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SOUDAGE ELECTRIQUE A L ARC.
La présente invention concerne les procédés et les appareils de soudage électrique à l'arc et, plus particulièrement de soudage en gaz inerte avec une électrode consommable ou de dépôt.
L'objet de l'invention peut être considéré. tout au moins dans certains de ses aspects, comme un perfectionnement obtenu et utile aux procédés et appareils de soudure à, l'arc en gaz protecteur du genre décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 2.504.868 du 18 avril 1950. 2.544.711 du 13 Mars 1951 et 2.544.801 du 13 Mars 1951.
Le nouveau procédé objet de l'invention comprend, d'une manière générale, l'introduction dans un arc de soudage avec électrode con- sommable en gaz inerte de protection, d'une ou plusieurs substances qui agissent pour modifier,, d'une manière et dans une mesure désirée prédéter- minée,, 1 équilibre thermique entre les électrodes, c'est-à-dire la quanti- té de chaleur libérée ou produite à la cathode pendant l'opération de sou- dage, par rapport à la chaleur libérée ou produite à l'anode pendant cet- te même opération. On peut ainsi régler l'équilibre thermique dans un pro- cédé de soudage à l'arc en gaz inerte.
Selon d'autres caractéristiques du nouveau procédé de l'invention, on ajoute à l'arc de soudage une ou plusieurs substances qui agissent pour améliorer les caractéristiques de transfert du métal de l'électrode consommable à l'ouvragé ou pièce à souder, pour améliorer aussi la stabilité de l'arc, et pour régler ou modifier d'une manière désirée ceux des facteurs de l'arc de soudage qui déterminent la vitesse, le rendement et la facilité de l'opération de soudage et les caractéristiques de la soudure obtenue.
Le nouvel appareil selon l'invention comprenq, d'une ma- nière générale, de nouveaux dispositifs et éléments et des combinaisons nouvelles de ces dispositifs et éléments conçus pour la mise en oeuvre
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des nouveaux procédés mentionnés ci-dessus..
Les brevets des Etats-Unis d'Amérique Nos 2.504.868. 2.544.711 et 2.544.801 déjà cités. décrivent une opération de soudage dans laquelle on avance continuellement un fil-électrode dans un arc de soudage protégé par-un gaz et maintenu entre l'électrode et la pièce à souder, une plaque par exem- ple. le courant de soudage fourni à l'arc étant au moins suffisant pour con- sommer l'électrode au fur et à mesure qu'elle se présente dans l'arc et à en transférer le métal de soudure déposé sur la plaque pour former une soudure industrielle satisfaisante, le courant étant aussi fourni à une densité éle- vée suffisante pour donner un dépôt unis fortement adhérent et uniforme ou un transfert par "pulvérisation" du métal de l'électrode à là soudure.
(V. le brevet des Etats-Unis d'Amérique No. 2.504.868)précité. Le gaz protec- teur est essentiellement un gaz inerte. Par l'expression gaz inerte protec- teur utilisée dans le cours de la présente description, on entend les gaz mo- no-atomiques, ou leurs mélanges, tels que l'hélium et/ou l'argent et qui peuvent contenir de petites proportions d'autres gaz qui n'en altèrent pas sensiblement les caractéristiques ou propriétés protectrices, et sont, de préférence fournis sous la forme d'un courant non turbulent ou laminaire de raideur suffisante pour exclure de l'arc en principe toute trace de l' atmosphère ambiante. Un tel arc constitue une décharge électrique dans une atmosphère gazeuse contrôlée.
L'espace de jaillissement de l'arc est ioni- sé et les ions gazeux positifs produits sont entraînés par la différence ou gradient de potentiel vers la cathode à laquelle ils cèdent leur éner- gies ou bien ils¯sont neutralisés par les électrons émis par cette cathode.
La vapeur métallique formée dans la région de l'arc par la vaporisation de 1'électrode:, de la plaque à souder ou de toute source telle qu'un fil mé- tallique de charge, s'incorpore au gaz dans la zone de jaillissement de 1' arca de sorte que l'atmosphère dans laquelle a lieu la décharge électrique et le transfert du métal du fil-électrode à la plaque, est constituée par un mélange de gaz inerte protecteur et de vapeur métallique, tandis que la totalité de l'air, de la vapeur d'eau et des autres constituants de l'at- mosphère ambiantes sont en principe exclus par l'écran de gaz inerte.
Etant donné qu'il n'y a pas de flux de soudage, l'air atmosphérique ou les impuretés similaires présentes. comme ce serait le cas pour le soudage dans l'air, sous flux submergeant ou avec des électrodes enrobées, les caracté- ristiques de l'arc. pour une pression constante, dépendent uniquement des caractéristiques des métaux de la plaque et de l'électrode, et du gaz inerte de protectiono
Conformément à l'invention, on a constaté qu'en introduisant certaines substances d'addition dans l'arc (en plus du métal qui est fondu pour former le cordon de soudure, et de ses vapeurs, et en plus du gaz iner- te protecteur) l'équilibre thermique et/ou certaines caractéristiques de 1' arc de soudage peuvent être réglés ou modifiés avantageusement.
Ces substan- @ ces d'addition sont choisies et introduites dans l'arc de telle sorte qu'on abaisse le taux de travail de la cathode pour modifier l'équilibre thermi- que (la chaleur produite ou libérée à la cathode par rapport à celle produi- te ou libérée à la cathode par rapport à celle produite ou libérée à l'ano- de) d'une manière prédéterminée, et dans une mesure également prédéterminée, pour produire un foyer de cathode stable et concentré. On pense qu'à l'endroit du fil la concentration du foyer de cathode, de cette manière, améliore le transfert du métal tant que les gouttelettes, dues à la pulvérisation du mé- tal fondu, lorsqu'elles quittent le fil, restent complètement immergées dans le plasma.
De la sorte, les matières d'addition selon-l'invention peuvent agir pour stabiliser l'arc et améliorer les propriétés de transfert du mé- tal de l'arc (par exemple, elles favorisent le transfert du fil à l'ouvra- ge, par pulvérisation); elles peuvent aussi modifier d'une manière prédéter- minée les facteurs tels que la vitesse de consommation du fil, la pénétra- tion, les dimensions et le contour du cordon de soudure.
On pense que la chaleur libérée ou produite à la cathode dans le soudage à l'arc en gaz inerte protecteur- est, dans une large mesure,
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le résultat du bombardement de la cathode par des ions positifs. Lorsque la cathode est de nature telle qu'elle émette thermioniquement des électrons, en quantité relativement grande,, à sa température de soudage. on pense que les ions positifs sont neutralisés dans une large mesure avant d'atteindre la cathode; la chute de tension de cette dernière est faible et son bombar- dement et la production de chaleur sont réduits à un minimum.
Lorsque la cathode est un émetteur thermionique médiocre d'électrons à sa température de soudage, le bombardement par des ions positifs est plus intenses sa chute de tension est plus forte et des quantités relativement importantes de chaleur sont produites à la cathode.
On a constaté que, lorsqu'on utilise comme cathode dans le soudage à l'arc une matière qui est un bon émetteur thermionique d9élec- trons à sa température de soudage,, elle constitue une cathode très effica- ce à faible chute de tension et à faible libération de chaleur. Ceci peut être attribué au fait que le bombardement par ions positifs qui est censé produire la majeure partie de la chaleur libérée à la cathode, est relati- vement faible ou limité dans le cas de matières thermioniques. Ces matiè- res émettent, à leur température de soudage, avec une faible chute de ten- sion à la cathode, tous les électrons dont l'arc a besoin.
Cet effet limi- teur n'existe pas dans le cas d9émetteurs thermioniques relativement médie- cres, ou de matières à "cathode froide ', qui comprennent presque tous les matériaux métalliques industriels courants tels que l'aluminium. le cuivre. le nickel, le fera le magnésium. le titame, etc.. et leurs alliages,, sou- dés normalement dans l'industrie en grandes quantités.
En considérant la question d'un point de vue simplifié. si une matière à cathode froide est utilisée comme cathode de l'arc. elle constitue une cathode inefficace et il en résulte que. dans le soudage à l'arc en gaz inerte avec des électro- des en matière à cathode froide, le bombardement de la cathode par ions positifs est intense et la chaleur libérée à cette même cathode est impor- tante. en comparaison avec des cathodes en matière thermionique qui sont relativement efficaces et donnent lieu à une faible libération de chaleur.
Il est à peu près indifférent, en ce qui concerne la libé- ration de chaleur à l'anode de l'arc. que cette anode soit constituée d'une matière thermionique ou d'une matière à cathode froide. On a constaté que la libération de chaleur à l'anode est intermédiaire entre la forte libé- ration de chaleur à une cathode constituée par une matière à cathode froi- de et une cathode constituée par une matière thermionique.
Il existe une autre différence importante entre le fonc- tionnement d'une cathode thermionique comparé à une cathode froide, dans le soudage à l'arc en gaz inerte. Etant donné que la cathode thermioni- que émet facilement et abondamment des électrons, du fait de sa tempéra- ture, elle continue à émettre ces électrons même après que l'arc est éteint par suite de l'inertie thermique de la température de l'électrode.
Etant donné que l'émission d'électrons par une matière à cathode froide ne dépend pas d'un effet thermique, la fourniture d'électrons cesse immé- diatement lorsque le courant est interrompu. On a constaté que les matiè- res thermioniques donnent des arcs plus stables en soudure à l'arc avec électrode consommable en gaz inerte. Lorsque l'arc est éteint, la cathode thermionique continue à fournir des électrons, du fait de sa température. pour produire un réallumage facile de l'arc à basse tension en circuit ou- vert. Les matières à cathode froide exigent une très forte tension en cir- cuit ouverte suffisante pour établir une décharge incandescente, avant de réamorcer l'arc après qu9il a été éteint.
La présente invention permet de modifier les matières qui constituent l'électrode de soudage, dans le soudage à l'arc en gaz iner- te, pour donner des caractéristiques d'arc thermiques et électriques qui sont similaires aux caractéristiques thermiques èt électriques des matiè- res thermioniques à électrodes de soudage, ou qui se rapprochent dans une mesure prédéterminée de ces caractéristiques, aux températures qui appa- raissent dans l'arc de soudage à électrode consommable en gaz inerte.
Les
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caractéristiques électriques et thermiques d'un arc de soudage en gaz inerte entre des électrodes formées de matières à cathode froide sont ainsi ré- glées, ce réglage étant accompli de préférence par addition de matière à l' arc pour modifier la chaleur produite ou libérée à la cathode par rapport à celle produite ou libérée à l'anode, c9est à dire pour déplacer l'équili- bre thermique de l'arc. On a constaté que les additions de matières peuvent être faites en trèspetites quantités par rapport à la quantité de métal dé- posé à la soudure, ou de fil-électrode consommé.
La matière ajoutée peut l' être en quantités assez petites pour n'affecter que les caractéristiques é- lectriques et thermiques de l'arc. Alors qu'elle peut avantageusement modi- fier ou régler la dimension et la forme du cordon de soudure, elle peut, si on le veut, être choisie et utilisée en petites quantités telles qu'elle n9ait aucun effet sensible ou appréciable sur la composition chimique du mé- tal de soudure, ou aucune réaction appréciable avec le métal à souder.
Les arcs de soudage auxquels sont faites les additions se- lon l'inventions sont ceux dont l'atmosphère ou l'ambiance est sensiblement "stérile" et consistent essentiellement en gaz inerte protecteur et en va- peurs ou dégagements métalliques de l'électrode et de la pièce à souder.
Le courant de gaz inerte protecteur dépourvu de turbulence exclut sensible- ment l'atmosphère ambiante de cet arc de soudage et, comme le procédé de soudage considéré n'utilise pas de flux, les caractéristiques électriques et thermiques dudit arc ne dépendent que de celles du gaz protecteur et du - métal des électrodes. Les arcs de soudage avec électrode nue, en atmosphè- re stérile et sans flux, de cette nature, ont des propriétés électriques et thermiques différentes de celles des arcs de soudage dans l'air, .
@ . des arcs formés sous flux submerbeant. ou de ceux formés avec les électrodes usuelles enrobées d'un flux. On a consta- té, conformément à l'invention, que les caractéristiques électriques et thermiques de ces arcs de soudage avec électrode consommable en gaz inerte' protecteur peuvent délibérément être modifiées et réglées pour réaliser des types de soudage nouveaux et perfectionnés.
L'ambiance de gaz inerte stérile, relativement pure, fait que les substances de réglage ajoutées agissent sur' ou avec, on modifient les surfaces=électrodes de l'arc et/ou. - l'atmosphère de l'arc de la manière et dans la mesure désirées, sans amoin- drissement de l'effet avantageux du gaz inerte de protection et sans ré- duire les possibilités du réglage, ou sans modification préjudiciable des propriétés électriques et thermiques qui pourraient résulter de la présen- ce d'impuretés telles que l'air ou les flux et enrobages présents dans le soudage usuel dans l'air, sous flux submergent, et avec des électrodes en- robéeso
L'invention a notamment pour but de fournir des moyens applicables industriellement pour déplacer l'équilibre thermique, dans une mesure choisie,
de l'arc de soudage en courant continu avec électrode con- sommable et en gaz inerte protecteur. Les arcs de soudage en courant conti- nu sont, bien entends., de deux types: les arcs à polarité directe dans les- quels le fil-électrode est la cathode de'l'arc et les arcs à polarité inver- se dans lesquels la plaque ou ouvrage est la cathode de l'arc.
L'invention a aussi pour buts: - de fournir des moyens d'améliorer les caractéristiques de transfert de métal et la stabilité de l'arc de soudage en courant continu avec électrode consommable en gaz inerte; - d'obtenir une meilleure stabilité de l'arc dans le soudage en gaz inerte de protection, particulièrement avec des gaz inertes à pro- priétés d9ionisation relativement médiocres, tels que l'hélium;
- de fournir des moyens pour modifier et régler les fac- teurs qui interviennent dans le soudage à l'arc à électrode consommable en gaz inerte, tels que la dimension du cordon de soudure, sa forme et la pénétration, la vitesse de dépôt du métal de soudure de l'électrode
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consommable à la plaque (taux de consommation), la quantité du métal de la plaque fondue dans 1?unité de temps,.
la dimension et la forme du cratère de soudure et du bain de soudure sur la plaque, et d'autres facteurs simi- laires qui concernent la vitesse et la facilité de l'opération et les ré- sultats du procédé de soudure à 1?arc en gaz inerteo
D'autres buts,, avantages et résultats propres à l'invention ressortiront pour les spécialistes de la description et des explications détaillées données dans ce qui suit à propos de réalisations de l'inven- tion qui paraissent actuellement préférables, et en se reportant aux des- sins annexés dans lesquels
La figure 1 représente un schéma d'un appareil de mise en oeuvre de l'invention;
la figure 2 est une coupe verticale qui montre les détails de construction d'un pistolet à main pour le soudage à l'arc en gaz iner- te et utilisé dans l'appareil de la fige 1 ; la figura 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 2; la figure 4 est un schéma illustrant un procédé et un appa- reil pour effectuer des additions à un fil électrode de soudage, aux fins visées par la présente invention;
la figure 5 montre à échelle quelque peu agrandie, le fil de soudage tel qu'il se présente pendant les diverses phases de l'opéra- tion illustrée à la fig. 4; la figure 6 est une section transversale d'un cordon de sou- dure obtenu selon l'invention; la figure 7 est une section transversale d'un cordon de sou- dure comparable à certains égards à celui représenté à la fig.6. mais dé- pourvu des avantages selon l'invention; les figures 8 à 12 sont des graphiques montrant la vitesse de consommation du fil en fonction du courant de soudage pour divers fils- électrodes avec et sans introduction de matières d'addition dans l'arc selon l'invention;
la figure 13 montre qualitativement le taux d'émission ther- mionique de la cathode porté en ordonnées logarithmiques.pour les tempéra- tures de cathode en degrés Kelvin portées en abscisses, pour certaines ma- tières de cathode et des surfaces de cathode complexes. afin d'illustrer le principe de l'invention; la figure 14 montre une autre réalisation d'un appareil de mise en oeuvre de l'invention; la figure 15 est une vue à plus grande échelle, partielle- ment en coupe et avec arrachement, du pistolet de soudage utilisé avec l' appareil de la fig. 14; la figure 16 montre une autre variante d'un appareil propre à la mise en oeuvre de l'invention;
la figure 17 montre la libération relative de chaleur aux bornes d'arcs de soudage en gaz inerte, en courant continuo
Sur la fig. l, l'ouvrage ou plaque à souder est indiqué en 21. L'électrode de soudage 22 est fournie de préférence sous forme d' une grande longueur de fil débitée par une bobine 23 montée dans un bâti 24. Un mécanisme 25 commandé par moteur tire continuellement le fil de la bobine et le pousse, à une vitesse égale à la vitesse de consommation de l'électrode, dans une gaine flexible 26vers un pistolet de soudage 27.
