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La présente invention est relative au soudage à l'arc avec 'élec- trode métallique fusible et plus particulièrement au soudage à l'arc sub- mergé. Elle n'est cependant pas limitée à cette application, car elle s'ap- plique aussi au soudage "SIGMA", c'est-à-dire au soudage avec électrode fu- sible en atmosphère de gaz inerte.
Des tentatives diverses pour utiliser de grandes densités de courants (environ 250 à 560 ampères par mm2 de section de l'électrode) dans le soudage à l'arc submergé, ont eu lieu au cours des douze dernièresaan- nées au moins. La tension de l'arc ne dépassait'jamais 45 V. environ et la distance entre la pièce à souder et la buse d'amenée de courantà l'élec- trode était toujours maintenue à la valeur minimum permise par l'épaisseur de la couche de flux. Les soudures n'étaient pas d'une qualité acceptable industriellement. Cependant l'emploi d'une grande densité de courant est désirable, car il accroît largement le rendement de l'opération de soudage.
La présente invention est caractérisée par l'augmentation de la tension de l'arc en même temps que par un mode opératoire nouveau, qui con- siste notamment à incliner l'extrémité de l'électrode vers l'avant et à mettre en oeuvre une grande densité de courant, ce qui permet d'améliorer considérablement la qualité des soudures obtenues, aussi bien dans le domai- ne des !hautes densités de courants précédemment expérimentées que dans un domaine étendu de densités encore plus élevées.
Le procédé de soudage à l'arc à électrode fusible suivant l'in- vention prévoit l'application d'une tension de 50 V. au moins entre la piè- ce à souder et le frotteur d'amenée de courant au fil électrode, l'extrémité inférieure de ce frotteur étant à une distance appréciable de la surface de la pièce. Le fil électrode fusible avance à.travers la buse d'amenée de courant à une vitesse de 15 mètres par minute au moins , le courant de sou- dage étant réglé à une valeur telle que .l'intensité à travers l'électrode soit d'au moins 465 ampères par mm2, provoquant la fusion de l'extrémité de l'électrode et du métal de base au voisinage de celle-ci et élevant par effet Joule la température de l'électrode sur sa partie comprise entre la buse et la pièce.
En même temps l'électrode et la buse peuvent se dépla- cer, par rapport à la pièce, avec une vitesse de translation d'au moins 30 mètres à la minute.
En augmentant jusqu'à environ 75 mm, par exemple la distance en- tre la buse de contact et la pièce, on a constaté que dans ce cas la vitesse de fusion de l'électrode pouvait être quintuplée avec une augmentation re- lativement faible de l'intensité de soudage, grâce au chauffage par résis- tance de l'extrémité de l'électrode sur une longueur importante.
La figure 1 est une vue schématique en élévation latérale de l'ap- pareil montrant le mode opératoire avec l'électrode inclinée conformément à l'invention, et
La figure 2 est une vue en perspective d'une soudure bout à bout faite conformément à l'invention avec une électrode inclinée.
Pour mettre en oeuvre l'invention, comme le montre la figure 1, une couche de flux granuleux est déposée'.sur la pièce 12, par une trémie 14 en avant d'une électrode de soudage 16 pendant que icelle-ci est amenée continuellement vers la pièce et que l'électrode et la trémie se déplacent suivant le sens d'avancement du soudage par rapport à la pièce. Le courant de soudage, alternatif ou continu, est fourni à l'électrode et à la pièce en série à travers le câble de mise à la terre 18 et la câble de soudage 20, ce dernier étant relié à une barre omnibus en forme de tube guide d'é- lectrode à travers lequel passe l'électrode dans son déplacement vers le bain de soudure. L'électrode est mue par un dispositif d'alimentation 24
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comprenant un moteur 26 et des galets d'entraînement 28.
L'électrode est inclinée d'un angle 9 par rapport à la surface de la pièce et le tube gui- de 22 est placé à une distance d de l'extrémité de l'électrode.
