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La Présente invention a trait au soudage'à l'arc et, pins particulièrement au soudage à l'arc en atmosphère de gaz carbonique.
Dans tous les différents procédés de soudure, qui sont maintenant d'un usage général pour la soudure à l'arc métal- lique avec,électrode fusible, il est nécessaire de faire usage d'un flux et/ou d'un écran de gaz protecteur pour affiner le mé- tal de soudure et/ou pour éviter la formation d'oxydes et de nitrures, ainsi que pour éviter d'autres réactions qui réduisent les propriétés physiques du métal de soudure. Les électrodes enrobées habituelles donnent les résultats désirés en engendrant une atmosphère d'arc et en donnant une couverture de laitier réactif pour la zone de soudage. Fréquemment de telles électrodes reviennent cher à fabriquer et ne peuvent être produites qu'en baguettes, et non en fils continus.
Cela entratne de fréquentes
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interruptions :du soudage pour changer les électrodes, et comme le courant de soudage passe à travers toute la longueur de l'électrode il y a des limites définies pour le courant maximum que l'on peut utilisero La perte des chutes d'électrodes qui sont inhérentes à l'emploi des baguettes représente un gaspillage.Le soudage à l'arc submergé surmonte certaines de ces difficultés, car il utilise une électrode continue en fil nu, et l'arc est plongé dans une masse en fusion de flux préfondu. Dans ce procédé, le soudage est limité pour la plus grande part au soudage à plat, à moins d'avoir un appareil spécial pour maintenir le flux en place pour le soudage en position.
Le flux est cher et assez ennuyeux à manipuler, la soudure doit être faite sans visibilité, car l'opérateur ne peut pas voir l'arc ou le joint à souder. Très récemment le procédé de soudage à l'arc avec protection par gaz inerte, exposé dans le brevet belge N 493.266 est entré en usage. Il a pour avantages d'utiliser une électrode nue continue avec une haute densité de courant, d'être complètement visible et dtéviter l'emploi de laitier et de flux. Le gaz inerte utilisé pour protéger l'arc et la zone de soudage se dis- . sipe dans l'air et il n'y a pas besoin de nettoyage ou opérations auxiliaires entre les différentes passes ou après la fin de la soudure. Ce procédé produit à de grandes vitesses un métal de' soudure sain et a donné entière satisfaction du point de vue vitesse et qualité.
Le gaz de protection utilisé dans ce procédé est de préférence un gaz inerte monoatomique, tel que l'argon ou l'hélium qui est relativement coûteux. Le soudage à électrode fusible dans l'air sans protection par gaz ou flux n'est pas praticable, sauf pour des travaux de la plus basse qualité.
Un objet de la présente invention est de réaliser un procédé de soudage à arc visible, avec électrode de fil nu avancement continu, offrant la commodité de travail du procédé
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de soudage aveo électrode consommable protégée par gaz inerte, mais en utilisant une atmosphère gazeuse nettement moins coûteuse' qu'un gaz inerte monoatomique.
Un autre objet est de réaliser un procédé de soudage à l'arc aveo électrode consommable en atmosphère gazeuse de pro- tection, en utilisant un gaz de protection de composition autre qu'un gaz inerte monoatomique, et en obtenant un métal de soudure sain ayant de bonnes propriétés physiques, sans que le soudage donne lieu à des projections excessives.
Un autre objet est de pouvoir utiliser, dans un tel procédé de soudage, un gaz de protection de bas prix qui soit ininflammable et non-toxique.
,Ces objets de l'invention et d'autres encore seront mis en évidence ou deviendront apparents dans a description détaillée qui suit d'une forme de réalisation de l'invention.
