Procédé de soudage de métaux à l'arc et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé. L'invention comprend un procédé de sou dage de métaux à l'arc et un dispositif pour la mise en ouvre de ce procédé; elle s'appli que notamment à des métaux difficiles à sou der, tels que le magnésium, l'aluminium, l'acier inoxydable, et à des alliages et des bronzes spéciaux. Selon des procédés connus, l'arc et les parties fondues de la pièce à usi ner sont protégés par un gaz non oxydant, par exemple un gaz noble monoatomique, tel que l'hélium ou l'argon. L'arc est tendu au travers du gaz, entre la pièce à usiner et une électrode métallique réfractaire, qui est for mée de préférence d'une matière qui, prati quement, ne se consume pas, par exemple le tungstène ou le molybdène.
Les procédés de ce genre ont été sujets à l'instabilité, au déplacement ou au soufflage de l'arc, c'est-à-dire que l'arc est flottant et tend à se déplacer sur le bout de l'électrode, d'une tache chaude à une autre, ou à s'étein dre. Ce phénomène s'est montré très fâcheux, parce qu'il a parfois pour résultat des cor dons de soudure irréguliers, asymétriques, faibles et non uniformes, dont la surface pa raît noire et sale.
Le courant ne pouvait pas être utilisé avec une grande densité, seules des plaques minces pouvaient être soudées, la rapidité de soudage était faible et la détérioration de l'électrode était grande. La distance du bec ou cratère à gaz et de la pièce à souder de vait être maintenue si courte que l'opérateur avait de la difficulté à vérifier le fonctionne ment. Le soudage était généralement difficile et ne donnait pas un résultat régulier.
Dans le soudage au courant alternatif, quelques-unes de ces difficultés étaient attri buées à un redressement, qui éliminait en partie ou complètement la moitié positive du cycle de l'électrode. Pour y parer, on a pro posé d'utiliser, séparément ou en combinaison, des enduits capables d'émettre des électrons et un réglage du rapport des polarités. L'uti lisation de ces enduits obligeait à recouvrir la surface de la pièce à souder, par pulvéri sation ou peinture, de matières telles que des carbonates de baryum ou de strontium, afin d'augmenter le pouvoir émissif d'électrons de ladite surface. Le réglage du rapport des polarités consistait à employer une batterie d'accumulateurs en série avec un circuit ordi naire de soudage au courant alternatif pour régler les tensions relatives des composantes de polarité, inverse et directe.
La tension de la batterie pouvait être ajoutée à l'une des composantes et soustraite de l'autre dans toute proportion désirée, ce qui effectuait le réglage des composantes. Toutefois, chacun de ces procédés exigeait un équipement spécial, ou bien une préparation ou une technique spéciale.
Le procédé de soudage de métaux à l'arc selon la présente invention consiste à faire passer un courant électrique de soudage entre une électrode métallique réfractaire et la pièce à souder pour entretenir un arc, à faire passer le long de l'électrode un courant annu laire de gaz non oxydant destiné à recouvrir l'arc et les parties fondues de la pièce à sou der, le diamètre minimum du courant de gaz étant compris entre 21/3 et 4 fois le diamètre de l'électrode et ce courant étant guidé le long de l'électrode sur une longueur comprise entre 4 et 8 fois le diamètre minimum dudit courant, de manière à obtenir un écoulement pratiquement lamellaire, et en ce qu'on main tient entre l'électrode et la pièce à souder un courant d'une densité d'au moins
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ampères par millimètre carré,
a étant le dia mètre de l'électrode en millimètres.
Le dispositif pour la mise en ouvre de ce procédé comprend un support pour une élec trode métallique réfractaire, un bec entourant ledit support et ayant à sa sortie un diamètre intérieur compris entre 21/3 et 4 fois le dia mètre de l'électrode, la longueur du bec, entre le support et la sortie du bec étant comprise entre 4 et 8 fois le diamètre intérieur du bec à sa sortie.
La présente invention vise donc à obtenir dans un arc de soudage recouvert d'un gaz un arc tranquille, stable, qui produit un cor don de soudure uniforme, dont la surface apparaît nette, et une soudure résistante, saine, sans exiger de dispositif spécial ni la préparation spéciale, cités phis haut, pour accroître la rapidité du soudage et pour per mettre de souder des plaques plus épaisses.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemples, deux formes d'exécution du dis positif pour la mise en ouvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une coupe verticale d'une première forme d'exécution, et la fig. 9 est une coupe semblable d'une seconde forme.
