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La présente invention est relative au soudage à l'arc et vise plus particulièrement les procédés de soudage à l'arc désignés d'une manière gé- nérale comme étant du type à électrode consommable, dans lesquels le métal de l'électrode est ajouté au métal de base en fusion (métal de la pièce à travailler fondu par l'arc).
Dans son mode de réalisation préféré, la présente invention re- médie aux principaux défauts que l'on observe dans les trois procédés prin- cipaux de soudage communément pratiqués jusqu'ici. Par rapport au soudage avec écran de gaz connu, dans le passé, elle assure une protection bien meil- leure du métal de soudure en fusion, ce qui fait que son utilisation pour le soudage de l'acier ordinaire est tout à fait pratique. Par comparaison avec le type de soudage par arc noyé, le procédé objet de l'invention est particulièrement avantageux, parce qu'il permet la visibilité de la soudure.
Par rapport au procédé par électrode revêtue de flux, il est particulière- ment désirable parce qu'il est considérablement plus rapide. Enfin, par com- paraison avec tous ces procédés, il est plus économique.
Conformément au mode préféré de mise en oeuvre de l'invention, on amène de manière continue à l'arcune électrode à surface nue, dont la colon- ne formant l'arc ionisé .est entourée par une petite quantité de gaz protec- teur, et le métal de soudure en fusion est protégé par une couche de soo rie provenant du flux contenu à l'intérieur de l'électrode.
Le flux comprend aussi des constituants destinés à améliorer l'arc et à donner les caracté ristiques désirées au métal de la soudureo
D'autres objets et avantages de l'invention apparaîtront à la lec- ture de la description suivante et à l'examen du dessin, sur lequel la fig. 1 représente d'une manière quelque peg. schématique une sou- dure réalisée conformément à la présente invention, la vue étant prise ap- proximativement dans la direction longitudinale de la soudure ; la fig. 2 est une vue partielle représentant une coupe transver- sale de la soudure finie; la fige 3 est une vue de face d'une bande de métal utilisée pour former l'électrode représentée sur la fig. 1 ; la fig. 4 est une vue en coupe transversale de la bande de métal représentée sur la fig. 3;
la fig. 5 est une coupe transversale de l'électrode en cours de remplissage, un grattoir ou râcloir étant en prise avec l'électrode partiel- lement fermée; les fig. 6 et 7 sont des coupes transversales successives de l'é- lectrode au cours de sa fermeture, ayant pour effet de comprimer son rem- plissage ; les fig, 8 à 11 représentent l'électrode successivement réduite à des dimensions différentes ; la fig. 12 est une vue en perspective d'un court tronçon de l'élec- trode; les fig. 4 à 12 sont à échelle fortement agrandie. la fig. 13 représente en pointillés la tête de soudage dans une position qui convient pour le soudage d'un cordon s'étendant verticalement ; la fig. 14 représente les diverses connexions pivotantes de la tê- te ; la fig. 15 est une vue détaillée de la tête de soudage;
la fig. 16 est une vue de détail de la vis élévatrice et de son
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moteur électrique de commande.
Introduction - Tois types de procédés de soudage à électrode consommable sont actuellement utilisés dans l'industrie. Parmi ces procédés, celui qui est le plus ancien et le plus couramment utilisé est dénommé procédé à électro- de enrobée de flux, parce que le flux est incorporé à la surface de l'élec- trode. Ce flux contient des matières qui, lorsqu'elles sont soumises à la chaleur de l'arc, sont transformées en gaz convenant à la protection de la colonne d'arc et des matières qui sont transformées en scories, lesquelles recouvrent complètement le métal de soudure en fusion et le protègent de ce fait.
Le second procédé, aussi bien en ce qui concerne son ancienneté que son étendue d'utilisation, est dénommé le procédé de soudage à l'arc noyé. Dans ce procédé, on fait entièrement appel à une scorie pour protéger à la fois la colonne d'arc et le métal de soudure en fusion; en d'autres termes, on n'utilise par un gaz, sous quelque forme que ce soit, pour pro- téger soit l'arc, soit le métal de soudure en fusion et, connus le nom l'in- dique, pendant le soudage, la colonne d'arc et le métal en fusion sont com- plètement recouverts l'un et l'autre par un amas de flux pulvérulent ou gra- nulaire, dont une partie est transformée en scorio protectrice. En d'autres termes, ce procédé est strictement un procédé par protection par scorie.
Le troisième procédé de soudage à l'arc est le plus récent des trois et il est dénommé le procédé de soudage à l'arc avec protection par gaz. Ce procédé est entièrement fondé sur l'utilisation, pour protéger à la fois la colonne d'arc ionisé et le métal de scùdure en fusion, d'une alimen- tation séparée ou distincte en gaz ou en un mélange de gaz. Dans certains cas, un seul courant de gaz protecteur est utilisé pour protéger à la fois la colonne d'arc et le métal de soudure en fusion; dans d'autres cas, on utilise un courantde gaz pour protéger la colonne d'arc et un second courant ou un certain nombre de courants de gaz pour protéger la masse allongée de métal de soudure en fusion que traîne l'arc produisant la fusion du métal.
En comparaison, la présente invention se rattache plus étroitement au procédé à électrode enduite de flux parce qu'une scorie,est produite par l'électrode, recouvre complètement le métal de soudure en fusion et le protège de ce fait. Toutefois, dans le cas présent, le gaz qui protège la colonne d'arc ionisé est un gaz distinct et, par suite, n'est pas un pro- duit du flux.
La présente invention est principalement destinée à être utilisée comme procédé de soudage semi-automatique et comme procédé entièrement auto- matique ; c'est pourquoi l'électrode de soudage qui produit la scorie pro- tectrice affecte la forme de tronçons bobinés allongés et l'électrode est du type à surface nue, de manière que le contact du courant de soudage puisse se faire sur l'électrode au voisinage de l'arc. Pour ceux qui sont au cou- rant de la technique, la nécessité des deux caractéristiques précitées est évidente.
Depuis que le soudage à l'arc a commencé, les chercheurs ont es- sayé de réaliser un procédé de soudage à l'arc qui, tout en utilisant de ma- nière satisfaisante et économique les caractéristiquesfondamentales de fu- sion du métal, utilise des tronçons continus bobinés d'électrode, de telle manière que le procédé puisse être appliqué de manière continue ininterrom- pue, aussi bien avec l'appareillage de soudage semi-automatique qu'avec 1' appareillage entièrement automatique.
Pour des raisons évidentes pour ceux qui' sont familiarisés avec la technique, parmi lesquelles figurent la fragilité et l'effet isolant du
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revêtement, l'électrode dm procédé à électrode enduite de flux, ne peutpas être mise en oeuvre sous la forme Bobinée.Ainsi qu'on l'a mentionné précé- demment, le procédé de soudage à arc noyé travaille au sein d'une masse de flux pulvérulent ou granulaire ou sous cette masse. Par suite, bien que l'électrode soit un fil métallique nu et lisse se prêtant à l'utilisation en tronçons bobinés, il se présente la particularité très indésirable que l'effet de soudage ne peut pas être observé pendant l'opération.
Il n'y a donc aucune certitude que la soudure est faite à l'endroit correct,que la dimension de soudure désirée est obtenue ou que la forme voulue da soudu- re est produite. Le soudage avec protection par gaz n'assure pas la protec- tion du métal de soudure en fusion dans des conditions suffisantes et il est dépourvu de certains avantages métallurgiques importants pour le sou- dage de l'acier ordinaire.
Bien que l'on ne le considère pas en général comme tel, l'acier ordinaire est, de tous les métaux, le plus difficile à souder à l'arc. Il en est ainsi en raison des impuretés telles que l'oxygène dissous et les impuretés non métalliques qui sont contenues dans l'acier ordinaire. Pen- dant le soudage, l'oxygène dissous est transformé en gaz libre et, bien que ce dernier soit éliminé ou enlevé avant la resolidification du métal de ba- se fondu, le métal de soudure est poreux et le degré de porosité est pro- portionné à la quantité d'oxygène dissous que contient l'acier. Sur trois classes d'aciergcelle connue sous le nom d'acier calmé contient très peu d'oxygène dissous. L'acier semi-calmé en contient une quantité gênante et cette quantité varie entre des limites assez écartées.
La quantité d'o- xygène normalement présente dans l'acier partiellement désoxydé est à. 1' extrémité supérieure de cette gamme. Un procédé de soudage .universel à 1' arc doit être capable de produire, sur les trois types d'acier, des soudu- res de haute qualité, denses et non poreuses. Les deux procédés de soudage à l'arc précédemment mentionnés avec protection par la scorie ont survécu à l'épreuve du temps à ce point de vue, tandis que les procédés de souda- ge à l'arc avec protection par gaz n'ont pas résisté à cette épreuve?
Pour traiter l'oxygène dissous dans l'acier ordinaire avec les procédés de soudage à l'arc avec protection par gaz, on a mis au point des électrodes nues contenant certains désoxydants.
Les désoxydants peuvent être alliés avec l'électrode, ou bien être logés dans des poches ou des rai- nures sous la surfacecde l'électrode, ou bien encore être placés à l'inté- rieur de l'électrode. Cependant, les recherches des demandeurs ont démontré que la simple addition de matières désoxydantes n'apporte par la solution du problème,parce qu'il fatfct satisfaire à de nombreuses autres conditions, ce qui permet de faire la présente invention, laquelle utilise tous les avantages des procédés de soudage à l'arc avec protection par les scories et assure la visibilité même lorsque les avantages du soudage continu sont également obtenus, Des conditions importantes auxquelles satisfait la cou- che de scorie réalisée par la présente invention, mais auxquelles on ne peut pas satisfaire avec -:
la protection par gaz seule, sont les suivantes :
1 Protection contre l'oxygène et l'azote nuisibles contenus dans l'air environnant,
La présente invention utilise une couche de scorie pour recouvrir et protéger complètement le métal de soudage en fusion qu'entraîne l'arc de soudage lorsqu'il se déplace le long de la ligne à souder. La couche de sco- rie est composée complètement d'oxydes.'Dans la mesure où ces matières oxy- dées sont choisies parmi celles qui ont une plus grande affinité pour l'oxy- gène que l'acier liquide qu'elles protègent, elles n'abandonnent par leur oxygène à l'acier et l'oxygène contenu dans l'air environnant ne peut pas pénétrer à travers la couche liquide de scorie pour oxyder le métal de sou-
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dure ;
2 / Enlèvement des inclusions non métalliques.
Comme on l'a mentionné précédemment, l'acier ordinaire contient toujours des inclusions non métalliques, fixées pour la plupart par des particules réfractaires restantes provenant des opérations d'élaboration de l'acier. Parmi ces particules, il en est de nombreuses qui contiennent des oxydes non dissous. Si on laisse ces matières dans le dépôt de soudure, la qualité de celle-ci en est affectée. Du fait que ces oxydes et ces inclusions non métalliques flottent dans le métal liquide, ils ont un temps suffisant pour monter à la surface du métal de soudure et pour ce sombiner avec la sco- rie protectrice en formant une partie de celle-ci, si la solidification est retardée par l'utilisation de la propriété d'isolation de la chaleur de la scorie pour retarder la solidification, ce qui est le cas en ce qui concer- ne la présente invention.
3 / Enlèvement des oxydes superficiels sur le métal de base.
Pour des raisons d'économie, les surfaces de,l'acier ordinaire ne sont généralement pas nettoyées avant le soudage : ces surfaces peuvent, et il en est ainsi généralement, contenir une pellicule de rouille, de battitures de laminoir, de poussières d'atelier, d'huile, de graisse, etc...
Celles de ces impuretés qui se trouvent sur le trajet de l'opération de sou- dage pénètrent dans le cratère de soudage et se méjugent au métal de soudu- re si on ne prend aucune précaution pour empêcher cet état de choses. La plus gênante de ces matières est l'oxygène contenu dans les oxydes de fer de surface. Le flux objet de la présente invention contient un pourcentage convenable de désoxydants pour le traitement de ces oxydes superficiels.
