ALUMINUM COMPANY OF AMERICA
La présente invention concerne un procédé de soudage, et plus particulièrement un procédé perfectionné de soudage 'de métaux à-l'arc sous gaz protecteur, permettant de souder l'une à l'autre deux plaques d'aluminium épaisses. L'invention concerne encore plus particulièrement un procédé automatique perfectionné de soudage de métaux à l'arc sous gaz protecteur, permettant de souder des plaques d'aluminium en position horizontale, c'est-àdire que les plaques à réunir sont disposées pratiquement verticalement et que le joint de soudure à former est pratiquement horizontal.
La présente invention a pour objet de fournir un procédé de soudage permettant un important dépôt de métal d'apport, un soudage rapide et de bonne qualité de pièces d'aluminium épaisses en position horizontale, sans qu'il soit nécessaire de'procéder à
un "rétro-piquage".
Le soudage classique des plaques d'aluminium épaisses se
fait actuellement par le procédé de soudage à l'arc sous gaz protecteur en un certain nombre de passes multiples, typiquement un minimum de 18 passes pour une plaque épaisse de 25,4 mm par exemple, à un minimum de 55:-passes pour une plaque épaisse de
76,2 mm par exemple. Par exemple, la présente invention permet
de souder en un plus petit nombre de passes, typiquement en 4 passes, avec une grande qualité de soudure, des plaques de 25,4
à 38 mm d'épaisseur, ce qui diminue le prix de revient du soudage ainsi que le nombre des réparations nécessaires.
Par ailleurs, le soudage classique des plaques d'aluminium épaisses en position horizontale nécessite des vitesses de soudage relativement grandes pour compenser l'effet de la pesanteur sur
le bain de fusion, mais de telles vitesses ont un effet négatif sur la taille et la qualité du cordon de soudure qui est déposé, et donc sur la quantité du métal de soudure de bonne qualité qui est déposé à chaque passe.
La présente invention fait appel à une vitesse de soudage plus faible que dans les procédés classiques pour assurer un dépôt maximal de métal d'apport et pour garantir qu'une quantité suffisante de métal est déposée, pour combler par exemple environ
90% du joint de soudure. Un avantage du procédé selon la présente invention est qu'aux vitesses plus faibles il est possible de conserver un bain de fusion plus important et que l'on obtient ainsi un dépôt plus épais sans perte de métal. L'avantage qui en <EMI ID=1.1>
est le temps, en minutes, pendant lequel l'arc est en fonctionnement, par heure. Par exemple, après chaque passe de soudage,
il faut faire reculer le chariot jusqu'à sa position de départ
ou commencer la passe suivante. Ce temps de recul diminue la durée d'arc, c'est-à-dire le rendement global du soudage. Ainsi, chaque minute pendant laquelle l'arc est en fonctionnement diminue les frais d'exploitation globaux.
Dans le présent procédé, des vitesses de soudage types pour la passe "racine" sur les épaisseurs suivantes sont :
<EMI ID=2.1>
Le soudage classique des plaques d'aluminium épaisses suscite également des difficultés en raison de la nécessité de rétro-piquer complètement la zone de la racine pour assurer une pénétration suffisante de la soudure, et en raison de la nécessité d'un usinage spécial des surfaces du joint préalablement au soudage. Les procédés d'enlèvement du métal comprennent le rétro-piquage,
le fraisage, le goujage et le meulage, chaque procédé nécessitant un matériel légèrement différent. Le rétro-piquage est l'un des procédés que l'on utilise pour enlever le métal très oxydé de la face envers d'une soudure.
Un procédé de soudage automatique de métaux à l'arc sous gaz protecteur est décrit dans le brevet des E.U.A. N[deg.] 2 916 600.