Le procédé suivant l'invention a été essayé avec des vitesses d'a- vance de l'électrode jusqu'à 65 mètres par minute. Cependant les essais ont été effectués principalement dans deux domaines bien délimités que l'on pour- rait appeler:
1 - le domaine des densités de courant très élevées, c'est-à-dire de l'ordre de 465 ampères par mmê, avec une consommation d'électrode d'en- viron 15 mètres par minute.
2 - le domaine des densités-' de courant extrêmement élevées, c'est-à-dire de l'ordre de 800 ampères 'par mm2 avec des vitesses d'alimen- - talion de 60 mètres par minute. La vitesse d'avance de l'électrode dépend de la distance d de la tubulure de contact (figure 1) aussi bien que de la densité du courant.
Il est très important que la zone de contact entre le frotteur d'amenée de courant de la tête de soudage et l'électrode proprement dite soite limitée à la région inférieure de la buse de guidage de l'électrode.
C'est pourquoi cette buse de guidage doit être isolée de la barre omnibus sur la majeure partie de sa longueur entre les galets d'entraînement et la buse terminale de contact, le contact électrique ayant lieu seulement le long d'un tube en cuivre au bérillium d'une longueur d'environ 4 cm à la partie inférieure du dispositif de guidage de l'électrode.
Les indications ci-dessus s'appliquent dans le cas d'électrodes en acier de 1,5 et 0,8 mm de diamètre. Il n'y a jamais eu de grande diffi- culté dans l'alimentation en électrodes de 1,5 mm de diamètre, mais la pré- caution mentionnée ci-dessus était particulièrement nécessaire pour débiter régulièrement le fil électrode.de 0,8 mm de diamètre. On a trouvé que l'é- lectrode devait être enroulée -,sur bobine et maintenue sur un dévidoir léger à flasques ajourées, avec une très faible pression de freinage exercée par ressorts. On a trouvé'également que le tréfilage final du fil électrode devait être fait à froid pour accroître sa rigidité.
Bien qu'il ait été possible d'alimenter à partir d'une bobine du fil électrode recuit de 0,8 mm de diamètre,ce fil était complètement courbé de façon imprévisible, à la sortie de la buse et ainsi le trajet de l'arc sur la pièce de base était er- ratique sur tout son parcours.
Les différentes caractéristiques des deux domaines de soudage à très haute densité et à extrêmement haute densité de courant sont assez bien définies et peuvent être résumées comme suit :
1 - Une pénétration profonde se produit à des tensions normales (moins de 45 V) et à des densités de courant inférieures à 465 ampères par mm2. Si la densité de courant est augmentée à plus de 465 ampères par mm2, la pénétration n'augmente pas beaucoup et il y a une tendance plus grande à ce que la soudure devienne poreuse et d'aspect beaucoup plus sinueux.
Ces résultats sont en général indépendants de la vitesse de translation,
Cependant, conformément à l'invention, en élevant la tension de l'arc à des valeurs supérieures à environ 50 V et en portant lavitesse d'alimentation de l'électrode à au moins 15 mètres à la minute, il est possible d'obtenir dès-soudures larges et plates avec un pénétration faible.
2 - En ce qui concerne la vitesse de fusion de l'électrode , on a trouvé que le taux de fusion de l'électrode variait très fortement dans les conditions de marche particulières de la présente invention, au lieu de rester sensiblement indépendant de la tension d'arc comme cela a lieu
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dans le domaine des densités de courant normales.
Avec les densités de courant employées précédemment, le taux de fusion des électrodes, en grammes par seconde, est sensiblement proportionnel au quotient VI ,dans lequel V a une valeur, voisine par exemple de 5,3 volts qui est indépendante de la tension réelle de l'arc, mais qui dépend de la composition du flux;
I = intensité du courant de soudage en ampères;
H = chaleur de fusion du métal y compris la chaleur nécessaire pour surchauffer ce métal à la température du bain.