En courant alternatif, la densité de cou rant correspond par exemple à une plage d'en viron 30 à 60 ampères par millimètre carré pour une électrode de 1,6 mm de diamètre, d'environ 14 à 21 ampères par millimètre carré pour une électrode de 4,7 mm de diamètre et d'environ 8,5 à 710,5 ampères par millimètre carré pour une électrode de 9,5 mm de dia mètre, c'est-à-dire de
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à ampères
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par millimètre carré, a étant le diamètre de l'électrode en millimètres.
En courant continu, l'ordre de grandeur des densités de courant est plus élevé, par exemple d'environ 51 à 75 ampères par millimètre carré pour l'élec trode de 1,6 mm de diamètre et d'environ 28 à 56 ampères par millimètre carré pour l'élec trode de 4,7 mm de diamètre, c'est-à-dire de à ampères par millimètre carré,
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a étant le diamètre de l'électrode en milli mètres.
De la densité de courant élevée résulte une haute température du bout de l'électrode, ce qui favorise l'ionisation du gaz inerte et, par ce fait, tend à stabiliser l'arc. L'écoule ment uniforme lamellaire du gaz inerte éli mine les tourbillons qui compromettaient la stabilité de l'arc. La grande longueur le long de laquelle l'électrode est entourée par le cou rant de gaz et l'écoulement uniforme lamel laire du gaz empêchent une détérioration de l'électrode qui, autrement, pourrait résulter de l'utilisation d'une densité de courant aussi élevée.
Dans le dispositif pour la mise en ouvre du procédé, l'écoulement lamellaire du gaz non oxydant peut être obtenu au moyen d'un bec ou cratère à gaz ayant une paroi pratique ment cylindrique, dont le diamètre est com pris entre 21/3 et 4 fois celui de l'électrode et dont la longueur est de 4 à 8 fois son propre diamètre. De préférence, la longueur de l'électrode est de l'ordre de seize fois son propre diamètre pour une électrode de 1,6 mm de diamètre et. de six ou sept fois son propre diamètre pour une électrode de 9,5 mm de diamètre, c'est-à-dire qu'elle est comprise entre 20,75 X a0,449 et 19,8 X a0,548 mm, a étant le diamètre de l'électrode en millimètres.
Avec les hautes températures atteintes en fonctionnement, on court le risque de faire fondre des parties du dispositif voisines de l'are, en particulier le bec ou cratère à gaz, Lorsque le bec est fait d'une matière ré fractaire, on n'emploie pas de refroidissement, cependant, lorsqu'on se sert d'un bec en mé tal, il est, généralement nécessaire de prévoir un refroidissement au moyen d'un fluide pour ce bec. Ce refroidissement devrait être juste suffisant pour empêcher le bec de fondre, de façon à éviter toute réduction appréciable de la température du courant de gaz inerte et de l'extrémité de l'électrode.
Dans les meilleures conditions de fonctionnement, cette extrémité de l'électrode est superficiellement fondue, mais elle est empêchée de s'oxyder par l'écou lement lamellaire de gaz non oxydant, par exemple de gaz monoatomique noble tel que de l'hélium ou de l'argon.
La fig. 1 représente un dispositif T com prenant un tube S en métal pour amener un courant électrique de soudage à un support d'électrode H pourvu d'un raccord G, servant à fixer une électrode E, et pour conduire du gaz inerte par des orifices K à l'intérieur d'un bec N.
La dimension a est le diamètre de l'élec trode. La dimension b est la longueur nue ou non supportée de l'électrode. La dimension c est le diamètre du cratère ou le diamètre inté rieur de l'orifice du bec. La dimension d est la longueur du bec, mesurée des orifices K au bout extérieur du bec N. Dans cette forme d'exécution, le bec N est en une matière céra mique. Quand, pour souder, on emploie du courant alternatif, ce courant peut être de 25, 50 ou 60 périodes ou d'une autre basse fréquence.