Dans ce procédé, un joint bout-à-bout en forme de K horizontal
est disposé de façon à permettre le dépôt de la soudure en un cordon sur chaque face, le but recherché par le breveté étant d'améliorer-le soudage de ces mêmes joints par rapport au procédé de soudage "à l'arc immergé". Cependant, le procédé de soudage
à l'arc immergé et le procédé perfectionné dudit brevet sont fondamentalement applicables surtout au soudage de l'acier,
et non de l'aluminium. On pense qu'il n'est pas possible de souder des plaques épaisses, notamment des plaques d'aluminium, par le procédé de"ce brevet des E.U.A, qui implique que l'arc frappe la racina du joint à souder, en raison de la différence de point de fusion qui existe entre l'aluminium et l'acier, et c'est pourquoi le soudage classique des plaques d'aluminium épaisses nécessite
le recours à des passes multiplès, ainsi qu'on l'a dit plus haut.
Selon la présente invention, il est procuré un procédé de soudage permettant de souder des pièces de métal épaisses, qui consiste à disposer les pièces à souder l'une au-dessus de l'autre, et en aboutement par un bord de chacune de façon à former un joint sensiblement horizontal, au moins la pièce inférieure étant biseautée au niveau de ce joint, à faire avancer une électrode consommable vers le joint tout en maintenant un arc de courant continu entre l'électrode consommable et le métal de base et en maintenant un courant de gaz protecteur inerte autour de l'arc et sur le métal fondu, procédé caractérisé en ce qu'on maintient
un arc de courant continu puissant avec un courant électrique dont la caractéristique tension-intensité présente une pente de 7 à
10 volts par 100 ampères, ledit courant électrique arrivant
en polarité inverse, on fait avancer l'électrode consommable
à une vitesse réglée de façon à ne pas s'écarter de plus ou moins 0,75% de la vitesse voulue, et on la guide avec précision de
façon qu'elle ne s'écarte pas de plus ou moins 2,3 mm du bord inférieur du biseau qui se trouve près de la face de ladite pièce inférieure, l'arc étant maintenu entre le bout de l'électrode
et ledit bord du biseau.
Ainsi, le présent procédé de soudage est un procédé automatique perfectionné de soudage de métaux à l'arc sous gaz protecteur, permettant de souder des plaques d'aluminium placées de façon à former un joint horizontal. Dans ce procédé de soudage, on fait avancer une électrode consommable à une vitesse précise vers le matériau de base tout en faisant en sorte que l'arc frappe toujours le bord inférieur du joint et non la racine de ce dernier, le soudage se faisant avec une grande intensité de courant de soudage.
Sur les planches de dessins annexées :
la figure 1 est une représentation schématique, partiellement en coupe, d'un procédé de soudage selon l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe d'un joint de soudage pouvant être obtenu selon l'invention ; la figure 3 est une représentation schématique , partiellement en coupe, d'un procédé de soudage classique, représenté pour les besoins de la comparaison ; et la figure 4 est une photomicrographie d'une coupe de soudure faisant apparaître la microstructure d'une soudure selon l'invention, avec un grossissement égal à 2,5.
Le présent procédé de soudage permet de réaliser un soudage de bonne qualité, en position horizontale, de plaques d'aluminium
<EMI ID=3.1>
déposée en un nombre de passes considérablement moindre que celui qui est nécessité par les procédés classiques. A-titre d'exemple,
<EMI ID=4.1>
environ 95% de soudure, dans le soudage de plaques de 38 mm.
Dans la mise en oeuvre de la présente invention, il est important de disposer d'un courant de grande intensité et de caractéristiques stables, et d'assurer une vitesse d'avance de l'électrode consommable qui est réglée avec précision.
Il est préférable d'utiliser une alimentation en courant électrique qui fournit un courant dont la caractéristique de pente est comprise entre 7 et 10 V/100 A. Des alimentation en courant électrique convenables comprennent l'alimentation "Lincoln SA600" et l'alimentation "Airco Dual 600", ou tout groupe ayant des caractéristiques d'énergie constantes.
On peut utiliser des intensités de soudage élevées, de préférence de 400 à 600A. On préfère encore des intensités de 420 A
ou davantage, et habituellement au moins 460 A pour les passes "racine" sur les plaques de 25,4 mm et de 38 mm d'épaisseur.
