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Jusqu'à présent, on ne considérait pas comme possible la soudu- re d'une fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement.
On ne peut en conclure que les expériences que l'on a effectuées dans ce domaine ont donné des produits n'ayant pas présenté des caractéristiques de résistance telles que ces produits puissent offrir un intérêt quelcon- que pour l'industrie.
Pourtant, certains essais ont montré qu'on peut obtenir un pro- duit soudé satisfaisant en exécutant la soudure conformément au procédé que l'on va décrire ci-dessous, à condition que la fonte utilisée ait des te- neurs en carbone, silicium et phosphore comprises entre les limites indi- quées également ci-dessous.
Lorsqu'on veut réussir la soudure d'une fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement ou avec arc, on doit connaître les caractéristiques générales de la fonte, ses composants les plus impor- tants et-l'influence de ces composants sur les valeurs de la résistance de la fonte. C' est la raison pour laquelle on va faire ci-après l'exposé des conditions affectant directement la soudure d'une fonte.
1 -Pourcentage de carbone.
On sait que le mot carbone est utilisé pour les alliages de fer et de carbone dont la teneur en carbone dépasse 1,7 %. Une fonte dont la teneur en carbone est comprise entre 1,7 et 4,2 % est appelée hypoeutecti- que et si sa teneur en carbone dépasse 4,2 % elle est appelée hypereutecti- que. Un alliage dont le pourcentage en carbone s'élève à 4,2 % est appelé eutectique; c'est l'alliage de fer et de carbone qui présente le point de fusion le plus bas (1139 C). Il est composé de cristaux uniformes et fond à une température constante comme un métal chimiquement pur.
On n'utilise toutefois, dans les applications techniques, que de la fonte hypoeutectique, dite fonte grise. Il arrive rarement qu'on trouve dans la pratique une fonte d'une teneur en carbone supérieure à 4,2 %. La fonte hypereutectique présente une grande quantité de graphite séparé de la fusion et sa structure cristalline est tellement grossière qu'on peut la fendre avec la pointe d'un couteau. Une telle fonte offre de mauvaises caractéristiques de résistance.
Mais, du point de vue d'une application technique, la faibles- se du pourcentage de carbone dans une fonte présente également des incon- vénients. En effet, si la résistance de la fonte augmenté bien lorsque sa teneur en carbone diminue, le degré auquel cette variation se produit est limité pour les raisons suivantes : a) les contraintes présentes dans la fonte augmentent lorsque le pourcentage de carbone s'abaisse; b) la fonte devient plus dure, donc moins facile à usiner; c) la fonte devient plus rapidement visqueuse, sa fusion de- vant s'effectuer à une température supérieure; d) il se produit une plus grande retassure en moule.
Pour que son usinage soit le plus facile possible, la fonte doit présenter un pourcentage de carbone compris entre 2,9 et 3,5 %.
Une fonte ayant une teneur en carbone plus voisine de l'eutectique, bien que sa coulabilité soit bonne, que son usinage soit facile et qu'elle ait moins de retassure, offre une surface de cassure à cristaux grossiers et présente des caractéristiques de résistance inférieures.
La fonte contient, à l'état solide, du carbone libre (graphite) et un composé chimique de carbone et de fer, à savoir le carbure de fer Fe3C, dont le nom metallographique est la cémentite. Le f er à l'état fon- du peut absorber plus de carbone qu'il ne peut en retenir pendant sa soli- dification, et c'est pour cette raison que le carbone libre, dans certaines
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conditior'-'. se sépare sous forme de graphite. D'ordinaire, le graphite précipité si la fonte contient au moins 2,5 C, et cela d'autant plus fa- cilement que la fonte contient une teneur plus forte en silicium. En l' absence complète de silicium, il n'y a pas de précipitation de graphite.
Lorsqu'on augmente le pourcentage de graphite, caractéristiques de résistance de la fonte sont réduites dans une certaine proportion. La résistance à la flexion et la résistance à la traction de la fonte décroissent 1'une et l'autre lorsque la proportion de graphite rapportée au carbone combiné augmente, ceci quel que soit le pourcentage de silicium. Par lui-même, le silicium a une très faible influence sur la résistance de la fonte; aussi la variation de cette caractéristique doit-elle être imputée à l'influence de la teneur en graphite. Ainsi qu'on l'a indiqué plus haut, le silicium agit sur la séparation du graphite. Plus le pourcentage de silicium est élevé, plus la précipitation de carbone sous forme de graphite est importante.