Ce pistolet et la gaine sont montrés en détail par les figso 2 et 3. En brefs le pistolet comprend un tube interne 30 dans lequel est déplacé le
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fil-électrode.
Ce dernier entre dans le tube 30 en sortant de la gaine 26 et il est amené au tube de contact 31 auquel est fourni le courant de soudage. Le fil pas- se de ce tube de contact directement à l'arc où il est fondu ou consommé et il est déposé dans le bain ou cratère de soudure sur la plaque. Un cy- lindre extérieur 32 qui se termine par une buse 33 entoure le tube inté- rieur 30 et le tube de contacta et l'espacer annulaire entre le cylindre ex- terne et le tube internes et entre la buse et le tube de contacta consti- tue un conduit pour l'écoulement du gaz inerte de protection jusqu'à la ré- gion de l'arc. Le dispositif d'alimentation en gaz sera plus complètement décrit ci-après. le gaz étant amené par la gaine 26 au conduit du pistolet.
Le gaz sort de la buse sous forme d'un courant dépourvu de turbulence, de façon à constituer un écran pour l'extrémité de l'électrode. pour l'arc et pour le bain de soudureDes moyens préférés pour former un écran de gaz sen- siblement dépourvu de turbulence sont décrits dans les brevets des Etats- Unis d'Amérique Nos 2.544.711 et 2.544.801 précitésLe pistolet de la fige 2 est pourvu d'une poignée 35 qui a la forme d'une crosse de pistolet et qui contient un interrupteur de commande actionné par une détente 37.
Cet inter- rupteur est de préférence connecté pour permettre à l'opérateur de commander le courant de soudage,, l'écoulement du gaz protecteur et le mécanisme de dé- placement du fil.Les conducteurs électriques qui aboutissent à cet interrup- teur 36 et à un interrupteur auxiliaire 38 de commande du mécanisme de dépla- cement du fila sont réunis dans un câble de commande 39. Le courant de sou- dage est amené au pistolet par le câble de soudage 40.
Le courant de soudage peut être fourni par une génératrice classique à courant continu 45 dont une des bornes est connectée à l'ou- vrage par un conducteur 47 et 19 autre est connectées par un conducteur dans le câble 40. au pistolet et au tube de contact qui le transmet au fil=électrôde. Un contacteur 46 est de préférence prévu pour ouvrir et fermer le circuit de soudage.
Le gaz inerte de protection est fourni en partant d'une bouteille de gaz sous pression III pourvue d'un robinet 50. d'un détendeur 51 et d'un débit-mètre 52. Un tuyau 53 amène le gazà l'extrémité arriè- re de la gaine 26.
Lorsqu'on effectue une opération de soudage. l'écoulement du gaz de protection est d'abord établi avant d'amorcer l'arc. Le méca- nisme d'avancement du fil peut être mis en action avant ou après que le courant de gaz a été établi. On touche alors l'ouvrage avec l'électrode et on la retire pour faire jaillir l'arc. Le mouvement d'avancement du fil est mis en route en même temps qu'on fait jaillir l'arc de soudage. ou immédiatement avant, et le fil avance continuellement vers l'ouvrage à une vitesse propre à maintenir Parc. Le mode de fonctionnement conve- nable de l'appareil des figs. 1,2 et 3 est décrit en détail dans le bre- vet des Etats-Unis d'Amérique N 2.504.868. précité.
Comme déjà indiqué, l'invention peut être utilisé pour ré- gler la quantité de chaleur libérée à l'une des bornes d'un arc de sou- dage avec électrode consommable en gaz inerte, par rapport à la chaleur libérée à 1?autre borne de ce même arc. Dans le soudage à l'arc en gaz iner- te de métaux industriels courants ou de métaux à cathode froide, lorsque l'ouvrage constitue la cathode de l'arc en courant continu dont l'anode est constituée par l'électrode consommable (c'est à dire en polarité inver- se), la chaleur libérée à l'ouvrage est beaucoup plus considérable que celle libérée par le fil.
En introduisant en très petites quantités certaines matières dans l'arc, et de la manière qui sera plus complètement décrite ci-après, l'invention permet dans les opérations à polarité inverse et, toutes choses égales d' ailleurs, de déplacer l'équilibre thermique de toute quantité désirée vers l'autre condition extrême dans laquelle la chaleur dans le fil dépasse con- sidérablement celle dans l'ouvrage.
De même, dans le soudage à l'arc des
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métaux industriels courants, lorsque le fil-électrode constitue la cathode. et que l'ouvrage constitue l'anode (c'est-à-dire en polarité directe) la chaleur libérée dans le fil est considérablement plus grande que la chaleur libérée dans l'ouvrage et ceci au point de rendre, en de nombreux cas, le procédé pratiquement inopérant.
En introduisant dans l'arc certaines matiè- res en quantités et comme on 1?expliquera plus en détail ci-après, l'inven- tion permet, toutes choses égales d'ailleurs, de déplacer l'équilibre ther- mique de toute quantité désirée pour rendre le procédé praticable, en ré- duisant la chaleur dans le fil par rapport à celle dans l'ouvrage. En choisis- sant et en appliquant convenablement les matières d'addition. on peut obte- nir un équilibre thermique dans le procédé de soudure à l'arc en gaz inerte à polarité directe, avec des additions de réglage de cet équilibre, qui se rapproche de l'équilibre thermique obtenu par le procédé à polarité inver- se sans ces additions. On peut ainsi rendre industriellement satisfaire le soudage à l'arc à polarité directe en gaz inerte de protection.
EXEMPLE I.
On a constatée par exemple, qu'on peut effectuer une soudu- re avec un fil-électrode d9acier doux sur une plaque d'acier avec du cou- rant continu en polarité directes avec le procédé et 1?appareil du type dé- crit ci-dessus et représentés par les figs. 1. 2 et 3. en introduisant cer- taines additions dans l'arc, sans atteindre les vitesses excessives de con- sommation du fil qui ont été constatées lorsqu'on n'effectue.pas ces addi- tions. Ces faits sont illustrés par un essai fait avec une électrode d' acier doux de 1,6 mm de diamètre traitée par addition en surface de carbo- nate de rubidium, ce fil traité étant avancé dans 1-lare au moyen de l'ap- pareil du type décrit ci-dessus.
On a utilisé l'argon qualité soudage (pu- reté 99.5%) comme gaz protecteur à un débit de 2,128 m3 par heure dans une buse de 2,5 cm de diamètre pour former un courant de gaz protecteur non turbulent. L'intensité du courant continu en'polarité directe était de 325 ampères.Dans ces conditions, avec une longueur normale d'arc de 5 mm, la vitesse de consommation du fil (vitesse d'avancement du fil) était de 3,80 m par minute et la tension à l'arc était de 20 volts. Afin d'obtenir des résultats d'essai exacts et concluants,. le pistolet de soudage était main- tenu fixe et l'ouvrage était déplacé mécaniquement à une vitesse de progres- sion de la soudure de 25 cm par minute.
On applique au fil le carbonate de rubidium de la manière suivante (Figs- 4 et 5).Le fil est d'abord préparé en le faisant passer en- tre deux galets dont l'un est moleté pour former sur la surface des emprein- tes transversales d'environ 0,12 mm de profondeur et espacées d'en@ron 0,8 mm (fig.5).On prépare une bouillie ou pâte en mélangeant intimement du car- bonate de rubidium sous forme de poudre sèche, avec une certaine quantité d'alcool dénaturée puis on applique cette bouillie ou pâte à la brosse sur la surface du fil et dans les empreintes transversales (Figo4)o Après cette opération, on fait passer le fil dans un manchon de caoutchouc qui l'entoure étroitement pour enlever la bouillie en excès.
L'opération suivante consiste à faire passer le fil entre deux galets à gorge semi-cir- culaire lisse pour égaliser les rugosités de surface provoquées par le galet moleté et inclure de la matière d'addition dans les empreintes. La surface du fil est ensuite essuyée avec un tissu sec et propre pour enle- ver en principe la totalité du carbonate du rubidium, à l'exception de celui inclus ou forcé dans les empreintes de la surface de l'électrode.
L'alcool s9évapore et laisse le fil"sec. Lorsqu9il est préparé comme on vient de le décrire, le fil présente une surface pratiquement nue et con- ductrice de l'électricité et il peut être facilement déplacé dans l'appa- reil de soudage; son aptitude à recueillir 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, il peut absorber une humidité con-
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sidérable lorsqu'il est exposéà une atmosphère humide.
Il peut en résulter une certaine corrosion préjudiciable du fil-électrode qui pourrait gêner le transfert du courant de soudure au fil et qui pourrait aussi produire un coincement mécanique dans le tube de contact du fait de l'accumulation dans ce dernier des produits de la corrosion. De même, l'eau présente (hydrogène) a un effet nuisible sur la qualité du dépôt de soudure et sur la stabilité de l'arc. Ces inconvénients peuvent toutefois être évités en conservant en atmosphère sèche, le fil préparé sec.
L'oxyde de rubidium a sensiblement le même effet que le carbonate sur l' équilibre thermique de l'arc et il n'est pas déliquesent.
Le fil traité par le carbonate de rubidium préparé et uti- lisé comme expliqué ci=dessus donne un bon arc de soudage avec un trans- fert du métal par pulvérisation du fil à 1?ouvrage l'arc ayant à peu près l'apparence de l'arc usuel de soudage en gaz inerte à forte densité de cou- rant et polarité inverse,, avec un fil non traité. Le métal de la soudure fond bien dans la plaque et produit un cordon de soudure bien formé et de haute qualité.
Pour démontrer dans quelle mesure les petites quantités de carbonate de rubidium sur le fil réduisent la chaleur libérée dans ce der- nier lorsqu'il constitue la cathode de l'arc à polarité directe, on a ef- fectué les essais suivants. Un fil-électrode d'acier doux nu et propre de 1.6mm de diamètre Identique au fil décrit ci-dessus mais ne comportant pas d'appli- cation de carbonate ' de rubidium a été de nouveau essayé comme cathode .On a uti- lisé le même appareil que décrit ci=dessus avec la même composition de gaz pro- tecteur et le même débite à savoir 20128 m3 par heure d'argon à grande pure- té .La vitesse de progression de la soudure a été maintenue à 25 cm par minute et l'intensité du courant de .soudage à 325
ampères. Le fil - non traité utilisé dans ces conditions se consomme à raison de 9,98 m par minute et la tension à l'arc est de 28 volts, ce qui est à comparer avec la consommation de 0,38 m par minute et à la tension d9arc de 20 volts obtenues avec le fil traité au carbonate de rubidium. Avec ce dernier fil, la tenue de l'arc était satisfaisante et la soudure obtenue bonne. Avec le fil nu. l'arc était désordonné et flottant. le transfert de métal médiocre (avec des éclaboussures relativement fortes et des grosses gouttes).et le procédé pratiquement inopérant.
La fig. 6 montre une section transversale de la soudure obtenue selon l'invention avec un fil traité au carbonate de rubidium, et la fige 7 montre une section transversale d'une soudure faite.,, pour comparer,dans les mêmes conditions. mais avec un fil nu non traité.
Bien que ces deux vues ne montrent pas complètement la nature défectueu- se du second procédée elles font ressortir l'importance excessive du dé- pôt et la pénétration médiocre. En générale pour obtenir une bonne fusion du métal transféré à l'ouvrage la chaleur libérée au fil ne doit pas ex- céder de plus de 50% celle libérée à la plaque. La différence marquée en- tre le fil traité et le fil non traité, en ce qui concerne la consommation de fil et les caractéristiques de l'arc, parait devoir être attribuée, en partie tout au moins, à l'émisivité thermionique d'électrons de l'acier traité au carbonate de rubidium à la température de soudage, lorsqu'il est utilisé comme cathode consommable de l'arc de soudage en gaz inerte protecteur.
EXEMPLE II On a constaté que des effets similaires peuvent être obte- nus en effectuant des additions selon l'invention à un fil-électrode non ferreux. C'est ainsi que l'aluminium peut être soudé en polarité direc- te, selon l'invention, en ajoutant du nitrate de césium au fil-électrode d'aluminium On a effectué une soudure sur une plaque d'aluminium avec une électrode d'aluminium, en utilisant de l'argon de haute qualité (99,5% de pureté)
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comme gaz protecteur fourni en courant non turbulent à un débit de 2,28 m3 par heure dans une buse de 2,5 cm de diamètre. L'appareil utilisé était le même que celui représenté par les figso la 2 et 3 et déjà décrit.
Le fil-
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électrode avait 1 6 mm de diamètre et il était constitué par de 19a1tminium 43 S et pourvu d'une application d'une petite quantité de nitrate de césium.
La plaque sur laquelle a été déposée la soudure était de l9aluminium 61ST et avait 9,5 mm d9épaisseur. La vitesse de progression de la soudure était de 25 cm par minute. Le nitrate de césium a été appliqué sur le fil exac- tement de la même manière que déjà décrit pour Inapplication du carbonate
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de rubidium sur le fil dae3;ero Dans ces conditions,et avec un courant à l9arc de 220 ampères,,.en polarité directe,,, la consommation du fil (vites- se de déplacement du fil) a été de 4 m par minute et la tension de 16 volts.
Les conditions de formation de la soudure étaient excellentes avec trans- fert par pulvérisation du métal de 19électrode à la plaqueun arc régulier et pas d'éclaboussures. Le réglage de 1?arc était bon (la longueur de 1' arc et la tension sont restées sensiblement constantes). Le cordon de sou- dure était bien arrondi et lisse.
Pour faire ressortir 1?effet de déplacement de 1?équilibre thermique produit par cette addition de nitrate de césium au fil-électro- de d9aluminiuma on a effectué une soudure comparable.\) en polarité direc-
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tep avec une électrode d9aluminium non traitée. On a utilisé le même appa- reil et des conditions de soudage identiques, avec cette différence que 19 électrode d'aluminium non traitée a été substituée à l'électrode traitée
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au nitrate de césium. Le procédé s-Qest révélé inopérant. La vitesse de consommation était excessive; elle était bien supérieure à 12 m par minu-
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teo Le réglage de 19 arc était médiocre., l'arc étant désordonné et les écla- boussures abondantes.