On obtient des résultats uniformes en assurant une vitesse constante d'avance de l'électrode consommable. Il est préférable
<EMI ID=5.1>
de plus ou moins 0,75% de la vitesse voulue.
La vitesse voulue dépend de l'épaisseur des pièces à souder
et des autres variables du procédé, certaines vitesses types de l'électrode, à titre d'exemple, étant 120 mm/seconde à 460 A sur des plaques de 38 mm et 137 mm/seconde à 560 A pour des plaques de.51 mm.
On peut utiliser pour assurer la régulation de la vitesse
un dispositif de commande d'alimentation de fil métallique "Détection Science Modèle SY1195B", avec une vitesse linéaire constante du fil métallique exacte à plus ou moins 0,25% près,
ou bien une commande d'alimentation de fil métallique "Linde SCC-17" pour une vitesse constante à plus ou moins 0,75% près. Une vitesse d'électrode précise assure l'effet d'entraînement qui permet une pénétration importante dans le matériau de base, en supprimant ainsi la nécessité du rétro-piquage.
Le point clé pendant le dépôt du métal d'apport est l'impact de l'électrode sur le bord inférieur plutôt que sur la racine du joint. Cela permet au métal fondu de remonter le biseau en faisant fusionner les'deux plaques, et de diriger la solidification de l'électrode fondue.
L'électrode est ainsi dirigée qu'elle permet au métal déjà fondu de jouer le rôle d'un barrage pour le métal qui vient de fondre. Cela signifie que l'arc sert toujours à maîtriser la
fusion du matériau de base. Par suite de l'intensité élevée ,et
de la grande taille du bain de fusion qui résulte de la vitesse précise de l'électrode, la pénétration est possible. L'angle du chalumeau est inférieur à l'angle du biseau pour permettre à l'électrode de bien frapper le bord inférieur. Un angle de
chalumeau préféré est de 15 à 30[deg.] par rapport à l'horizontale, l'optimum étant égal à 25[deg.]. Cela provoque un effet de tourbillon dans le bain de fusion en permettant une bonne fusion, en
diminuant la porosité et en empêchant le piégeage des oxydes.
Avant la présente invention, toutes les soudures horizontales de métaux à l'arc sous gaz protecteur dans l'aluminium nécessitaient un rétro-piquage complet à cause des inclusions d'oxyde.
Un autre point dont il faut tenir compte est l'effet du guidage du cordon de soudure. Si l'électrode cesse de frapper le bord supérieur du joint, il risque de se produire un défaut de fusion
au centre de la soudure. Si le chalumeau était dirigé sur la-racine du joint, la grande intensité utilisée aurait pour résultat une "purge" du métal en fusion et donc une qualité médiocre. Par conséquent, il faut maintenir un guidage précis du cordon de soudure en l'empêchant de préférence de s'écarter de + 2,3 mm, ou mieux de � 1,6 mm, de la position voulue. Le guidage du cordon de soudure peut être contrôlé par une sonde, mais la commande visuelle directe du guidage par le soudeur est tout aussi efficace.
Une quantité suffisante de gaz protecteur inerte doit obligatoirement être prévue pour l'important bain de fusion. Dans la pratique actuelle, on peut éventuellement utiliser comme gaz protecteur des combinaisons d'argon et d'hélium. Le débit type
des gaz est d'environ 1,4 m /heure d'argon et 4,25 m /heure d'hélium. Un bec de chalumeau de 19 mm de diamètre convient pour ces débits
de gaz.
On peut utiliser des joints de différents modèles. Un modèle préféré de joint est le joint bout-à-bout en forme de K horizontal, la plaque inférieure étant biseautée. Dans les procédés classiques, un usinage spécial des bords du joint qui sont disposés bout-â-bout est nécessaire. Un avantage de la présente invention est
<EMI ID=6.1>
surface du joint peut être soit découpée à la scie soit fraisée
avec des finis de surface atteignant typiquement 500 RMS. Pour la propreté, on a recours à un essuyage de solvant avec un agent dégraissant quelconque, et au brossage avec des soies en acier inoxydable.