Indépendamment du facteur indiqué ci-dessus, il en existe encore un autre ayant une grande influence sur la précipitation du graphite, c'est la vitesse de refroidissement de la fusion.. Plus lentement un alliage fer-carbone contenant du silicium se solidifie, plus grande est la quantité de graphite qui précipite. Le mode de formation du graphite dans la lonte influence de la manière suivante la résistance de cette dernière, Toutes autres conditions restant inchangées, une fonte à graphite finement divisée offre une résistance substantiellement plus grande qu'une fonte ayant des paillettes grossières de graphite.
Si deux pièces de fonte contiennent du graphite en même quantité et avec une même distribution, celle des deux pièces dont la structure est purement perlitique offre des carac- téristiques de résistance meilleures que celle dont la structure est ferritique ou perlitique-ferritique. En règle générale, on peut dire que la résistance à la traction d'une fonte augmente en même temps que sa structure devient plus perlitique. Lorsque la structure devient cent pour cent perlitique, on ne peut plus augmenter la résistance de la fonte qu'en réalisant une division plus fine du graphite.
2 - Phophore,
Lorsque la teneur en phosphore augmente, la résistance de la fonte commence par augmenter, mais au-delà de 0,5 % P toute augmentation du pourcentage entraîne une diminution de la résistance. Lorsque le pourcentage de phosphore atteint 1,5 % la résistance au choc peut se trouver réduite de 50 à 60 %. A l'état fondu, une addition de phosphore rend la fonte très fluide, tandis qu'à l'état solide la fonte devient plus fragile.
Comme la fragilité augmente aveu la teneur en carbone combiné, une fonte riche en graphite est susceptible de recevoir une plus grande quantité de phos- phore,
Après ce préambule concernant.! les.caractéristiques les plus importantes de la fonte, on donnera ci-dessous un exposé sur la soudure de la fonte dans une machine à souder électriquement par rapprochement.
Sur le dessin, la figure 1 montre schématiquement un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé conforme à l'invention, et la figure 2 représente un diagramme fer-carbone où sont indiquées les limites entre lesquelles doit être maintenu le pourcentage de carbone.
La soudure électrique par résistance constitue une soudure par pression, c'est-à-dire que les pièces de fonte, chauffées suffisamment pour devenir pâteuses, quelquefois fluides, sont soudées ensemble sous forte pression sans addition d'aucun matériau supplémentaire. Or. se sert dans ce cas, comme source de chaleur, d'un courant électrique provenant d'un transformateur T dont le secondaire fournit un courant alternatif de faible voltage,. par exemple de 7 à 15 Volts, à très forte intensité; ce courant traverse les pièces à souder et, par suite de la résistance intérieure de ces dernières et de la résistance offerte par les surfaces du joint, c'est- à-dire les zones de soudure, échauffe les pièces jusqu'à leur point de ra-
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mollissement ou de fusion.
La figure 1 montre les électrodes E en cuivre, les pièces à souder A et l'intervalle a séparant le point de serrage et le point de soudure.
Tous les matériaux susceptibles d'être soudés à l'état pâteux peuvent être soudés par soudure électrique par résistance. On peut citer, par exemple, presque tous les types d'acier, l'acier moulé, certains types de moulage, l'aluminium et ses alliages, le cuivre et ses alliages, le ni- ckel, le tungstène, le cobalt, le tantale, l'argent, l'or, le platine, etc...
Jusqu'à présent, on considérait que la fonte ne pouvait pas être soudée par résistance. Le dispositif employé pour exécuter la soudure d'une fonte se- lon l'invention est représenté dans ses lignes fondamentales sur la figure
1.
Après avoir effectué un grand nombre d'essais, on a constaté' que l'on peut souder la fonte par résistance lorsque certaines conditions sont réalisées., la pièce soudée obtenue ayant une bonne caractéristique 'de résistance; par exemple, la soudure de tubes moulés par centrifugation permet d'obtenir une résistance à la traction comprise entre 20 et 26,7 kg/mm2 et une étanchéité absolue pour une pression d'eau intérieure de 200 at.
La résistance à la flexion est comprise entre 33 et 45 kg/mm2.