Suivant la présente, invention, on a trouvé que, sous certaines conditions déterminées, on peut maintenir un arc de soudage en atmosphère de gaz carbonique entre une électrode à fil fusible et une pièce à souder, pour produire à grande vitesse des soudures de haute qualité, dans les métaux ferreux. La prin- cipale fonction du gaz carbonique est d'éliminer l'atmosphère ambiante de la région de l'arc. Ceci peut être accompli par un courant de gaz carbonique dirigé de façon à envelopper l'extré- mité de l'électrode fusible, l'arc et le métal fondu qui y est produit. Comme le gaz carbonique est relativement dense, on peut aisément l'employer pour envelopper l'arc dans un courant vrai- ment non-turbulent ayant une rigidité adéquate sans qu'il soit nécessaire d'en utiliser des quantités excessives.
Eliminer seulement l'air, n'est cependant pas un objet suffisant de la présente invention. On a trouvé qu'il devait exister un certain rapport entre le diamètre de l'électrode, le
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courant, la longueur de l'arc et la composition du fil d'élec- trode si l'on doit produire du métal de soudure sain sans pro- jections excessives. D'autres facteurs,'tels que le type de cou- rant de soudage, la vitesse de soudage et la composition de la pièce à souder sont aussi des facteurs importants pour l'objet de la présente invention,; Le rapport entre ces variables est exposé en détail dans la description qui suit et qui sera mieux comprise en se référant aux dessins qui l'accompagnent.
La figure 1 illustre sous forme simplifiée un appa- reil pour la mise en oeuvre de la présente invention,
La figure 2 illustre en partie en coupe et sur une plus grande échelle, une partie de la tête de soudage de la fi- gure 1.
La figure 3 est un graphique illustrant le rappel nécessaire entre certaines variables du procédé pour produire des soudures de bonne qualité.
En se référant à la figure 1 du dessin, la pièce souder est désignée par II. L'électrode de soudage 12 se présente sous la forme d'un long fil se dévidant/d'une bobine 13 montée de façon à tourner sur un support fixe 14. Les rouleaux entraîneurs
16 dans la tête de soudage 17 sont mus par un moteur électrique
18. Les rouleaux entraîneurs 16 tirent le fil 12 de la bobine 13 à travers une gaine flexible 19 et poussent le fil dans le baril- 'let de la tête de soudage 21. Le barillet de la tête de soudage 21 comprend un tube central 22 ( figure 3) et une enveloppe tubur laire extérieure 230 Le tube central se termine par un tube de contact 24 qui amène le courant de soudage au fil électrode 12 passant à l'intérieur.
L'enveloppe extérieure 23 se termine par une buse 26 entourant le tube central et le tube de contact.L'es- Puce annulaire 27 entre le tube central et l'enveloppe et entre le tube de contact et la buse forme un passage pour le courant
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de gaz de protection en direction de l'arc. Le barillet de la tête de soudage est conçu de préférence de telle manière que le gaz sorte de la buse en un courant vraiment non-turbulent pour protéger le bout de l'électrode, l'arc et la zone de soudage de l'air ambiant. Les brevets Etats-Unis N 2.544.711 et N 2.544.801, indiquent en détail les façons préférées de former l'a protection désirée avec un courant de gaz réellement non-turbulent.
Le courant de soudage peut être fourni par une machine de soudage du type habituel 31. Une des bornes de la machine de soudage est connectée électriquement à la pièce à souder par le câble 32 et l'autre borne est connectée électriquement par le câble 33 à la tête de soudage 21, par laquelle le courant est transmis par le tube de contact 24 au fil électrode 120 On 'prévoit de préférence un contacteur'34 pour ouvrir et fermer le circuit de soudage.
Le gaz carbonique provient d'une source telle que la bouteille 41, équipée d'un robinet 42, d'un détendeur 43 et d'un débitmètre 44. Le conduit 46 amène le gaz carbonique au rac- cord d'arrivée dans la tête de soudage. Ce raccord communique avec l'espace annulaire 27 entre les barillets interne et externe et amène le gaz carbonique à la buse.