Le cordon de soudure était irrégulier et mal fondu dans la plaque et plutôt posé sur cette dernière et sans pénétration con-
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venable. La tension à Parc était considérablement plus grande qu9avec le fil traité au nitrate de césium mais par suite du mauvais réglage de la
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longueur de lyarc, il a été impossible d'effectuer une lecture certaine de la tension de Parc. La différence significative et concluante entre le procédé avec fil traité au nitrate de césium et le procédé avec fil non traitée consiste en ce que, dans le premier procédé, la vitesse de consom- mation du fil est de 4 m par minute tandis que, dans le seconda elle dépas- se 12 m par minutes ce qui indique une importante différence dans les quan- tités de chaleur libérée dans le fil utilisé comme cathode.
De plus. le transfert de métal dans le premier cas est bon et le procédé utilisable industriellement,, tandis que dans le second cas le transfert est médiocre et le procédé inutilisable à des fins industrielles.
EXEMPLE III.
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Cet exemple concerne un autre cas d'application de lyinven- tion aux métaux non ferreux. On effectue des soudures sur une plaque d-9a- cier en utilisant un fil-électrode en bronze d-9aluminium. d9abord avec le fil traité par du chlorure de rubidium et de césium puis avec le même fil non traité.
Le fil particulier utilisé est un alliage comprenant approximativement 2% d'aluminium.\) le reste étant du cuivre, Ce fil a un diamètre de 1,6 mm et la plaque sur laquelle est effectué le cordon de soudure est en acier doux
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et a 9,5 mm d9épaisseux o L'appareil de soudage et le gaz protecteur sont identiques à ceux décrits dans ce qui précède. On applique le chlorure de rubidium et de césium au fil-électrode exactement de la même manière que le carbonate de rubidium dans le premier exemple décrit. Avec le fil-électro- de connecté pour constituer la cathoce (polarité directe) et un courant de soudage de 225 ampères,, la vitesse-' de consommation du fil traité est de 4,33 m par minute et la tension à l'arc de 18 volts.
Le transfert de métal dans l'arc est bon et a lieu sous forme de gouttes adhérentes. Le cordon de soudure est tout à fait bien ancré dans la plaque et il a un profil ovale. Le réglage de la longueur de l'arc est bon. En maintenant
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des conditions identiques mais en utilisant un fil non traité, la vites- se de consommation est de 8,12 mètres par minute et la tension à l'arc de 20 volts,,. Le métal transféré dans l'arc est en gouttes plus grosses, le cordon formé est irrégulier et le réglage de l'arc est médiocre. Le métal déposé s'accumule sur la plaque et n'y pénètre pas bien par fusion.
Le procédé est impraticable du point de vue industriel. On peut de nou- veau voir qu'il est libéré une quantité de chaleur beaucoup plus impor- tante dans le fil utilisé comme cathode que lorsque le fil n'est pas traitée par comparaison avec la chaleur libérée dans le fil auquel sont associées de petites quantités de chlorure de rubidium et de désium.
Le déplacement de l'équilibre thermique existe aussi dans l'arc à polarité inverse, mais il est plus facile à décrire quantitative- ment avec l'arc à polarité directe par suite des différences marquées dans la vitesse de consommation du fil. Comme on l'a indiquée la chaleur libérée à l'anode de l'arc de soudage est pratiquement indépendante de l'émissivité de la matière de l'anode et, par suites la vitesse de consom- mation du fil doit être sensiblement constante avec la polarité inverse (fil utilisé comme anode) qu'on ait ou non effectué des additions dans 1' arc. On a constaté que tel était le cas.
EXEMPLE IV.
On a effectué une soudure sur une plaque d'acier, en utili- sant un fil-électrode en acier doux de 1,6 mm de diamètre sur lequel on a appliqué une petite quantité d'oxyde de baryum de la même manière que jà décrit.le fil étant utilisé comme anode (polarité inverse) dans un procédé de soudage à l'arc en gaz protecteur du genre considéré. On effec- tue une soudure à une vitesse de progression de 25 cm par minute en utili- sant comme gaz protecteur de l'argon à un débit de 1,4 m3 par heure dans une buse de 1.9cm de diamètres et une plaque de 16 mm de diamètre. A 325 ampères,. la vitesse de consommation du fil est de 5,13 m par minute et la tension à l'arc de 22 volts. L'arc est calme et stable avec un bon régla- ge et le transfert du métal a lieu par pulvérisation.
Le cordon de soudure est bien formé et la pénétration modérée.
On n'observe pas le bombardement datons positifs ordinairement observé dans le procédé en gaz inerte protecteur en polarité inverse avec un fil non trai- té. Par comparaison, lorsque on utilise un fil non traité, dans les mêmes conditions, la vitesse de consommation est de 5.33 m par minute pour une tension d'arc de 28 volts. Le transfert de métal dans l'arc a lieu par pul- vérisationo Le cordon est un peu plus plat et la surface affectée par la chaleur dans la plaque est beaucoup plus grande. Le bombardement par ions positifs produit Inaction de nettoyage bien connue sur la plaque.
EXEMPLE V.
Cet autre exemple concerne une soudure faite avec un fil d'aluminium de 1,6 mm de diamètre,en utilisant le même appareil de souda- ge que déjà décrit, et sur une matière non ferreuse, et en polarité inver- se. Le gaz protecteur est l'argon qualité soudure fourni à raison de 2 m3 par heure en écoulement non turbulent dans une buse de 2,5 cm de diamètre.
La cathode est constituée par une plaque d'aluminium de 9,5 mm d'épaisseur.
Lorsque le fil est d'abord traité en lui appliquant une petite quantité du nitrate de césium de la manière déjà décrite,, il se consomme à la vi- tesse de 4,20 par minute sous 205 ampères et 19 volts. La soudure obtenue est bonne. Quand on utilise dans les mêmes conditions un fil d'aluminium non traitésa vitesse de consommation est de 4,44 m par minute à 22 volts.
Le cordon de soudure est un peu plus plat et les caractéristiques de 1' arc et le transfert du métal sont bons.
Il est significatif de noter que, lorsque le fil constitue
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l'anode, l'addition de matière n9a que peu ou pas d'effet sur la vitesse de consommation du fil, mais que la tension de l'arc est réduite dans une mesure sensible et que sa puissance est considérablement moindre. Etant donne que la vitesse de consommation du fil est sensiblement constante,, il est évident que la chaleur dans la plaque doit être réduite. C'est exactement ce à quoi on devrait s'attendre diaprés l'invention si la pla- que était faite d'un meilleur émetteur thermionique.
Par suite, il est clair que, dans ces exemples de polarité inverse, l'addition faite au fil est transférée au bain de soudure avec le métal qui se dépose et augmen- te rémission thermionique du bain qui constitue la cathode. De la sorte, lorsque des additions sont faites au fil conformément à l'invention, la chaleur libérée dans le fil est sensiblement réduite lorsque le fil cons- titue la cathode et que la plaque constitue 1?anode et la chaleur libé- rée dans la plaque peut aussi être sensiblement réduite lorsque le fil est l'anode et la plaque la cathode.
On a constaté qu'il n'était besoin que de très petites quan- tités de matière d'addition pour obtenir les effets désirés. Il apparaît clairement de la description qui précède d'un procédé d'application de la matière au fil qui a été reconnu satisfaisant qu'il ne reste que très peu de cette matière d'addition sur le fil lorsqu'il est fini, à l'état traité. En fait, on peut rencontrer des difficultés pour déplacer le fil dans le tube de contact et pour lui transmettre le courant si la matière qui lui est ajoutée en surface est en quantité suffisante pour être dé- tachée par frottement.
Une analyse chimique approximative d'un échantil- lon de fil d9acier traité par 1?oxyde de baryum et utilisé avec succès dans l'un des exemples cités ci-dessus, a indiqué que l'oxyde de baryum était présent en quantité approximative de 25 g. par tonne d'acier. c9est à di- re égale à 0,003% en poids du métal de soudure déposé, ce qui met en évi- dence le fait que de très petites quantités de matière d'addition peuvent être utilisées. Le fil traité peut'encore être considéré comme un fil "nu" et sa surface reste conductrice de l'électricité pour recueillir le cou- rant de soudage appliqué au tube de contact.
Non seulement l'équilibre thermique de l'arc de soudage en gaz inerte de protection peut être déplacé dans un sens donné, confor- mément à l'inventions comme il ressort des exemples précédents. mais on peut encore obtenir un réglage quantitatif du déplacement de cet équili- bre par un-choix convenable de la matière d'addition.
Les faits d'expérience ci-après démontrent que différentes matières d'addition produisent des quantités de chaleur différentes dans la cathode, dans des conditions sensiblement identiques. Le procédé de soudage à polarité directe précédemment décrit et utilisant une électro- de d'acier traité au carbonate de rubidium (V. exemple 1) donne lieu à une vitesse de consommation de 3,80 m par minute et une tension d'arc de 20 volts. Dans des conditions comparables, avec un fil non frai té la vitesse de consommation est de 9,15 m par minute avec une tension d'arc de 28 volts.
En conservant exactement toutes les mêmes conditions de soudage mais en substituant du chlorure de rubidium et de césium au carbonate de rubidium, la vitesse de consommation est de 4,19 m par minute et la ten- sion d'arc de 22 volts. Lorsqu'on utilise du carbonate de potassium comme matière d'addition à 1;électrode,,, la vitesse de consommation est de 6,83 par minute et la tension d'arc de 28 volts.
De même,, le soudage en polarité de l'aluminium précédemment décrit (V. exemple II) permet.avec un fil-électrode traité au nitrate de césium, un procédé praticable avec une consommation de 4,06 m par minute et une tension d9are de 16 volts. Lorsqu'on utilise dans les mêmes condi- tions un fil non traitée le procédé devient impraticable et la vitesse de consommation dépasse 12,70 m par minute.
En conservant exactement toutes les mêmes conditions de soudage, mais en substituant "un mélange T' (mé. langé constitué principalement d'oxydes de lanthane et de cérium. mais contenant d'autres oxydes de terres rares en petites quantités) au nitrate
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de césiums on obtient une vitesse de consommation de 9..0 m par minute et une tension d'arc de 18 volts, ce qui est intermédiaire entre la consomma-' tion d'un fil non traité et celle d'un fil avec des additions de nitrate de césium.
De même encore.. avec 15,exemple précédemment décrit d'une électrode en bronze daluminium traité (polarité directe) (Voir exemple III),. la vitesse de consommation est de 5,33 m par minute. La consomma-
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tion avec un fil non traité est de 13,.20 m par minute. Lorsqu'on substitue un fil traité au carbonate de rubidium au fil traité au chlorure de rubi- dium et de césium, la..":c9lÜom.ation est de 5.97 m par minute, dans les mê- mes conditions de soudage.
On a cité certaines matières d9addition particulières propres
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à augmenter rémission thermioniqueg mais ces matières nont été indiquées qu'à titre dexemple de mise en oeuvre et de résultats de l'invention. et celle-ci ne se limite pas à ces matières particulières. Tout au contraire, 1?invention peut être mise en oeuvre avec dautres matières qui compren- nent ou contiennent un ou plusieurs agents démission qui coopèrent avec le métal de base de la cathode pour former une surface complexe de catho-
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de métallique de soudage dont l9émissivité thermionique est sensiblement plus forte à la température de soudage que celle du métal de base seul.
Lémissivité thermionique accrue de cette surface complexe de cathode en métal se manifeste par un taux de travail de la cathode sensiblement plus faible et par une chute de tension à la cathode sensiblement plus faible, si on les compare au taux de travail et à la chute de tension du métal de base seule à la température de soudage. La surface complexe de la cathode de soudage comprend à la fois le ou les agents d'émission et le métal de base de cathode.Les métaux de base sont évidemment ceux qui constituent
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lyouvrage et ceux qui constituent le fil=électrode et qui doivent fondre avec le métal de l'ouvrage pour constituer le dépôt de soudure.
Les agents
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démission sont des métaux ajoutés à l8arc ou à l'électrode. ou aux élec- trodes de soudage, en quantités extrêmement petites (soit comme tels. soit sous forme de composés qui se dissocient pour libérer les métaux dans 1' arc) principalement dans le but de modifier les caractéristiques électri- ques et thermiques de l'arc. Les métaux de base dans une opération de sou- dage donnée sont déterminés par la composition de la pièce à souder et par
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la composition du dépôt de métal qui doit être formé.
Des agents dilémission appropriés sont des métaux qui doivent être électropositifs par rapport au métal de base de la cathode, qui doivent avoir un faible taux de travail thermionique (inférieur à celui du métal de base) et un faible potentiel dionisation (leur potentiel dionisation doit de préférence être inférieur à celui de tout constituant de 1*'atmosphère de l'arc et de préférence in- férieur au: taux de travail effectif du métal de base de la cathode).
Ils doivent aussi avoir un point de fusion inférieur au point d'ébullition du métal de base de la cathode. tout en ayant un point débullition suffi- samment élevé ou en étant assez peu volatils pour demeurer en place dans la surface complexe de la cathode pendant un temps suffisamment long pour augmenter l'émission thermionique de cette surface dans les conditions de soudage.
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On a déterminé, en partant des résultats dgexpérience, que l9invention peut être très efficacement mise en oeuvre avec un agent dP émission choisi dans le groupe comprenant les métaux alcalins,, les métaux alcalino-terreux. le lanthane et les métaux des terres rares de la série
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du lanthane. l9actinium et les métaux des terres rares de la série de 19 actinium. le scandium et l'yttrium. Ces éléments peuvent être ajoutés soit sous la forme de composés de ces métaux qui peuvent être partiellement ou totalement dissociés dans l'arc pour libérer le métal.
On peut utiliser par exemple, les oxydes, les carbonates, les borates. les phosphates, les nitrates, les silicates, les halogénures. On peut aussi utiliser, et souvent avec une efficacité particulière, deux ou plu- sieurs de ces métaux et/ou de leurs composés. Les métaux alcalins sont
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le lithium le sodium., le potassium. le rubidium. le césium et le francium.
Les métaux alcalino-terreux sont le calciums le baryum. le strontium et le radium. Les métaux des terres rares de la série du lanthane sont le cérium.
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le praesodymium9 le neodymiuan9 le prométhium. le samatiuma 1?europium le gadolinium. le terbium. le dyspresiumn 1?holmium le thulium. l9ytterbiuma le lutécium. Les métaux des terres rares de la série de 19actinium sont le thorium, le protactiniume 19uranium,, le neptunium, le plutonium. Il 19amerioi.pm et le curium.
Nombre de ces métaux et de leurs composés. dans les groupes périodiques qu9on vient de citera sont rares et coûteux et certains sont dangereusement radio-actifs. Par suites il est préférable. à la fois pour des raisons d'ordre pratique et parce que des résultats particulièrement a- vantagux et hautement désirables peuvent être obtenus avec eux dans le soudage à l'arc en gaz inerte protecteur des métaux industriels courants,
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d9utiliser un agent d9émission qui soit un'élément choisi dans le groupe qui comprend le potassium, le rubidium. le césium, le strontium, le baryum. le lanthane ou des mélanges de terres rares du lanthane et du cérium.