4 / Protection contre les produits formés à la surface par des huiles et graisses.
Le carbone qui est présent dans les huiles et graisses se trouvant à la surface n'est pas nuisible parce que, durant le soudage, il est trans- formé en CO et CO gazeux. L'hydrogène se trouvant dans ces matières est nuisible ; il en est de même de l'hydrogène sous forme d'eau condensée qui est généralement présent dans les pores de la rouille et des battitures du la- minoir se trouvant à la surface. En raison du fait que la masse de métal de soudure liquide produite par la présente invention est complètement recou- verte d'une couche efficace de scorie, l'hydrogène (que la chaleur de l'arc a déplacé en grande partie vers la couche adjacente de gaz) ne peut pas pé- nétrer dans la couche de scorie pour être absorbépar le métal de soudure liquide.
5 / Recuit.
La couche de scorie qui recouvre complètement le cordon de soudu- re retarde aussi sa vitesse de refroidissement. Cette caractéristique de recuit du métal de soudure, après solidification, réduit la dureté ou la fragilité de la soudure et l'obtention de cet avantage, avec d'autres, est importante dans la présente inventions Quand on utilise- des gaz seuls, pour tenter d'assurer la protection du métal en cours de refroidissement, les gaz, en agissant directement sur la surface du métal, augmentent la vitesse de refroidissement et augmentent par suite de manière indésirable la dureté du métal de soudure.
6 / Contrôle amélioré du profil et de l'égalité de surface.
La,couche de scorie qui recouvre complètement le cordon de soudu- re contrôle aussi le profil de la soudure, agit sur elle à la façon d'un fer à lisser et maintient l'uniformité, en améliorant l'aspect général de la sou-
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dure. Ces caractéristiques de qualité font complètement défaut quand on se sert de gaz pour protéger le métal de soudure.
Description générale du procédé et de l'électrode.
On va décrire ci-après, à tttre d'illustration seulement et sans aucun caractère limitatif de la portée de l'invention, un mode préféré de réalisation de celle-ci, étant entendu que diverses modifications ou ad- ditions peuvent être apportées à ladite invention sans en modifier l'écono- mie/
Ce mode préféré de réalisation de l'invention sera facilement com- pris à l'examen de la fige 1.
Une électrode spéciale 11 conforme à l'invention est amenée à tra- vers une tête de soudage 12, par laquelle elle est alimentée en courant de soudure par un câble 13.,Il petit y avoir un dispositifhabituel ou convena- ble de contact pour transmettre le courant à l'électrode; en fait, le corps principal de la tête 12 peut être considéré,comme représentant un tube de contact en cuivre habituel, comme om em'utilise avec le soudage automatique.
Le cuivre au béryllium pourrait être utilisé pour une durée prolongée.Habituel- Lement, le tube est une pièce rapportée pouvant être remplacée.
Le mode préféré de mise en oeuvre de cette invention concilie la nécessité d'une scorie purificatrice et protectrice avec la nécessité d'a- voir une électrode non cassante et nue en réalisant un flux convenable sous la forme d'un noyau dans une électrode creuse en métal nu non cassant et en protégeant la colonne d'arc ionisé par une petite quantité de gaz iner- te comme l'argon ou l'hélium, ou d'un gaz neutre comme l'acide carbonique.
Avant que le métal d'électrode et les matières du flux ionisés commencent à se liquéfier et à passer au-delà de la protection gazeuse, la couche de scorie se formée
L'électrode représentée comprend un tube 1$ fait du métal devant être transféré à la soudure et une âme ou noyau 17 qui est sensiblement uniforme sur toute la longueur de l'électrode. Le procédé préféré pour as- surer l'uniformité est représenté sur les fig. 3 à 7 illustrant le remplis- sage du tube par la matière de formation de noyau réduite en menus fragments de façon qu'elle y soit comprimée, la surface intérieure du tube étant moletée ou rendue rugueuse de quelque autre manière pour assurer le maintien en place de la matière en menus fragments.
Bien que le flux puisse comprendre de très nombreux ingrédients, il faut tenir compte de certaines exigences importantesLa plus importan- te-est la production dans le flux d'une quantité suffisante de constituants, producteurs de scorie, pour obtenir une couche de scorie efficace sur le métal en fusion de la soudure, dans le but déjà indiquée Une caractéristi- que essentielle etimportante est l'utilisation d'oxydes comme matières de formation de scorie, Les demandeurs choisissent de telles matières sous for- me d'oxydes ayant une plus grande affinité pour l'oxygène qu'ils contiennent que l'acier devant être fondu, de manière que ces matières n'abandonnent pas une partie de leur oxygène au métal de' base fondu.
Des oxydes, tels que l'oxyde de silicium, de manganèse et de titane, ont été utilisés avec succès depuis des années pour produire une socie protectrice dans le procé- dé à l'électrode recouverte de flux et ils sont utilisés de cette manière dans la présente invention. Toutefois, celle-ci n'est pas limitée à l'uti- lisation de ces oxydes peu coûteux.
Dans le cas du procédé à électrode enduite de flux, rien ne li- mite la quantité de matières qui peuvent être transportées dans l'arc par l'électrode; si une plus grande quantité de matières est nécessaire, on
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augmente simplement l'épaisseur du revêtement de flux.
Il en est de même en ce que concerne le procédé de soudage à arc noyé;ici, le flux est entiè- rement distinct de l'électrode et il n'y a pas de limite à la quantité de composé de soudage du type granulaire qui peut être utilisé ; mais, en ce qui concerne la présente invention, tel n'est pas le cas parce que, pour réali- ser le nouveau procédé, le composé de soudage doit être emprisonné dans un trou de l'électrode, lequel n'est qu'une petite fraction de l'espace qui se- rait nécessaire pour maintenir un volume suffisant de flux du type utilisé soit dans le procédé à électrode enduite de flux, soit dans le procédé de soudage à arc noyé.
Dans la présente invention, le problème du transport et de la production de quelque autre manière "d'un volume suffisant d'une ma- tière formant scorie pour protéger efficacement le métal de soudure sans que la matière se trouve à la surface de l'électrode ou sans appliquer la matiè- re sous une forme distincte de l'électrode a été résolu par une combinaison de deux procédés consistant : premier à transformer les constituants pro- ducteurs de la scorie en une scorie par fusion desdits constituants en un composé "synthétisé", puis à placer la matière fondue et non les constituants volumineux dans le noyau de l'électrode ;
second à utiliser de l'acide car- bonique gazeux distinct pour protéger la colonne d'arc et à utiliser une par- tie de l'oxygène provenant de ce gaz pour produire des oxydes par combinai- son avec les matières contenues dans le composé synthétisé, directement dans l'arc et, par ce procédé, ajouter du volume à la couche protectrice de scorie.
Une autre exigence importante, spécialement pour le soudage de 1' acide ordinaire, est que le flux comprenne une quantité suffisante de cons- tituants désoxydants pour absorber l'oxygène dissous qui est mis en liberté par le métal de base quand il est fondu, en formant ainsi des oxydes. A leur tour, ces matières se forment sur la surface du cordon de soudure, ou flot- tent sur celui-ci, pour augmenter le vllume de la scorie protectrice. De même, comme cela est le cas dans les électrodes recouvertes de flux, pour des raisons d'économie, on utilise comme désoxydants le silicium, le manga- nèse et le titane.
Une troisème exigence importante est que la matière du flux soit sensiblement exempte d'ingrédients capables de produire des gaz protecteurs.
Pour obtenir les meilleurs résultats, une quatrième exigence est que le flux contienne des- ingrédients améliorant l'ionisation de l'arc; une cinquiè- me exigence est qu'il y ait des ingrédients pour enrichir légèrement la co- lonne d'arc en oxygène ou pour produire de quelque autre manière un arc hautement efficace.On satisfait à ces deux dernières exigences au moyen du bioxyde de titane, ainsi que cela a été reconnu jusqu'icii.L'oxygène réduit apparemment la tension superficielle du métal liquide lorsqu'il se forme au bout de l'électrode, ce qui fait que les particules sont transférées à la soudure sous la forme d'une pulvérisation relativement fine au lieu de 1' être sous forme de globules moins désirables.
Pour de nombreuses applications, le flux doit comprendre aussi des constituants d'alliages pour améliorer les caractéristiques physiques du métal de soudure, conformément à des tech- niques déjà connues ou qui pourraient être appliquées avec d'autres types de soudage.
La protection de la colonne d'arc par un gaz inerte ou neutre est importante. En conséquence, la tête 12 est munie d'un bout tubulaire 18 for- mant un canal d'alimentation en gaz 19 entourant l'électrode. Le canal 19 communique avec la chambre 21, à laquelle le gaz protecteur est fourni par un tube ou tube flexible 22.
Par "gaz protecteur", on entend, soit un gaz vraiment inerte com- me l'argon ou l'hélium , soit un gaz neutre comme l'acide carbonique, qui agit pour cette application comme gaz inerte, ou peut-être encore un gaz ré-
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ducteur si celui-ci n'absorbe pas une trop grande quantité dé l'oxygène contenu dans la colonne d'arc. Pour des raisons d'économie et de sécurité l'acide carbonique est préféré actuellement. Il est seulement nécessaire ou désirable d'utiliser une quantité suffisante du gaz protecteur pour pro- téger la colonne d'arc ionisé et les points extrêmcsde l'arc à partir desquels sont émis les ions.
Une fois l'arc amorcé entre l'électrode 11 et le métal de base 23 à souder, l'arc joue son rôle habituel en fondant le métal de base sur la ligne de soudure à exécuter et en transportant du métal fondu du bout de l'électrode à la soudure. Il transporte aussi dans le métal en fusion les ingrédients formant le flux 17, à l'état fondu vaporisé ou ionisé. Les cons- tituants producteurs de scorie forment,rapidement une couche de scorie 24 recouvrant toute la surface du métal en fusion, au-delà du Voisinage immé- diat de la colonne d'arc et en la protégeant contre l'oxydation.
Ces cons- tituants producteurs de scorie doivent être assez abondants pour produire une couche de scorie d'épaisseur appréciable afin de protéger et d'isoler efficacement la masse en fusion de métal de soudure.Les matières dêsoxy- dantes contenues dans le flux se mélangent intimement sous l'action de 1' arc avec le métal en fusion, ce qui fait qu'elles peuvent remplir rapidement leur fonction de désoxydation. Les constituants d'alliages du flux sont é- galement mélangés intimement par l'arc avec le métal de base en fusion ou en vapeur pour produire uia action active de formation d'alliage.
Economie de soudage.
Le volume de gaz protecteur de l'arc qui est nécessaire dans le présent procédé de soudage à l'are avec protection par scorie n'a besoin d'être qu'approxyimativement égal à la quantité qui est émise à partir du flux d'une électrode recouverte de flux, parce que? en ce qui concerne ce procédé aussi, le métal de soudure en fusion est entièrement protégé par une couche descorie liquide et non par un gaz. Il n'est pas nécessaire que l'espace compris entre l'embouchure de la tuyère à gaz et l'électrode soit supérieur à 1,58 mmo La vitesse du gaz qui s'écoule de cet ajutage à petite embouchure n'a pas besoin d'être supérieure à la vitesse qui est suffisan- te pour déplacer le gaz vers le bas surla longueur de la colonne d'arc.
En réalisé, le débit de gaz atteint 283 dm3 environ par heure.Cependant, ain- si qu'on l'expliquera dans le paragraphe suivant, la présente invention est un procédé de soudage à vitesse très élevée capable de déposer plus de 37 kg d'électrode par heure. Par suite, si l'on chiffre le coût de gaz protecteur inerte à 35 frs par 28 dm environ, le coût du gaz protecteur se monte à moins de 7 Frs par chaque quantité de 0,453 kg d'électrode déposée, ce qui est seulement 5% de la dépense si l'on essaie d'assurer la protection entièrement avec des gaz inertes.