Voici brièvement comment fonctionne cet appareil, On envoie un courant de gaz protecteur enivrant le robinet 42 du cylindre et en réglant le détendeur 43 jusqu'à ce que le débit- métre 44 indice le débit de gaz désiré. On ferme le contact 34, ce qui met sous tension l'électrode et la pièce à souder. On fait alors avancer l'électrode. 12 jusqu'à ce quelle touche la pièce 11 et que l'arc jaillisse. On fait descendre ensuite le fil vers la pièce de façon continue a une vitesse permettant de maintenir l'arc. Comme, dans ce procédé, une régulation précise de la lon- gueur de l'arc est essentielle, il est préférable de débiter le fil à partir d'Une tête de soudage automatique, comme représentée - 5 -
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sur le dessin.
Ces têtes automatiques répondent aux variations de tension de l'arc de façon à maintenir automatiquement cette tension et par suite à maintenir la longueur de l'arc réellement constante. La présente invention n'est cependant pas limitée à l'emploi de têtes de soudage à régulation automatique mais elle peut être mise en oeuvre avec des appareils à vitesse d'ali- mentation de fil constante, tels que les appareils manuels du type de ceux utilisés maintenant communément pour le soudage métallique à l'arc avec protection par gaz inerte,
Les essais antérieurs de soudage en atmosphère de gaz carbonique n'ont pas abouti à des réalisations industriel- les parce que certains rapports critiques entre la vitesse d'a- limentation du fil, le courant et la composition du fil d'élec- trode n'étaient pas maintenus.
On a maintenant trouvé que pour obtenir de bonnes conditions de soudage avec du fil de soudage en acier en atmosphère de gaz carbonique, il était absolument essentiel que la longueur apparente de l'arc, c'est-à-dire la distance entre le bout du fil de l'électrode et le plan de la surface de la pièce soit inférieure à 3,2 mm. Pour avoir les meilleurs résultats, à peu près quelles que soient les autres conditions, cette longueur apparente d'arc devrait être infé- rieure à 1,6 mm, ce qui est la longueur d'arc maximum que l'on préfère dans la présente invention.
On a trouvé également que la valeur du courant de soudage était un facteur important lorsqu'il s'agit de soudures exécutées sous la protection de gaz carbonique et qui doivent être de bonne qualité, Le courant doit être maintenu à une valeur suffisamment élevée pour empê- cher le court-circuitage de l'arc par le métal fondu qui passe à travers l'are. Par contre, le courant doit rester inférieur une valeur maxima pour laquelle le métal fondu serait surchauffé à un tel point qu'il se produirait une effervescence
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excessive du bain de fusion. Cette effervescence est liée à la réaction métallurgique bien connue qui a lieu dans le fer fondu, contenant en solution de l'oxyde de fer qui est réduit par le carbone dissous pour donner de l'oxyde de carbone qui se dégage sous forne de gaz.
L'oxyde de carbone ainsi produit forme généralement des inclusions dans le métal de soudure quand le métal de soudure refroidit et donne une soudure poreuse. Cette cause de porosité peut être en grande partie éliminée en limitant le courant de soudage h une valeur inférieure à celle qui produit une surchauffe du bain de fusion et une effervescence excessive.
De plus, la longueur de l'arc et l'intensité sont en partie interdépendants. D'après l'intensité du courant de soudage désiré, on peut prévoir les limites inférieure @@ supérieure de la longueur d'arc. Les arcs à faible intensité ne peuvent pas toujours être raccourcis sans donner lieu à une instabilité excessive et à des court-circuits. On doit donc s'en tenir à des longueurs supérieures à 1,6 mm. En augmentant le courant de soudage, on accroît à la fois la vitesse de dépôt et les forces de l'arc tandis qu'en général on réduit la grosseur dos gouttelettes de métal. Cette augmen- tation de courant peut produire un bain de soudage agité et surchauffé dans lequel il se produit une vive réaction de désoxydation avec d'abondantes projections. Le métal de soudure ainsi produit est poreux.