Si l'on suppose qu'il est possible d'utiliser techniquement la fonte dans un domaine dont les limites dépendent de sa teneur en carbone, on peut partir de cette hypothèse pour expliquer les bons résultats obtenus à la soudure.
On a indiqué ce domaine, compris entre 2,7 et 3,6 % C environ, sur le diagramme fer-carbone de la figure 2 et l'on peut voir que deux pièces en fonte qu'on veut souder ensemble et qui ne présentent pas des teneurs égales en carbone, par exemple l'une contenant 2,8 % de carbone et l'autre 3,5 %. n'atteignent pas le même état de fusion. La pièce contenant 2,8 % C doit être chauffée à 1295 C alors qu'il suffit de chauffer à 1215 C seulement la pièce contenant 3,5 % C pour que tous les cristaux soient fondus, Lorsqu'on ne connaît pas la composition de ces pièces avant la soudure, il peut en résulter que des cristaux non fondus soient présents sur une surface de joint et que par suite les pièces ne se fusionnent pas complètement.
Ce résultat est mis en évidence lorsqu'on soumet les pièces soudées à des essais de résistance à la traction et lorsqu'on examine aux rayons X le cordon de soudure. On s'aperçoit en effet que la soudure n'est pas continue et qu'il existe de petites surfaces où la soudure ne s'est pas produite.
D'autre part, la fonte à l'état ramolli ou fondu est susceptible de se combiner chimiquement avec l'oxygène de l'air et de former ainsi des oxydes de fer qui, emprisonnés dans un joint soudé, présentent l'inconvénient de réduire la résistance, en particulier vis-à-vis des déformations dynamiques. Pour empêcher ce processus d'oxydation ou pour réduire autant que possible l'influence des oxydes déjà formés, on soude la fonte par résistance selon le procédé avec décapage, dans lequel il se forme une atmosphère protectrice qui empêche à son tour la progression de l'oxydation. Selon ce procédé, après avoir chauffé les pièces à la température voulue, on les décape à une profondeur de quelques millimètres (en tenant compte des dimensions de la zone de soudure), puis on les serre ensemble sous forte pression.
Pendant le serrage, les derniers restes d'oxydes qui peuvent avoir subsisté sont expulsés de la zone de soudure.
Un certain nombre d'essais ont montré que les inclusions d'oxy des dépendent directement de la pression de serrage. Lorsque la pression est de 2,5 kg/mm2 sur la zone de soudure, les inclusions d'oxydes sont encore nettement apparentes, tandis qu'à une pression de 5 à 9 kg/mm2 la situation est bien plus favorable, et il en résulte une augmentation considérable de la résistance à la flexion et de la résistance à la traction des pièces soudées.
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Ainsi, la pression de serrage doit être de 3 à 5 kg/mm2 sur la zone de soudure, une valeur de 3 kg/mm étant considérée comme un minimum.
En outre, lorsqu'on soude une fonte par résistance, on doit,-observer qu'en fournissant une grande quantité d'énergie électrique on s'efforce d'exécuter la soudure rapidement et avec une zone de soudure aussi étroite que possi- ble afin d'évacuer rapidement la chaleur fournie au matériau soumis à la soudure en bout. C'est seulement de cette manière qu'il est possible d'évi- ter la précipitation de paillettes de graphite et d'obtenir à leur place du grapnite finement divisé, et d'empêcher également que la chaleur se pro- page dans le reste de la pièce, ce qui risquerait de provoquer des fissures.
La résistance à la traction d'une pièce en fonte contenant 3 % de carbone, 1,95 % de silicium, 0,67 % de manganèse, 0,45 % de phosphore et 0,12 % de soufre a été trouvée égale à 27 kg/mm2. Les conditions d'ob- tention d'un bon résultat sont énoncées dans les quatre points ci-dessous.
Condition 1 -
Si l'on veut que des pièces en fonte soient soudées convenable- ment, il est nécessaire que leurs teneurs respectives en carbone ne diffé- rent pas de plus de 0,5 % et, pour que la résistance obtenue soit la plus élevée possible, il faut que ces teneurs soient comprises entre 2,7 et 3,6 %.