Il peut être préférable d9utiliser le thorium et 1?uranium dans certains cas
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où les températures de 19é1ectrode de soudage sont élevées. Comte on lya déjà dit. ces agents démission préférés peuvent être ajoutés soit sous la forme de métaux soit sous forme de composés de ces métaux qui sont par- tiellement ou totalement dissociés dans 19arq pour libérer les métaux.
On peut utiliser par exemple les oxydes, les carbonates, les borates, les phosphates, les nitrates, les silicates. ou les halogénures de ces métaux.
On peut aussi utiliseret souvent avec une efficacité particulière, des mélanges de deux ou plus de ces métaux préférés et/ou de leurs composés.
Des exemples particuliers de matières d'addition qui pa- raissent actuellement préférables sont le nitrate de césium, le carbona- te de rubidium, le chlorure de rubidium-césium. 1 s'oxyde ou le carbonate de baryum, les mélanges d'oxydes ou de carbonates de baryum et de stron- tium, le lanthane ou des mélanges de ces métaux ou de leurs oxydes terres rares de la série du lanthane, l'oxyde de thorium et le carbonate de po- tassium.
Les mêmes matières d'addition ne sont pas également effi- caces sur toutes les pièces à souder et avec toutes les compositions de
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fil-électrode. Ce fait ressort des figes. 8. 9. 10. 11 et 12 qui montrent. par les changements de la vitesse de consommation du fil. 1?effet des différentes matières d9additions sur 1?équilibre thermique de 1?arc de sou- dage en gaz inerte de protection.
Bien que tous les principes ou la théo- rie du fonctionnement selon l'invention peuvent ne pas être encore tota-
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lement compris. ltexplîcation suivante de la manière selon laquelle agit 1?invention apest montrée utile dans la pratique comme guide pour déter- miner ceux des matières dpaddition et des agents d'émission qu9il convient d9utîliserp dans le soudage d'un métal de base d?une pièce particulière ou avec un métal de base de fil-électrode particulier, pour obtenir les ré- sultats désiréso Les matières d'addition de la présente invention sont des matières qui se décomposent (si ce sont des composés)
en un agent ou élément
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d9émissionp à faible taux de travail et à faible potentiel â9ioni.sation9 qui est électropositifpar rapport au métal de base de la cathode et qui forme une mince pellicule sur tout ou partie de la surface (cathode) de 1'
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électrode pendant lDopéa at3on de soudage. Le dépôt d9un métal électroposi- tif sur un métal plus électronégatif produit un abaissement marqué du taux de travail de la surface complexe, ce qui a pour effet d9augmenter l'emis- sion thermionique à la température de l'électrode de soudage.
On pense que le processus est le suivants le composé contenant l'agent ou élément d' émission (en supposant que 1?agent est ajouté à 1-lare sous la forme d9un composé) est réduit ou dissocié et libère cet agent démission sous la forme métal dans ou sur la partie fondue de la cathode de soudage. L'élé- ment d'émission se diffuse dans la surface de cathode fondue et/ou émigre dans toutes cette surface pour la transformer en une surface complexe à forte
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émissivité thermionique.
Il semble que la surface entièrement activée cor- responde à une couche mono-atomique d'atomes ou datons de l'agent d'émis- sion qui couvre une grande partie, par exemple 50% de la surface de ca-- thodeo Cette mince couche de Isolement émissif est retenue sur la surface par des forces d'attraction assez grandes pour qu'une évaporation sensi- ble ne commence pas avant que soient atteintes des températures qui sont ¯,.bien supérieures au point d'ébullition de Isolement émissif bien que des quantités en excès de cet élément puissent s'évaporer à de basses tempé- ratures pour laisser la mince couche en question ou des portions de l'é- lément sur la surface de la cathode.
Il est à remarquer que les températures de l'arc de soudage,ordinairement utilisé à la pression atmosphérique,. sont au-dessus des points de disso- ciation de la plupart des composés.
La couche mono-atomiques ou les dépôts d'atomes de Isolément émissifsont, pense-t-on adsorbés sous forme datons sur la surface de cathode du métal de base et que les forces qui tendent à les maintenir en place doivent être plus grandes lorsque le potentiel d'ionisation de Isolément émissif est bas ; il semblerait que le potentiel d'ionisation de l'élément émissif doit être moindre que le taux de travail du métal de base de la cathode mais,,, en pratiquée et peut-être parce que les taux de travail sont diffi- ciles à déterminer exactement,,, on a constaté que le potentiel d'ionisa- tion du métal émissif peut parfois être 1,5 fois en électrons-volts plus grand que les valeurs données par des chercheurs dignes de fois pour les taux de travail du métal de base de la cathode.
En général, Isolément émissif doit être électropositif par rapport au mé- tal de base; le taux de travail de la surface complexe est le plus bas et son émissivité thermionique est la plus élevée quand cette différence a sa plus grande valeur positive, et 19émissivité thermionique devient plus faible et le taux-de travail plus grand lorsque la différence de- vient nulle, puis négative.
Les potentiels d'ionisation de nombre des éléments émissifs compris dans l'invention ont été déterminés avec une raisonnable précision mais,, comme indiqué plus haut,, il existe d'assez grandes variations des taux de travail du métal de base lorsqu'ils sont mesurés par différents expérimentateurs. On donne ci-après une liste prise dans la littérature des potentiels d'ionisation de certains des éléments émissifs et les taux de travail de divers métaux de base.
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Potentiels d-9ionisation Taux de travail Aents émissiso Electrons yoltso thermionique Métal de base. Elec.-volts
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<tb> Lithium <SEP> 5,37 <SEP> Magnésium <SEP> 3,78
<tb>
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Sodium 5.12 Aluminium (,.9 C8
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<tb> Potassium <SEP> 4.32 <SEP> Cuivre <SEP> 4,33
<tb>
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Rubidium 4p 16 Fer ,p t$
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<tb> césium <SEP> 3,87
<tb>
<tb> Strontium <SEP> 5,67
<tb>
<tb> Baryum <SEP> 5,19
<tb>
<tb> Scandium <SEP> 6,7
<tb>
<tb> Yttrium <SEP> 6,5
<tb>
<tb> Lanthane <SEP> 5,69
<tb>
<tb> Thorium <SEP> 5,25
<tb>
Alors que, d'après la liste ci-dessus, le césium parait constituer le meilleur émetteur thermionique de surface complexé pour
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n9importe lequel des métaux de base.,
il a un bas point d9ébullition et n'
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est pas bien retenu sur les métaux à point d'ébullition élevé tels que le fer, pendant le soudage; par contre, le césium est très efficace sur les métaux à bas point d'ébullition tels que l'aluminium.On devrait s'atten- dre à ce que le baryum. le strontium, le lanthane et le cérium soient beaucoup plus efficaces, comme émetteurs de surfaces complexes. avec,le fer qu9avec l'aluminium. et ceci a été reconnu exact par un essai effec- tif. Ceux des agents émissifs qui ont les plus faibles potentiels dyioni- sation sont particulièrement avantageux lorsqu'ils sont utilises avec des gaz de protection tels que 19hélium ayant des caractéristiques d'ionisa- tion relativement médiocres.
Habituellement.seul l'agent émissif peut être choisi pour la surface complexe lorsque l'invention est appliquée à des opérations pra- tiques. parce que le métal de base de la cathode est déterminé par la com- position du fil-électrode ou la composition de la pièce à souder laquelle, de son côté, est déterminée par le genre de la soudure à effectuer ou la nature de la pièce à souder, De plus, la surface de la cathode doit agir à une certaine température entre les points de fusion et d'ébullition des compositions des fils. afin que le métal du fil-électrode puisse être fon- du et transféré à travers l'espace de jaillissement de l'arc et déposé dans le métal fondu de la soudure sur 1 9 ouvrage Les densités de courant doivent de préférence être élevées avec des vitesses de déplacement de fil de 2,50 m par minutes et plus.
comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d9Amérique N 2.504.868 précités bien que. par Inapplication de l'inven- tion, 1?abaissement du taux de travail de la cathode, la chute de tension à la cathodeet la chute de tension dans l'arc qui en est la conséquence), assurent un écoulement de courant plus grand pour le même dégagement de chaleur ou de puissance dans l'arc. De même, les effets avantagqux sur la stabilisation de 19are et le transfert de métal produits par les matiè- res ajoutées à l'arc selon l'invention. peuvent donner des caràctéristi- ques d'arc satisfaisantes aux courants faibles. ce qui est particulière- ment utile dans le soudage des tôles minces.
Le fait que les arcs de soudage agissent normalement à une pression égale sensiblement à la pression atmosphérique, est un facteur considérer parce que le point d9ébullition de 1?agent émissif doit être élevé pour qu'il se maintienne intact sur la surface de la cathode pen- dant un temps suffisante et les températures et les points d'ébullition à considérer doivent par suite être ceux à la pression atmosphérique. Du fait que la matière d'addition est continuellement introduite dans Parc.
Isolément émissif sur la surface complexe de la cathode est continuelle- ment renouvelé et complété et, par suite, n'a besoin que d9une durée effec- tive courte.
Les agents émissifs qui ont des points d'ébullition considérablement au- dessous des températures de la cathode de soudage, peuvent, s'ils sont continuellement introduits dans 1?arc, agir pour maintenir une surface complexe de cathode thermionique constamment efficace, même si le métal de base de la cathode est rapidement retiré ou ajouté pendant l'opération de soudage par le transfert de métal du fil-électrode au dépôt de soudu- re sur l'ouvrage.
Le traitement d'activation (réduction ou dissociation de la matière d9addition si elle est sous forme de composé, et émigration de Isolément émissif vers la surface de la cathode mono-atomique) doit avoir lieu tandis que le fil est avancé dans l'arc. Il est important que Isolément émissif choisi soit apte à être retenu en mince couche adsor- bée sur le métal de base à sa température de soudage, parce que c9est à cette température (entre les températures de fusion et d'ébullition du métal de base) que la surface de la cathode agit et par suite, c'est à cette température que la surface complexe doit être efficace.
Si la ma- tière d9addition est introduite dans l'arc sous forme d9un composé, ce composé ne doit pas être stable au point de ne pas se dissocier au moins en partie pour fournir Isolément ou métal émissif libre à la surface de
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1?éleetrode ou aux surfaces de l'arco D'autre part, si l'on utilise un com- posé, il doit de préférence ne pas se dissocier trop facilement de façon à permettre l'évaporation complète de l'élemnt émissif avant qu'il atteigne la surface de la cathode et y soit adsorbé à l'état d'ions.
Quand la matiè- re d'addition est un composa elle peut être considérée comme. ayant un "terme effectif qui est Isolément émissif et un "terme porteur" qui est Isolement ou groupe qui transporte l'élément émissif à sa place dans la sur- face complexe.
La figo 13 fait ressortir l'effet des surfaces complexes de la cathode pour régler et améliorer l'émission thermionique d'électrons dans l'arc de soudage. Dans cette figure, les taux d'émission thermionique de deux métaux de base (aluminium et fer) et de deux agents émissifs (cé- sium et baryum) sont portés en ordonnées et les*températures sont portées en abcisses.L'émission thermionique de la surface complexe avec des sur- faces de cathode chargées de césium et de baryum est aussi indiquée pour faire ressortir le principe mis en jeu..
On onsistéra sur le fait que ces courbes sont simplement destinées à illustrer l'invention et qu'elles ne sont pas quantitativement exactes.Elles représentent qualitativement la relation entre les taux d'émission thermionique de diverses surfaces, mais les rapports quantitatifs indiqués ne sont pas exacts, étant donné que le taux de travail d'une surface complexe de cathode varie avec la composi- tion du métal de base ainsi qu'avec l'élément émissif utilisé. Le taux de travail d'une surface thermionique complexe est plus bas que celui de cha- cun des métaux de base ou de l'élément émissif en soi.
Bien'que le métal de revêtement ou agent émissif soit maintenu dans une couche absorbée sur le métal de base bien au-dessus de sa température d'ébullition. si l'on at- teint des températures assez élevées,,, la couche adsorbée disparaît trop vite par évaporation et, dans ce cas, l'émission thermionique est sensi- blement identique à celle du métal de base seule On a tracé la courbe d'émissivité pour le tungstène métal,,, thermionique et réfractaire, et pour le thorium sur le tungstènes pour monter cet effet. A la partie su- périeure du graphique sont indiqués les points de fusion et d'ébulli- tion pour l'aluminium et le fer.
Etant donné que les températures des électrodes de l'arc de soudage pour ces matières doivent se tenir dans les gammes indiquées dans le procédé de soudage à l'arc en gaz inerte protecteur, on comprend que le césium sera plus efficace sur l'aluminium et le baryum plus efficace sur le fer.
L'effet qui en résulte sur l'équilibre thermique de l'arc de soudage en gaz inerte avec ces émetteurs thermioniques de cathode, est illustré par la figure 17.
A titre de variante du procédé de préparation de la fig.
4. dans lequel la matière est appliquée sur la surface du fil ou incluse dans des empreintes pratiquées dans cette surface,la matière d'addition peut être incorporée au métal fondu lorsqu'on fabrique le fil. pour for- mer avec lui un alliage ou un mélange. On obtient ainsi une répartition homogène de la matière d'addition dans le fil et on élimine la nécessi- té de traiter séparément le fil après son étirage en fil.
EXEMPLE VI.
On ajoute un métal de mélange à une masse d'acier doux fondu de 43 kg à raison de 1,800 kg de métal de mélange par tonne d' acier fondu. Le métal de mélange comprend 53% de cérium, 33% de lanthane, 1,5% de fera le restant étant constitué par des terres rares. L'alliage qui en résulte (une partie du métal de mélange étant perdue par vaporisa- tion) est étiré en fil de 1,6 mm de diamètre qui est utilisé comme élec- trode consommable dans un procédé de soudage à l'arc en gaz inerte du ty- pe envisagé,et en polarité directe.
Avec un débit d'argon. comme gaz de protection, de 2 m3 par heure dans une buse de 2,5 cm, on effectue une soudure sur une plaque d'acier de 9.5mm
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mm d'épaisseur à une vitesse de progression de la soudure de 25 cm par minu- te. Avec un courant de 310 ampères la vitesse de consommation du.fil est de
3,55 m par minute et la tension à l'arc est de 25 volts.
Ces chiffres sont à comparer avec la vitesse de consommation de 8,5 m par minute pour un fil ne contenant pas le métal de mélange et dans des conditions de soudage similaires
Les conditions de soudage avec le fil contenant le métal de mélange sont bonnes et le transfert de métal a lieu par pulvérisation, et le cordon de soudure est bien formé.
On préfère actullement mettre l'invention en oeuvre en ap- pliquant au fil ou en enrobant dans la surface de celui-ci les matières d'addition. et en ajoutant ces matières à la composition du fil dont elles font partie intégrante, mais ces matières peuvent aussi être introduites dans 19arc d'autres manières.
La fige 14 illustre schématiquement une de ces variantes dans laquelle les matières d'addition sont introduites continuellement dans le courant de gaz protecteur.
Sur cette figure, un fil-électrode 60 non traité est avancé dans un pistolet de soudage 61 jusqu9à sa position de travail par rapport à la pièce ou ou- vrage 62. De la même manière que précédemment décrit pour le pistolet à main. le fil-électrode 60 est en réserve sur une bobine 65 d'où il est tiré par un mécanisme 63 commandé par moteur et il est poussé dans une gaine 64 vers le pistolet de soudage 61. Une des bornes de la génératrice est con- nectée au pistolet 61 par l'intermédiaire d'un contacteur 67 et de fils 68. et 68'. l'autre borne de la génératrice étant connertée à l'ouvrage 62 par le fil 69. Le courant de soudage est amené à l'électrode 60 dans le pisto- let 61 par un tube de contacta de la même manière que pour le pistolet de la figo 2.