Le volume du métal de base qui est fondu et transformé en métal de soudure pour chaque quantité de 0,453 kg d'élec- trode déposée, varie avec la densité du courant de soudage, le rapport n' est jamais inférieur à 6,6 kilogrammes de métal de base en fusion pour cha- que kilogramme d'électrode déposée. Par suite, le coût'- du gaz qui protège la colonne d'arc se monte à moins de 3,50 Frs environ par kilogramme de mé- tal de soudure. Le COgazeux ne coûte que 3,50 Frs environ par 28 décimètres cubres environ et les'demandeurs préfèrent utiliser le CO2 gazeuxcavec leur nouveau procédé. Le coût du gaz est par suite de 3,50 Frs environ par 9 kilogrammes de métal de soudure, Il est par suite évident que le procédé de soudage à l'arc avec protection par scorie conforme à la présente invention est remarquablement économique.
La nouvelle électrode objet de l'invention contient la quantité exacte de flux pour satisfaire de manière sûre à toutes les exigences nécessaires; par suite, il n'y a pas de perte de flux. Le pro- cédé à l'arc noyé dépense une quantité considérable de flux. Seule une par- tie du flux, dans laquelle l'arc est noyé, est fondue et la récupération
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de la partie non fondue conduit à une perte et un gaspillage considérables.
Vitesse de soudage.
La présenter invention produit son effet maximum avec l'avance au- tomatique de l'électrode domme dans le soudage automatique ou semi-automa- tique. Dans ce dernier, l'électrode est avancée automatiquement, mais la tête de soudage est déplacée à la main. Avec une nouvelle machine à souder semi-automatique, le procédé objet de l'invention peut déposer de 3 à 8 fois plus de kilogrammes de métal d'électrode par heure d'ouvrier sur une base continue que n'importe quel autre procédé de soudage connu manuel ou semi- automatique .
Une des caractéristiques de la nouvelle machine à souder semi- automatique imaginée par les demandeurs consiste dans le fait que la di- mension, et par suite la rigidité, d'électrodes de grand diamètre n'a au- cune influence sur la facilité du mouvement à la main. On entend par là que des électrodes d'un diamètre de 4,8 et de 6,3 mm, sous la forme bobinée, peuvent être appliquées avec la même facilité de manoeuvre et avec pas plus d'effort ou de fatigue (en réalité avec un poids moindre à supporter) que les électrodes appliquées à la main recouvertes de flux. Il s'ensuitque avec la nouvelle machine à souder semi-automatique des demandeurs, la vi- tesse de dépôt de l'électrode peut être la même que celle obtenue dans le procédé qui est appliqué avec l'appareillage à souder entièrement automa- tique.
La présente invention rend possible l'usage satisfaisant de la nou- velle machine à souder semi-automatique pour l'acier, en utilisant des électrodes de grand diamètre. Le plus grand rendement peut maintenant être obtenu à l'endroit de la pièce travaillée, au lieu d'avoir à déplacer 1' ensemble à souder jusqu'à la machine à souder automatique et de dépenser du temps pour la mise en place et le réglage soigneux. Ceci est spécia- lement important, car il existe des pièces à souder qui pèsent des tonnes.
La vitesse extraordinaire et, par suite, la faible dépense de main-d'oeuvre pour l'application du présent procédé avec un appareillage automatique ou semi-automatique sont rendues évidentes par l'exemple suivant: on peut utiliser 1200 ampères avec une électrode de 4,8 mm lorsqu'on boude une plaque de 16 mm d'épaisseur, ou même plus, en acier ordinaire. Avec ce cou- rant, on dépose par minute 254 cme ou 0,45 kg d'électrode. En conséquence, on paut déposer en 8 minutes, avec le procédé objet de l'invention, au- tant de kilogrammes d'électrode qu'on pouvait en déposer une heure avec le procédé à électrode recouverte de flux appliqué à la main.
Les vitesses extrêmement élevées de dépôt du métal d'électrode sont rendues possibles surtout par le procédé de protection du métal de sou- dure en fusion par une couche protectrice de scorie. Avec la présente in- vention, il n'y a pratiquement aucune limite raisonnable à la largeur et .à la longueur de la masse fondue qui peut être maintenue. Avec le mode opé- ratoire à 1200 ampères dont il a été question ci-dessus, la surface de la masse fondue peut avoir environ 19 mm de large et 12 cm de long.
Etant don- né que la matière protectrice de scorie est incorporée dans la partie mé- tallique de 1!=électrode, comme la vitesse de fusion de l'électrode est ac- crue par une augmentation du courant de soudure, le volume de matières formant la scorie est augmenté de ce fait de manière correspondante pour couvrir et protéger convenablement la surface accrue de métal de soudure fondu.
Avec la présente invention, le procédé de soudage est mis en oeu- vre également bien sur l'électrode négative ou sur l'électrode positive d'un courant continu, ou sur un courant alternatif de soudage, bien qu'il soit parfois désirable de modifier la formule pour obtenir les meilleurs résultats. Comme l'électrode est débitée par une bobine vers le bas à tra-
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vers le tube 12 de contact avec le courant, l'électrode à surface nue frot- te fermement contre la surface de la mâchoire pour recevoir le courant.
Le second câble qui conduit le courant de soudage depuis la génératrice de cou- rant de soudage ou depuis le transformateur est fixé au métal de support 23
Un type quelconque de machine à souder automatique à l'arc peut être utilisé pour alimenter l'électrode 18 et pour maintenir la tension dé- sirée à l'arc.
Sur la fig. 1, on remarquera que l'arc 26 est formé de menues par- ticules du métal d'électrode et du flux producteur de scorie. En réalité, pendant l'opération de soudage, les particules transportées par l'arc sont trop finement divisées pour être visibles,
En se reportant de nouveau à la fige 1, on remarquera qu'il se produit l'étalement normal d'ions pour former ce que l'on désigne générale- ment sous le nom d'arc en forme d'éventail. Cet état est désirable pour 1' obtention d'une largeur normale de cordon de soudure. Ainsi qu'on l'a men- tionné précédemment, on utilise le bioxyde de titane pour introduire des ions additionnels dans le courant d'arcpoursstabiliser celui-ci. Ceci agit en outre de manière à élargir l'arc qui suit ainsi un trajet plus large.
La fig. 1 illustre un mode de réalisation,qui a été essayé, du nouveau procédé en proportions sensiblement exactes pour ce qui est de l'é- lectrode et de parties adjacentes de la tête, toutes les dimensions pouvant être calculées sur la base d'un diamètre de 4,8 mm pour l'électrode.
L'énergie qui est chassée du bout de l'électrode est suffisante pour former un cratère profond directement au-dessous de l'électrode.Quand l'arc est éteint, l'onde de métal en fusion qui suit normalement le cratè- re s'affaisse et s'écoule dans le cratère. L'effet de jet tubulaire de l'arc introduit le manganèse et le silicium qui sont présents dans le flux pro-- fondément dans la masse en ébullition ou vaporeuse, ce qui fait que l'effet de nettoyage se produit dans toute la masse. Le flux de l'électrode contient une quantité de matières désoxydantes plus grande qui peut être transformée, en oxydes par l'oxygène dissous contenu dans l'acier, en conséquence, le manganèse et le silicium en excès, du fait qu'ils ne deviennent pas flottants, restent dans l'acier comme produit d'alliage pour augmenter sa ténacité et sa résistance.
Comme on l'a indiqué précédemment, l'une des caractéristiquesessen- tielles du procédé de l'invention est que la couche de scorie protectrice 24 retarde la solidification du métal de soudure 25. Par exemple, avec l'o- pération particulière de soudage qu'illustre la fig, 1, le métal de soudu- re en fusion 25 s'étend sur 10,16 cm en arrière de'l'arc faisant fondre le métal.
Fn retardant ainsi la vitesse de solidification, les matières du flux qui sont entraînées dans le métal du cratère directement au-dessous de l'arc pour désoxyder et nettoyer le métal, ont un temps plus que suffisant pour flotter sur la surface du métal liquide avant sa prise par solififica tion, ce qui laisse le métal de soudure complètement désoxydé, débarrassé de toutes ses impuretés et convenablement allié.
La fig. 2 est une coupe transversale de la soudure par 2-2 de la fig. 1.La ligne 31 en traits interrompus indique que les plaques sont sim- plement mises bout à bout sans aucune préparation spéciale de la ligne de soudure pour la pénétration de ladite soudure. Avec le procédé, on peut faire pénétrer complètement la soudure entre des plaques non préparées de 16 mm d'épaisseur mises bout à bout en une seule passe. En chanfreinent 2,54 cm dans l'épaisseur des bords de la plaque, le procédé permet de souder cette épaisseur en une seule passe. Avec des bords convenablement prépa- rés et en ayant recours à plusieurs passes, il n'y a pas de limite à l'épais-
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seur du métal de support que l'on peut souder.
Electrode nue du type à scorie de protection.
Pour souder l'acier ordinaire à basse teneur en carbone, le tube 16 de l'électrode 11 est fait en acier SAE 1010 ou SAE 1015 qui sont des aciers doux ordinaires. De tels aciers doux à basse teneur en carbone sont préférés en raison de la facilité de formation du tube et aussi de la facilité avec laquelle on envide et on dévide le tube formé.
Tous les enseignements de la technique sont disponibles pour dé- terminer la composition du flux Par exemple, le flux peut être tout-à-fait de même composition que celui existant sur les électrodes revêtues de flux qui ont constitué la norme dans l'industrie rendant le dernier quart de' si- ècle avec deux exceptions importantes : (1) les matières qui sont utilisées dans les formules d'électrodes revêtues de flux pour produire un gaz destiné à protéger la colonne d'arc sont sup- primées : (2) pour les raisons exposées ci-après, certaines autres condi- tions pouvant être tolérées dans les formules d'électrodes revêtues de fLux sont évitées dans la présente invention.
D'une manière générale, les demandeurs évitent la mise en liber- té d'un gaz quelconque à la suite d'une réaction chimique dans le coeur de l'arc (sauf dans la mesure où la teneur désirée en oxygène peut être tempo- rairement mise en liberté). Ainsi, les demandeurs exigent, pour le moment, qu'au moins toutes les matières qui sont placées dans l'me d'une électrode et qui'"sont par suite mises en liberté au bout de l'électrode pour être transférées à travers le coeur de l'arc soient conditionnées à la chaleur pour mettre en liberté ces gaz indésirables avant d'être placées dans l'électrode ou bien conditionnées à la chaleur après avoir été placées dans l'électrode et avant d'être utilisées pour le souda- ge.
Des matières du type ferreux, telles que le feero-manganèse, le ferro- silicium, le ferro-titane, qui ont été produites par fusion, ont par consé- quent été déjà fondues et dégazéifiées, et, par suite, une cuisson à basse température, telle que 121 C ou environ, suffira pour l'élimination de toute l'humidité accumulée dans ces matières qui sont utilisées comme déso- xydants. Cependant, un flux du type producteur de scorie protectrice objet de l'invention doit contenir au moins un oxyde et de préférence deux oxydes ou plus, tels que l'oxyde de manganèse ou l'oxyde de silicium ou le bioxyde de titane ou encore des combinaisons de deux ou plusieurs de ces oxydes et, quand un flux du type producteur de scorie contient des oxydes, les demandeurs ont constàté qu'il était nécessaire de conditionner-par la chaleur le mélan- ge de flux.
Une considération importante est la déshydratation, pour laquel- le une température d'environ 260 C est désirée. Pour d'autres effets, une température plus élevée, d'au moins 650 C est préférée.
