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La présente invention concerne la soudure à l'arc et, en parti- culier, la soudure de tôles relativement minces, comme des tôles d'alu- minium, au moyen de plusieurs arcs, à des vitesses de défilement relati- vement élevées , c'est-à-dire de l'ordre de 360 pouces (914 cm) à la minu- te et davantage.
L'industrie tend de plus à plus à utiliser la soudure à l'arc pour assembler des pièces métalliques, Dans de nombreux cas cependant, la soudure à l'arc ne peut pas être associée aux autres opérations à grande vitesse d'une chaîne d'assemblage, parce que la vitesse à laquelle on ob- tient des bonnes soudures, "pst-à-dire au maximum 240 pouces (610 cm) à la minute, est trop faible. Une contribution importante aux procédés de fabrication modernes consisterait donc à réaliser des soudures saines à des vitesses de défilement qui ne s'opposeraient plus à une augmentation de la prôduction.
Des essais faits dans ce domaine, spécialement en soudure à l'arc, ont fait découvrir des problèmes propres à la soudure à grande vitesse, le problème le plus marqué étant celui de l'affouillement.Llaffouillement peut être défini comme une forme de soudure imparfaite due à ce que l'ef- fort mécanique de l'arc déplace une partie du métal en fusion de façon que la zone de fusion de la pièce traitée ne soit pas remplie de métal de soudure, mais contienne des creux profonds qui affaiblissent le joint par création de zones de contrainte.
L'invention a pour but de procurer un procédé de soudure à l'arc permettant de souder à des vitesses supérieures à celles utilisées jusqu' ici et donnant des soudures saines sans affouillement.
On atteint ce but, suivant la présente invention, à l'aide d'un procédé de soudure dans lequel on établit un arc entre une pièce à souder et une électrode en métal fusible d'un porte-électrode de soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte et on produit un déplacement relatif entre le porte-électrode et la pièce le long du joint à souder, l'affouil- lement de la soudure terminée étant évité aux grandes vitesses de défile- ment par le réchauffage de la soudure à l'aide d'un ou plusieurs arcs sui- vants établis chacun entre la soudure et le métal non consumable de l'é- lectrode d'un porte-électrode de soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte, disposé en tandem avec la premier porte-électrode et dans le voisinage immédiat de celui-ci.
Le permier arc opère la pénétration nécessaire et le ou les arcs suivants suppriment les effets nocifs du premier arc en donnant au cordon de soudure sa forme normale soit sans autre pénétration, soit, si néces- saire, avec une autre pénétration échelonnée. Ceci est réalisé en répar- tissant le courant de soudure en proportions convenables entre les arcs, en utilisant les polarités voulues pour chaque électrode, et en protégeant les arcs par une atmosphère gazeuse essentiellement inerte.
Aux dessins annexés:
La figure 1 est une vue de profil, partiellement en coupe, d'un appareil de soudure à arcs en tandem conforme à l'invention.
La figure 2 est une coupe suivant le ligne 2-2 de la figure 1.
Les figures 3 et 4 sont des coupes transversales de soudures fai- tes sans et avec utilisation de l'invention, respectivement.
La figure 5 est une vue de face partielle d'un laminoir à tubes suivant le présente invention.
La figure 6 montre une variante à trois arcs, et
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La figure 7 une variante à deux arcs.
L'utilisation d'électrodes multiples s'est limitée jusqu'ici au procédé de soudure par submersion pour la soudure de grosses pièces mé- talliques à des vitesses relativement lentes. D'autres procédés, comme (1) l'utilisation de plusieurs électrodes consumables réunies par un li- ant de décapage, (2) l'utilisation de deux électrodes disposées à angle droit dans un plan par rapport au joint à souder et faisant un angle avec une masse de soudure commune, et (3) l'utilisation d'électrodesmultiples avec des circuits polyphasés, n'ont pas convenu pour des vitesses de sou- dure relativement élevées.
En soudant à des vitesses relativement élevées avec une seule électrode, on a constaté qu'on obtient un affouillement important. Les expériences faites à l'aide de dispositifs tandems à deux électrodes ou plus dont certaines en métal non-consumable et d'autres en métal fusible sous la protection, chaque fois, d'un gaz inerte, montrent, au contraire, qu'on peut obtenir des soudures saines sans affouillement, même à des vi- tesses de 360 pouces (914 cm) et plus à la minute.