Dans le dispositif représenté par la fig. 2, le support H de l'électrode et le bec N sont tous deux refroidis à l'eau. Le tube de métal S communique avec un prolongement 10, fai sant un angle avec lui et coopérant avec un évidement annulaire du support d'électrode H pour former une chemise à eau 12, qui communique avec l'intérieur du tube S. De l'eau est amenée par un tube 14 et, après avoir passé autour de la chemise à eau 12, sort par le tube S. Du gaz inerte est conduit vers l'intérieur du support d'électrode H par un tube 15 et passe par des fentes K entre des doigts 16 du moyen de serrage G jusqu'à l'intérieur du bec N.
Le bec N est en acier inoxydable et porte un évidement annulaire près de son extrémité supérieure, voisine du moyen de serrage G; cet évidement est fermé par une bande d'acier inoxydable 18, pour former une chemise à eau 20. L'eau de refroidissement entre dans la chemise 20 par un tuyau 21 et l'eau chaude en sort par un tuyau 22.
Le tableau suivant, donne l'ampérage réel pour les différentes dimensions d'électrodes qu'on emploiera dans les exemples du procédé de soudage à l'arc selon la présente invention, avec du courant alternatif et du courant con tinu
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Diamètre <SEP> Courant <SEP> Courant
<tb> d'électrode <SEP> (a) <SEP> alternatif <SEP> continu
<tb> en <SEP> mm <SEP> en <SEP> ampères <SEP> en <SEP> ampères
<tb> 1,6 <SEP> 60-120 <SEP> 100- <SEP> 150
<tb> 2,4 <SEP> 100-160 <SEP> 150- <SEP> 300
<tb> 3,2 <SEP> 150-240 <SEP> 250- <SEP> 500
<tb> 4,7 <SEP> 250-300 <SEP> 500-1000
<tb> 6,4 <SEP> 350-500
<tb> 7,9 <SEP> 500-650
<tb> 9,5 <SEP> 600-750 Avec ces marges de courant, il est possible de souder à l'arc sous une couverture de gaz monoatomique tant des objets très minces que des objets lourds, aussi bien que les épais seurs intermédiaires.
En dessous de l'ampérage minimum de chaque grandeur d'électrode, l'arc est instable dans le soudage au courant continu, avec des taches chaudes locales sur l'électrode, et le bout de l'électrode n'est pas complètement re couvert par l'arc. Dans le courant alternatif, cet état aide au redressement. Dans les marges indiquées plus haut pour le courant continu de soudage, le bout de l'électrode est com plètement recouvert par l'arc et l'électrode est chaude, mais pas fondue. Dans le soudage au courant alternatif à l'intérieur des marges indiquées plus haut, l'arc recouvre le bout de l'électrode et il n'y a pas de redressement.
L'écoulement uniforme lamellaire du gaz inerte, nécessaire en combinaison avec cette densité de courant élevée, est réalisée en don nant au bec ou cratère à gaz des proportions qui augmentent sa longueur. La longueur d du cratère est, par exemple, de 63 à 102 mm suivant que le bec ou cratère est ou n'est pas utilisé dans des dispositifs à main ou dans des machines. Le cratère ou bec plus large améliore la protection de la tache de soudage aussi bien que de l'aire qui l'entoure, en for çant le gaz inerte de protection à s'approcher de l'écoulement lamellaire à l'extrémité de sortie du bec et ainsi à éliminer les tourbillons qui diminuent l'efficacité de la couverture de gaz.
Le tableau suivant représente ces dimen sions de base du bec à gaz:
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Diamètre <SEP> de <SEP> Longueur <SEP> Diamètre
<tb> l'électrode <SEP> (a) <SEP> du <SEP> bec <SEP> (d) <SEP> du <SEP> bec <SEP> (c)
<tb> en <SEP> mm <SEP> en <SEP> mm <SEP> en <SEP> mm
<tb> 1,6 <SEP> 51 <SEP> 6,4
<tb> 2,4 <SEP> 57 <SEP> 7,9
<tb> 3,2 <SEP> 70 <SEP> 9,5
<tb> 4,7 <SEP> 76 <SEP> 15,9
<tb> 6,4 <SEP> 76 <SEP> 19,1
<tb> 7,9 <SEP> 101 <SEP> 22,2
<tb> 9,5 <SEP> 101 <SEP> 22,2 La longueur b de l'électrode est d'environ 16 diamètres pour une électrode de 1,6 mm et d'environ 6 ou 7 diamètres pour une élec trode de 9,5 mm de diamètre, les grandeurs intermédiaires se plaçant entre ces deux limites en raison inverse de l'augmentation, du diamètre de l'électrode.