Comme on l'a mentionné précédemment, le volume total de matières formant la scorie utilisée est limité par la dimension du trou de l'électro- de et il est préférable que ce trou soit aussi petit que possible; par con- séquent, dans la présente invention, les oxydes et autres matières utilisés pour produire les composés formant la scorie sont condensés par fusion des constituants dans une atmosphère réductrice avant d'être mis dans l'électro- de. Une autre caractéristique également importante de la présente invention est que les constituants utilisés pour produire le composé donnant la scorie aient réagi chimiquement avant d'être placés dans l'électrode.
Ceci est très important pour des raisons autres que celle de condensation des constituants, à savoir qu'une scorie protectrice bien équilibrée doit être inerte ; deplus, elle doit avoir la viscosité convenable de manière que l'on obtienne une épaisseur uniforme de scorie, en outre, elle doit avoir la densité convena- ble et, si possible, se détacher d'elle-même.
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Quand le mélange de flux contient un silicate comme le silicate de sodium et/ou le silicate de potassium, une température élevée de cuis- son ou de frittage suffit aussi pour la conditionner du point de vue ther- mique.Cependant, les demandeurs ont constaté que le conditionnement par la chaleur est plus intime -si le silicate est mélangé avec des oxydes et si la température est suffisamment élevée pour fondre réellement le mélange mécanique et l'amener à un état liquide. On peut utiliser des températures inférieures à celle qui est mentionnée ci-dessus, mais la qualité du procé- dé se trouve diminuée.
Il est problablement utile, dans ce point de l'exposé, de donner la formule que les demandeurs préfèrent actuellement pour un usage à peu près général- dans le soudage des aciers communs,Bien entendu, on peut uti- liser de manière satisfaisante des formules largement différentes, établies conformément à la pratique de la technique et aux considérations déjà expo- sées. La formule suivante semble être à peu près idéale pour le soudage de l'acier semi-calmé aux conditions ordinaires de l'industrie.Les propor- tions sont indiquées en poids.
Mélanger :
EMI11.1
<tb> Cristaux <SEP> de <SEP> silicate <SEP> de <SEP> sodium....... <SEP> 20 <SEP> parties
<tb>
<tb> Rutile <SEP> 50 <SEP> parties
<tb>
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> manganèse <SEP> 4 <SEP> parties
<tb>
et cuire dans un four ce mélange, de préférence en masse peu épaisse à la température d'environ 480 C jusqu'à ce que l'ébullition cessée Une tempéra- ture plus basse suffirait si on utilise un temps de cuisson plus long. Cn peut même obtenir due qualité supérieure du mélange en le chauffant à des températures beaucoup plus élevées. De bons résultats sont obtenus à 650 C.
On préfère une température de 88C C et on a constaté qu'une fusion au moyen d'un arc au carbone était encore meilleure. Un four électrique à arc ou un four chauffé au mazout peuvent être utilisés pour la cuisson, la fusion ou le frittage du flux. Si on le chauffe jusqu'à l'état fondu, la matière fon- due est ensuite versée dans des moules ouverts et quand elle est refroidie elle a une structure cristalline. On pulvérise ensuite la matière jusqu'à la dimension de tamis requise,
Ce qui précède constitue une base à laquelle on peut ajouter par mélange mécanique les autres matières précédemment mentionnées qui n'ont pas besoin d'être frittées ou fondues.
Ainsi, en addition à la formule préférée, on mélange
EMI11.2
<tb> formule <SEP> de <SEP> base <SEP> précitée <SEP> 80 <SEP> parties
<tb>
<tb> silicium <SEP> pur <SEP> du <SEP> commerce <SEP> (préfondu) <SEP> 40 <SEP> parties
<tb>
<tb> ferromanganèse, <SEP> qualité <SEP> 80-20 <SEP> 30 <SEP> parties
<tb>
(prefondu)
On place alors ce mélange dans l'électrode et on le tasse d'une manière ou d'une autre, de préférence comme on l'expose ci-après, jusqu'à une densité suffisante pour qu'il ne se produise pas de vides à la suite d' un tassement ultérieur se produisant au cours du traitement auquel l'électrode doit être soumise.
Un rutile que l'on a:.-reconnu comme convenable pour l'usage dans la formule précitée est celui connu sous le nomhde Ruflux N 61 ou ? 84 vendu par la Titanium Corporation of America. On pourrait utiliser, avec les mêmes résultats, du ferro-manganèse qui a des proportions autres que 80-20, si cela est compensé par d'autres changements.
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Four souder une qualité moyenne d'acier semi-calmé, on introduit de préférence le mélange résultant dans l'électrode finie jusqu'à 11% du . poids total de l'électrode.Toutefois, suivant la qualité de l'acier, son état de surface, etc... le rapport du flux à l'acier peut varier entre des limites écartées.
Bien que ce qui précède soit donné comme formule préférée, il doit cêtre admis que des variantes de ladite formule seront préférées pour d'autres aciers conformément à des principes connus. De même, bien que l'on envisage que l'électrode tubulaire doit être faite en SAE 1010 ou SAE 1015, un acier assez différent devra être préféré pour certaines applications, toujours conformément à des principes connus.
En outre, tous les avantages de la présente invention peuvent, théoriquement du moins, être obtenus par l'utilisation d'une électrode de forme non tubulaire. Elle-peut, par exemple, comporter des cannelures lon- gitudinales. La forme tubulaire est à l'heure actuelle grandement pré- férée parce qu'elle donne la complète certitude de pouvoir obtenir l'unifor- mité du flux et de donner une étanchéité complète pour l'humidité atmosphé- rique.
La couche de scorie est principalement produite par les matières oxydées mentionnées, bien que peut-être les trois quarts environ du sili- cium et du manganèse qui sont présents dans le flux sous forme de ferro- alliages trouvent de l'oxygène avec lequel ils peuvent se combiner et que, par suite, ils puissent monter à la surface, sous forme d'oxydes, pour s'a- jouter à la couche de scorie.Un excès de silicium et de manganèse est dé- sirable, en partie pour que l'on ait la certitude que la totalité de l'oxy- gène de la matière fondue est absorbée et en partie pour l'obtention caracté- ristique désirable d'alliage dans ladite matière.
Si l'acier à souder est de l'acier bien calmé et spécialement s'il est propre, on donnera la préfé- rence à des proportions moins élevées de silicium et de manganèse, de maniè- re qu'il npy ait pas suffisamment d'excès de silicium et de manganèse pour rendre cassant le métal de soudure. Siide l'acier partiellement désoxydé doit être soudé, il est préférable d'employer un pourcentage plus grand de sili- cium et de manganèse.
On fait remarquer que 53 % environ du poids du flux précité compren- nent des matières¯consistant en de l'oxygène combiné uniquement avec des élé- ments analogues à des métaux qui possèdent une affinité plus prononcée pour l'oxygène que le fer. L'expression analogue à des métaux est choisie parce que le silicium est considéré par de nombreuses personnes comme n'étant pas un métal, bien qu'il se comporte ici comme s'il en était un.
Les 53% peuvent être réduits sans inconvénient pour certains usages.
Quelques rares circonstances ou une mise en oeuvre imparfaite de l'invention peuvent faire tomber ce pourcentage même jusqu'à 20%. D'autres métaux dont on peut utiliser les oxydes sont le vanadium, le colombium, le potassium, l'aluminium et le zirconium et, bien que cela soit moins satisfaisant, le calcium et le sodium. Pour l'obtention des résultats les plus certains, il est préférable que 75% au moins des composés oxygénés finals soient du bio- xyde de titane, par exemple du rutile.
Des hommes de l'art reconnaîtront que la formule précitée con- vient spécialement pour le soudage à électrode positive (bien qu'il puisse être utilisé autrement) et comprendront comment on doit l'adapter pour le soudage à électrode négative ou par courant alternatif (par exemple en aug- mentant la proportion de rutile ou en remplaçant le silicate de potassium par le silicate de sodium).
Une des plus importantes considérations est que les matières pro-
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ductrices de scorie doivent être en quantité et de nature telles qu'une couche de scorie recouvre à coup sûr la soudure, sans être ni trop réduite ni de consistance impropre à un bon recouvrement. En utilisant la formule de flux susvisée dans une proportion de 6 % du poids (total de l'électrode, il semble que l'on soit au voisinage de la quantité minimum de flux qui satisfait à coup sûr les exigences pour la couche.
Fabrication de l'électrode.
Pour la fabrication de l'électrode, tous les divers stades de for- . mation du tube à partir d'une bande d'acier 41 plane en roulée, en passant dell'état de la figo 3. par ceux des figo 5 à 7, sont exécutés de préféren- ce en formant des rouleaux montés sur une seule machine à fabriquer les tu- bes de supporto Une première opération préférée consiste à moleter l'une des faces de la bande d'acier suivant un dessin de moletage croisé en losange pour retenir plus sûrement le flux dans l'électrode tubulaire. Mais l'expé- rience actuelle conduit les demandeurs à penser que cela est toutefois inu- tile.
On place le flux dans l'électrode, en l'étirant quand elle a été mi- se sous la forme d'un "U" en partant dela bande d'acier, au moyen d'une trémie pleine de flux et en utilisant un racloir 44 pour mesurer le volume requis de flux, comme on le voit sur la fige 5. Afin qu'il résiste à l'usu- re, on peut établir ce râcloir en carbure de tungstène.
Une caractéristique importante de l'invention est que la largeur de la bande 41 dont on part pour former l'électrode achevée est considérable- ment plus}¯large que la largeur minimum de la bande qui devrait être normale- ment utilisée pour former un tube du diamètre de l'électrode. Par exemple, pour former un tube de 19 mm de diamètre extérieur en partant d'une bande de 1,066 mm d'épaisseur, la largeur de la bande dont partent les dimensions est celle qui devrait normalement être utilisée pour former un tube de 5,6 mm de diamètre extérieur,Cette caractéristique est indiquée sur le des= sin comme on peut s'en rendre compte en comparant le tube de diamètre plus grand de la fig. 7 (stade intermédiaire au premier stade d'achèvement repré- senté sur la fig. 8).
La bande plate représentée sur la fig, 3 passe par trois stades de formation avant d'affecter la forme représentée sur la fig. 5, Quand la bande est sous la forme de la fig. 5, on place dans la bande conformée en "U" le volume nécessaire de flux 42. Ce volume est tel qu'il n'y ait pas tout-à-fait assez pour remplir la cavité intérieure du tube complètement fer- mé représenté sur la fig. 6. C'est lorsqu'il est en l'état de la fige 6 que l'on commence à réduire le tube depuis un diamètre extérieur de 5,6 mm jus- qu'à un diamètre extérieur de 4,8 mm, comme sur la fig. 8.
Pendant cette réduction de diamètre, tant que le flux pulvérulent peut être réduit de vo- lume jusqu'à une section transversale de plus en plus petite, il se pro- duit un épaississement de la paroi de calibrage avec une réduction correspon- dante du diamètre intérieur du tube, mais, lorsque le flux pulvérulent pas- se par un point où il n'est plus compressible et où il est comprimé très fortement à l'intérieur des cavités formées par l'opération de moletage pré- alable, toute réduction ultérieure du diamètre du tube a pour résultat un allongement de celui-ci.
Ceux qui sont familiarisés avec la technique antérieure des élec- trodes du type tubulaire savent que la fixation du flux à 1 ' intérieur de 1' électrode, pour éviter des cavités débouchant en surface, a toujours posé un problème sérieux et il a été nécessaire de recourir à des adhésifs qui ne jouaient aucun rôle dans l'opération de soudage. La présente invention apporte une solution positive au problème parce que le flux est tellement comprimé et fixé de manière permanente que le défaut d'uniformité dans le rapport du flux à l'acier ne peut pas exister et que des cavités débou-
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chant en surface ne peuvent jamais se former.
Sur la fige 8, le flux qui est maintenant le flux 17 de l'électrode finie, a été recouvert de hachures pour indiquer un état de "gâteau" obtenu par la pression auquel il semble être parvenu. Quand un réduit un tube de 5,6 mm de diamètre extérieur avec une épaisseur de paroi de calibrage de 1,066 mm (figo 6) jusqu'à un tube de 4,8 mm de diamètre extérieur (figo 8), le diamètre intérieur du tube tend à di- minuer de 3,43 à 2,62 mm ce qui représente une réduction de plus de 23% de la section transversale.