Le pistolet de soudage peut être refroidi par l'eau comme indi- qué par les raccords d9eau sur la buse. Le pistolet est montré supporté dans un support fixe comprenant un manchon fendu 70 avec un pignon qui peut être tourné' par un bouchon 71 et qui engrène avec une crémaillère 72 fixée sur le canon du pistolets de sorte que celui-ci peut être réglé'en hauteur dans le manchon fendu. La fig. 15 montre les détails de construction de la partie inférieure du pistolet 61.Le fil est avancé dans un tube intérieur 75 et le tube de contact 76 qui transmet le courant de soudage à l'électro- de 60. Le courant de soudage arrive au pistolet à l'extrémité supérieure de celui-ci par un fil 68' et il est conduit par les parties métalliques internes au tube de contact 76.
Le gaz de protection est fourni par une bouteille de gaz comprimé 80 (fig.14) d'où il sort par le robinet usuel 81, le détendeur 82 et le débit-mètre 83. et se rend au tuyau 84 qui l'amène dans un dis- positif vibratoire distributeur de poudre 85. Ce dispositif est décrit en détail dans le- brevet des Etats-Unis d'Amérique N 2.549-033 du 17 Avril 1951. En principe.. il comprend une trémie d'où la matière en poudre est distribuée par un mécanisme distributeur vibratoire. La matière en pou- dre est entraînée par le courant de gaz inerte lorsque ce courant qui est amené au dispositif par le tuyau 84 en sort par le tuyau 86 Le gaz de protection avec la matière en poudre en suspension est amené au pistolet 81 par le tuyau 86.
Dans cette forme de mise en oeuvre de l'invention, la matière d'addition est fournie sous forme de matière solide pulvérisée in- troduite dans le courant de gaz.
Le gaz et la matière d'addition qu'il contient en suspension traversent des conduits appropriés ménagés dans le pistolet 61 et ils sortent, sous forme de courant dépourvu de turbulence,, de la buse annulaire 89(fig.15) qui entoure le tube de contact 76. La matière d9addition en suspension dans le courant de gaz de protection est introduite continuellement dans la région de l'arc pour y entretenir une substance stabilisatrice à bas potentiel d'ionisation et conférer à la cathode des propriétés émissi- ves thermioniques, comme décrit précédemment.
Le dispositif distributeur de poudre n9est pas nécessairement du type décrit dans le brevet des
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Etats-Unis d'Amérqiue N 2.549.033 précité, mais peut-être tout autre appa- reil propre à l'introduire continuellement dans l'arc une matière en poudre.
EXEMPLE VII.
Cet exemple concerne la mise en oeuvre et les résultats de l'invention lorsque la matière d'addition est introduite dans l'arc sous forme de poussière en suspepsion dans le gaz de protection. On fait jail- lir un arc à polarité directe entre un fil-électrode d'acier doux non traité de 1,6 mm de diamètre, qui constitue la cathode, et une plaque d'acier de 9,5 mm d'épaisseur qui constitue l'anode. De l'oxyde de ba- ryum sous forme d'une fine poussière sèche est amené à l'arc dans le gaz de protection qui est de 15'argon qualité spudure. Le débit de gaz est de 2 m3 par heure à travers une buse de 2,5 cm de diamètre ; à 300 ampères, le fil se consomme à raison de 4,82 m par minute et la tension à l'arc est de 22 volts.
Toutes choses restant égales d'ailleurs, mais sans poussiè- re dans le gaz de protection, la vitesse de consommation du fil est de 7, 87 m par minute et la tension à l'arc est de 30 volts.
Avec un arc de soudage en polarité inverse travaillant dans les mêmes conditions, et de la poudre d'oxyde de baryum en suspension dans le gaz de protection, on obtient des résultats similaires à ceux ob- tenus en polarité directe avec de l'oxyde de baryum appliqué au fil-élec- trode.
Mis à part les modes d'introduction de la matière d'addi- tion dans l'arc. décrits dans ce qui précède et aux fins mentionnées, on a constaté que, dans certaines conditions, la matière d'addition peut être déposée,,,,sur un , fil de charge auxiliaire qui est amené à la soudure, ou que cette matière.peut être placée directement sur,.la pièce à souder.
La figure 16 montre un appareil convenant à l'utilisation d'un fil de charge auxiliaire auquel on a appliqué des matières d'addition du genre décrit. Sur cette figure, le fil-électrode 90 est tiré d'une bo- bine 91 par un mécanisme de déplacement 92 commandé par moteur, comme dans les réalisations précédemment décrites. Dans ce cas, le fil électrode est un fil nu et propre non traité. Il est guidé à partir du mécanisme de dé- placement 92 dans une gaine 93 jusqu'à un pistolet de soudage, qui peut être identique à celui décrit à propos des figs.14 et 15. Le courant de soudage est fourni par une régénératrice de soudage 100 dont l'une des bornes est connecté au pistolet par un fil 101, le contacteur 102 et-le fil 103. Le courant est amené au fil-électrode 90 dans le pistolet de sou- dage 94.
L9autre borne de la génératrice est connectée à l'ouvrage par le fil 104. Le gaz de protection provient d'une bouteille de gaz compri- mé 110 d'où il sort par le robinet usuel 11. le détendeur 112. le débit- mètre 113, et arrive au pistolet de soudage 94 par le tuyau 114. Le gaz de protection sort de la buse du pistolet en courant non turbulent qui enveloppe l'extrémité de jaillissement de l'arc de l'électrode, l'arc et le bain de soudure. On utilise dans cette réalisation un second disposi- tif de déplacement de fil pour amener un fil de charge 119. à la soudure, ce fil contenant, dans sa masse ou enrobée dans sa surface, la matière d' addition nécessaire. Ce fil traité n'est pas alimenté en courant électri- que et il ne constitue pas une électrode.
Il est amené d'une manière in- dépendante dans la région de l'arc où il est fondu dans la soudure par la chaleur de l'arc. Le dispositif de déplacement de ce fil peut être iden- tique à celui du fil-électrode; il comprend une bobine 120 et un mécanis- me d'avancement 121à commande par moteur qui tire le fil 119 de la bobine 120 et le ousse dans une gaice 122 vers la zone de soudure. Un support 123 soutient la gaine 122 au voisinage de la torche pour guider le fil de charge 119 jusqu'à la soudure.
On obtient les meilleurs résultats si la fil de charge 119 est amené à la zone de soudure de manière telle que son extrémité touche l'ouvrage au bord du bain de @
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de soudure et fond dans ce bain avant d'arriver directement sous l'arc. Les matières d'addition qui font partie de ce fil de charge confèrent le taux d'émission thermionique requis pour la cathode, à peu près de la même ma- nière que les matières d'addition sur le fil-électrode dans les réalisations de l'invention déjà décrites.
EXEMPLE VIII.
Cet exemple montre l'effet produit par l'addition effectuée au moyen d'un fil de charge sur l'arc en gaz inerte à polarité inverse. On utilise dans l'appareil de la fige 16 un fil d'acier doux de 1,6 mm de di- amètre, comme électrode. sous une atmosphère protectrice d'argon débité à raison de 2 m3 par heure en courant laminaire dans une buse de 2,5 cm de diamètre. Sans fil de charge auxiliaire et avec une génératrice donnée de soudage réglant le courant de soudage à 285 ampères et le voltage à l' arc à 29 volts,, la vitesse de consommation du fil est 4,44 par minute.
Un fil de charge auxiliaire en acier de 1,14 mm de diamètres traité à l'oxyde de baryum de la même manière que décrite pour traiter au carbonate de ru- bidium le fil-électrode de 1,6 de diamètre,, est amené à l'arc pour fondre dans le bain de soudure et s'ajouter au métal de soudure fourni par l'élec- trpde consommable.
Lorsque ce fil traité à l'oxyde de baryum est ajouté à la soudure à une vitesse de déplacement de 2,28 m par minute et que le réglage de la génératrice de soudage est maintenu constant, la tension de soudage tombe immédiatement à 25 volts, l'intensité s'élève à 325 ampères et la vitesse de consommation, à la manière usuelle lorsque le courant de soudage augmente, atteint 5,71 m par minuteo L'oxyde de baryum sur le fil de charge auxiliaire est par suite efficace pour augmenter l'émissivité du bain de soudureexactement comme lorsque l'oxyde de baryum,,, ou autre matière'd'addition, est appliqué au fil-élec- trode ou amené à l'arc sous forme de poudre en suspension dans le gaz de protection.
EXEMPLE IX.
Dans certains case l'invention peut aussi être mise en oeuvre en appliquant la matière d'addition directement à la plaque à bouder. Par exemple, en utilisant l'appareil du type décrit à propos de la figo 1, on applique à la brosse une bouillie d'oxyde de baryum et d9 alcool sur une partie d'une plaque d'acier à souder. L'alcool laisse en s'évaporant une couche superficielle d'oxyde de baryum qui adhère à la plaque. Une soudure à l'arc en gaz inerte en polarité inverse est erfec- tuée sur cette partie de la plaque et donne une tension à l'arc de 22 volts et une intensité de 350 ampères.
Lorsque la soudure quitte la par- tie traitée de la plaque et vient sur la partie nue propre.. la tension à l'arc saute à 30 volts et l'intensité tombe à 290 ampères. ce qui in- dique que le bain de soudure qui constitue la cathode est un émetteur thermionique beaucoup amélioré lorsque de l'oxyde de baryum est appliqué sur la plaque.
On a décrit dans ce qui précède des exemples et des for- mes particuliers de réalisation de l'invention dans le but d'en faire ressortir la nature et le fonctionnement, mais il doit être entendu que l'invention peut aussi être mise en oeuvre et utilisée par les spécialis- tes d'autres manières, sans s9écarter de son principe.
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ELECTRIC ARC WELDING.
The present invention relates to methods and apparatuses for electric arc welding and, more particularly, inert gas welding with a consumable or deposition electrode.
The object of the invention can be considered. at least in some of its aspects, such as an improvement obtained and useful to methods and apparatus for welding with a protective gas arc of the kind described in United States Patents Nos. 2,504,868 of April 18, 1950 . 2,544,711 of March 13, 1951 and 2,544,801 of March 13, 1951.
The new process which is the subject of the invention comprises, in general, the introduction into a welding arc with an electrode consumable in inert protective gas, of one or more substances which act to modify, of a pre-determined manner and to a desired extent, the thermal equilibrium between the electrodes, that is, the amount of heat released or produced at the cathode during the soldering operation, relative to the heat. heat released or produced at the anode during this same operation. It is thus possible to adjust the thermal equilibrium in an inert gas arc welding process.
According to other characteristics of the new process of the invention, one or more substances are added to the welding arc which act to improve the characteristics of transfer of the metal from the consumable electrode to the workpiece or part to be welded, to also to improve arc stability, and to adjust or modify in a desired manner those of the welding arc factors which determine the speed, efficiency and ease of the welding operation and the characteristics of the weld obtained.
The new apparatus according to the invention comprises, in general, new devices and elements and new combinations of these devices and elements designed for the implementation.
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of the new processes mentioned above.
United States of America Patents Nos. 2,504,868. 2,544,711 and 2,544,801 already cited. describe a welding operation in which a wire electrode is continuously advanced in a welding arc protected by a gas and held between the electrode and the part to be welded, a plate for example. the welding current supplied to the arc being at least sufficient to consume the electrode as it enters the arc and to transfer the weld metal deposited on the plate to form a weld Industrial satisfactory, the current also being supplied at a high density sufficient to give a uniform strongly adherent and uniform deposit or "spray" transfer of the metal from the electrode to the weld.
(See US Pat. No. 2,504,868) supra. The shielding gas is essentially an inert gas. By the expression inert protective gas used in the course of the present description, is meant single-atomic gases, or their mixtures, such as helium and / or silver and which may contain small proportions. other gases which do not appreciably alter its characteristics or protective properties, and are preferably supplied in the form of a non-turbulent or laminar stream of sufficient stiffness to exclude from the arc in principle any trace of the ambient atmosphere. Such an arc constitutes an electric discharge in a controlled gas atmosphere.
The arc spouting space is ionized and the positive gaseous ions produced are entrained by the difference or potential gradient towards the cathode to which they give up their energies or they are neutralized by the electrons emitted by this cathode.
The metallic vapor formed in the region of the arc by the vaporization of the electrode, of the plate to be welded or of any source such as a metallic filler wire, becomes incorporated with the gas in the spouting zone. arca so that the atmosphere in which the electric discharge and the transfer of the metal from the wire electrode to the plate takes place is constituted by a mixture of protective inert gas and metal vapor, while the whole of the Air, water vapor and other constituents of the ambient atmosphere are in principle excluded by the inert gas shield.
Since there is no welding flux, atmospheric air or similar impurities present. as would be the case for welding in air, under submerging flux or with coated electrodes, the characteristics of the arc. for a constant pressure, depend only on the characteristics of the metals of the plate and the electrode, and of the inert protective gas.
In accordance with the invention, it has been found that by introducing certain additive substances into the arc (in addition to the metal which is melted to form the weld bead, and its vapors, and in addition to the inert gas protective) the thermal balance and / or certain characteristics of the welding arc can be adjusted or modified to advantage.
These addition substances are chosen and introduced into the arc so that the working rate of the cathode is lowered to modify the thermal equilibrium (the heat produced or released at the cathode with respect to that produced or released at the cathode relative to that produced or released in an anode) in a predetermined manner, and to an extent also predetermined, to produce a stable and concentrated cathode focus. It is believed that at the location of the wire the concentration of the cathode focus, in this way, improves the transfer of the metal as long as the droplets, due to the spraying of the molten metal, when they leave the wire, remain completely. immersed in plasma.
In this way, the additives according to the invention can act to stabilize the arc and improve the transfer properties of the metal of the arc (for example, they promote the transfer of the wire to the opening). ge, by spraying); they can also modify in a predetermined manner factors such as the rate of consumption of the wire, the penetration, the dimensions and the contour of the weld bead.
It is believed that the heat released or produced at the cathode in inert protective gas arc welding is, to a large extent,
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the result of bombardment of the cathode with positive ions. When the cathode is of a nature such that it thermionically emits electrons, in relatively large quantities, at its welding temperature. it is believed that positive ions are neutralized to a large extent before reaching the cathode; the voltage drop of the latter is small and its bombardment and heat production are reduced to a minimum.
When the cathode is a poor thermionic emitter of electrons at its welding temperature, the bombardment by positive ions is more intense, its voltage drop is greater and relatively large amounts of heat are produced at the cathode.
It has been found that when a material which is a good thermionic emitter of electrons at its welding temperature is used as the cathode in arc welding, it provides a very efficient cathode with low voltage drop and. with low heat release. This can be attributed to the fact that the positive ion bombardment which is believed to produce most of the heat released at the cathode is relatively low or limited in the case of thermionic materials. These materials emit, at their welding temperature, with a low drop in voltage at the cathode, all the electrons which the arc needs.
This limiting effect does not exist in the case of relatively mediocre thermionic emitters, or "cold cathode" materials, which include almost all common industrial metallic materials such as aluminum, copper, nickel, nickel, copper. will make magnesium, titame, etc. and their alloys, welded normally in industry in large quantities.