En ce qui concerne les caractéristiques générales de la fonte, que l'on a mentionnées plus haut, le matériau utilisé ne doit pas contenir plus de 1,9% de silicium et il doit en outre présenter une structure contenant soit du graphite finement divisé, soit du carbone substantiellement combiné et une quantité plus faible de graphite. Ces conditions sont nécessaires pour qu'on obtienne une bonne résistance, pour que la soudure présente une struc- ture analogue à celle du matériau initial et, enfin, pour que les contrain- tes intercristallines soient réduites (il convient d'utiliser des pièces en fonte nodulaire, à graphite sphéroidal).
.Afin d'éviter dans la zone de soudure ou à son voisinage la for- nation d'une structure ferritique par refroidissement trop rapide de la zo- ne chauffée, on doit laisser la température s'abaisser normalement lorsque la soudure est effectuée dans un local fermé, tandis que si l'on opère à l'air libre, en particulier en hiver, on peut utiliser la chaleur dégagée par la machine à souder pour éviter un refroidissement trop rapide de la zone chauffée, ce qui entraînerait également la formation de contraintes dan- gereuses dans les pièces.
Lorsque la température de soudure est de 500 C et au-dessous, la diminition de température doit se produire rapidement, et l'on y arrive en maintenant le tube dans la machine à souder, dont les mâ- choires de serrage, refroidies à l'eu, se chargent d'évacuer rapidement la chaleur.
Condition 2 - Pourcentae de phosphore.
Pour obtenir une bonne liaison des pièces, leurs teneurs res- pectives en phosphore ne doivent pas différer l'une de l'autre de plus de 0,2 % et en aucun cas elles ne doivent dépasser 0,5 % en valeur absolue.
Cette condition résulte du fait que la précipitation de graphite doit être faible et que, dans ces conditions, le pourcentage de phosphore rend les pièces fragiles lorsqu'il dépasse 0,5 %. En outre, une teneur plus forte en phosphore rend. la fusion plus fluide et les pièces tendent à "couler", ce qui empêche leur liaison correcte.
Condition 3 -
Pour éliminer l'oxydation de la fonte devant entrer en fusion, on effectue la soudure avec une pression de serrage de 3 à 5 kg/mm2 (ou da- vantage) sur la surface de soudure et l'on fournit un courant de soudure aussi fort que possible de manière a minimiser la superficie chauffée. On considère qu'une pression de serrage de 3 kg/mm2 est un minimum. Des essais exécutés sur des tubes coulés ont montré qu'une intensité de soudure de 30 à 35 kA était nécessaire dans la soudure, ce qui correspond à une énergie
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de 230 à 270 kVA pour une superficie de soudure de 2600 mm2. Pour une su- perficie de soudure de 18000 mm2 liénergie correspondante serait d'environ
105C kVA. Quand on utilise des énergies plus faibles, il est nécessaire' de chauffer les pièces plus longtemps.
Avec des ronds de fonte, on a obtenu une soudure dont la résis- tance à la traction atteignait 24,7 kg/mm2. Dans ce cas, l'énergie de sou- dure était de 125 kVA et la superficie de soudure de 700 mm2. En raison de la forte valeur de l'énergie de soudure, la durée de soudure se trouva considérablement diminuée et l'on n'observa aucune inclusion d'oxydes. Ce- ci explique les bonnes caractéristiques de résistance trouvées pour les sou- dures ainsi exécutées,
Avec une énergie de soudure d'environ 60 à 70 kVA, on a égale- ment obtenu des résultats relativement bons.
Condition 4 - Lorsqueon connaît la composition des deux pièces comme indiqué plus haut et qu'il faut prévoir une différence de chauffage entre ces deux pièces pour leur soudure, l'intervalle entre les mâchoires et le bout (voir figure 1) de celle des deux pièces dont la composition correspond à la température de soudure la plus élevée doit être diminué, de manière à réduire ainsi le volume de matière à chauffer et à obtenir dans la pièce considérée l'établissement plus rapide de la température voulue. Le calcul de l'intervalle a ne présente pas de difficulté lorsqu'on connaît la composition de la pièce, en utilisant le diagramme fer-carbone pour déterminer la température de fusion correspondant à sa teneur en carbone.
Lorsqu'on fabrique des tubes en fonte comprenant des brides à leurs deux extrémités, il ne convient pas d'avoir recours à un moulage cen- trifuge dans un moule, car le tube subit un retrait au cours de sa solidi- f ication et ses brides subissent ainsi un effort vers l'extérieur.
Il n'est donc pas possible de fabriquer par coulée centrifuge des tubes à brides.