Dans la fabrication de l'électrode, un seul diamètre d'électrode a besoin d'être fait sur la machine à former le tube. Par exemple, le dia- mètre de 4,8 mm dont il est question ci-dessus peut être réalisé à l'origi- ne et on réduit la totalité des électrodes de diamètres inférieurs à 4,8 mm à la dimension désirée obtenue par étirage,du tube de 4,8 mm de diamètre en les faisant passer par des stades successifs à travers des filières ou des cylindres d'étirage pour obtenir les dimensions désirées.
A l'échelle de la figé ,8 représentant une électrode de 4,8 mm, les fig. 9 à 12 montrent respectivement les électrodes de 4, 0, 3, 2, 2,4 et 1,6 mm de diamètre. Si l'acier acquiert une certaine fragilité qui nuit à une opération d'étirage économique, on peut recuire le tube d'acier sous la forme bobinée dans un four de recuit, ou bien on peu+ le recuire on même temps qu'il subit l'opération d'étirage du tube en le faisant passer à tra- vers des bobines chauffantes à induction.La température à laquelle le tube est recuit ne nuit pas aux flux qu'il contient, parce que, ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, le flux est conditionné à chaud préalablement.'
Lorsque l'électrode de 4,8 mm de diamètre est réduite, par exemple à 2,
4 mm de diamètre seulement, les demandeurs préfèrent effectuer la réduc- tion en faisant passer le tube dans des cylindres réducteurs etnon pas dans des filières d'étirage réductrices. La raison en est que des compositions d'étirage ne sont pas nécessaires lorsqu'on se sert de cylindres de réduc- tion. Quand le tube est réduit à un diamètre par étirage, on utilise un com- posé au bioxyde de titane.
Il est évident que la dimension maximum de l'électrode objet de l'invention n'est pas limitée au diamètre de 4,8 mmo En fait, quand le pré- sent procédé de soudage est appliqué avec un appareillage de soudage entiè- rement automatique, pour des plaques d'épaisseur voisine de 25, mm, avec un mode opératoire à passe unique, et des épaisseurs illimitées ci.'acier avec de multiples passes, on doit utiliser des électrodes de 6,3 mm. de diamètre et même de diamètres supérieurs.
Il importe que l'électrode reste sensiblement nue, dans ce sens que la paroi extérieure de l'acier puisse faire un bon contact avec le tu- be de contact 12. Ceci n'exclut'-pas la présence d'un résidu du compose d'é- tirage tel que celui mentionné.
Appareil de manipulation.
On donnera ici une description sommaire de l'appareillage des in- venteurs .
Comme on le voit plus particulièrement sur la figo 15, la tête 101 est de préférence courbe et sort d'un coffre ou armoire à électrode 102.
Le coffre 102 est monté à pivotement en 111 sur un support 112 en forme d'U, de telle manière qu'on puisse faire pivoter la tête vers le haut et vers le bas en saisissant la poignée 113. On ajoute des contrepoids, si cela est né- cessaire, pour équilibrer la tête autour du pivot 111 au moins jusqu'à 453gr environ à la poignée 113.
Sur la fig. 13, on a représenté en pointillé la. tête dans une position qui convient pour le soudage d'un cordon s'étendant verticalement .La position représentée en pointillé sur la fig.13 montre
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aussi le coffre à électrode 102 à un niveau plus élevé.Cn obtient ce résul- tat en faisant monter le bras élévateur 114 par rotation de la vis 115.. Le bras 114 pivote en 116 sur un organe 117 qui) à son tour, pivote autour d' un axe vertical en 118 sur un bras pivotant 119. Ce dernier pivote en 121 sur un montant 123' qui est supporté par un ensemble portatif 124.
Comme cela est clairement indiqué par la comparaison des traaés en traits pleins et en traits pointillés sur la fige 14, les diverses conne- xions pivotantes autour d'axes verticaux permet de manipuler la tête jusqu' à un point pratiquement quelconque à l'intérieur du cercle représenté par le cercle B en traits interrompus.
L'ensemble portatif 124 comprend de préférence l'appareillage de soudage auxiliaire tel que le transformateur de soudage et les commandes du circuit de soudage ainsi que le cylindre de gaz comprimé. Quand l'ensem- ble portatif 124 a été déplacé jusqu'à une position convenable, on abaisse de préférence jusqu'au sol, au moyen des vis 126, des tampons 125 que l'on règle de manière à placer le montant 123 dans une position verticale;,afin que l'action de la gravité ne produise aucun pivotement autour des axes verticaux.
Un niveau à bulle d'air 127 du type bombé est de préférence mon- té en permanence pour aider à cette opération de mise de niveau:
L'électrode est tirée d'une bobine 130 au moyen de deux rouleaux d'amenée 131, dont l'un au moins est commandé par un moteur électrique 132, La bobine tourne de préférence librement sur l'axe du pivot 111 pour ne pas modifier l'équilibre à mesure qu'elle se vide. Le moteur électrique 132 est commandé, pour ce qui est de la vitesse;, par un contrôleur 133; on l'arrête et on le met en marche en agissant sur un bouton 134 monté sur la poignée '113.. Ce bouton établit et coupe ainsi de préférence le circuit du courant de soudage par l'intermédiaire de relais appropriés.
A mesure que l'électrode est tirée de la bobine 130, elle est redressée par des rouleaux 136 agissant en coopération avec l'un des rouleaux 131..
On peut faire tourner la vis élévatrice 115 à la main au moyen d'une manivelle à main ou en se servant d'un moteur électrique 137'-
Les rouleaux d'amenée 131font avancer l'électrode 11 à travers un tube de guidage approprié et entre des rouleaux de cintrage 138 qui coo= pèrent avec un sabot ou tube de contact 139 pour courber l'électrode de ma= nière qu'elle se prolonge vers le bas à travers la tuyère ou buse 140 jusqu' à l'arc. La tuyère 140 est placée de telle manière que l'électrode s'y trou- ve centrée en ménageant une embouchure annulaire uniforme par laquelle le gaz protecteur s'écoule.
Un ou plusieurs tmyaux flexibles 141 peuvent être reliés à un nombre égal de passages ou conduits pratiqués à.travers la tê- te 101 pour amener le gaz protecteur et, si on le désire, pour amener de l'eau de refroidissement.
Un doigt de guidage 143 peut être associé à la tête 101 au voi- sinage de son extrémité de soudage, pour coopérer avec une glissière 144 qui doit être en matière isolante ou bien qui doit être isolée de la piè- ce de soudage, mais dans certaines conditions, on préférera une commande manuelle non guidée.
La tête 101 est de préférence montée à pivot autour de l'axe d'une partie arrière ou queue, de telle manière que son bout puisse être dirigé suivant des angles très divers puur souder des pièces à revouvrement, etc...
On préfère réaliser ce montage à pivot de manière que l'électrode puisse pivoter d'au moins 50 de part et d'autre ou tout droit vers le bas.
Le courant est amené à l'électrode par le tube de contact 139 qui peut, de préférence, osciller légèrement pour:: s' adapter à la courbure
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de l'électrode. Un câble 147 de courant de soudage peut ;)être amené directe- ment à la tête de soudage dans laquelle le tube de contact 139 est logé; il peut aussi être relié à une douille 148 dans laquelle la tête 101 est montée à pivotement.
Le support 112 en forme deUU est de préférence monté à pivot autour d'un axe vertical sur un organe de liaison 151 qui est a son tour monté à pivot autour d'un axe horizontal prévu sur le bras élévateur 114.
On peut utiliser tout autre système quelconque d'avancement de la tête et de l'électrode, bien que cela puisse comporter une certaine réduc- tion des avantages. On pet utiliser un moyende contrôle quelconque de courant de soudage, de la tension, de l'alimentation de l'électrode, etc..., mais on donne la préférence à un système à tension constante. Dans ce cas, aucun autre contrôle'! automatique n'est nécessaire.
Les diverses connexions à pivotement peuvent, de préférence,être verrouillées contre des mouvements intempestifs, de manière qu'on puisse obtenir un soudage entièrement automatique en déplaçant la pièce devant la tête par des dispositifs connus. Les liaisons à pivotement, spécialement celles faitès autour d'axes verticaux, sont toutes munies de paliers à frot- tement de roulement, de manière que l'on puisse déplacer la tête en exer- çant une légère pression, de l'ordre par exemple de 56 gr environ,
Des ensembles habituels de soudage automatique ou semi-automatiques peuvent être suspendus à la place du coffret 102 et de la tête 101, avec une certaine perte,-de commodité.
Si l'on utilise un ensemble semi-automatique, le tube flexible, dans lequel passe l'électrode est de préférence raccourci de telle manière que, avec l'électrode qui s'y trouve, il possède une rigi- dité suffisante pour se comporter comme la tête 101 lorsqu'il se déplace au- tour de son coffret.
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The present invention relates to arc welding and more particularly relates to arc welding processes generally designated as being of the consumable electrode type, in which the metal of the electrode is added to the electrode. molten base metal (metal of the workpiece melted by the arc).
In its preferred embodiment, the present invention remedies the main shortcomings which are observed in the three main welding processes commonly practiced heretofore. Compared to the gas shield welding known in the past, it provides much better protection of the molten weld metal, so that its use for welding ordinary steel is quite practical. By comparison with the type of flooded arc welding, the method which is the subject of the invention is particularly advantageous, because it allows the weld to be visible.
Compared to the flux coated electrode method, it is particularly desirable because it is considerably faster. Finally, by comparison with all these processes, it is more economical.
In accordance with the preferred embodiment of the invention, a bare surface electrode, the column of which forming the ionized arc is surrounded by a small quantity of shielding gas, is brought continuously to the arc. and the molten solder metal is protected by a layer of solder from the flux contained inside the electrode.
The flux also includes constituents intended to improve the arc and to give the desired characteristics to the metal of the weld.
Other objects and advantages of the invention will become apparent on reading the following description and on examining the drawing, in which FIG. 1 somehow represents peg. schematically a weld made in accordance with the present invention, the view being taken approximately in the longitudinal direction of the weld; fig. 2 is a partial view showing a cross section of the finished weld; rod 3 is a front view of a metal strip used to form the electrode shown in FIG. 1; fig. 4 is a cross-sectional view of the metal strip shown in FIG. 3;
fig. 5 is a cross section of the electrode being filled with a scraper or scraper engaged with the partially closed electrode; figs. 6 and 7 are successive cross sections of the electrode during its closing, having the effect of compressing its filling; FIGS, 8 to 11 represent the electrode successively reduced to different dimensions; fig. 12 is a perspective view of a short section of the electrode; figs. 4 to 12 are on a greatly enlarged scale. fig. 13 shows in broken lines the welding head in a position suitable for welding a vertically extending bead; fig. 14 shows the various pivoting connections of the head; fig. 15 is a detailed view of the welding head;
fig. 16 is a detailed view of the lifting screw and its
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electric drive motor.
Introduction - Three types of consumable electrode welding processes are currently used in industry. Of these processes, the oldest and most commonly used one is referred to as the flux coated electrode method, because the flux is incorporated into the surface of the electrode. This flux contains materials which, when subjected to the heat of the arc, are transformed into gas suitable for the protection of the arc column and materials which are transformed into slag, which completely cover the weld metal. molten and thereby protect it.
The second process, both with regard to its age and its scope of use, is called the embedded arc welding process. In this process, full slag is used to protect both the arc column and the molten weld metal; in other words, no gas in any form whatsoever is used to protect either the arc or the molten weld metal and, known by the name implies, during welding, the arc column and the molten metal are both completely covered by a mass of powdery or granular flux, part of which is transformed into protective scorio. In other words, this process is strictly a slag protection process.