Il faut un courant de soudure de l'ordre de 500 ampères pour pé- nétrer à fond, avec une seule électrode en métal non consumable protégée par un gaz inerte, une tôle d'aluminium de 0,050 pouce (1,27 mm) d'épais- seur, à une vitesse de l'ordre de 600 pouces (1524 cm) à la minute. Le cordon de soudure obtenu est grossier, fortement affouillé et de vilaine apparence.
Comme exemple de la présente invention, un premier porte-élec- trode à protection de gaz 10, muni d'une électrode fusible et consommant un courant de soudure de l'ordre de 300 ampères, et un second porte-élec- trode à protection de gaz 12, muni d'une électrode non consumable refroidie à l'eau 14 et consommant un courant de l'ordre de 320 ampères, utilisant, tous deux du courant continu à polarité inverse, sont montés l'un près de l'autre en tandem (voir figure 1), l'écart de centre à centre entre les deux électrodes étant de 3/4 à 5/4 pouce (1,9 à 3,2 cm). On utilise de l'argon gazeux de pureté commerciale avec un débit de 30 pieds cubes (849 litres) à l'heure, pour protéger les arcs.
On soude bord à bord, à une vitesse de défilement de 600 pieds (1524 cm) à la minute, des tôles d'aluminium 16 d'une épaisseur de 0,050 pouce (1,27 mm), avec des résul- tats entièrement satisfaisants. Le joint soudé est représenté en 18 sur la fig. 4. Il n'y a aucune trace d'affouillement, la pénétration est complè- tent, et le métal d'apport fusionne avec celui de la pièce traitée 16, de manière à donner un cordon de soudure lisse 18 tout le long du joint soudé.
En exécutant le procédé précité, on a éteint les arcs avant de terminer entièrement le cordon. La partie 19 (voir fig. 3) de la soudure qui a été soumise à l'arc de la première électrode de soudure 20 en mé- tal fusible, mais qui n'a pas été soumise à l'arc de la seconde électro- de 14 du porte-électrode 12 en matière réfractaire, montre que la péné- tration est complète. On peut constater cependant un affouillement consi- dérable en 22 et un ramassage du cordon solidifié. La partie 18 (voir fig. 4) de la soudure où l'arc du porte-électrode 12 s'est arrêté, ainsi que tout le cordon, de ce point jusqu'au point de départ du cordon, mon- trent qu'on obtient une soudure parfaitement saine, comme décrit ci-dessus.
On peut donc en conclure que, si le premier arc réalise la pénétration complète, il a besoin de l'effet de façonnage du deuxième arc pour pro- duire une soudure saine sans aucun affouillement,
La soudure à l'arc par électrodes multiples pose le problème des
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réactions magnétiques produites par les courants de chaque électrode.
Dans le cas d'un premier porte-électrode à électrode fusible alimentée de courant continu de polarité inverse, suivi d'une seconde électrode non consumable alimentée aussi de courant continu de polarité inverse,le champ magnétique produit par le courant de soudure du premier arc a tendance à attirer le second arc de conformation au point que sa chaleur soit perdue pour cette opération de conformation. L'arc de soudage de l'électrode fu- sible est, par nature, fort et puissant, tandis que l'arc de soudage de l'électrode non onsumable est relativement petit et faible. Comme ils sont, dans le cas considéré, très proches l'un de l'autre, le premier arc exerce une grande influence sur l'arc H qu le suit.
Comme rôle princi- pal du porte-électrode à électrode en matière non consumable est de don- ner une bonne conformation au métal déposé par l'électrode fusible, son arc doit être aussi vertical que possible ou légèrement incliné en avant pour frapper plus près de l'arc de l'électrode fusible, de façon à pro- fiter de la chaleur produite par le premier porte-électrode pour donner la forme voulue au cordon de soudure. Pour souder l'acier inoxydable ou l'a- luminium, le courant convenant le mieux est le courant continu à polari- té inverse. L'électrode de cuivre 14 refroidie à l'eau du second porte- électrode utilise aussi du courant continu à polarité inverse.
Comme les arcs de même polarité s'attirent, et comme l'arc de l'électrode fusible est beaucoup plus fort, celui-ci attire l'arc de l'électrode non consu- mable vers l'avant, lui faisant prendre une position presqu'horizontale et l'empêchant de supprimer l'affouillement produit. On a d'abord utili- sé des bobines de focalisation 24 (voir fig. 7) pour éliminer cet incon- vénient, mais il s'est avéré que le réglage des courants est critique et que tout soufflage d'arc endommage les bobines 24.