La présente invention est relative à un procédé permettant de fabriquer des tubes en fonte constitués par des éléments coulés par centri- fugation.avec bride. Les brides en fonte sont fabriquées individuellement avec leur élément de tube; ces éléments sont chauffés localement sur leur zone de soudure, puis sont pressés l'un contre l'autre est fusionnés sans apport de matériaux autres qu'un fondant, La longueur des éléments-de tubes ne présente pas d'importance.
Pour chauffer et serrer l'un contre l'autre les éléments de tube, on utilise une machine à souder ordinaire du type par rapprochement, dans .laquelle les éléments de tube sont serrés chacun dans leurs mâchoires respectives, ces mâchoires étant connectées à des fils électriques pour le chauffage de la zone de soudure. Après que les éléments de tube ont été chauffés superficiellement sur les deux faces du joint à souder, ils sont amenés automatiquement et en contact sous pression élevée. La température et la pression qui conviennent dépendent des dimensions des pièces et de la nature du matériau.
Etant donné que le matériau considéré est de la fonte, les joints de soudure doivent être chauffés rapidement en faisant intervenir une éner-. gie électrique importante de manière à éviter la formation de fissures, la zone de chauffage devant être maintenue étroite. Le tube obtenu ainsi s'est révélé étanche, exempt de porosité, et lisse, la soudure étant protégée de l'oxydation par décapage et pression de serrage élevée. Les parties moulées sont, étanches à l'eau sous une pression raisonnable pour des pièces de ce genre. La zone de soudure est aussi lisse que le restant de la surface des pièces. Des essais de résistance à la traction donnent pour la zone de soudure des valeurs analogues à celles du restant des pièces.
Enfin,
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des essais métallographiques montrent que la structure des zones de soudure est également la même.
Ce procédé est meilleur marché que tout procédé connu jusqu'à présent car il ne nécessite ni modèles, ni noyaux et les opérations en sont simples et rapides. En outre, ces avantages ne dépendent pas de la longueur des tubes.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de fabrication d'articles en fonte tubulaires ou mas- sifs par exemple de tubes en fonte avec bride à chaque extrémité, au moyen d'une machine à souder électriquement par rapprochement, en soudant ensemble des éléments de fonte, caractérisé en ce que chacun des éléments de fonte a une teneur en carbone de 2,7 à 3,6 % et une différence relative de cette teneur de 0,5 % au maximum, le pourcentage de silicium ne dépassant pas 1,9 %, le pourcentage de phosphore ne dépassant pas 0,5 % avec une différence relative de 0,2 % au maximum entre les deux éléments, le refroidissement de la zone de soudure étant de préférence¯obtenu rapidement à partir de la température de fusion jusqu'à environ 400 à 500 C à l'aide d'un refroidissement à l'eau des mâchoires des électrodes de soudure,
le refroidissement se poursuivant ensuite à l'air à la température ambiante après arrêt; du courant électrique.
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Until now, it was not considered possible to weld a cast iron in an electrically-welded machine.
It cannot be concluded from this that the experiments which have been carried out in this field have given products which have not exhibited such strength characteristics that these products may be of any interest to industry.
However, certain tests have shown that a satisfactory welded product can be obtained by carrying out the weld in accordance with the process which will be described below, provided that the cast iron used has carbon, silicon and carbon content. phosphorus within the limits also given below.
When you want to weld cast iron successfully in an electric approach or arc welding machine, you need to know the general characteristics of the cast iron, its most important components and the influence of these components on them. values of the resistance of the cast iron. This is the reason why the following is the description of the conditions directly affecting the welding of a cast iron.
1 -Percentage of carbon.
It is known that the word carbon is used for alloys of iron and carbon with a carbon content exceeding 1.7%. A cast iron with a carbon content between 1.7 and 4.2% is called hypoeutectic and if its carbon content exceeds 4.2% it is called hypereutectic. An alloy with a carbon percentage of 4.2% is called eutectic; the alloy of iron and carbon has the lowest melting point (1139 C). It is made up of uniform crystals and melts at a constant temperature like a chemically pure metal.
However, in technical applications, only hypoeutectic cast iron, known as gray cast iron, is used. It is rare that a cast iron with a carbon content of more than 4.2% is found in practice. Hypereutectic iron has a large amount of graphite separated from the melt, and its crystal structure is so coarse that it can be split with the tip of a knife. Such a cast iron offers poor strength characteristics.