L'utilisation d'un arc de longueur minimum améliore ces conditions. Il est donc apparent que, pour n'importe quelles conditions de soudage données, il y a une valeur optimum du courant et que la longueur d'arc est limitée d'un coté par les projections, la porosité et un dépôt insuffisant, et de l'autre côté par l'instabilité de
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l'arc et la mauvaise for;.e du cordon de soudure.
Pour définir le rapport critique entre le diamètre de l'électrode, le courant de soudage et la longueur de l'arc, @n a fait un grand nombre d'essais et on a analysé les résultats pour trouver un critère permettant de prévoir les résultats de la soudure en atmosphère de CO2. On a trouve que.pour obtenir de bonnes soudures avec protection par CO2, il fallait suivre une règle déterminée, basée 'sur une relation entre la tension d'arc et l'intensité du courant de soudage, exprimée en fonction du diamètre de l'électrode.
La tension de l'arc, pour le calcul de cotte relation est définie comme la tension entre le tube de contact dans la tête de soudage et la pièce à souder, et elle comprend la chute de tension due à la résistance de la partie terminale de l'électrode, entre le tube de contact e l'arc, ainsi qu'à la résistance de contact entre l'électrode et le tube de contact, en plus de la chute de tension réelle de l'arc. La longueur de l'arc qui est critique mais difficile à définir ou à mesurer se retrouve dans ce facteur de tension d'arc, L'intensité du courant de soudage est exprimée en ampères en fonction du diamètre de l'électrode.
On a trouvé, en traçant un graphique de la tension d'arc en fonction de la densité de courant dans l'électrode fusible, qu'il apparaissait un rapport simple pour toutes les combinaisons de courant, longueur d'arc et diamètres d'électrode qui donnent des conditions de soudage satisfaisantes, c'est-à-dire sans collage et court- circuitage de l'électrode et avec un minimum de projections, Ce rapport est illustré sur la figure 3. La courbe A du graphique délimite les conditions dans lesquelles il se produit des projections excessives et les conditions satisfaisantes de soudage.
Son équation est.1
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2 ( U - 20 )2 = 0,07 ( 25,4 x - 2400 ) dans laquelle U est la tension de l'arc en volts et x l'intensité en ampères du courant de soudage par millimètre de diamètre de l'électrode. Une courbe B, similaire, définit les conditions au-dessoqs desquelles le collage et le court-circuitage de l'électrode deviennent excessifs. Cette courbe peut être exprimée par l'équation : (U-10 ) 2, = 0,07 ( 25,4 x - 2400 )
Il est essentiel, pour souder en atmosphère de CO2 de maintenir d'es conditions de marche qui se trouvent dans la zone délimitée par ces courbes, si l'on veut obtenir des soudures de bonne qualité.
Le rapport critique entre la longueur d'arc, le courant et le diamètre de fil est exprimé par ces courbes dont les variables sont bien définies et faciles à déterminer.
En général, le courant continu en polarité inversée offre plus d'avantages que la polarité directe pour le soudage à l'arc protégé par le gaz carbonique. La polarité inversée est préférée à toutes les autres formes de courant,de soudage.
,Pour des courants inférieurs à 350 ampères, la polarité directe donne une soudure acceptable avec une vitesse de dépôt presque double de celle que l'on pourrait obtenir avec une polarité inversée. Avec des courants supérieurs à 350 ampères? la polarité directe donne des projections excessives et un dépôt poreux.
Toutes les variables mentionnées plus haut dépendent à un certain point de la vitesse de travail. De faibles vitesses permettent de faire absorber plus d'énergie par la soudure,
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ce qui rend la réaction de désoxydation plus active et par suite entraîne plus de projections et de porosités. Des , vitesses excessives donnent fréquemment une gerbe de projections à partir du cratère de la soudure, augmentent la formation de caniveaux et causent des discontinuités dans le cordon de soudure.
La cinématographie à grande vitesse montre que les projections, dans le procédé de soudage a l'arc avec protection de,gaz carbonique, proviennent de toutes sortes de causes, déjà: connues, sauf le soufflage magnétique de l'arc....