La Demanderesse a ensuite mis au point un électro-aimant de dé- viation d'arc comprenant une bobine 25 et un noyau 45 (voir fig, 1), qui s'est montré très efficace pour le réglage de l'attraction du second arc H par le premier arc,la bobine exerçant son influence à distance et ne subissant, de ce fait, aucun dommage. On peut, en même temps, appliquer, à la bobine 25, un courant établissant un champ magnétique suffisant en- tre les pales P, P du norau magnétique 45 pour influencer l'arc de l'élec- trode fusible, au point que l'arc de l'électrode non consumable soit tout au plus légèrement dévié vers l'avant.
L'utilisation de bobines de focalisation magnétique 24 représen- tée à la figure 7 permet cependant un autre mode de réglage de l'arc H du porte-électrode à électrode non consumable. Le deuxième porte-électro- de au moins devra être pourvu d'un dispositif de focalisation magnétique de l'arc consistant en un électro-aimant ou un aimant permanent.
Les dispositifs de déviation ou de focalisation magnétique peu- vent être omis dans le cas du dispositif à trois porte-électrodes en tan- dem de la figure 6, consistant en un porte-électrode 10 à électrode fu- sible avec courant continu de polarité inverse, un porte-électrode 12 à électrode non consumable avec courant continu de polarité directe, et un porte-électrode 26 à électrode non consumable avec courant continu de po- larité inverse.
Dans ce cas, en utilisant un courant de soudure de 300 ampères dans la première électrode ou électrode fusible 20, un courant de 200 ampères dans l'électrode médiane en tungstène 14 et un courant de 180 ampères dans la dernière électrode 14 en métal refroidi à l'eau, ainsi que, comme gaz de protection, un débit d'argon gazeux de pureté commer- ciale de 30 pieds cubes (849 litres) à l'heure, pour chaque arc, on réali- se une soudure de tôles d'aluminium 16 d'une épaisseur de 0,050 pouce (1,27 mm), à une vitesse de 600 pouces (1524 cm) à la minute, qui, ne montre
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aucune trace d'affouillement. L'examen de la soudure a montré que le pre- mier arc réalise une pénétration incomplète,le second arc parfait la pénétration et le troisième arc façonne la soudure à la forme voulue.
Des facteurs comme le nombre d'électrodes, le courant, la ten- sion, la polarité et l'utilisation de porte-électrodes avec électrodes fusibles ou non consumables, peuvent être variés pour répondre aux pro- blèmes qui se présentent. Si on diminue l'écartement des électrodes, les effets calorifiques et magnétiques exigent des compensations, comme la réduction du courant pour réduire au minimum les effets magnétiques ad- verses et la surchauffe du métal.
Si la première électrode est fusible, le premier arc peut réali- ser la pénétration totale, l'arc ou les arcs suivants étant utilisés pour le façonnage de la soudure. Une pénétration échelonnée peut cependant être réalisée au moyen de deux électrodes non consumables montées en tan- dem recevant chacune un courant continu à polarité inverse de l'ordre de 500 ampères. Par exemple, sous la protection d'argon gazeux, on a soudé de la tôle d'aluminium d'une épaisseur de 0,050 pouce (1,27 mm) à une vi- tesse de 650 pouces (1651 cm) à la minute; à l'examen, la soudure montre une pénétration partielle par le premier arc, le second arc réalisant la pénétration complète ainsi que le façonnage de la soudure.
Les vitesses atteintes en appliquant la présente invention sont considérablement supérieures à celles atteintes au moyen des anciens pro- cédés de soudure à l'arc. Jusqu'ici on atteignait, sans grand succès, des vitesses de soudure maxima de l'ordre de 240 pouces (610 cm) à la minute. Les vitesses de soudure atteintes avec la présente invention cons- tituent donc un perfectionnement marquant dans l'application de la sou- dure à grande vitesse aux procédés industriels modernes.
L'efficacité de l'arc ou des arcs suiveurs est augmentée grâce au préchauffage de la pièce soudée par le premier arc. La disposition serrée en tandem des électrodes alliée à la grande vitesse de .défilement permet plus facilement une pénétration échelonnée et un meilleur façon- nage de la soudure par le deuxième ou le troisième arc sur un cordon de soudure en défilement dont le métal est déjà proche de son point de fu- sion.