But, from the point of view of a technical application, the low percentage of carbon in a cast iron also presents drawbacks. Indeed, if the strength of the cast iron increases well as its carbon content decreases, the degree to which this variation occurs is limited for the following reasons: a) the stresses present in the cast iron increase as the percentage of carbon decreases; b) cast iron becomes harder and therefore less easy to machine; (c) the cast iron becomes viscous more quickly, its fusion having to take place at a higher temperature; d) greater mold shrinkage occurs.
In order for it to be as easy as possible, the cast iron must have a carbon percentage of between 2.9 and 3.5%.
A cast iron with a carbon content closer to the eutectic, although it has good castability, easy machining and less shrinkage, offers a coarse crystal fracture surface and has inferior strength characteristics .
Cast iron contains, in the solid state, free carbon (graphite) and a chemical compound of carbon and iron, namely iron carbide Fe3C, the metallographic name of which is cementite. The iron in the molten state can absorb more carbon than it can retain during its solidification, and it is for this reason that the free carbon, in some
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conditior'- '. separates as graphite. Usually, graphite precipitates if the cast iron contains at least 2.5 C, and the more easily the higher the silicon content of the cast iron. In the complete absence of silicon, there is no graphite precipitation.
When increasing the percentage of graphite, strength characteristics of cast iron are reduced to a certain extent. Both the flexural strength and the tensile strength of cast iron decrease as the proportion of graphite relative to the combined carbon increases, regardless of the percentage of silicon. By itself, silicon has very little influence on the strength of the cast iron; therefore, the variation in this characteristic must be attributed to the influence of the graphite content. As indicated above, silicon acts on the separation of graphite. The higher the percentage of silicon, the greater the precipitation of carbon in the form of graphite.
Regardless of the factor stated above, there is yet another factor which has a great influence on the precipitation of graphite, and that is the cooling rate of the melt. The slower an iron-carbon alloy containing silicon solidifies, the more great is the quantity of graphite which precipitates. The way in which the graphite is formed in the lath influences the strength of the lath as follows. All other conditions unchanged, a finely divided graphite cast iron offers substantially greater strength than a cast iron having coarse graphite flakes.
If two pieces of cast iron contain graphite in the same quantity and with the same distribution, that of the two pieces whose structure is purely pearlitic offers better resistance characteristics than that whose structure is ferritic or pearlitic-ferritic. As a general rule, it can be said that the tensile strength of a cast iron increases as its structure becomes more pearlitic. When the structure becomes one hundred percent pearlitic, the strength of the cast iron can only be increased by performing a finer division of the graphite.
2 - Phophore,
When the phosphorus content increases, the resistance of the cast iron first increases, but above 0.5% P any increase in the percentage results in a decrease in resistance. When the percentage of phosphorus reaches 1.5% the impact resistance can be reduced by 50 to 60%. In the molten state, an addition of phosphorus makes the iron very fluid, while in the solid state the iron becomes more brittle.
As the brittleness increases the combined carbon content, a graphite-rich cast iron is likely to receive a greater quantity of phosphorus,
After this preamble concerning.! The most important characteristics of cast iron, a discussion of the welding of cast iron in an electric bridging machine will be given below.
In the drawing, FIG. 1 schematically shows a device for carrying out the process according to the invention, and FIG. 2 represents an iron-carbon diagram in which the limits between which the percentage of carbon must be maintained are indicated.
Electric resistance welding is pressure welding, that is, the castings, heated enough to become pasty, sometimes fluid, are welded together under high pressure without the addition of any additional material. Or. Uses in this case, as a heat source, an electric current coming from a transformer T whose secondary supplies an alternating current of low voltage. for example from 7 to 15 volts, at very high intensity; this current passes through the parts to be welded and, as a result of the internal resistance of the latter and the resistance offered by the surfaces of the joint, that is to say the weld zones, heats the parts to their point of ra-
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softening or melting.
Figure 1 shows the copper electrodes E, the parts to be welded A and the gap a between the clamping point and the welding point.
All materials capable of being welded in the pasty state can be welded by electric resistance welding. These include, for example, almost all types of steel, cast steel, certain types of casting, aluminum and its alloys, copper and its alloys, nickel, tungsten, cobalt, tantalum, silver, gold, platinum, etc ...