The third arc welding process is the most recent of the three and is referred to as the gas shielded arc welding process. This process is entirely based on the use, to protect both the ionized arc column and the molten scid metal, of a separate or distinct supply of gas or a mixture of gases. In some cases, a single stream of shielding gas is used to protect both the arc column and the molten weld metal; in other cases, one gas stream is used to shield the arc column and a second or a number of gas streams are used to shield the elongated mass of molten weld metal trailed by the melting arc. metal.
In comparison, the present invention relates more closely to the flux coated electrode method because slag, produced by the electrode, completely covers the molten weld metal and thereby protects it. However, in the present case, the gas which protects the column from the ionized arc is a separate gas and, therefore, is not a product of the flux.
The present invention is primarily intended for use as a semi-automatic welding process and as a fully automatic process; this is why the welding electrode which produces the protective slag takes the form of elongated wound sections and the electrode is of the bare surface type, so that the contact of the welding current can be made on the electrode. in the vicinity of the arc. For those of ordinary skill in the art, the need for the above two features is obvious.
Since arc welding began, researchers have tried to achieve an arc welding process which, while satisfactorily and economically utilizing the basic melting characteristics of metal, uses continuous electrode-wound sections, so that the process can be applied continuously uninterrupted, both with the semi-automatic welding equipment and with the fully automatic equipment.
For obvious reasons for those who are familiar with the technique, among which are the fragility and the insulating effect of
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The electrode in the flux coated electrode process cannot be implemented in the Coiled form. As mentioned above, the flooded arc welding process works within a mass. powder or granular flow or under this mass. Therefore, although the electrode is a bare, smooth metal wire suitable for use in wound sections, there is the very undesirable feature that the welding effect cannot be observed during the operation.
There is therefore no certainty that the weld is made in the correct location, that the desired weld size is obtained, or that the desired shape of the weld is produced. Gas shielded welding does not provide sufficient protection for molten weld metal and lacks some important metallurgical advantages for welding carbon steel.
Although not generally considered to be such, ordinary steel is the most difficult of all metals to arc weld. This is so due to the impurities such as dissolved oxygen and non-metallic impurities which are contained in ordinary steel. During welding, dissolved oxygen is transformed into free gas and, although the latter is removed or removed before the resolidification of the molten base metal, the weld metal is porous and the degree of porosity is pro- proportioned to the amount of dissolved oxygen contained in the steel. Of three classes of steel, that known as calm steel contains very little dissolved oxygen. Semi-calmed steel contains a troublesome amount and this amount varies between fairly wide limits.
The amount of oxygen normally present in partially deoxidized steel is at. The upper end of this range. A universal arc welding process must be capable of producing high quality, dense and non-porous welds on all three types of steel. The two previously mentioned arc welding processes with slag protection have survived the test of time in this respect, while the arc welding processes with gas protection have not. withstood this test?
To treat dissolved oxygen in carbon steel with gas shielded arc welding processes, bare electrodes have been developed containing certain deoxidizers.
The deoxidizers can be alloyed with the electrode, or they can be housed in pockets or grooves under the surface of the electrode, or else they can be placed inside the electrode. However, applicants' research has shown that the mere addition of deoxidizing materials does not solve the problem, because it has to satisfy many other conditions, which allows the present invention to be made, which utilizes all the advantages. arc welding processes with slag protection and ensures visibility even when the advantages of continuous welding are also obtained. Important conditions which the slag layer produced by the present invention satisfies, but which cannot be not satisfy with -:
protection by gas only, are the following:
1 Protection against harmful oxygen and nitrogen contained in the surrounding air,
The present invention uses a slag layer to completely cover and protect the molten weld metal caused by the welding arc as it travels along the weld line. The scary layer is completely composed of oxides. As these oxidized materials are chosen from those which have a greater affinity for oxygen than the liquid steel which they protect, they do not give up by their oxygen to the steel and the oxygen contained in the surrounding air cannot penetrate through the liquid layer of slag to oxidize the weld metal.
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tough ;
2 / Removal of non-metallic inclusions.
As previously mentioned, carbon steel always contains non-metallic inclusions, mostly fixed by remaining refractory particles from steelmaking operations. Among these particles, there are many which contain undissolved oxides. If these materials are left in the weld deposit, the quality of the weld is affected. Because these oxides and non-metallic inclusions float in the liquid metal, they have sufficient time to rise to the surface of the weld metal and to sink in with the protective slag forming part of it, if solidification is retarded by using the heat insulating property of the slag to retard solidification, which is the case with the present invention.
3 / Removal of superficial oxides on the base metal.
For reasons of economy, the surfaces of ordinary steel are generally not cleaned before welding: these surfaces can, and generally do, contain a film of rust, rolling mill scale, dust. workshop, oil, grease, etc ...
Those of these impurities which are in the path of the welding operation enter the welding crater and become misjudged by the weld metal if no precautions are taken to prevent this state of affairs. The most troublesome of these materials is the oxygen contained in the surface iron oxides. The flux which is the subject of the present invention contains a suitable percentage of deoxidizers for the treatment of these surface oxides.
4 / Protection against products formed on the surface by oils and greases.
The carbon which is present in oils and greases on the surface is not harmful because, during welding, it is transformed into CO and CO gas. The hydrogen in these materials is harmful; the same is true of hydrogen in the form of condensed water, which is usually present in the pores of rust and scale of the la- minator on the surface. Due to the fact that the mass of liquid weld metal produced by the present invention is completely covered with an effective layer of slag, hydrogen (which the heat of the arc has largely displaced to the adjacent layer). gas) cannot penetrate the slag layer to be absorbed by the liquid weld metal.
5 / Annealing.
The slag layer which completely covers the weld seam also retards its cooling rate. This characteristic of annealing the weld metal, after solidification, reduces the hardness or brittleness of the weld and obtaining this advantage, along with others, is important in the present inventions. When gases alone are used to attempt To protect the metal during cooling, the gases, by acting directly on the surface of the metal, increase the rate of cooling and therefore undesirably increase the hardness of the weld metal.
6 / Improved control of profile and surface equality.
The slag layer which completely covers the weld bead also controls the profile of the weld, acts on it like a hair straightener and maintains uniformity, improving the general appearance of the weld.
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tough. These quality characteristics are completely lacking when gas is used to protect the weld metal.
General description of the process and the electrode.
A preferred embodiment thereof will be described below, by way of illustration only and without limiting the scope of the invention, it being understood that various modifications or additions may be made to said invention. invention without modifying the economy /
This preferred embodiment of the invention will be easily understood by examining Fig. 1.
A special electrode 11 according to the invention is brought through a welding head 12, by which it is supplied with welding current by a cable 13. There may be a usual or suitable contact device for transmitting. the current at the electrode; in fact, the main body of the head 12 can be regarded as representing a usual copper contact tube, as used with automatic welding.
Beryllium copper could be used for an extended period of time. Usually the tube is an insert that can be replaced.
The preferred mode of carrying out this invention reconciles the need for a purifying and protective slag with the need to have a non-brittle and bare electrode by providing a suitable flux in the form of a core in a hollow electrode. made of non-brittle bare metal and protecting the column from an ionized arc with a small quantity of inert gas such as argon or helium, or a neutral gas such as carbonic acid.
Before the electrode metal and ionized flow materials begin to liquefy and pass past the gas shield, the slag layer is formed.
The electrode shown comprises a tube 1 made of the metal to be transferred to the weld and a core or core 17 which is substantially uniform along the length of the electrode. The preferred method of ensuring uniformity is shown in Figs. 3 to 7 illustrating the filling of the tube with the small fragmented core-forming material so that it is compressed therein, the inner surface of the tube being knurled or otherwise roughened to secure it in place matter in small fragments.
Although the stream may include a large number of ingredients, certain important requirements must be taken into account. The most important is the production in the stream of a sufficient quantity of constituents, which produce slag, to obtain an effective slag layer on the stream. the molten metal of the weld, for the purpose already indicated. An essential and important feature is the use of oxides as slag-forming materials. Applicants choose such materials in the form of oxides having a greater affinity for the oxygen they contain than the steel to be melted, so that these materials do not give up some of their oxygen to the molten base metal.
Oxides, such as oxide of silicon, manganese, and titanium, have been used successfully for years to provide a protective base in the flux-coated electrode process and are used in this way in the present invention. However, this is not limited to the use of these inexpensive oxides.
In the case of the flux coated electrode process, there is nothing to limit the amount of material which can be carried in the arc by the electrode; if more material is required, we
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simply increases the thickness of the flux coating.
The same is true of the wet arc welding process; here the flux is entirely separate from the electrode and there is no limit to the amount of granular type welding compound which can be used ; but, as regards the present invention, this is not the case because, in order to carry out the new process, the welding compound must be trapped in a hole of the electrode, which is only a small fraction of the space that would be required to maintain a sufficient volume of flux of the type used in either the flux coated electrode process or the wet arc welding process.
In the present invention, the problem of transporting and otherwise producing "a sufficient volume of a slag material to effectively protect the weld metal without the material being on the surface of the slag. electrode or without applying the material in a form distinct from the electrode has been solved by a combination of two methods consisting of: first transforming the slag-producing constituents into a slag by melting said constituents into a "synthesized compound" ", then placing the molten material and not the bulky constituents in the core of the electrode;
second to use separate carbonic acid gas to protect the arc column and to use part of the oxygen from this gas to produce oxides by combining with the materials contained in the synthesized compound , directly into the arc and, by this process, add volume to the protective layer of slag.
Another important requirement, especially for soldering ordinary acid, is that the flux include a sufficient amount of deoxidizing constituents to absorb the dissolved oxygen which is released by the base metal when it is molten. thus forming oxides. These materials in turn form or float on the surface of the weld bead to increase the volume of the protective slag. Likewise, as is the case with electrodes covered with flux, for reasons of economy, silicon, manganese and titanium are used as deoxidizers.
A third important requirement is that the material of the flow be substantially free of ingredients capable of producing protective gases.
To obtain the best results, a fourth requirement is that the flux contain ingredients which improve the ionization of the arc; a fifth requirement is that there be ingredients to slightly enrich the arc column with oxygen or otherwise produce a highly efficient arc. The latter two requirements are satisfied by means of titanium dioxide , as has been recognized so far.1 Oxygen apparently reduces the surface tension of the liquid metal as it forms at the tip of the electrode, causing the particles to be transferred to the solder as a relatively fine spray instead of being in the form of less desirable globules.
For many applications, the flux must also include alloy constituents to improve the physical characteristics of the weld metal, in accordance with techniques already known or which could be applied with other types of welding.
The protection of the arc column by an inert or neutral gas is important. Accordingly, the head 12 is provided with a tubular end 18 forming a gas supply channel 19 surrounding the electrode. The channel 19 communicates with the chamber 21, to which the protective gas is supplied by a tube or flexible tube 22.
By "protective gas" is meant either a truly inert gas such as argon or helium, or a neutral gas such as carbonic acid, which acts for this application as an inert gas, or perhaps an inert gas. gas re-
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ductor if it does not absorb too much of the oxygen contained in the arc column. For reasons of economy and safety carbonic acid is currently preferred. It is only necessary or desirable to use a sufficient amount of the shielding gas to protect the column from the ionized arc and the end points of the arc from which the ions are emitted.
Once the arc has struck between the electrode 11 and the base metal 23 to be welded, the arc plays its usual role by melting the base metal on the weld line to be made and transporting molten metal from the end of the arc. electrode to weld. It also transports the ingredients forming the stream 17 in the molten metal, in the vaporized or ionized molten state. The slag producing constituents rapidly form a slag layer 24 covering the entire surface of the molten metal, beyond the immediate vicinity of the arc column and protecting it from oxidation.
These slag-producing constituents must be abundant enough to produce a slag layer of appreciable thickness in order to effectively protect and isolate the weld metal molten mass. The deoxidizing materials in the flux mix intimately. under the action of the arc with the molten metal, so that they can quickly fulfill their function of deoxidation. The alloy components of the flux are also intimately mixed by the arc with the molten or vapor parent metal to produce an active alloying action.