Un modèle de joint préféré qui s'est révélé particulièrement utile est un joint en forme de K retourné à 40[deg.] avec une partie pleine de 1,6 mm. Ce joint ne nécessite de découpage que sur
une surface des plaques disposées bout-à-bout et réduit donc les frais de préparation du soudage.
Le présent procédé de soudage fait appel à une position horizontale du joint, les pièces à souder étant disposées de
manière convenable, à la verticale ou autrement. Par exemple,
le soudage en position horizontale peut comporter des soudures horizontales sur des réservoirs de stockage cylindriques ou sphériques. La plaque cylindrique du réservoir serait dans les véritables positions de la pièce verticale et du joint horizontal ; mais des soudures horizontales sur un réservoir sphêrique formeraient divers angles avec la verticale.
On est parvenu, conformément à la présente invention, à
une pénétration cohérente et reproductible des soudures, et à
des soudures non poreuses. Les propriétés mécaniques des soudures sont égales à celles obtenues avec le procédé à passes multiples
ou tout autre procédé de soudage de l'aluminium. L'effet global
des avantages procurés par les opérations décrites est une diminution du temps et du coût du soudage.
Considérons maintenant les dessins, sur lesquels les figures
1 et 2 représentent une forme de réalisation préférée de la
présente invention. La figure 1 représente deux plaques d'aluminium
<EMI ID=7.1>
en cours de soudage. Une seule passe, à une vitesse relativement faible de 286 mm/mn de cordon de soudure 5, a déposé du métal d'apport occupant presque complètement l'une des faces de l'espace entre la plaque biseautée la et la plaque supérieure 1 qui se
<EMI ID=8.1>
On fait avancer dans le bec de chalumeau 2 une électrode
<EMI ID=9.1>
dans le chalumeau de soudage, de la manière habituelle, un courant continu qui arrive en polarité inverse (positive) (non représenté). Il est également prévu une alimentation en gaz protecteur (non représentée), comme d'habitude. Le chalumeau et l'électrode
<EMI ID=10.1>
suivant l'épaisseur des plaques.
Au lieu de former l'arc entre le bout de l'électrode et
la racine du joint, comme dans les procédés classiques, on dispose le bec du chalumeau et l'électrode par rapport aux plaques à souder de telle sorte que l'arc soit maintenu en un point compris entre le bord inférieur du joint et l'angle de la plaque inférieure
(biseautée).
Comme l'indique la flèche 4 qui représente la trajectoire suivie par le métal fondu, la force du courant de grande intensité
(au moins 450 A) et la grande vitesse relative d'avance du fil métallique font monter le bain de fusion le long du biseau,
et l'enfoncent dans et un peu au-delà de la racine, en assurant ainsi la pénétration de la racine. Le reste du métal fondu coule de la racine le long du bord plat de la plaque supérieure 1 et vers l'extérieur au-delà du bord de la plaque supérieure en formant un cordon de renfort.
Aucun rétro-piquage de la face de la zone de la racine n'est nécessaire.
Un modèle de joint préféré est représenté plus en détail sur la figure 2. La plaque supérieure 1 rejoint la plaque inférieure biseautée la au niveau de_la partie pleine 7, en formant un joint bout-à-bout en forme de K retourné. L'angle de biseautage est de 40[deg.] environ.
Pour les besoins de la comparaison, il est représenté sur la figure 3 une illustration du modèle de joint et de l'opération de soudage pour le soudage classique de plaques d'aluminium
5083-0 de 38 mm d'épaisseur.
La plaque supérieure lb et la plaque inférieure le sont disposées bout-à-bout, un usinage spécial des bords des plaques
par un outil tournant étant nécessaire sur chacune de ces deux plaques pour former le joint.
On fait avancer dans le chalumeau 2 une électrode consommable 3, en fil d'aluminium de 1,6 mm de diamètre, le chalumeau et l'électrode étant maintenus en position horizontale de façon à former l'arc entre le bout de l'électrode et la racine du joint.