Ainsi il est évident que le facteur V est le coefficient de fu- sion de l'électrode. Dans la pratique antérieure,on adopte généralement pour ce facteur dans le cas de l'acier la valeur approximative de 3,8 gr par 1.000 ampères-seconde. Le taux de fusion de l'électrode apparaît com- me dépendant dans une certaine mesure de l'intensité du courant (mais non de sa tension) et de la composition du flux.
Cependant, lorsque la densité du courant augmente, le passage du courant à travers l'électrode dans la région entre la buse de contact et le sommet de l'arc provoque un certain échauffement par résistance. La puis- sance en jeu est I2R,R étant la résistance de l'électrode dans cette ré- gion. Cette résistance dépend de trois facteurs : lalongueur L, la section A de l'électrode, et sa température.
Le facteur température entre en jeu parce que la résistivité dépend de la température conformément à l'équa- tion : r = R0 + aT - où R0 est la résistivité de l'électrode à la température ambiante; - r la résistance effective de la partie de l'électrode dépassant hors de la buse; - a le coefficient thermique de résistivité; - T l'élévation de température,
Le terme I2R pour l'échauffement par résistance est évidemment ex- primé en unités de puissance et pourrait être représenté par IE, E étant la chute de tension dans la portion de l'électrode entre la buse de contact et le sommet de l'arc. Cela a été confirmé par des mesures effectives de cette chute de tension.
En relevant la buse de contact à une distance d'environ 75 mm, par exemple, au-dessus de la surface de la pièce de base, il est possible de donner au taux de fusion une valeur quintuple au moins de sa valeur nor- male. La relation entre la densité du courant et la vitesse de dévidage de l'électrode dépend de la distance d entre la buse de contact 22 et le som- met de l'arc 34 (figure 1). Ce facteur a une importance pratique considé- rable. Comme conséquence de cet échauffement par résistance il suffit d'une très faible augmentation de courant pour porter la vitesse de fusion de l'électrode de 15 à 60 mètres par minute.
On vient d'analyser ci-dessus les caractéristiques essentielles du procédé de soudage avec hautes densités de courant en ce qui concerne la fusion de l'électrode et la pénétration dans la plaque de base. Cependant il a été également possible d'observer quelques effets particuliers dans l'écoulement du métal d'apport dans le bain de fusion de la zone de souda- ge. Les effets de la densité de courant sur cet écoulement sont décrits
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ci-après avec d'autres facteurs.
Pendant le soudage, la forme de la zone de soudage apparaît com- me fortement modifiée par rapport à celle qui, conformément à la pratique antérieure, donnait normalement des soudures acceptables, et de nombreuses observations ont été faites qui fournissent des indications sur les phéno- mènes se produisant dans le bain de fusion. Quelques unes de ces observa- tions sont citées ci-dessous.
On a observé qu'une augmentation de la densité du courant, sous une tension d'arc restant constante, avait pour résultat une diminution de largeur du cordon de soudure. Le trajet de l'arc peut être observé seule- ment là où le métal d'apport ne remplit pas la rainure creusée par l'arc et là où ce métal est rejeté hors de cette rainure par la force de l'arc.
Il est apparu qu'une force électrodynamique ou hydrodynamique se manifestait le long de l'axe de l'arc. On peut envisager l'hypothèse suivant laquelle cette force résulterait de 'bombardements ioniques-, et électroniques simultanés dans l'arc ou plus simplement d'une projection mé- canique de métal fondu au sein de l'arc. De plus le métal de l'électrode a une vitesse initiale égale à la vitesse d'alimentation de l'électrode, laquelle comme on l'a dit, atteint la vitesse considérable de 60 mètres à la minute dans certains cas.