Welding economy.
The volume of arc shielding gas which is required in the present slag shielded are welding process need only be approximately equal to the amount which is emitted from the flux of a slag. electrode covered with flux, because? also with regard to this process, the molten weld metal is entirely protected by a layer of liquid calcium and not by a gas. The space between the mouth of the gas nozzle and the electrode does not need to be greater than 1.58 mmo The velocity of the gas flowing from this small mouth nozzle does not need to be greater than the speed which is sufficient to move the gas down the length of the arc column.
In fact, the gas flow rate reaches about 283 dm3 per hour. However, as will be explained in the following paragraph, the present invention is a very high speed welding process capable of depositing more than 37 kg of gas. electrode per hour. Consequently, if the cost of inert protective gas is calculated at 35 francs per 28 dm approximately, the cost of the protective gas amounts to less than 7 Frs per each quantity of 0.453 kg of electrode deposited, which is only 5 % of expense if trying to provide protection entirely with inert gases.
The volume of the base metal which is melted and transformed into weld metal for each 0.453 kg of electrode deposited varies with the density of the welding current, the ratio is never less than 6.6 kg of electrode. molten base metal for each kilogram of electrode deposited. Consequently, the cost of the gas which protects the arc column amounts to less than about 3.50 Frs per kilogram of welding metal. CO2 gas costs only around 3.50 Frs per 28 cubic decimetres and applicants prefer to use CO2 gas with their new process. The cost of the gas is therefore about 3.50 Frs per 9 kilograms of weld metal. It is therefore obvious that the arc welding process with slag protection according to the present invention is remarkably economical.
The new electrode object of the invention contains the exact quantity of flux to satisfy all the necessary requirements in a reliable manner; consequently, there is no loss of flux. The flooded arc process expends a considerable amount of flux. Only a part of the flux, in which the arc is embedded, is melted and the recovery
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of the unmelted part leads to considerable loss and waste.
Welding speed.
The present invention produces its maximum effect with the automatic advance of the electrode in automatic or semi-automatic welding. In the latter, the electrode is advanced automatically, but the welding head is moved by hand. With a new semi-automatic welding machine, the process object of the invention can deposit 3 to 8 times more kilograms of electrode metal per worker hour on a continuous basis than any other welding process. known manual or semi-automatic.
One of the characteristics of the new semi-automatic welding machine devised by the applicants consists in the fact that the size, and therefore the rigidity, of large diameter electrodes has no influence on the ease of movement. by hand. By this is meant that electrodes with a diameter of 4.8 and 6.3 mm, in the coiled form, can be applied with the same ease of maneuvering and with no more effort or fatigue (in reality with less weight to bear) than hand-applied electrodes covered with flux. It follows that with applicants' new semi-automatic welding machine, the rate of electrode deposition may be the same as that obtained in the process which is applied with the fully automatic welding equipment.
The present invention makes possible the satisfactory use of the new semi-automatic welding machine for steel, using large diameter electrodes. The greatest efficiency can now be obtained at the location of the workpiece, instead of having to move the welding assembly to the automatic welding machine and spending time on set-up and adjustment. careful. This is especially important because there are parts to be welded which weigh tons.
The extraordinary speed and, therefore, the low expenditure of labor for the application of the present process with an automatic or semi-automatic apparatus is made evident by the following example: 1200 amperes can be used with a measuring electrode. 4.8 mm when sulking a plate 16 mm thick, or even more, of carbon steel. With this current, 254 cms or 0.45 kg of electrode are deposited per minute. As a result, one can deposit in 8 minutes, with the process object of the invention, as many kilograms of electrode as could be deposited one hour with the process with electrode covered with flux applied by hand.
The extremely high rates of electrode metal deposition are made possible primarily by the process of protecting the molten weld metal with a protective layer of slag. With the present invention, there is virtually no reasonable limit to the width and length of the melt which can be maintained. With the 1200 ampere mode of operation discussed above, the surface of the melt can be about 19mm wide and 12cm long.
Since the slag protective material is incorporated into the metallic part of the electrode, as the melting rate of the electrode is increased by an increase in the solder current, the volume of material forming. the slag is correspondingly increased thereby to adequately cover and protect the increased surface of molten weld metal.
With the present invention, the welding process is carried out equally well on the negative electrode or on the positive electrode of a direct current, or on an alternating current of welding, although it is sometimes desirable to. modify the formula to get the best results. As the electrode is fed by a coil down through
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Towards the current contact tube 12, the bare surface electrode rubs firmly against the jaw surface to receive the current.
The second cable which conducts the welding current from the welding current generator or from the transformer is attached to the support metal 23
Any type of automatic arc welding machine can be used to power the electrode 18 and to maintain the desired arc voltage.
In fig. 1, it will be noted that the arc 26 is formed of small particles of the electrode metal and the slag producing stream. In fact, during the welding operation, the particles carried by the arc are too finely divided to be visible,
Referring again to Fig. 1, it will be appreciated that normal ion spreading occurs to form what is generally referred to as a fan-shaped arc. This condition is desirable for obtaining a normal weld bead width. As mentioned previously, titanium dioxide is used to introduce additional ions into the arc current to stabilize it. This further acts to widen the arc which thus follows a wider path.
Fig. 1 illustrates a tried embodiment of the new process in substantially exact proportions with respect to the electrode and adjacent parts of the head, all dimensions being able to be calculated on the basis of a diameter. 4.8 mm for the electrode.
The energy which is driven from the tip of the electrode is sufficient to form a deep crater directly below the electrode. When the arc is extinguished, the wave of molten metal which normally follows the crater s 'collapses and flows into the crater. The tubular jet effect of the arc introduces the manganese and silicon which are present in the flow deeply into the boiling or vaporous mass, so that the cleaning effect occurs throughout the mass. The flow of the electrode contains a larger quantity of deoxidizing material which can be transformed into oxides by the dissolved oxygen contained in the steel, consequently, the excess manganese and silicon, since they do not become not floating, remain in steel as an alloy product to increase toughness and strength.
As indicated above, one of the essential characteristics of the process of the invention is that the protective slag layer 24 retards the solidification of the weld metal 25. For example, with the particular welding operation. As shown in Fig, 1, the molten weld metal 25 extends 10.16 cm back from the arc melting the metal.
Fn thus retarding the rate of solidification, the flux materials which are entrained into the crater metal directly below the arc to deoxidize and clean the metal, have more than sufficient time to float on the surface of the liquid metal before its setting by solidification, which leaves the weld metal completely deoxidized, free of all impurities and suitably alloyed.
Fig. 2 is a cross section of the weld at 2-2 of FIG. 1.The dashed line 31 indicates that the plates are simply placed end to end without any special preparation of the weld line for the penetration of said weld. With the process, the weld can be fully penetrated between unprepared 16mm thick plates butted together in a single pass. By chamfering 2.54 cm in the thickness of the edges of the plate, the process allows this thickness to be welded in a single pass. With properly prepared edges and using several passes, there is no limit to the thick-
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sor of the support metal that can be welded.
Protective slag type bare electrode.
To weld low carbon ordinary steel, the tube 16 of the electrode 11 is made of SAE 1010 or SAE 1015 steel which are ordinary mild steels. Such low carbon mild steels are preferred because of the ease of tube formation and also the ease with which the formed tube is fed and unwound.
All the teachings of the art are available to determine the composition of the flux For example, the flux can be of quite the same composition as that existing on flux coated electrodes which have been the standard in the industry making the last quarter of the century with two important exceptions: (1) the materials which are used in the formulations of flux coated electrodes to produce a gas intended to protect the arc column are deleted: (2) for the reasons set forth below, certain other conditions which may be tolerated in the formulations of flux coated electrodes are avoided in the present invention.
In general, applicants avoid the liberation of any gas as a result of a chemical reaction in the arc core (except to the extent that the desired oxygen content can be delayed. rarely released). Thus, applicants require, for the time being, that at least all material which is placed in the core of an electrode and which is subsequently released at the end of the electrode for transfer through the electrode. core of the arc are heat-conditioned to release these unwanted gases before being placed in the electrode or else heat-conditioned after being placed in the electrode and before being used for welding. ge.
Materials of the ferrous type, such as ferro-manganese, ferro-silicon, ferro-titanium, which have been produced by melting, have therefore already been melted and degassed, and consequently low firing. temperature, such as 121 ° C or so, will suffice to remove all moisture accumulated in those materials which are used as deoxidizers. However, a stream of the type producing protective slag that is the subject of the invention must contain at least one oxide and preferably two or more oxides, such as manganese oxide or silicon oxide or titanium dioxide or else combinations of two or more of these oxides, and when a slag-producing type stream contains oxides, applicants have found it necessary to heat condition the flux mixture.
An important consideration is dehydration, for which a temperature of about 260 ° C is desired. For other effects a higher temperature of at least 650 ° C is preferred.
As previously mentioned, the total volume of slag forming material used is limited by the size of the electrode hole and it is preferable that this hole be as small as possible; therefore, in the present invention, the oxides and other materials used to produce the slag-forming compounds are condensed by melting the components in a reducing atmosphere before being put into the electrode. Another equally important feature of the present invention is that the constituents used to produce the compound giving the slag have been chemically reacted before being placed in the electrode.
This is very important for reasons other than that of condensation of the constituents, namely that a well-balanced protective slag must be inert; furthermore, it should have the correct viscosity so that a uniform slag thickness is obtained, furthermore, it should have the correct density and, if possible, self-release.
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When the flux mixture contains a silicate such as sodium silicate and / or potassium silicate, a high firing or sintering temperature is also sufficient to thermally condition it. However, applicants have found that the heat conditioning is more intimate - if the silicate is mixed with oxides and if the temperature is high enough to actually melt the mechanical mixture and bring it to a liquid state. Temperatures lower than that mentioned above can be used, but the quality of the process is reduced.
It is probably useful in this point of the disclosure to give the presently preferred formula by applicants for nearly general use in the welding of base steels. Of course, formulas can be satisfactorily used. widely different, established in accordance with the practice of the art and the considerations already set forth. The following formula appears to be approximately ideal for welding semi-calmed steel under ordinary industrial conditions. The proportions are given by weight.
Mix:
EMI11.1
<tb> <SEP> crystals <SEP> sodium <SEP> silicate <SEP> ....... <SEP> 20 <SEP> parts
<tb>
<tb> Rutile <SEP> 50 <SEP> parties
<tb>
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> manganese <SEP> 4 <SEP> parts
<tb>
and baking this mixture, preferably in a thin mass, in an oven at a temperature of about 480 ° C. until boiling has ceased. A lower temperature would suffice if a longer baking time is used. Even a higher quality of the mixture can be obtained by heating it to much higher temperatures. Good results are obtained at 650 C.
A temperature of 88 ° C. is preferred and it has been found that melting by means of a carbon arc is even better. An electric arc furnace or an oil heated furnace can be used for firing, melting or sintering the flux. If heated to the molten state, the molten material is then poured into open molds and when cooled has a crystalline structure. The material is then sprayed to the required sieve size,
The above constitutes a base to which can be added by mechanical mixing the other previously mentioned materials which do not need to be sintered or melted.
Thus, in addition to the preferred formula, one mixes
EMI11.2
<tb> formula <SEP> of <SEP> base <SEP> aforementioned <SEP> 80 <SEP> parts
<tb>
<tb> pure silicon <SEP> <SEP> from <SEP> commerce <SEP> (pre-melted) <SEP> 40 <SEP> parts
<tb>
<tb> ferromanganese, <SEP> quality <SEP> 80-20 <SEP> 30 <SEP> parts
<tb>
(prefondu)
This mixture is then placed in the electrode and packed in one way or another, preferably as discussed below, to a density sufficient so that no voids occur. as a result of subsequent settling occurring during the treatment to which the electrode is to be subjected.