Ces causes sont la réaction de désoxydation,, les courts-circuits de l'arc et l'agitation mécanique due aux forces de l'arc. Avec des arcs courts, il y a plus de probabilités pour que les projections restent dans la zone de soudage et la tendance à la formation de grosses gouttes est diminuée.
Il est possible que l'élément le plus important en dehors des rapports longueur de l'arc, courant, diamètre du fil, contribuant à donner de bons résultats dans le soudage à l'arc avec protection,par le gaz carbonique, soit la composition du fil 'électrode. La conposition de l'électrode a un effet sur les caractéristiques de l'arc, la forme du dépôt de soudure, .les conditions de surface du dép8t-de soudure et le caractère sain du métal de soudure. Quoique l'invention ait trait principalement à l'emploi comme électrodes de fils nus, il est bien entendu que l'on peut aussi utiliser des fils enrobés ayant. des surfaces conductrices nues et' des fils ayant un léger revêtement conducteur d'électricité.
De nombreux essais ont montré que des dép8ts de soudure sains en acier ne peuvent être obtenus en atmosphère de gaz carbonique que si l'on emploie du fil 'électrode désoxydé et
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de préférence ayant un pouvoir désoxydant résiduel. Des fils d'acier calmé contenant un minimum de 0,25 % do silicium ont un tel pouvoir désoxydant résiduel. L'analyse de fils possédant un pouvoir désoxydant,suffisant pour donner des soudures saines est donnée dans le tableau 1 ci-dessous :
TABLEAU 1
C Mn Si S P Al Cr V Fe Fil 1 0,10% 1,00% 0,45% 0,02% 0,02% - @ q.s.
Fil 2 ,10% 1,30% 0,25% 0,03% 0,03% 0,02% ... - q.s.
Fil 3 0,30% 0,80% 0,30% 0,01% 0,01% - ' 0,95% 0,20% q.s.
Voici un exemple de mise en oeuvre de la présente invention. Pour souder, avec recouvrement des tôles d'acier effervescent de 2,25 mm d'épaisseur, on à fait un dépôt avec un arc protégé par du gaz carbonique dans l'interstice forme entre le bord de la tôle recouvrante et la surface supérieure de la tôle du dessous. Des soudures de haute qualité ont été faites, en production industrielle, en utilisant une polarité inversée en courant continu avec un fil 'électrode de 1,6 mm de diamètre dont l'analyse est celle du fil 1 du tableau 1 ci-* dessus. Le fil 'électrode était débité à une vitesse de
8 mètres par minute et on utilisait un courant de soudage de 430 ampères avc une tension d'arc de 30,5 volts.
L'arc était protégé par un .courant de 2 mètres cubes par heure de CO2 pur commercial, projeté par une buse de 25 mm de diamètre. La vitesse de soudage était de 4,75 mètres par minute.
Voici un exemple de l'emploi du procédé de soudage' à l'arc avec protection de CO2 pour des soudures en passes multiples. On a fait des soudures sur des tôles laminées à ,chaud de 12,5 mm en six passes dans un joint ayant un angle de chanfrein de 60 et un écartement des bords à soudex de 3 @@
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avec soutien à l'envers du joint. En utilisant un fil 'électrode de 1,6 mm de diamètre dont l'analyse est celle du fil 2 du tableau 1 ci-dessus, et une polarité inversée en courant continu de 315 ampères, chaque passe'a été faite à la vite se de 0,45 mètre par minute avec une longueur d'arc telle que la tension de l'arc était de 31 volts.
L'arc était protégé avec du CO2 pur commercial passant par une buse de 25 mm de diamètre avec.un débit de 1,7 m3 par heure.
EMI12.1
Il est clair d'après ces exemplquè:l'inv.ntlon apporte la possibilité de réaliser des soudures de haute qualité à des vitesses élevées .par le @ soudage à l'arc à électrode fusible en atmosphère protectrice de gaz carbonique.