L'effet de cette force semble être l'expulsion du métal liquide de la région située sous l'électrode. Ceci a pour résultat une action d'é- rosion sur la plaque de base, donnant lieu d'autre part à une pénétration profonde. Fréquemment, quand cette force est suffisante, l'examen des dé- pressions ou cratères produits aux extrémités de cordons de soudure de di- mensions assez faibles, a mon-cré que le métal de soudage a été projeté jus- qu'à 10 ou 12 cm en arrière de l'électrode.
Le résultat favorable obtenu en inclinant l'électrode pour diri- ger vers l'avant cette force de l'arc paraît du à ce que cette inclinaison permet de maintenir une masse de métal fondu sous l'extrémité de l'électro- de. Ceci produit une pénétration peu profonde et des soudures larges, pla- tes avec une bonne coalescence sur les bords du métal de base. On a main- tes fois-observé que les,angles d'inclinaison de l'électrode intermédiaire entre ceux qui donnaient des soudures larges et plates et ceux qui donnaient des soudures d'aspect "câblé" produisaient un dép8t de métal rempli d'in- clusions de flux avec des projections de métal en tous sens. Ceci montre qu'il existe une ligne de démarcation instable et que l'angle de l'électro- de est un facteur critique.
Sa valeur est de 45 # 5 , mesurée sur l'angle 0, figure 1.
Pendant la translation lors du soudage à des vitesses extrêmement élevées (12,5 et 25 mètres par minute), il est possible de maintenir un arc continu et d'obtenir un dépôt continu sur la plaque de base. A 12,5 m. par minute un cordon de soudure continu était déposé, et le trajet de l'arc était presque deux fois plus large que le cordon de soudure déposé dans la rainure peu profonde creusée par l'arc. La largeur du trajet de l'arc et du cordon peuvent être réduites si l'on emploie des diamètres d'électrodes plus petits.
En soudant avec des densités de courant très élevées ou extrême- ment élevées, particulièrement à des vitesses de translation relativement grandes, il n'est pas possible d'opérer sensiblement au-dessous de 50 volts sans risquer des mises en court-circuit accidentelles de l'électrode avec la pièce, mais ceci est fonction de la longueur du fil électrode son- tant de la buse de contact. On a utilisé une chute de tension de 30 volts avec une faible longueur de fil entre buse et pièce et avec des vitesses
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de translation élevées.
Le procédé suivant l'invention peut notamment être mis en oeuvre pour le soudage bout à bout avec électrode inclinée. Suivant ce mode opé- ratoire, (figure 1) l'électrode est inclinée à environ 40-50 et on met en oeuvre des intensités de courant et des vitesses de déplacement relative- ment élevées. On obtient des soudures larges, plates, peu profondes.
Pour le rechargement avec électrode inclinée, on tire parti de l'élargissement et de l'aplatissement des soudures au moyen de l'inclinai- son de l'électrode comme il est dit plus haut, mais de plus on utilise le préchauffage par résistance de l'électrode pour augmenter la quantité de mé- tal d'électrode fondu par rapport à la quantité du métal de base fondu. On n'a pas encore trouvé, dans l'emploi de ce procédé, de limite supérieure de la vitesse de dépôt du métal de l'électrode. Suivant un exemple typique, les données de soudage sont 1000 amp., 70 V, 75 cm par minute, angle d'é- lectrode 45 avec distance verticale d'environ 6,5 cm.
Enfin, le procédé de l'invention permet le soudage des tales d'a- cier d'épaisseurs courantes à des vitesses dépassant éventuellement 12,50 m. par minute.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de soudage à l'arc avec électrode métallique fusible, caractérisé en ce qu'on maintient une tension d'arc d'au moins 50 volts entre l'électrode et la pièce à souder, avec une densité de courant dans l'électrode d'au moins 465 ampères par millimètre carré, la distance entre le frotteur d'amenée de courant à l'électrode et la pièce à souder étant suffisamment grande pour donner lieu à un préchauffage notable de l'élec- trode par résistance.