Des passes multiples ont déposé un certain nombre de cordons de soudure 8 à des vitesses de soudage relativement grandes,
de 508 mm à 890 mm/mn. Ces vitesses sont nécessaires pour compenser la pesanteur et empêcher le roulement du bain de fusion aux intensités de soudage de 260 à 280 A et avec des tensions d'arc
de 28 à 34 V.
Il est nécessaire de rétro-piquer la seconde face de la zone de la racine 6 pour assurer une pénétration suffisante de la soudure, avant de souder la seconde face.
On réalise d'une manière similaire une soudure classique de plaques de 76,2 mm (non représentées) avec des passes multiples
<EMI ID=11.1>
Ces vitesses sont nécessaires pour compenser la pesanteur et empêcher le roulement du bain de fusion aux intensités de soudage de 260 à 280 A, et avec des tensions d'arc de 28 à 34 V.
L'exemple suivant est fourni pour illustrer une forme de réalisation de la présente invention.
EXEMPLE
On a soudé l'une à l'autre des plaques d'aluminium 5083-0 épaisses en utilisant le modèle de joint, la disposition de chalumeau et l'opération de soudage qui sont décrits ci-dessus relativement aux figures 1 et 2. Le tableau 1 donne les paramètres utilisés :
<EMI ID=12.1>
<EMI ID=13.1>
<EMI ID=14.1>
<EMI ID=15.1>
On peut voir en comparant la figure 1 qui correspond à la présente invention, à la figure 3 qui correspond aux procédés classiques, que dans ces derniers le joint forme un biseau large. Cela est nécessaire pour permettre au chalumeau de pénétrer dans le joint pour allumer l'arc à la racine du joint, et pour permettre le maintien de la bonne longueur d'arc. Par contre, le procédé selon la présente invention utilise un modèle de joint plus étroit. On y parvient en redirigeant l'arc vers le bord de la plaque inférieure. Il faut donc moins de métal pour combler le joint.
Parmi les avantages qui résultent du procédé, de soudage perfectionné selon la présente invention, par rapport aux
procédés classiques, mentionnons les suivants.
1. La préparation des bords n'est nécessaire que sur une
seule face du joint, et cela peut être fait avec un matériel de sciage peu coûteux.
2. La pénétration à partir des deux faces est suffisante pour
éliminer la nécessité d'un rétro-piquage.
3. La consommation de gaz protecteur peut être réduite de
36% environ.
4. La consommation de courant électrique peut être réduite de
33% environ.
5. La durée d'arc peut être réduite de 68% environ.
6. La durée de la course de retour peut être réduite de 86%
environ.
7. Le temps total peut être réduit de 74% environ.
8. La quantité totale de métal déposée peut être réduite de
75%.
REVENDICATIONS
1. Procédé de soudage permettant de souder des pièces de métal épaisses, qui consiste à disposer les pièces à souder l'une au-dessus de l'autre et bout-à-bout par un bord de chacune de façon à former un joint sensiblement horizontal, au moins la pièce inférieure étant biseautée au niveau de ce joint, à faire avancer une électrode consommable vers le joint tout en maintenant un arc de courant continu entre l'électrode consommable et le métal de base et en maintenant un courant de gaz protecteur inerte autour de l'arc et sur le métal fondu,
caractérisé en ce qu'on maintient un arc de courant continu de grande intensité avec un courant électrique dont la caractéristique tension-intensité présente une pente type de 7 à
10 volts par 100 ampères, ledit courant électrique arrivant
en polarité inverse, on fait avancer l'électrode consommable
à une vitesse réglée de façon à ne pas s'écarter de plus ou moins 0,75% de la vitesse voulue, et on règle avec précision la position de l'électrode de façon qu'elle ne s'écarte pas de plus ou moins 2,3 mm du bord inférieur du biseau qui se trouve près de la face de ladite pièce inférieure, l'arc étant maintenu entre le bout
de l'électrode et ledit bord du biseau.