Avec cet allongement, le danger que l'électrode fonde ou laisse tom ber des gouttes, ce qui pourrait résulter de l'augmentation de température due à l'ac croissement de l'ampérage sur une électrode donnée est évité par suite d'une meilleure protection par le gaz. Des courants atteignant 750 ampères ont été transportés par une élec trode de 9,5 mm de diamètre, sans qu'elle soit ni détériorée, ni décolorée. La combinaison d'une longueur et d'un diamètre de bec augmentés dans la mesure indiquée ci-dessus a notablement amélioré les conditions du soudage. Dans le soudage au courant alternatif, on a constaté que cette combinaison avait pour effet de réduire dans de grandes proportions un redressement. Dans le soudage au courant continu, on a constaté que la même combinaison assure la produc tion d'un arc constant et stable.
Dans les deux cas, le cordon de soudure obtenu présente les qualités inhérentes à une bonne protection par le gaz et un aspect propre; de plus, on peut obtenir des rapidités de soudage plus élevées avec une plus grande facilité d'exécution. Le bout de l'électrode peut, être maintenu, par exemple à une distance de 25 mm de la pièce à souder, sans interruption de l'arc, et des plaques beaucoup plus épaisses peuvent être soudées. Dans le cas du soudage au courant alter natif, la, densité de courant élevée et la grande longueur de l'électrode n'assurent cependant pas une onde complètement équilibrée, celle-ci présentant encore une composante continue.
Avec la nouvelle disposition de l'électrode et du bec à gaz, la température du gaz inerte de protection est accrue, en même temps qu'un passage hautement ionisé est créé pour le ré tablissement du courant, quand la valeur de ce dernier passe par zéro.
Metal arc welding process and device for implementing this process. The invention comprises a method of arc welding of metals and a device for carrying out this method; it applies in particular to metals which are difficult to weld, such as magnesium, aluminum, stainless steel, and to special alloys and bronzes. According to known methods, the arc and the molten parts of the workpiece are protected by a non-oxidizing gas, for example a monatomic noble gas, such as helium or argon. The arc is stretched through the gas, between the workpiece and a refractory metal electrode, which is preferably formed from a material which practically does not burn, for example tungsten or molybdenum.
Processes of this kind have been subject to instability, displacement or arc blowing, i.e. the arc is floating and tends to move on the tip of the electrode, d one hot spot to another, or to go out. This phenomenon has been shown to be very unfortunate, because it sometimes results in irregular, asymmetrical, weak and non-uniform weld cores, the surface of which appears black and dirty.
The current could not be used with high density, only thin plates could be welded, the welding speed was low, and the electrode deterioration was large. The distance from the gas nozzle or crater to the work piece should be kept so short that the operator had difficulty verifying operation. Welding was generally difficult and did not give a consistent result.
In AC welding, some of these difficulties were attributed to rectification, which partially or completely eliminated the positive half of the electrode cycle. To counter this, it has been proposed to use, separately or in combination, coatings capable of emitting electrons and an adjustment of the ratio of polarities. The use of these coatings made it necessary to cover the surface of the part to be welded, by spraying or painting, with materials such as barium or strontium carbonates, in order to increase the electron-emitting power of said surface. The polarity ratio adjustment consisted of employing a storage battery in series with an ordinary AC welding circuit to adjust the relative voltages of the polarity, reverse and forward components.
The battery voltage could be added to one of the components and subtracted from the other in any proportion desired, which effected the adjustment of the components. However, each of these processes required special equipment, or a special preparation or technique.
The metal arc welding process according to the present invention consists in passing an electric welding current between a refractory metal electrode and the workpiece to maintain an arc, in passing an annular current along the electrode. area of non-oxidizing gas intended to cover the arc and the molten parts of the part to be welded, the minimum diameter of the gas stream being between 21/3 and 4 times the diameter of the electrode and this current being guided along the electrode over a length of between 4 and 8 times the minimum diameter of said current, so as to obtain a practically lamellar flow, and in that one hand holds between the electrode and the workpiece a current of a density of at least
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amps per square millimeter,
a being the diameter of the electrode in millimeters.