Une application assez nouvelle dans le domaine de la soudure est la fabrication par soudure de tuyaux d'irrigation portables. On uti- lise avantageusement pour cela l'aluminium, à cause de sa faible densi- té et de son excellente résistance à la corrosion. Suivant un ancien pro- cédé industriel, une bande d'aluminium continue est façonnée en un tuyau à cordon longitudinal soudé par un procédé à électrode non consumable, sous protection d'un gaz inerte, utilisant du courant continu de polari- té inverse, à une vitesse de soudure de l'ordre de 180 ponces (457 cm) à la minute au maximum. Cette vitesse est imposée par l'ancien procédé de soudure, car autrement un laminoir à tubes peut fonctionner à une vi- . tesse de l'ordre de 900 pouces (2.286 cm) à la minute.
Le coût de fabri- cation d'un tube de ce genre serait donc nettement plus économique, si on pouvait accroître la vitesse de soudure.
Le dispositif de l'invention comprenant une première électrode fusible suivie d'une seconde électrode non consumable-sous la protection d'argon commercialement pur, a été utilisé pour souder de l'aluminium bord à bord à une vitesse de 750 pouces (1905 cm) à la minute, suivant le procédé de la présente invention. La figure 5 montre l'application d'un dispositif de ce genre à un laminoir à tubes 30 comprenant un poste de soudure en continu 32 devant lequel passe un tube 34 entraîné
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par des 'jeux horizontaux de rouleaux 36, 38 et des jeux verticaux de rou- leaux 40, 42. Le poste 32 comprend un porte-électrode 10 à électrode fu- sible et un porte-électrode 12 à électrode non consumable disposés en tan- dem, comme représenté à la figure 1.
Lors des travaux préparatoires qui ont mené à la présente inven- tion, on n'a pu obtenir des soudures convenables avec la pénétration vou- lue, à des vitesses aussi élevées, par le seul procédé à électrode non consumable protégée par un gaz inerte. De même, l'utilisation du seùl pro- cédé à électrode fusible protégée par un gaz inerte a présenté des dif- ficultés considérables aux vitesses de soudure dépassant 240 pouces (610cm) par minute. Le défaut principal du procédé à électrode fusible consistait, comme précité, en l'important affouillement de chaque côté du cordon de soudure. Les deux procédés au gaz inerte, celui à électrode non consumable et celui à électrode fusible, ont été combinés dans le dispositif en tan- dem.
Le premier porte-électrode fournit la matière d'apport, et le cor- don obtenu a une bonne profondeur de pénétration mais les deux côtés sont affouillés, comme précité. Le second porte-électrode a pour effet de façon- ner le cordon de soudure et de supprimer les affouillements.
Dans la disposition en tandem, la distance entre les deux arcs de soudure est importante. L'arc de l'électrode en cuivre refroidie à 1' eau 14 du second porte-électrode à électrode non consumable 12 a peu d'ef- fet' de fusion sur le métal de la pièce traitée, quoique sa capa- cité en courant soit relativement bonne. Si les deux porte-électrodes sont trop écartés, la température du métal du cordon de soudure et du métal contigu tombe appréciablement avant que le second arc intervienne. Les ef- fets de refusion et de façonnage de la seconde électrode non consumable sont alors insuffisants. Si les deux porte-électrodes sont, au contraire, relativement rapprochés, par exemple à une distance d'un pouce (2,54 cm), l'action de refusion du second arc est suffisante pour supprimer l'affouil- lement et façonner le cordon de soudure.
Le procédé de l'invention n'est pas limité au ombre d'électro- des utilisées ni à l'épaisseur ou à la nature de la pièce traitée.
REVENDICATIONS l.- Procédé de soudure dans lequel on établit un arc entre une pièce métallique à souder et une électrode en métal fusible d'un porte- électrode de soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte, et on produit entre le porte-électrode et la pièce à souder un mouvement rela- tif le long du joint à souder, caractérisé en ce que l'affouillement de la soudure terminée est évité aux grandes vitesses de défilement et ré- chauffant*'le cordon de soudure à l'aide d'un ou plusieurs arcs suiveurs établis chacun entre le cordon de soudure et le métal non consumable de l'électrode d'un porte-électrode de soudure à l'arc sous la protection d' un gaz inerte, disposé en tandem avec et dans le voisinage immédiat du premier porte-électrode.