) must take place while that the wire electrode is advanced in the arc. It is important that the chosen emitting element can be maintained in a thin layer adsorbed on the base metal at its welding temperature, because it is at this temperature (comprised between the melting point and the base metal temperature. boiling of the base metal) that the surface of the solder cathode works and that, as a result, the complex surface
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must act.
When the additive is supplied to the arc as a compound, the latter must not be so stable that it cannot decompose at least in part to release the emitting element or metal at the surfaces of the arc. arc electrode; moreover, when a compound is used, it should preferably not readily dissociate to the point of allowing complete evaporation of the emitting element before it can reach the surface of the cathode for adsorbing thereon. in the form of ions. When the additive is in the form of a compound, it can be considered to consist of an "effective" part which is the emitting element and of a "carrier" part which is the element. or group which transports the emitting element to its place in the complex surface.
To illustrate the effect of complex cathode surfaces in controlling and improving thermionic electronic emission in the welding arc, the graph of FIG. 9, on which we plotted on the ordinate (in amperes per cm3) the thermionic emission rates of two base metals (aluminum and iron) and of two emission agents (cerium and barium) as a function of the temperature in degrees Kelvin, carried in abscissa. The curves relating to the emission of cathode surfaces comprising cesium and barium have also been shown. It is understood that these curves are given purely by way of illustration of the invention, with a view to showing the improvement in the thermionic emission and that they are not quantitatively exact.
They qualitatively illustrate the relationship between the heat emission rates of various surfaces, but the quantitative relationships
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tives shown are not exact, since the operating rate of a complex cathode surface varies with the composition of the base metal, as well as with the emission element adopted. 'a complex surface area is smaller than that of the base metal or the emitting element per se.
Although the metal or coating emitting agent is maintained in a layer adsorbed to the base metal well above its boiling temperature, if sufficiently high temperatures are reached , the adsorbed layer is lost too quickly due to evaporation and, in this case, the thermionic emission is sensibly identical to that of the base metal alone. The emissivity curve of refractory and thermionic metallic tungsten and that of thorium oxide on tungsten have also been shown. The melting and boiling points of aluminum and iron are shown at the top of the graph.
Since the welding arc electrode temperatures for these materials must be within the stated limits during the inert gas welding operation carried out in accordance with the invention, it is evident that cesium would be. more effective in promoting thermionic emission on aluminum, and barium more effective on iron.
Although it is presently preferred to practice the invention by applying or incorporating the additives on or in the surface of the wire electrode, adding these materials to the composition of the wire at the time of its manufacture, they can also be added to the arch in other ways.
Fig. 6 schematically shows one of these variants, in which the adducts are continuously incorporated into the gas stream.
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protection. An electrode 60 made of untreated metal wire is presented in the operating position relative to a work 62 by means of a welding gun 61. As in the case of the apparatus shown in FIG. 1, the wire 60 is fed from a spool 65 and pulled under the action of an advance mechanism 63 driven by a motor and it is pushed through a sheath 64 to the gun 61.
Welding current is supplied by a conventional AC transformer 66. One of the terminals of this transformer is connected to the gun 61 through the intermediary of a contactor 67 and conductors 68 and 68 '.
The other terminal of the transformer is connected to the work 62 by a conductor 69. The welding current is transmitted to the electrode 60 inside the gun 61 by a contact tube, in the same manner as in the. case of the gun of figure 2. The gun can be cooled with water, as indicated by the cooling water connections provided on its nozzle; it is held in a fixed support comprising a split sleeve 70 provided with a pinion which can be rotated. by means of a handwheel 71. A rack 72, fixed to the barrel of the gun 61, is in engagement with the pinion so as to allow the gun to be adjusted vertically within the split sleeve. Fig. 7 shows in detail the construction of the lower part of the gun 61.
The wire advances through the inner cylinder 75 and through a contact tube 76 which transmits the welding current to the electrode 60. The welding current is brought to the top of the gun by the lead 68 'and conducted through the parts. metal guns up to the contact tip 76.
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Shielding gas is supplied separately. a bottle 80 of compressed gas (fig. 6). It leaves it through the usual valve 81. the regulator 82 and a flow meter to arrive in a conduit 84 which discharges it into a vibratory powder distribution device (this
EMI33.1
The device is described in detail in U.S. Patent No. 2,549,033).
It basically comprises an April 1951 hopper from which powdered material is supplied \. by a vibratory distribution mechanism. The powder material is entrained by the stream of inert gas when the latter, introduced into the device through pipe 84, leaves it through pipe 86. The gas containing the powdered material in suspension passes through it. through the conduit 86 of the powder distributor 85 to the gun 61. In this variation of the invention, the additive material is supplied in the form of a dry powder introduced into the shielding gas stream.
The latter, entraining the powdered material in suspension, flows through channels provided for this purpose in the gun and leaves the annular nozzle 89 (fig. 7) in the form of a non-turbulent stream, surrounding the tube of contact 76. The additive material suspended in the shielding gas penetrates the arc region to provide the stabilizing substance with low ionization potential therein and to impart to the cathode surfaces of the arc the protective substances. thermionic emission prieties described above.
The powder dispenser 85 may of course take any suitable shape other than that of the example shown, provided that a continuous supply of the powder to the arc is ensured.
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Example V.
In the following, an example of the mode of operation and the results of the invention will be described in the case where the additive material is supplied to the arc in the form of a powder suspended in the shielding gas. tion. This involves welding a 9.5mm thick mild steel plate using 1.6mm untreated wire electrode. in diameter, of the same composition. A protective gas shield is provided by supplying argon at a flow rate of 2.12 m3 per hour, through a 2.5 cm nozzle. of diameter. Barium oxide is supplied to the arc as a fine powder suspended in the shielding gas. With an open circuit voltage of 75 volts, a current of 300 amps and an arc resistance of 19 volts, the consumption rate of the untreated wire is 3.30 meters per minute.