By looking at the matter from a simplified point of view. if a cold cathode material is used as the arc cathode. it constitutes an inefficient cathode and it follows that. in inert gas arc welding with electrodes made of cold cathode material, the bombardment of the cathode with positive ions is intense and the heat released at the same cathode is large. in comparison with thermionic material cathodes which are relatively efficient and give little heat release.
It is almost indifferent, as regards the heat release at the anode of the arc. whether this anode is made of a thermionic material or a cold cathode material. It has been found that the heat release at the anode is intermediate between the strong heat release at a cathode consisting of cold cathode material and a cathode consisting of thermionic material.
There is another important difference between the operation of a thermionic cathode compared to a cold cathode in inert gas arc welding. Since the thermionic cathode easily and abundantly emits electrons, due to its temperature, it continues to emit these electrons even after the arc is extinguished due to the thermal inertia of the temperature of the electrode.
Since the emission of electrons from a cold cathode material does not depend on a thermal effect, the supply of electrons ceases immediately when the current is interrupted. It has been found that thermionic materials give more stable arcs in arc welding with an inert gas consumable electrode. When the arc is extinguished, the thermionic cathode continues to supply electrons, due to its temperature. to produce easy re-ignition of the low voltage arc in open circuit. Cold cathode materials require a very high open circuit voltage sufficient to establish a glowing discharge, before re-igniting the arc after it has been extinguished.
The present invention allows the materials which constitute the welding electrode, in inert gas arc welding, to be modified to give thermal and electrical arc characteristics which are similar to the thermal and electrical characteristics of the materials. thermionic electrodes with welding electrodes, or which approximate to a predetermined extent these characteristics, at the temperatures which occur in the welding arc with an inert gas consumable electrode.
The
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The electrical and thermal characteristics of an inert gas welding arc between electrodes formed of cold cathode materials are thus controlled, this adjustment preferably being accomplished by adding material to the arc to modify the heat produced or released at the arc. the cathode relative to that produced or released at the anode, ie to shift the thermal equilibrium of the arc. It has been found that material additions can be made in very small amounts relative to the amount of metal deposited at the weld, or wire electrode consumed.
The material added can be in amounts small enough to affect only the electrical and thermal characteristics of the arc. While it can advantageously vary or adjust the size and shape of the weld bead, it can, if desired, be selected and used in small amounts such that it has no appreciable or appreciable effect on the chemical composition. weld metal, or no appreciable reaction with the metal to be welded.
The welding arcs to which the additions are made according to the invention are those in which the atmosphere or the atmosphere is substantially "sterile" and consist essentially of protective inert gas and of metallic vapors or releases from the electrode and of the workpiece.
The current of protective inert gas devoid of turbulence substantially excludes the ambient atmosphere of this welding arc and, as the welding process considered does not use flux, the electrical and thermal characteristics of said arc depend only on those of the welding arc. protective gas and metal - electrodes. Bare electrode welding arcs, in a sterile atmosphere and without flux, of this nature have different electrical and thermal properties from those of welding arcs in air,.
@. arcs formed under submerging flow. or those formed with the usual electrodes coated with a flux. It has been found, in accordance with the invention, that the electrical and thermal characteristics of these welding arcs with a consumable protective inert gas electrode can be deliberately changed and adjusted to achieve new and improved types of welding.
The sterile, relatively pure inert gas atmosphere causes the added regulating substances to act on 'or with the surfaces = arc electrodes and / or. - the atmosphere of the arc in the manner and to the extent desired, without weakening the advantageous effect of the inert protective gas and without reducing the possibilities of adjustment, or without detrimental modification of the electrical and thermal properties which could result from the presence of impurities such as air or fluxes and coatings present in usual welding in air, under submerged flux, and with coated electrodes
The object of the invention is in particular to provide industrially applicable means for shifting the thermal equilibrium, to a selected extent,
direct current welding arc with consumable electrode and protective inert gas. Direct current welding arcs are, of course, of two types: direct polarity arcs in which the wire electrode is the cathode of the arc and reverse polarity arcs in which the plate or work is the cathode of the arc.
Another object of the invention is to: provide means of improving the metal transfer characteristics and the stability of the direct current welding arc with an electrode which can be consumed in inert gas; - Obtain better arc stability in inert shielding gas welding, particularly with inert gases with relatively poor ionization properties, such as helium;
- to provide means for modifying and adjusting the factors involved in arc welding with an inert gas consumable electrode, such as the size of the weld bead, its shape and penetration, the rate of metal deposition welding electrode
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consumable to the plate (consumption rate), the amount of metal in the molten plate in 1 unit time ,.
the size and shape of the weld crater and the weld puddle on the plate, and other similar factors which relate to the speed and ease of operation and the results of the arc welding process in inert gas
Other objects, advantages and results peculiar to the invention will become apparent to those skilled in the art from the description and detailed explanations given in what follows with regard to embodiments of the invention which presently appear to be preferable, and with reference to attached drawings in which
FIG. 1 represents a diagram of an apparatus for carrying out the invention;
Figure 2 is a vertical section showing the constructional details of a hand gun for inert gas arc welding used in the apparatus of Fig. 1; Figure 3 is a cross section taken on line 3-3 of Figure 2; FIG. 4 is a diagram illustrating a method and apparatus for making additions to a welding electrode wire, for the purposes of the present invention;
FIG. 5 shows, on a somewhat enlarged scale, the welding wire as it appears during the various phases of the operation illustrated in FIG. 4; FIG. 6 is a cross section of a weld bead obtained according to the invention; Figure 7 is a cross section of a weld seam comparable in some respects to that shown in Figure 6. but lacking the advantages according to the invention; Figures 8 to 12 are graphs showing the wire consumption rate as a function of the welding current for various wire electrodes with and without the introduction of additive materials into the arc according to the invention;
FIG. 13 qualitatively shows the heat emission rate of the cathode plotted in logarithmic ordinates. for cathode temperatures in degrees Kelvin plotted on the abscissa, for certain cathode materials and complex cathode surfaces. in order to illustrate the principle of the invention; FIG. 14 shows another embodiment of an apparatus for carrying out the invention; FIG. 15 is an enlarged view, partly in section and cut away, of the welding gun used with the apparatus of FIG. 14; FIG. 16 shows another variant of an apparatus suitable for implementing the invention;
figure 17 shows the relative release of heat at the welding arc terminals in inert gas, in direct current
In fig. 1, the work or plate to be welded is indicated at 21. The welding electrode 22 is preferably provided in the form of a long length of wire fed by a spool 23 mounted in a frame 24. A motor-driven mechanism 25. continuously pulls the wire from the spool and pushes it, at a speed equal to the consumption rate of the electrode, through a flexible sheath 26 towards a welding gun 27.
This gun and the sheath are shown in detail by figs. 2 and 3. In brief, the gun comprises an internal tube 30 in which the gun is moved.
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wire electrode.
The latter enters the tube 30 exiting the sheath 26 and it is brought to the contact tube 31 to which the welding current is supplied. The wire passes from this contact tube directly to the arc where it is melted or consumed and it is deposited in the solder bath or crater on the plate. An outer cylinder 32 which terminates in a nozzle 33 surrounds the inner tube 30 and the contact tube and the annular space between the outer cylinder and the inner tube and between the nozzle and the contact tube is formed. - kills a conduit for the flow of inert shielding gas to the arc region. The gas supply device will be described more fully below. the gas being supplied through the sheath 26 to the gun duct.
The gas comes out of the nozzle in the form of a stream without turbulence, so as to form a screen for the end of the electrode. Preferred means for forming a substantially turbulence-free gas shield are described in U.S. Patent Nos. 2,544,711 and 2,544,801 cited above. is provided with a handle 35 which is shaped like a pistol grip and which contains a control switch actuated by a trigger 37.
This switch is preferably connected to allow the operator to control the welding current, the flow of the shielding gas and the wire movement mechanism. The electrical conductors which terminate at this switch 36 and to an auxiliary switch 38 for controlling the wire movement mechanism are combined 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 direct current generator 45, one terminal of which is connected to the work by a conductor 47 and the other of which is connected by a conductor in the cable 40. to the gun and to the tube. contact which transmits it to the wire = electrod. A contactor 46 is preferably provided to open and close the welding circuit.
The protective inert gas is supplied from a pressurized gas cylinder III provided with a valve 50. a pressure reducer 51 and a flow meter 52. A pipe 53 brings the gas to the rear end. re of the sheath 26.
When performing a welding operation. the shielding gas flow is first established before starting the arc. The wire feed mechanism can be activated before or after the gas flow has been established. The work is then touched with the electrode and it is withdrawn to cause the arc to shoot out. The wire feed movement is started at the same time as the welding arc is triggered. or immediately before, and the wire advances continuously towards the work at a speed suitable for maintaining Park. The suitable mode of operation of the apparatus of FIGS. 1, 2 and 3 are described in detail in US Pat. No. 2,504,868. above.
As already indicated, the invention can be used to regulate the quantity of heat released at one of the terminals of a welding arc with an inert gas consumable electrode, relative to the heat released at the other. terminal of this same arc. In inert gas arc welding of common industrial metals or cold cathode metals, when the work constitutes the cathode of the direct current arc, the anode of which is formed by the consumable electrode (c (ie in reverse polarity), the heat released at the work is much greater than that released by the wire.
By introducing certain materials into the arc in very small quantities, and in the manner which will be more fully described below, the invention makes it possible in reverse polarity operations and, all other things being equal, to shift the equilibrium. thermal of any desired amount to the other extreme condition in which the heat in the yarn considerably exceeds that in the work.
Likewise, in the arc welding of
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common industrial metals, when the wire electrode constitutes the cathode. and that the work constitutes the anode (that is to say in direct polarity) the heat liberated in the wire is considerably greater than the heat liberated in the work and this to the point of making, in many cases , the process practically inoperative.
By introducing certain materials into the arc in quantities and as will be explained in more detail below, the invention allows, all other things being equal, to shift the thermal equilibrium of any quantity desired to make the process practicable by reducing the heat in the yarn relative to that in the work. By proper selection and application of additives. thermal equilibrium can be obtained in the direct polarity inert gas arc welding process, with additions to adjust this equilibrium, which approximates the thermal equilibrium obtained by the reverse polarity process without these additions. Direct polarity arc welding can thus be industrially satisfied with inert shielding gas.
EXAMPLE I.
It has been found, for example, that a weld with a mild steel wire electrode to a steel plate can be carried out with direct current in direct polarity with the method and apparatus of the type described herein. -above and represented by figs. 1, 2 and 3 by introducing certain additions into the arc, without reaching the excessive rates of wire consumption which have been observed when these additions are not made. These facts are illustrated by a test made with a mild steel electrode 1.6 mm in diameter treated by surface addition of rubidium carbonate, this treated wire being fed through 1-lar by means of the apparatus. similar of the type described above.
Welding grade argon (99.5% purity) was used as the shielding gas at a flow rate of 2.128 m3 per hour through a 2.5 cm diameter nozzle to form a non-turbulent shield gas stream. The intensity of the direct current in direct polarity was 325 amps. Under these conditions, with a normal arc length of 5 mm, the wire consumption speed (wire feed speed) was 3.80 m per minute and the arc voltage was 20 volts. In order to obtain accurate and conclusive test results ,. the welding gun was held stationary and the work was moved mechanically at a weld advance rate of 25 cm per minute.
Rubidium carbonate is applied to the wire in the following way (Figs- 4 and 5). The wire is first prepared by passing it between two rollers, one of which is knurled to form indentations on the surface. cross sections about 0.12 mm deep and spaced at about 0.8 mm (fig. 5). A slurry or paste is prepared by thoroughly mixing rubidium carbonate in the form of a dry powder, with a certain amount of denatured alcohol then we apply this slurry or paste with a brush on the surface of the wire and in the transverse indentations (Figo4) o After this operation, we pass the wire through a rubber sleeve which surrounds it tightly to remove excess porridge.
The next operation is to pass the wire between two smooth semi-circular grooved rollers to even out the surface roughness caused by the knurled roller and to include additive material in the indentations. The surface of the wire is then wiped with a clean, dry cloth to remove in principle all of the rubidium carbonate, except that included or forced into the indentations of the electrode surface.
The alcohol evaporates and leaves the wire dry. When prepared as just described, the wire has a practically bare and electrically conductive surface and it can be easily moved through the welding apparatus. its ability to pick up welding current from the contact tip is not impaired. Since rubidium carbonate is a deliquescent material, it can absorb considerable moisture.
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stunning when exposed to a humid atmosphere.
This may result in some detrimental corrosion of the wire electrode which could interfere with the transfer of solder current to the wire and which could also produce a mechanical jamming in the contact tube due to the accumulation in the latter of the products of corrosion. . Likewise, the water present (hydrogen) has a detrimental effect on the quality of the weld deposit and on the stability of the arc. These drawbacks can however be avoided by keeping the prepared yarn dry in a dry atmosphere.
Rubidium oxide has substantially the same effect as carbonate on the thermal equilibrium of the arc and it is not deliquescent.
Rubidium carbonate treated wire prepared and used as explained above gives a good welding arc with a spray transfer of the metal from the wire to the work arc having approximately the appearance of the usual inert gas welding arc with high current density and reverse polarity, with an untreated wire. The weld metal melts well into the plate and produces a well formed, high quality weld bead.
To demonstrate the extent to which small amounts of rubidium carbonate on the wire reduce the heat liberated in the wire when it constitutes the cathode of the direct polarity arc, the following tests were carried out. A clean bare mild steel 1.6mm diameter wire electrode Identical to the wire described above but not having the application of rubidium carbonate was again tested as the cathode. the same apparatus as described above with the same composition of shielding gas and the same flow rate, namely 20,128 m3 per hour of high purity argon. The speed of progression of the weld was maintained at 25 cm per hour. minute and the intensity of the welding current to 325
amps. The untreated wire used under these conditions is consumed at the rate of 9.98 m per minute and the arc voltage is 28 volts, which is to be compared with the consumption of 0.38 m per minute and at the 20 volt arc voltage obtained with the rubidium carbonate treated wire. With this last wire, the resistance of the arc was satisfactory and the weld obtained good. With the bare wire. the bow was messy and floating. poor metal transfer (with relatively strong spatter and large drops). and the process practically inoperative.
Fig. 6 shows a cross section of the weld obtained according to the invention with a wire treated with rubidium carbonate, and Fig. 7 shows a cross section of a weld made. ,, for comparison, under the same conditions. but with untreated bare yarn.
Although these two views do not fully show the faulty nature of the second process, they do point out the excessive importance of the deposit and the poor penetration. In general, in order to obtain good fusion of the metal transferred to the work, the heat released to the wire must not exceed by more than 50% that released to the plate. The marked difference between treated wire and untreated wire, as regards wire consumption and arc characteristics, seems to be attributed, in part at least, to the thermionic emissivity of electrons. steel treated with rubidium carbonate at welding temperature, when used as consumable cathode of inert protective gas welding arc.
EXAMPLE II It has been found that similar effects can be obtained by making additions according to the invention to a non-ferrous wire electrode. Thus aluminum can be welded in direct polarity, according to the invention, by adding cesium nitrate to the aluminum wire electrode. Welding was carried out on an aluminum plate with a dielectric electrode. 'aluminum, using high quality argon (99.5% purity)
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as protective gas supplied in a non-turbulent current at a flow rate of 2.28 m3 per hour in a nozzle 2.5 cm in diameter. The device used was the same as that shown in Figs 2 and 3 and already described.