Until now, it was considered that cast iron could not be resistance welded. The device used to carry out the welding of a cast iron according to the invention is shown in its basic lines in Figure
1.
After carrying out a large number of tests, it has been found that it is possible to resistance weld cast iron when certain conditions are met, the welded part obtained having a good resistance characteristic; for example, the welding of tubes molded by centrifugation makes it possible to obtain a tensile strength of between 20 and 26.7 kg / mm2 and an absolute seal for an internal water pressure of 200 at.
The flexural strength is between 33 and 45 kg / mm2.
If we assume that it is technically possible to use cast iron in a field whose limits depend on its carbon content, we can start from this hypothesis to explain the good results obtained in welding.
We have indicated this range, between 2.7 and 3.6% C approximately, on the iron-carbon diagram of figure 2 and we can see that two cast iron parts that we want to weld together and which do not present not equal carbon contents, for example one containing 2.8% carbon and the other 3.5%. do not reach the same state of fusion. The part containing 2.8% C must be heated to 1295 C while it suffices to heat to 1215 C only the part containing 3.5% C so that all the crystals are melted, When we do not know the composition of these parts prior to soldering, it may result in unmelted crystals being present on a joint surface and therefore the parts not fully fusing together.
This result is evidenced when the welded parts are subjected to tensile strength tests and when the weld bead is examined with X-rays. We see that the weld is not continuous and that there are small surfaces where the weld has not occurred.
On the other hand, cast iron in the softened or molten state is liable to combine chemically with the oxygen in the air and thus to form iron oxides which, trapped in a welded joint, have the disadvantage of reducing resistance, in particular vis-à-vis dynamic deformations. To prevent this oxidation process or to reduce as much as possible the influence of the oxides already formed, the iron is resistance welded using the pickling process, in which a protective atmosphere is formed which in turn prevents the progression of the iron. 'oxidation. According to this process, after heating the parts to the desired temperature, they are stripped to a depth of a few millimeters (taking into account the dimensions of the weld zone), then they are clamped together under high pressure.
During tightening, the last residues of oxides which may have remained are expelled from the weld area.
A number of tests have shown that the inclusions of oxy depend directly on the clamping pressure. When the pressure is 2.5 kg / mm2 on the weld area, the oxide inclusions are still clearly visible, while at a pressure of 5 to 9 kg / mm2 the situation is much more favorable, and there is The result is a considerable increase in the flexural strength and the tensile strength of the welded parts.
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Thus, the clamping pressure should be 3 to 5 kg / mm2 on the weld area, a value of 3 kg / mm being considered a minimum.
In addition, when welding a cast iron by resistance, it must be observed that by supplying a large quantity of electrical energy one endeavors to carry out the weld quickly and with a weld zone as narrow as possible. in order to rapidly dissipate the heat supplied to the material subjected to the butt weld. Only in this way is it possible to avoid the precipitation of graphite flakes and to obtain in their place finely divided grapnite, and also to prevent the heat from spreading in the rest. of the part, which could cause cracks.
The tensile strength of a cast iron part containing 3% carbon, 1.95% silicon, 0.67% manganese, 0.45% phosphorus and 0.12% sulfur was found to be 27 kg / mm2. The conditions for obtaining a good result are set out in the four points below.
Condition 1 -
If we want cast iron parts to be welded properly, it is necessary that their respective carbon contents do not differ by more than 0.5% and, so that the resistance obtained is as high as possible, these contents must be between 2.7 and 3.6%.
With regard to the general characteristics of the cast iron, which was mentioned above, the material used should not contain more than 1.9% silicon and it should also have a structure containing either finely divided graphite, or substantially combined carbon and a smaller amount of graphite. These conditions are necessary so that a good resistance is obtained, so that the weld has a structure similar to that of the initial material and, finally, so that the intercrystalline stresses are reduced (it is advisable to use parts in nodular cast iron, with spheroidal graphite).
In order to avoid the formation of a ferritic structure in the weld zone or in its vicinity by too rapid cooling of the heated zone, the temperature should be allowed to drop normally when the weld is carried out in a chamber. closed room, while if one operates in the open air, in particular in winter, one can use the heat given off by the welding machine to prevent too rapid cooling of the heated area, which would also lead to the formation of dangerous stresses in the rooms.
When the welding temperature is 500 C and below, the temperature decrease must occur rapidly, and this is achieved by keeping the tube in the welding machine, the clamping jaws of which, cooled by l. 'eu, take care of quickly evacuating the heat.