The speed of progression of the weld is 25 cm. per minute .
By carrying out the operation as indicated, we have a stabilized arc capable of operating at a low AC voltage of 75 volts in open circuit.
Good metal transfer by spraying is observed with satisfactory control.
Example VI.
A similar test was carried out using helium as a shielding gas supplied at a flow rate of 2.83 m3 per hour through a 2.5 cm nozzle. of diameter.
Barium oxide is supplied to the arc in the form of a fine powder suspended in the gas, as above. With an open circuit voltage of 75 volts, an arc current of 270 amps and an arc voltage of 30 volts, the wire consumption speed is 3.80 m. per minute.
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By carrying out the operation as indicated, we have a stabilized AC arc capable of operating at a low AC voltage of 75 volts. There is a transfer of the metal in the form of droplets with good control. There is an average amount of splashing and the weld bead is almost flat,
In addition to the above-described methods of introducing additive material for the purposes set forth herein, it has been found that this material can be placed on an auxiliary load wire which is supplied for soldering, or else although it can be placed directly on the work.
Fig. 8 shows an apparatus using an auxiliary load wire, to which additives of the type described above have been applied.
The wire electrode 90 (Fig. 8) is fed from a spool driven by a motor driven mechanism 92, as in the previous embodiments.
In this case, the electrode consists of a bare wire, clean, untreated, which is supplied to the welding gun 94 in a gafne 93. The gun may be of the type described with regard to figs 6 and 7. welding is provided by a welding transformer 100. One of the terminals of the latter is connected to the gun by a conductor 101, a contactor 102 and a conductor 103. The current is transferred to the wire electrode 90 at the same time. 'inside the pistol 94.
The other terminal of the transformer is connected to the structure by a conductor 104, The shielding gas is supplied to the gun from a compressed gas cylinder 110, via the usual valve! Il, a regulator 112, a flow meter 113 and pipe 114. The gas
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The protective shield exits the gun nozzle as a non-turbulent current that surrounds the arc end of the electrode, the arc and the weld pool. A second wire feed device is employed here for supplying the weld with a filler wire 119 the body of which contains the additive material, or the surface of which is coated with said material. This treated wire is not energized and does not constitute an electrode.
It is supplied independently to the region of the arc where it is melted. in the welding bath by the heat of the arc. The device for advancing the wire may be the same as that which advances the wire electrode. It comprises a spool 120 and a mechanism 121 driven by a motor which unwinds the wire from the spool and pushes it into a sheath 122 towards the weld zone. A mount 123 supports the sheath 122 near the torch and guides the wire. load wire 119 in the weld bead. The best results are obtained by supplying the wire 119 to the weld zone so that its end touches the work at the edge of the weld pool and is consumed by melting in this bath before arriving directly under the arc.
Example VII
The following example shows the effect produced on an alternating current welding arc under the protection of an inert gas, with addition made to an auxiliary load wire. By means of the apparatus of FIG. 8, a 1.6 mm diameter mild steel wire electrode and argon as inert gas, supplied at a flow rate of 2.12 m 3 per hour, through a 2.5 cm nozzle, were used. of diameter.' The work consists of a mild steel plate,
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9.5 mm. An auxiliary load wire, consisting of a 1.14 mm steel wire. in diameter and treated with barium oxide, as described in Example 1 for the treatment of a 1.6 mm steel electrode wire. in diameter using rubidium carbonate.
The auxiliary wire is advanced into the arc where it melts in the weld pool and supplements the weld metal supplied by the consumable electrode. By starting the arc and adding this barium oxide treated wire, solder at a rate of 2.28 meters per minute, at a voltage of 75 volts in open circuit, an arc voltage of 29 volts and an arc current of 370 amperes, the wire electrode is consumed at the rate of 8.13 meters per minute, the rate of progress of the weld being 25 cm. per minute.
By carrying out the operation under these conditions:!, We have an arc stabilized in alternating current, operating at a low voltage of 75 volts in open circuit. A good transfer of metal by spraying is observed with a fairly good setting.
When the barium oxide is supplied as an addition to the auxiliary load wire as above, it is not possible to strike the arc in the usual manner.
This is because the additive material of the load wire does not act to promote emission or to stabilize the arc, until it has been melted or the arc has not. is not primed. Satisfactory initiation is obtained by coating a small area of the work at the starting point of the weld with an alcoholic solution of the stabilizing material. Once the arc has struck, it is maintained without interruption due to the continuous advance of the treated auxiliary load wire.
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Example VIII
The invention can also be practiced by applying an additive material directly to the plate. For example, by means of the apparatus of fig. 1, o applies with a brush a slurry of rubi- dium carbonate and alcohol on an area of the mild steel plate 9.5 mm thick. . welding. Welding is performed with 1.6mm untreated mild steel wire. of diameter. Argon is supplied as inert shielding gas at a flow rate of 2.12 m3 per hour through a 2.5 cm base. of diameter. With an arc current of 310 amps and an open circuit voltage of 75 volts, the wire consumes at the rate of 6.35 meters per minute.
The welding progress speed is 25 cm. per minute.
By carrying out the operation under these conditions, we have in alternating current a stabilized arc operating at a low voltage of 75 volts in open circuit. Good metal transfer by spraying is observed with good control. The weld seam is well rounded.
Of course, the invention is not limited to the embodiments described and represented, which have been given only by way of illustration and not by way of limitation.