Thread-
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The electrode was 16 mm in diameter and was made of 19a1tminium 43 S and provided with an application of a small amount of cesium nitrate.
The plate onto which the weld was deposited was 61ST aluminum and was 9.5mm thick. The rate of progress of the weld was 25 cm per minute. Cesium nitrate was applied to the wire in exactly the same manner as already described for the application of carbonate.
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of rubidium on the wire dae3; ero Under these conditions, and with an arc current of 220 amperes ,,. in direct polarity ,,, the consumption of the wire (speed of movement of the wire) was 4 m per minute and the voltage of 16 volts.
The weld-forming conditions were excellent with spray transfer of the metal from the electrode to the plate in a regular arc and no spatter. The arc setting was good (arc length and voltage remained substantially constant). The weld seam was well rounded and smooth.
To bring out the shifting effect of the thermal equilibrium produced by this addition of cesium nitrate to the aluminum wire a comparable weld was made. \) In direct polarity.
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toe with an untreated aluminum electrode. The same apparatus and identical welding conditions were used, with the difference that 19 untreated aluminum electrodes were substituted for the treated electrode.
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with cesium nitrate. The s-Q process was found to be inoperative. The speed of consumption was excessive; it was well over 12 m per minute.
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teo The 19 arc setting was poor. The arc was messy and the spatter was heavy.
The weld bead was irregular and poorly melted in the plate and rather laid on it and without con-
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venable. The tension at Parc was considerably greater than with the cesium nitrate treated wire but due to the improper adjustment of the wire.
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length of lyarc, it was impossible to make a certain reading of the tension of Parc. The significant and conclusive difference between the process with cesium nitrate treated yarn and the process with untreated yarn is that in the first method the consumption rate of the yarn is 4 m per minute while, in the second it exceeds 12 m per minute which indicates a significant difference in the quantities of heat released in the wire used as cathode.
Furthermore. the transfer of metal in the first case is good and the process usable industrially, while in the second case the transfer is poor and the process unusable for industrial purposes.
EXAMPLE III.
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This example relates to another case of application of the invention to non-ferrous metals. Welds are made to a steel plate using an aluminum bronze wire electrode. first with the wire treated with rubidium and cesium chloride then with the same untreated wire.
The particular wire used is an alloy comprising approximately 2% aluminum. \) The remainder being copper, This wire has a diameter of 1.6 mm and the plate on which the weld is made is made of mild steel
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and 9.5 mm thick. The welding apparatus and the protective gas are identical to those described above. Rubidium cesium chloride is applied to the wire electrode in exactly the same way as rubidium carbonate in the first example described. With the wire-wire connected to constitute the cathoce (direct polarity) and a welding current of 225 amperes, the consumption speed of the treated wire is 4.33 m per minute and the arc voltage 18 volts.
The transfer of metal in the arc is good and takes place in the form of adherent drops. The weld bead is completely anchored in the plate and has an oval profile. The arc length adjustment is good. For now
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identical conditions but using an untreated wire the consumption speed is 8.12 meters per minute and the arc voltage 20 volts. The metal transferred into the arc is in larger drops, the bead formed is irregular, and the arc setting is poor. The deposited metal accumulates on the plate and does not penetrate well by melting.
The process is industrially impractical. It can again be seen that a much greater quantity of heat is released in the wire used as a cathode than when the wire is not treated compared to the heat released in the wire with which are associated small amounts of rubidium chloride and deium.
The thermal equilibrium shift also exists in the reverse polarity arc, but it is easier to describe quantitatively with the forward polarity arc due to the marked differences in the wire consumption rate. As indicated, the heat released at the anode of the welding arc is practically independent of the emissivity of the material of the anode and, therefore, the rate of consumption of the wire must be substantially constant with reverse polarity (wire used as anode) whether or not additions have been made in the arc. This was found to be the case.
EXAMPLE IV.
A weld was made on a steel plate, using a 1.6 mm diameter mild steel wire electrode to which a small amount of barium oxide was applied in the same manner as described above. .the wire being used as an anode (reverse polarity) in a protective gas arc welding process of the type considered. Welding is carried out at a rate of progression of 25 cm per minute using argon as protective gas at a flow rate of 1.4 m3 per hour in a nozzle 1.9 cm in diameter and a plate of 16 cm. mm in diameter. At 325 amps ,. the wire consumption speed is 5.13 m per minute and the arc voltage is 22 volts. The arc is calm and stable with a good adjustment and the transfer of the metal takes place by spraying.
The weld seam is well formed and the penetration moderate.
The bombardment of positive samples ordinarily observed in the reverse polarity protective inert gas process with untreated wire is not observed. By comparison, when using an untreated wire, under the same conditions, the consumption speed is 5.33 m per minute for an arc voltage of 28 volts. The transfer of metal in the arc takes place by spraying. The bead is a little flatter and the heat affected area in the plate is much larger. Positive ion bombardment produces a well-known cleaning inaction on the plate.
EXAMPLE V.
This other example relates to a weld made with an aluminum wire 1.6 mm in diameter, using the same welding apparatus as already described, and on a non-ferrous material, and in reverse polarity. The protective gas is weld-grade argon supplied at the rate of 2 m3 per hour in a non-turbulent flow in a nozzle 2.5 cm in diameter.
The cathode consists of an aluminum plate 9.5 mm thick.
When the wire is first treated by applying a small amount of the cesium nitrate to it as already described, it consumes at a rate of 4.20 per minute at 205 amps and 19 volts. The weld obtained is good. When an untreated aluminum wire is used under the same conditions, the consumption speed is 4.44 m per minute at 22 volts.
The weld bead is a little flatter and the arc characteristics and metal transfer are good.
It is significant to note that when the wire constitutes
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the anode, the addition of material has little or no effect on the wire consumption rate, but the arc voltage is reduced to a substantial extent and its power is considerably less. Since the rate of consumption of the wire is substantially constant, it is obvious that the heat in the plate must be reduced. This is exactly what one would expect from the invention if the plate were made of a better thermionic emitter.
Hence, it is clear that in these examples of reverse polarity the addition made to the wire is transferred to the solder bath with the metal which deposits and increases the thermionic remission of the bath which constitutes the cathode. Thus, when additions are made to the wire in accordance with the invention, the heat released in the wire is substantially reduced when the wire is the cathode and the plate is the anode and the heat released into the cathode. Plate can also be significantly reduced when the wire is the anode and the plate is the cathode.
It has been found that only very small amounts of additive material are required to achieve the desired effects. It is clear from the foregoing description of a method of applying the material to the yarn which has been found satisfactory that very little of this additive material remains on the yarn when it is finished, at the end of the line. state processed. In fact, difficulties may be encountered in moving the wire in the contact tube and in transmitting current to it if the material added to it at the surface is in sufficient quantity to be detached by friction.
Approximate chemical analysis of a sample of steel wire treated with barium oxide and successfully used in one of the examples cited above, indicated that barium oxide was present in an amount of approximately 25%. g. per ton of steel. That is, 0.003% by weight of the weld metal deposited, which highlights the fact that very small amounts of additive material can be used. The treated wire can still be considered a "bare" wire and its surface remains electrically conductive to collect the welding current applied to the contact tip.
Not only can the thermal equilibrium of the shielding inert gas welding arc be shifted in a given direction, in accordance with the inventions as is apparent from the previous examples. but a quantitative control of the displacement of this balance can still be obtained by a suitable selection of the additive material.
The following experimental facts demonstrate that different adducts produce different amounts of heat in the cathode under substantially identical conditions. The direct polarity welding process previously described and using a steel electrode treated with rubidium carbonate (see example 1) gives rise to a consumption rate of 3.80 m per minute and an arc voltage of 20 volts. Under comparable conditions, with a non-fresh wire the consumption speed is 9.15 m per minute with an arc voltage of 28 volts.
Keeping all the same welding conditions exactly, but substituting rubidium cesium chloride for rubidium carbonate, the consumption speed is 4.19 m per minute and the arc voltage is 22 volts. When potassium carbonate is used as an addition material to the electrode, the consumption rate is 6.83 per minute and the arc voltage is 28 volts.
Likewise, the polarity welding of aluminum previously described (see example II) makes it possible with a wire electrode treated with cesium nitrate, a practicable process with a consumption of 4.06 m per minute and a d9are voltage. 16 volts. When an untreated yarn is used under the same conditions, the process becomes impractical and the consumption speed exceeds 12.70 m per minute.
By keeping exactly all the same welding conditions, but by substituting "a mixture T '(mixture consisting mainly of lanthanum and cerium oxides, but containing other rare earth oxides in small quantities) for the nitrate
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of cesium one obtains a consumption speed of 9..0 m per minute and an arc voltage of 18 volts, which is intermediate between the consumption of an untreated wire and that of a wire with additions of cesium nitrate.
Likewise again .. with 15, previously described example of a treated aluminum bronze electrode (direct polarity) (see example III) ,. the consumption speed is 5.33 m per minute. Consumption
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tion with untreated yarn is 13.20 m per minute. When rubidium carbonate treated wire is substituted for the rubidium cesium chloride treated wire, the flow is 5.97 m per minute under the same welding conditions.
Some specific addition materials specific to
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to increase thermionic remission but these materials have been indicated only by way of example of implementation and results of the invention. and this is not limited to these particular subjects. On the contrary, the invention may be practiced with other materials which include or contain one or more release agents which cooperate with the base metal of the cathode to form a complex cathode surface.
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welding metal, the thermionic emissivity of which is significantly higher at the welding temperature than that of the base metal alone.
The increased thermionic emissivity of this complex metal cathode surface manifests itself in a significantly lower cathode duty rate and a significantly lower cathode voltage drop, when compared to the duty rate and drop in. tension of the base metal alone at the welding temperature. The complex surface of the welding cathode includes both the emitting agent (s) and the base metal of the cathode. The base metals are obviously those that constitute
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the work and those which constitute the wire = electrode and which must melt with the metal of the work to constitute the weld deposit.
The agents
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emission are metals added to the arc or electrode. or to welding electrodes, in extremely small amounts (either as such or in the form of compounds which dissociate to liberate metals in the arc) primarily for the purpose of altering the electrical and thermal characteristics of the metal. bow. The base metals in a given welding operation are determined by the composition of the part to be welded and by
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the composition of the metal deposit to be formed.
Suitable emitting agents are metals which must be electropositive with respect to the base metal of the cathode, which must have a low thermionic work rate (lower than that of the base metal) and a low ionization potential (their ionization potential must be preferably be less than that of any constituent of the arc atmosphere and preferably less than the effective working rate of the base metal of the cathode).
They should also have a melting point below the boiling point of the base metal of the cathode. while having a sufficiently high boiling point or being low volatile enough to remain in place in the complex surface of the cathode for a time long enough to increase the thermionic emission from that surface under welding conditions.
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It has been determined, from the results of experience, that the invention can be carried out very effectively with an emitting agent selected from the group consisting of alkali metals, alkaline earth metals. lanthanum and rare earth metals series
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lanthanum. actinium and rare earth metals of the 19 actinium series. scandium and yttrium. These elements can be added either in the form of compounds of these metals which can be partially or totally dissociated in the arc to release the metal.
It is possible, for example, to use oxides, carbonates and borates. phosphates, nitrates, silicates, halides. Two or more of these metals and / or their compounds can also be used, and often with particular effectiveness. Alkali metals are
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lithium sodium., potassium. rubidium. cesium and francium.
The alkaline earth metals are calcium barium. strontium and radium. The rare earth metals of the lanthanum series are cerium.
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praesodymium9 neodymiuan9 promethium. samatiuma 1? europium gadolinium. terbium. dyspresiumn 1? holmium thulium. l9ytterbiuma lutetium. The rare earth metals of the 19actinium series are thorium, protactiniume 19uranium, neptunium, plutonium. There 19amerioi.pm and curium.
Number of these metals and their compounds. in the periodic groups just mentioned are rare and expensive and some are dangerously radioactive. Therefore it is preferable. both for practical reasons and because particularly advantageous and highly desirable results can be obtained with them in inert gas arc welding protective of common industrial metals,
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to use an emitting agent which is a member selected from the group which includes potassium, rubidium. cesium, strontium, barium. lanthanum or rare earth mixtures of lanthanum and cerium.
It may be preferable to use thorium and uranium in some cases.
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where the welding electrode temperatures are high. Count, we have already said that. these preferred release agents can be added either in the form of metals or in the form of compounds of these metals which are partially or totally dissociated in 19arq to liberate the metals.
It is possible to use, for example, oxides, carbonates, borates, phosphates, nitrates, silicates. or the halides of these metals.
Mixtures of two or more of these preferred metals and / or their compounds can also be used, and often with particular effectiveness.
Particular examples of additive materials which presently appear preferable are cesium nitrate, rubidium carbonate, rubidium-cesium chloride. 1 is oxidized or carbonate of barium, mixtures of oxides or carbonates of barium and strontium, lanthanum or mixtures of these metals or of their rare earth oxides of the lanthanum series, oxide of thorium and potassium carbonate.
The same additive materials are not equally effective on all parts to be welded and with all compositions.
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wire electrode. This fact emerges from the figs. 8. 9. 10. 11 and 12 which show. by changes in the speed of wire consumption. The effect of the various additives on the thermal equilibrium of the inert shielding gas welding arc.
Although all the principles or the theory of operation according to the invention may not yet be fully understood.
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fully understood. The following explanation of how the invention works has been shown to be useful in practice as a guide in determining which of the additives and emission agents to use in welding a base metal of a particular part. or with a particular wire electrode base metal, to achieve the desired results. The adducts of the present invention are materials which decompose (if they are compounds)
in an agent or element
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low working rate and low potential emissionp which is electropositive with respect to the base metal of the cathode and which forms a thin film on all or part of the surface (cathode) of 1 '
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electrode during the welding dopea at3on. The deposition of an electropositive metal on a more electronegative metal produces a marked lowering of the work rate of the complex surface, which in turn increases the thermionic emission at the temperature of the welding electrode.
The process is believed to be as follows: the compound containing the emitting agent or element (assuming that the agent is added to 1-lare as a compound) is reduced or dissociated and releases that emitting agent as a compound. metal in or on the molten portion of the welding cathode. The emitting element diffuses into the molten cathode surface and / or migrates throughout this surface to transform it into a complex surface with high
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thermionic emissivity.
It appears that the fully activated surface cor- responds to a mono-atomic layer of atoms or datons of the emis- sion agent which covers a large part, for example 50% of the surface of the ca- thodeo This thin layer of emissive insulation is retained on the surface by attractive forces large enough so that noticeable evaporation does not commence until temperatures are reached which are ¯,. well above the boiling point of emissive insulation well that excess amounts of this element can evaporate at low temperatures to leave the thin layer in question or portions of the element on the surface of the cathode.
It should be noted that the temperatures of the welding arc, usually used at atmospheric pressure,. are above the dissociation points of most compounds.
The mono-atomic layer or deposits of emissive singly atoms are thought to be adsorbed as datons on the cathode surface of the base metal and that the forces which tend to hold them in place must be greater when the Isolation emissive ionization potential is low; it would seem that the ionization potential of the emissive element must be less than the working rate of the base metal of the cathode but ,,, in practice and perhaps because the working rates are difficult to determine exactly ,,, it has been found that the ionization potential of the emissive metal can sometimes be 1.5 times in electron-volts greater than the values given by worthy researchers for the working rates of the base metal of the cathode.