Condition 2 - Percentage of phosphorus.
To obtain good bonding of the parts, their respective phosphorus contents must not differ from each other by more than 0.2% and in no case must they exceed 0.5% in absolute value.
This condition results from the fact that the graphite precipitation must be low and that, under these conditions, the percentage of phosphorus makes the parts fragile when it exceeds 0.5%. In addition, a higher content of phosphorus makes. the fusion is smoother and the parts tend to "sink" which prevents their proper bonding.
Condition 3 -
To eliminate the oxidation of the cast iron to be melted, the welding is carried out with a clamping pressure of 3 to 5 kg / mm2 (or more) on the weld surface and a welding current is also provided. as much as possible so as to minimize the heated area. It is considered that a clamping pressure of 3 kg / mm2 is a minimum. Tests carried out on cast tubes have shown that a welding current of 30 to 35 kA is necessary in the weld, which corresponds to an energy
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from 230 to 270 kVA for a weld area of 2600 mm2. For a weld area of 18000 mm2 the corresponding energy would be about
105C kVA. When using lower energies, it is necessary to heat the rooms for longer.
With cast iron rods, a weld with a tensile strength of 24.7 kg / mm2 was obtained. In this case, the welding energy was 125 kVA and the weld area 700 mm2. Due to the high value of the welding energy, the welding time was considerably reduced and no inclusion of oxides was observed. This explains the good resistance characteristics found for the welds thus performed,
With a welding energy of about 60 to 70 kVA, relatively good results have also been obtained.
Condition 4 - When the composition of the two parts is known as indicated above and it is necessary to provide a heating difference between these two parts for their welding, the interval between the jaws and the end (see figure 1) of that of the two parts whose composition corresponds to the highest soldering temperature must be reduced, so as to reduce the volume of material to be heated and to obtain in the part considered the more rapid establishment of the desired temperature. The calculation of the interval a does not present any difficulty when one knows the composition of the part, using the iron-carbon diagram to determine the melting temperature corresponding to its carbon content.
When fabricating cast iron pipes with flanges at both ends, centrifugal casting in a mold should not be used, as the pipe shrinks during solidification and resection. flanges are thus subjected to an outward force.
It is therefore not possible to manufacture flanged tubes by centrifugal casting.
The present invention relates to a process for manufacturing cast iron tubes consisting of elements cast by centrifugation with a flange. The cast iron flanges are manufactured individually with their tube element; these elements are heated locally on their weld zone, then are pressed against each other and are fused without the addition of materials other than a flux. The length of the tube elements is of no importance.
In order to heat and clamp the tube elements against each other, an ordinary close-in type welding machine is used, in which the tube elements are each clamped in their respective jaws, these jaws being connected to wires. electrics for heating the welding area. After the tube elements have been superficially heated on both sides of the welded joint, they are brought automatically and into contact under high pressure. The appropriate temperature and pressure depend on the dimensions of the parts and the nature of the material.
Since the material considered is cast iron, the solder joints must be heated quickly by bringing in energy. large electrical power so as to avoid the formation of cracks, the heating zone having to be kept narrow. The tube thus obtained was found to be leaktight, free from porosity, and smooth, the weld being protected from oxidation by pickling and high clamping pressure. The molded parts are watertight under pressure reasonable for such parts. The weld area is as smooth as the rest of the part surface. Tensile strength tests give values for the weld area similar to those of the rest of the parts.
Finally,
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metallographic tests show that the structure of the weld zones is also the same.
This process is cheaper than any process known hitherto because it does not require models or cores and the operations are simple and rapid. In addition, these advantages do not depend on the length of the tubes.
CLAIMS.
1. A method of manufacturing tubular or solid cast iron articles, for example cast iron tubes with flanges at each end, by means of an electric welding machine by approximation, by welding together cast iron elements, characterized in that that each of the cast iron elements has a carbon content of 2.7 to 3.6% and a relative difference in this content of 0.5% at most, the percentage of silicon not exceeding 1.9%, the percentage of phosphorus not exceeding 0.5% with a relative difference of 0.2% at most between the two elements, the cooling of the weld zone being preferably obtained rapidly from the melting temperature up to about 400 at 500 C using water cooling of the jaws of the welding electrodes,
cooling then continuing in air at room temperature after stopping; of electric current.