The device for implementing this method comprises a support for a refractory metal electrode, a spout surrounding said support and having at its outlet an internal diameter between 21/3 and 4 times the diameter of the electrode, the length of the spout, between the support and the outlet of the spout being between 4 and 8 times the internal diameter of the spout at its exit.
The present invention therefore aims to obtain, in a welding arc covered with a gas, a quiet, stable arc which produces a uniform weld grain, the surface of which appears clean, and a strong, sound weld without requiring any special device. nor the special preparation, mentioned above, to increase the speed of welding and to allow the welding of thicker plates.
The appended drawing represents, by way of examples, two embodiments of the positive device for implementing the method according to the invention.
Fig. 1 is a vertical section of a first embodiment, and FIG. 9 is a similar section of a second form.
In alternating current, the current density corresponds for example to a range of about 30 to 60 amps per square millimeter for an electrode with a diameter of 1.6 mm, of about 14 to 21 amps per square millimeter for an electrode 4.7 mm in diameter and approximately 8.5 to 710.5 amperes per square millimeter for an electrode of 9.5 mm diameter, that is to say of
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at amps
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per square millimeter, a being the diameter of the electrode in millimeters.
In direct current, the order of magnitude of the current densities is higher, for example about 51 to 75 amps per square millimeter for the electrode of 1.6 mm in diameter and about 28 to 56 amps per square millimeter. square millimeter for the elec trode 4.7 mm in diameter, that is to say from to amps per square millimeter,
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a being the diameter of the electrode in milli meters.
The high current density results in a high temperature at the tip of the electrode, which promotes ionization of the inert gas and, therefore, tends to stabilize the arc. The uniform lamellar flow of the inert gas eliminates the vortices which compromised the stability of the arc. The great length along which the electrode is surrounded by the gas stream and the smooth flow of gas prevents damage to the electrode which might otherwise result from the use of current density. also high.
In the device for carrying out the process, the lamellar flow of the non-oxidizing gas can be obtained by means of a gas burner or crater having a practically cylindrical wall, the diameter of which is between 21/3 and 4 times that of the electrode and the length of which is 4 to 8 times its own diameter. Preferably, the length of the electrode is of the order of sixteen times its own diameter for an electrode with a diameter of 1.6 mm and. of six or seven times its own diameter for an electrode of 9.5 mm in diameter, that is to say that it is between 20.75 X a0.449 and 19.8 X a0.548 mm, a being the diameter of the electrode in millimeters.
With the high temperatures reached in operation, we run the risk of melting parts of the device close to the are, in particular the nozzle or gas crater, When the nozzle is made of a refractory material, we do not use no cooling, however, when using a metal spout it is generally necessary to provide fluid cooling for that spout. This cooling should be just sufficient to prevent the nozzle from melting, so as to avoid any appreciable reduction in the temperature of the inert gas stream and the tip of the electrode.
Under the best operating conditions, this end of the electrode is superficially melted, but it is prevented from oxidizing by the lamellar flow of non-oxidizing gas, for example noble monoatomic gas such as helium or argon.
Fig. 1 shows a device T comprising a metal tube S for supplying an electric welding current to an electrode holder H provided with a connection G, serving to fix an electrode E, and for conducting inert gas through orifices K inside a N.
The dimension a is the diameter of the electrode. Dimension b is the bare or unsupported length of the electrode. The dimension c is the diameter of the crater or the internal diameter of the orifice of the spout. The dimension d is the length of the spout, measured from the orifices K to the outer end of the spout N. In this embodiment, the spout N is made of a ceramic material. When alternating current is used for welding, this current may be 25, 50 or 60 periods or of another low frequency.
In the device represented by FIG. 2, the electrode holder H and the nozzle N are both water cooled. The metal tube S communicates with an extension 10, forming an angle with it and cooperating with an annular recess of the electrode holder H to form a water jacket 12, which communicates with the interior of the tube S. water is supplied through a tube 14 and, after passing around the water jacket 12, exits through the tube S. Inert gas is led into the interior of the electrode holder H through a tube 15 and passes through slits K between fingers 16 of the clamping means G up to the inside of the nose N.