In general, the emissive isolation should be electropositive to the base metal; the working rate of the complex surface is the lowest and its thermionic emissivity is the highest when this difference has its greatest positive value, and the thermionic emissivity becomes lower and the working rate greater when the difference becomes zero, then negative.
The ionization potentials of many of the emissive elements included in the invention have been determined with reasonable precision but, as indicated above, there are quite large variations in the working rates of the base metal when they are used. measured by different experimenters. The following is a list taken from the literature of the ionization potentials of some of the emissive elements and the working rates of various base metals.
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Ionization potentials Working rate Aents emissiso Electrons yoltso thermionic Base metal. Elec.-volts
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<tb> Lithium <SEP> 5.37 <SEP> Magnesium <SEP> 3.78
<tb>
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Sodium 5.12 Aluminum (, .9 C8
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<tb> Potassium <SEP> 4.32 <SEP> Copper <SEP> 4.33
<tb>
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Rubidium 4p 16 Iron, p t $
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<tb> cesium <SEP> 3.87
<tb>
<tb> Strontium <SEP> 5.67
<tb>
<tb> Barium <SEP> 5.19
<tb>
<tb> Scandium <SEP> 6.7
<tb>
<tb> Yttrium <SEP> 6.5
<tb>
<tb> Lanthanum <SEP> 5.69
<tb>
<tb> Thorium <SEP> 5.25
<tb>
While, from the above list, cesium appears to be the best complexed surface thermionic emitter for
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any of the base metals.,
it has a low boiling point and does not
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is not well retained on high boiling point metals such as iron, during welding; on the other hand, cesium is very effective on low boiling point metals such as aluminum. Barium should be expected. strontium, lanthanum and cerium are much more efficient as emitters of complex surfaces. with iron qu9with aluminum. and this has been found to be correct by actual testing. Those of the emissives which have the lowest ionization potentials are particularly advantageous when used with shielding gases such as helium having relatively poor ionization characteristics.
Usually, only the emissive agent can be chosen for the complex surface when the invention is applied to practical operations. because the base metal of the cathode is determined by the composition of the wire electrode or the composition of the part to be welded which, in turn, is determined by the type of welding to be carried out or the nature of the part In addition, the surface of the cathode must act at a certain temperature between the melting and boiling points of the wire compositions. so that the metal of the wire electrode can be melted and transferred through the arc jetting space and deposited in the molten metal of the weld on 1 9 work. Current densities should preferably be high with wire travel speeds of 2.50 m per minute and more.
as described in the aforementioned US Pat. No. 2,504,868 though. by the application of the invention, the lowering of the working rate of the cathode, the voltage drop at the cathode and the resulting voltage drop in the arc), ensure a greater current flow for the same release of heat or power in the arc. Likewise, the advantageous effects on the stabilization of 19are and the transfer of metal produced by the materials added to the arc according to the invention. can give satisfactory arc characteristics at low currents. which is particularly useful in the welding of thin sheets.
The fact that welding arcs normally act at a pressure substantially equal to atmospheric pressure is a factor to consider because the boiling point of the emissive agent must be high in order for it to remain intact on the surface of the cathode. - sufficient time and the temperatures and boiling points to be considered must therefore be those at atmospheric pressure. Due to the fact that the additive material is continuously introduced into Park.
Isolation emissivity on the complex surface of the cathode is continually renewed and supplemented and therefore only needs a short effective time.
Emissives which have boiling points considerably below welding cathode temperatures can, if continually introduced into the arc, act to maintain a constantly effective thermionic cathode complex surface, even if the thermionic cathode complex surface is Base metal from the cathode is quickly removed or added during the welding operation by the transfer of metal from the wire electrode to the weld deposit on the work.
The activation treatment (reduction or dissociation of the addition material if it is in compound form, and emigration of the emissive isolation to the surface of the mono-atomic cathode) must take place while the wire is advanced in the arc. It is important that the chosen emissive insulation be able to be retained in a thin layer adsorbed on the base metal at its welding temperature, because it is at this temperature (between the melting and boiling temperatures of the base metal). that the surface of the cathode acts and consequently, it is at this temperature that the complex surface must be effective.
If the additive is introduced into the arc as a compound, that compound should not be so stable that it does not dissociate at least in part to provide isolation or free emissive metal at the surface of the arc.
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The electrode or surfaces of the arco On the other hand, if a compound is used, it should preferably not dissociate too easily so as to allow the complete evaporation of the emissive element before it is 'it reaches the surface of the cathode and is adsorbed therein in ion state.
When the additive is a compound it can be considered as. having an "effective term which is Isolated emissive and a" carrier term "which is Isolation or group which carries the emissive element into its place in the complex surface.
Fig. 13 highlights the effect of complex cathode surfaces to regulate and improve the thermionic emission of electrons in the welding arc. In this figure, the thermionic emission rates of two base metals (aluminum and iron) and of two emissive agents (cesium and barium) are plotted on the ordinate and the * temperatures are plotted on the abscissa. the complex surface with cathode surfaces loaded with cesium and barium is also indicated to bring out the principle involved.
It was stressed that these curves are merely intended to illustrate the invention and that they are not quantitatively accurate; they qualitatively represent the relationship between the thermionic emission rates of various surfaces, but the quantitative ratios shown are not accurate, since the work rate of a complex cathode surface varies with the composition of the base metal as well as with the emissive element used. The working rate of a complex thermionic surface is lower than that of any of the base metals or the emissive element per se.
Although the coating metal or emissive agent is maintained in an absorbed layer on the base metal well above its boiling point. if one reaches sufficiently high temperatures ,,, the adsorbed layer disappears too quickly by evaporation and, in this case, the thermionic emission is appreciably identical to that of the base metal alone We have plotted the curve d 'emissivity for tungsten metal ,,, thermionic and refractory, and for thorium on tungsten to increase this effect. At the top of the graph are shown the melting and boiling points for aluminum and iron.
Since the welding arc electrode temperatures for these materials must be within the ranges given in the protective inert gas arc welding process, it is understood that cesium will be more effective on aluminum and barium more effective on iron.
The resulting effect on the thermal equilibrium of the inert gas welding arc with these thermionic cathode emitters is shown in figure 17.
As a variant of the preparation process of FIG.
4. wherein the material is applied to the surface of the wire or included in indentations made therein, the additive material may be incorporated into the molten metal when making the wire. to form with it an alloy or a mixture. There is thus obtained a homogeneous distribution of the additive material in the yarn and the need to separately treat the yarn after it has been drawn into yarn is eliminated.
EXAMPLE VI.
Mixture metal is added to a 43 kg mass of molten mild steel at a rate of 1.800 kg of mix metal per ton of molten steel. The mixture metal comprises 53% cerium, 33% lanthanum, 1.5% will make the remainder consisting of rare earths. The resulting alloy (part of the mixture metal being lost by vaporization) is drawn into a 1.6mm diameter wire which is used as a consumable electrode in a gas arc welding process. inert of the type envisaged, and in direct polarity.
With an argon flow. as shielding gas, 2 m3 per hour in a 2.5 cm nozzle, welding is carried out on a 9.5 mm steel plate
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mm thick at a weld advance rate of 25 cm per minute. With a current of 310 amperes, the consumption speed of the wire is
3.55 m per minute and the arc voltage is 25 volts.
These figures are to be compared with the consumption speed of 8.5 m per minute for a wire not containing the mixed metal and under similar welding conditions
The welding conditions with the wire containing the mixed metal are good and the metal transfer takes place by spraying, and the weld bead is well formed.
It is actually preferred to carry out the invention by applying to the wire or coating the surface thereof with additive materials. and adding these materials to the yarn composition of which they are an integral part, but these materials can also be introduced into the arc in other ways.
Fig. 14 schematically illustrates one of these variations in which the additive materials are continuously introduced into the protective gas stream.
In this figure, an untreated wire electrode 60 is advanced through a welding gun 61 to its working position relative to the workpiece or work 62. In the same manner as previously described for the hand gun. the wire electrode 60 is in reserve on a spool 65 from where it is drawn by a mechanism 63 controlled by a motor and it is pushed in a sheath 64 towards the welding gun 61. One of the terminals of the generator is connected. to the gun 61 via a contactor 67 and wires 68. and 68 '. the other terminal of the generator being connected to the work 62 by the wire 69. The welding current is brought to the electrode 60 in the gun 61 by a contact tube in the same way as for the welding gun. fig 2.
The welding gun can be water cooled as indicated by the water fittings on the nozzle. The pistol is shown supported in a fixed mount comprising a split sleeve 70 with a pinion which can be turned by a plug 71 and which meshes with a rack 72 attached to the gun barrel so that the latter can be adjusted. height in split sleeve. Fig. 15 shows the construction details of the lower part of the gun 61. The wire is fed through an inner tube 75 and the contact tube 76 which transmits the welding current to the electrode 60. The welding current comes to the gun. at the upper end thereof by a wire 68 'and it is led by the metal parts internal to the contact tube 76.
The shielding gas is supplied by a compressed gas cylinder 80 (fig. 14) from which it leaves through the usual valve 81, the regulator 82 and the flow meter 83. and goes to the pipe 84 which brings it into a vibratory powder dispenser device 85. This device is described in detail in United States Patent No. 2,549-033 of April 17, 1951. In principle, it comprises a hopper from which the material in powder is distributed by a vibratory distributor mechanism. The powdered material is entrained by the stream of inert gas when this stream which is supplied to the device through the pipe 84 leaves it through the pipe 86 The shielding gas with the powdered material in suspension is supplied to the gun 81 through the pipe 86.
In this embodiment of the invention, the additive material is provided as a pulverized solid material introduced into the gas stream.
The gas and the additive material which it contains in suspension pass through suitable conduits formed in the gun 61 and they exit, in the form of a stream free of turbulence, from the annular nozzle 89 (fig. 15) which surrounds the tube. contact 76. Addition material suspended in the shielding gas stream is continuously introduced into the arc region to maintain therein a stabilizing substance with low ionization potential and to impart thermionic emissive properties to the cathode. as described previously.
The powder dispensing device is not necessarily of the type described in the
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United States of America N 2,549,033 cited above, but perhaps any other device capable of continuously introducing powdered material into the arc.
EXAMPLE VII.
This example relates to the implementation and the results of the invention when the additive material is introduced into the arc in the form of dust suspended in the shielding gas. A direct polarity arc is spouted between an untreated mild steel wire electrode 1.6 mm in diameter, which constitutes the cathode, and a steel plate 9.5 mm thick which constitutes the cathode. the anode. Baryum oxide in the form of a fine dry dust is arcuate in the shielding gas which is spudure grade argon. The gas flow rate is 2 m3 per hour through a nozzle 2.5 cm in diameter; at 300 amps, the wire consumes at the rate of 4.82 m per minute and the arc voltage is 22 volts.
All other things being equal, but without dust in the shielding gas, the wire consumption speed is 7.87 m per minute and the arc voltage is 30 volts.
With a reverse polarity welding arc working under the same conditions, and barium oxide powder suspended in the shielding gas, results similar to those obtained in direct polarity with barium oxide are obtained. barium applied to the wire electrode.
Apart from the methods of introducing the additive material into the arc. described in the foregoing and for the purposes mentioned, it has been found that, under certain conditions, the additive material can be deposited on an auxiliary filler wire which is fed to the weld, or that this material. can be placed directly on the piece to be welded.
Figure 16 shows an apparatus suitable for using an auxiliary load wire to which additive materials of the kind described have been applied. In this figure, the wire electrode 90 is pulled from a coil 91 by a displacement mechanism 92 controlled by a motor, as in the embodiments previously described. In this case, the electrode wire is a bare, clean untreated wire. It is guided from the displacement mechanism 92 in a sheath 93 to a welding gun, which may be identical to that described in connection with Figs. 14 and 15. The welding current is supplied by a regenerator of welding 100, one of the terminals of which is connected to the gun by a wire 101, the contactor 102 and the wire 103. The current is supplied to the electrode wire 90 in the welding gun 94.
The other terminal of the generator is connected to the structure by wire 104. The shielding gas comes from a compressed gas cylinder 110 from which it leaves through the usual valve 11. the regulator 112. the flowmeter 113, and arrives at the welding gun 94 through the pipe 114. The shielding gas exits the nozzle of the gun in a non-turbulent current which envelops the spouting end of the arc of the electrode, the arc and the bath. Welding. In this embodiment, a second wire displacement device is used to bring a filler wire 119 to the weld, this wire containing, in its mass or coated in its surface, the necessary additive material. This treated wire is not supplied with electric current and it does not constitute an electrode.
It is fed independently into the region of the arc where it is melted into the weld by the heat of the arc. The device for moving this wire may be identical to that of the wire electrode; it comprises a spool 120 and a motor driven advancement mechanism 121 which pulls the wire 119 from the spool 120 and pushes it into a channel 122 towards the weld zone. A support 123 supports the sheath 122 in the vicinity of the torch to guide the load wire 119 to the weld.
The best results are obtained if the load wire 119 is brought to the weld zone so that its end touches the work at the edge of the bath.
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solder and melts in this bath before arriving directly under the arc. The adducts which form part of this filler wire provide the required thermionic emission rate for the cathode, in much the same way as the adducts on the wire electrode in the embodiments of the wire. invention already described.
EXAMPLE VIII.
This example shows the effect produced by the addition made by means of a load wire on the inert gas arc with reverse polarity. A 1.6 mm diameter mild steel wire is used in the apparatus of Fig. 16 as the electrode. under a protective atmosphere of argon delivered at a rate of 2 m 3 per hour in laminar current in a nozzle 2.5 cm in diameter. Without auxiliary load wire and with a given welding generator setting the welding current to 285 amps and the arc voltage to 29 volts, the wire consumption rate is 4.44 per minute.
A 1.14 mm diameter steel auxiliary filler wire treated with barium oxide in the same manner as described for treating the 1.6 diameter wire electrode with ru-bidium carbonate is fed to. the arc to melt in the weld pool and add to the weld metal supplied by the consumable electric.
When this barium oxide treated wire is added to the solder at a traveling speed of 2.28 m per minute and the setting of the welding generator is kept constant, the welding voltage immediately drops to 25 volts, the current rises to 325 amps and the rate of consumption, in the usual way when the welding current increases, reaches 5.71 m per minute o The barium oxide on the auxiliary load wire is therefore effective in increasing emissivity of the solder bath exactly as when barium oxide ,,, or other additive, is applied to the electrode wire or brought to the arc as a powder suspended in the shielding gas .
EXAMPLE IX.
In some cases the invention can also be implemented by applying the additive material directly to the plate to be sulked. For example, using the apparatus of the type described in connection with Fig. 1, a slurry of barium oxide and alcohol is applied with a brush on a part of a steel plate to be welded. The alcohol evaporates a surface layer of barium oxide which adheres to the plate. Reverse polarity inert gas arc weld is made to this part of the plate and gives an arc voltage of 22 volts and an amperage of 350 amps.
As the solder leaves the processed part of the plate and comes onto the clean bare part .. the arc voltage jumps to 30 volts and the current drops to 290 amps. which indicates that the solder bath which constitutes the cathode is a much improved thermionic emitter when barium oxide is applied to the plate.
In the foregoing, examples and particular embodiments of the invention have been described with the aim of bringing out their nature and operation, but it should be understood that the invention can also be implemented. and used by specialists in other ways, without departing from its principle.