A rutile which has been: .- recognized as suitable for use in the aforementioned formula is that known under the name Ruflux N 61 or? 84 sold by the Titanium Corporation of America. One could use, with the same results, ferro-manganese which has proportions other than 80-20, if this is compensated for by other changes.
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Oven to weld a medium grade of semi-calmed steel, the resulting mixture is preferably introduced into the finished electrode up to 11% of. total weight of the electrode. However, depending on the quality of the steel, its surface condition, etc., the flux to steel ratio may vary between wide limits.
Although the above is given as a preferred formula, it should be recognized that variations of said formula will be preferred for other steels according to known principles. Likewise, although it is contemplated that the tubular electrode should be made of SAE 1010 or SAE 1015, quite a different steel should be preferred for certain applications, again in accordance with known principles.
Furthermore, all the advantages of the present invention can, theoretically at least, be obtained by the use of an electrode of non-tubular shape. It may, for example, include longitudinal grooves. The tubular form is at present greatly preferred because it gives the complete certainty of being able to obtain the uniformity of the flow and of giving a complete seal against atmospheric humidity.
The slag layer is mainly produced by the oxidized materials mentioned, although perhaps about three-quarters of the silicon and manganese which are present in the flux as ferro-alloys find oxygen with which they can. combine and so that they can rise to the surface, in the form of oxides, to add to the slag layer. An excess of silicon and manganese is desirable, in part so that the It is ensured that all of the oxygen in the molten material is absorbed and in part to obtain the desirable characteristic of alloying in said material.
If the steel to be welded is well calmed steel and especially if it is clean, preference will be given to lower proportions of silicon and manganese, so that there is not enough excess silicon and manganese to make the solder metal brittle. If the partially deoxidized steel has to be welded, it is preferable to use a larger percentage of silicon and manganese.
It is pointed out that about 53% of the weight of the above stream comprises material consisting of oxygen combined only with metal-like elements which have a more pronounced affinity for oxygen than iron. The term metal-like is chosen because silicon is considered by many people to be not a metal, although it behaves here as if it were.
The 53% can be reduced without inconvenience for certain uses.
Some rare circumstances or an imperfect implementation of the invention can drop this percentage even down to 20%. Other metals whose oxides can be used are vanadium, colombium, potassium, aluminum and zirconium and, although less satisfactory, calcium and sodium. For obtaining the most certain results, it is preferable that at least 75% of the final oxygenates are titanium dioxide, for example rutile.
Those skilled in the art will recognize that the above formula is especially suitable for positive electrode welding (although it could be used otherwise) and will understand how it is to be adapted for negative electrode or alternating current welding ( for example by increasing the proportion of rutile or by replacing potassium silicate with sodium silicate).
One of the most important considerations is that the materials pro-
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slag ductors must be in quantity and nature such that a layer of slag surely covers the weld, without being too small or of a consistency unsuitable for good coverage. Using the aforementioned flux formula in a proportion of 6% by weight (total of the electrode, it seems that we are in the vicinity of the minimum quantity of flux which certainly satisfies the requirements for the layer.
Manufacture of the electrode.
For the manufacture of the electrode, all the various stages of for-. of the tube from a flat rolled steel strip 41, passing from the state of fig. 3 through those of figs 5 to 7, are preferably executed by forming rollers mounted on a single machine to manufacture the support tubes. A first preferred operation consists in knurling one of the faces of the steel strip in a diamond-shaped cross knurling pattern to more securely retain the flux in the tubular electrode. But current experience leads applicants to believe that this is, however, unnecessary.
The flux is placed in the electrode, stretching it when it has been brought into a "U" shape from the steel strip, by means of a hopper full of flux and using a scraper 44 to measure the required volume of flux, as seen in fig 5. In order to resist wear, this scraper can be made of tungsten carbide.
An important feature of the invention is that the width of the strip 41 from which to form the completed electrode is considerably larger than the minimum width of the strip which would normally be used to form a tube. the diameter of the electrode. For example, to form a 19mm OD tube from a 1.066mm thick strip, the width of the strip from which the dimensions start is that which would normally be used to form a 5.65mm tube. mm outside diameter, This characteristic is indicated on the des = sin as can be seen by comparing the tube of larger diameter in fig. 7 (intermediate stage to the first stage of completion shown in Fig. 8).
The flat strip shown in fig, 3 goes through three stages of formation before affecting the shape shown in fig. 5, When the strip is in the form of FIG. 5, the necessary volume of flux 42 is placed in the "U" shaped strip. This volume is such that there is not quite enough to fill the interior cavity of the completely closed tube shown in fig. 6. It is when it is in the state of fig 6 that one begins to reduce the tube from an outer diameter of 5.6 mm to an outer diameter of 4.8 mm, as in fig. 8.
During this diameter reduction, as long as the powder flow can be reduced in volume to an increasingly smaller cross-section, a thickening of the gauge wall occurs with a corresponding reduction in diameter. inside the tube, but, when the powder flow passes through a point where it is no longer compressible and where it is compressed very strongly inside the cavities formed by the prior knurling operation, any subsequent reduction the diameter of the tube results in an elongation thereof.
Those familiar with the prior art of tubular type electrodes will know that securing the flux within the electrode, to avoid cavities opening to the surface, has always been a serious problem and it has been necessary to address the problem. use adhesives which played no role in the welding operation. The present invention provides a positive solution to the problem because the flux is so compressed and permanently fixed that the lack of uniformity in the ratio of flux to steel cannot exist and cavities open out.
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singing on the surface can never form.
In Fig 8, the flux which is now flux 17 of the finished electrode has been hatched to indicate a pressure "cake" state which it seems to have achieved. When reducing a 5.6mm OD tube with a 1.066mm gauge wall thickness (figo 6) down to a 4.8mm OD tube (Figo 8), the inside diameter of the tube tends to decrease from 3.43 to 2.62 mm which represents a reduction of more than 23% in cross section.
In the manufacture of the electrode, only one electrode diameter needs to be made on the tube forming machine. For example, the diameter of 4.8 mm referred to above can be made initially and all electrodes with diameters less than 4.8 mm are reduced to the desired dimension obtained by drawing. , 4.8 mm diameter tube by passing them through successive stages through dies or drawing rolls to obtain the desired dimensions.
On the scale of the figure, 8 representing a 4.8 mm electrode, fig. 9 to 12 show the electrodes of 4, 0, 3, 2, 2.4 and 1.6 mm in diameter respectively. If the steel acquires a certain brittleness which is detrimental to an economic drawing operation, the steel tube in the coiled form can be annealed in an annealing furnace, or else it can be annealed at the same time as it undergoes The operation of stretching the tube by passing it through induction heating coils. The temperature at which the tube is annealed does not adversely affect the fluxes it contains, because, as has been mentioned previously, the stream is hot conditioned beforehand. '
When the 4.8 mm diameter electrode is reduced, for example to 2,
Only 4 mm in diameter, applicants prefer to effect the reduction by passing the tube through reducing rolls and not through reducing drawing dies. This is because stretching compositions are not necessary when using reducing rolls. When the tube is reduced to a diameter by stretching, a titanium dioxide compound is used.
It is evident that the maximum dimension of the electrode object of the invention is not limited to the diameter of 4.8 mmo. In fact, when the present welding process is applied with a fully automatic welding apparatus , for plates with a thickness of about 25 mm, with a single pass procedure, and unlimited steel thicknesses with multiple passes, electrodes of 6.3 mm must be used. in diameter and even larger diameters.
It is important that the electrode remains substantially bare, in the sense that the outer wall of the steel can make good contact with the contact tube 12. This does not exclude the presence of a residue of the compound. as the one mentioned.
Handling device.
A brief description of the inventors' apparatus will be given here.
As can be seen more particularly in FIG. 15, the head 101 is preferably curved and comes out of a case or electrode cabinet 102.
The chest 102 is pivotally mounted at 111 on a U-shaped support 112, so that the head can be rotated up and down by gripping the handle 113. Counterweights are added, if that is the case. is necessary, to balance the head around the pivot 111 at least up to approximately 453gr at the handle 113.
In fig. 13, the dotted line is shown. head in a position suitable for welding a bead extending vertically. The position shown in dotted lines in fig. 13 shows
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also the electrode box 102 at a higher level. This result is achieved by raising the lifting arm 114 by rotating the screw 115. The arm 114 pivots at 116 on a member 117 which) in turn pivots around a vertical axis at 118 on a pivoting arm 119. The latter pivots at 121 on an upright 123 'which is supported by a portable assembly 124.
As is clearly indicated by the comparison of the solid and dotted lines in Fig. 14, the various pivotal connections about vertical axes allow the head to be manipulated to virtually any point within the body. circle represented by circle B in broken lines.
The portable assembly 124 preferably includes auxiliary welding equipment such as the welding transformer and the controls of the welding circuit as well as the compressed gas cylinder. When the portable assembly 124 has been moved to a suitable position, it is preferable to lower to the floor, by means of the screws 126, the buffers 125 which are adjusted so as to place the post 123 in a position. vertical position;, so that the action of gravity does not produce any pivoting around the vertical axes.
A bubble level 127 of the domed type is preferably permanently mounted to assist in this leveling operation:
The electrode is drawn from a coil 130 by means of two feed rollers 131, at least one of which is controlled by an electric motor 132.The coil preferably rotates freely on the axis of the pivot 111 so as not to change the balance as it empties. The electric motor 132 is controlled, as regards the speed ;, by a controller 133; it is stopped and started by acting on a button 134 mounted on the handle 113. This button thus preferably establishes and interrupts the welding current circuit by means of suitable relays.
As the electrode is drawn from the coil 130, it is straightened by rollers 136 acting in cooperation with one of the rollers 131.
The elevating screw 115 can be turned by hand using a hand crank or by using an electric motor 137'-
The feed rollers 131 advance the electrode 11 through a suitable guide tube and between bending rollers 138 which co-operate with a shoe or contact tube 139 to bend the electrode so that it fits. extends downward through the nozzle or nozzle 140 to the arc. The nozzle 140 is positioned so that the electrode is centered therein, providing a uniform annular mouth through which the protective gas flows.
One or more flexible pipes 141 may be connected to an equal number of passages or conduits made through the head 101 to supply the shielding gas and, if desired, to supply cooling water.
A guide finger 143 can be associated with the head 101 in the vicinity of its welding end, to cooperate with a slide 144 which must be made of insulating material or else which must be isolated from the welding part, but in under certain conditions, a non-guided manual control will be preferred.
The head 101 is preferably mounted to pivot about the axis of a rear part or tail, so that its end can be directed at very different angles to weld overlapped parts, etc ...
It is preferred to perform this pivot assembly so that the electrode can pivot at least 50 on either side or straight down.
Current is supplied to the electrode through contact tube 139 which can preferably oscillate slightly to: adapt to the curvature
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of the electrode. A welding current cable 147 can:) be fed directly to the welding head in which the contact tube 139 is housed; it can also be connected to a socket 148 in which the head 101 is mounted to pivot.
The UU-shaped support 112 is preferably mounted to pivot about a vertical axis on a connecting member 151 which is in turn mounted to pivot about a horizontal axis provided on the lifting arm 114.
Any other head and electrode advancement system can be used, although this may have some reduction in advantages. Any means of controlling welding current, voltage, electrode power, etc. can be used, but preference is given to a constant voltage system. In this case, no further checks'! automatic is required.
The various pivot connections can preferably be locked against unwanted movements, so that fully automatic welding can be achieved by moving the workpiece in front of the head by known devices. Pivot links, especially those made around vertical axes, are all provided with rolling friction bearings, so that the head can be moved by exerting a slight pressure, for example in the order of about 56 gr,
Usual automatic or semi-automatic welding assemblies can be suspended in place of the cabinet 102 and head 101, with some loss of convenience.
If a semi-automatic assembly is used, the flexible tube through which the electrode passes is preferably shortened so that, together with the electrode therein, it has sufficient rigidity to behave. like the head 101 when it moves around its box.