The spout N is made of stainless steel and carries an annular recess near its upper end, adjacent to the clamping means G; this recess is closed by a stainless steel strip 18, to form a water jacket 20. The cooling water enters the jacket 20 through a pipe 21 and the hot water leaves it through a pipe 22.
The following table gives the real amperage for the different dimensions of electrodes which will be used in the examples of the arc welding process according to the present invention, with alternating current and direct current.
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Diameter <SEP> Current <SEP> Current
<tb> electrode <SEP> (a) <SEP> alternating <SEP> direct
<tb> in <SEP> mm <SEP> in <SEP> amps <SEP> in <SEP> amps
<tb> 1.6 <SEP> 60-120 <SEP> 100- <SEP> 150
<tb> 2.4 <SEP> 100-160 <SEP> 150- <SEP> 300
<tb> 3.2 <SEP> 150-240 <SEP> 250- <SEP> 500
<tb> 4.7 <SEP> 250-300 <SEP> 500-1000
<tb> 6.4 <SEP> 350-500
<tb> 7.9 <SEP> 500-650
<tb> 9.5 <SEP> 600-750 With these current margins it is possible to arc weld under a blanket of monoatomic gas both very thin and heavy objects, as well as intermediate thicknesses .
Below the minimum amperage of each electrode size, the arc is unstable in direct current welding, with local hot spots on the electrode, and the tip of the electrode is not completely covered by the arch. In alternating current, this state helps recovery. Within the margins given above for DC welding current, the tip of the electrode is completely covered by the arc and the electrode is hot, but not molten. In AC welding within the margins stated above, the arc covers the tip of the electrode and there is no straightening.
The uniform lamellar flow of inert gas, necessary in combination with this high current density, is achieved by giving the gas burner or crater proportions which increase its length. The length d of the crater is, for example, 63 to 102 mm depending on whether the beak or crater is or is not used in hand devices or in machines. The larger crater or nozzle improves the protection of the welding spot as well as the surrounding area by forcing the inert shielding gas to approach the lamellar flow at the outlet end of the nozzle and thus to eliminate vortices that reduce the efficiency of the gas blanket.
The following table represents these basic dimensions of the gas burner:
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Diameter <SEP> of <SEP> Length <SEP> Diameter
<tb> the electrode <SEP> (a) <SEP> of the <SEP> nozzle <SEP> (d) <SEP> of the <SEP> nozzle <SEP> (c)
<tb> in <SEP> mm <SEP> in <SEP> mm <SEP> in <SEP> mm
<tb> 1.6 <SEP> 51 <SEP> 6.4
<tb> 2.4 <SEP> 57 <SEP> 7.9
<tb> 3.2 <SEP> 70 <SEP> 9.5
<tb> 4.7 <SEP> 76 <SEP> 15.9
<tb> 6.4 <SEP> 76 <SEP> 19.1
<tb> 7.9 <SEP> 101 <SEP> 22.2
<tb> 9.5 <SEP> 101 <SEP> 22.2 The length b of the electrode is about 16 diameters for a 1.6 mm electrode and about 6 or 7 diameters for an electrode of 9.5 mm in diameter, the intermediate quantities being placed between these two limits in inverse proportion to the increase in the diameter of the electrode.
With this elongation, the danger of the electrode melting or dropping drops, which could result from the increase in temperature due to the increase in amperage on a given electrode is avoided as a result of better gas protection. Currents of up to 750 amperes were carried by a 9.5 mm diameter electrode, without it being damaged or discolored. The combination of increased nose length and diameter to the extent noted above significantly improved welding conditions. In AC welding, this combination has been found to have the effect of greatly reducing straightening. In direct current welding it has been found that the same combination ensures the production of a constant and stable arc.
In both cases, the weld bead obtained exhibits the qualities inherent in good protection by the gas and a clean appearance; in addition, higher welding speeds can be obtained with greater ease of execution. The tip of the electrode can be kept, for example 25 mm from the workpiece, without interrupting the arc, and much thicker plates can be welded. In the case of AC welding, the high current density and the great length of the electrode do not however ensure a completely balanced wave, the latter still having a DC component.
With the new arrangement of the electrode and the gas burner, the temperature of the protective inert gas is increased, at the same time that a highly ionized passage is created for the reestablishment of the current, when the value of the latter passes through zero.