Procédé de soudage électrique à l'arc et installation pour la mise en ouvre de ce procédé. L'invention a pour objet un procédé de soudage électrique à l'arc et une installation pour la mise en ouvre de ce procédé. Elle a en particulier pour objet un procédé de sou dage à l'aide d'une électrode d'apport nue constituée par un fil métallique relié à une source de courant de soudage, selon lequel. on amorce un arc entre cette électrode et un ouvrage métallique relié à ladite source.
Selon l'invention, on envoie simultanément du gaz non oxydant vers cet arc, de manière à former un écran de gaz sensiblement non turbulent, qui entoure l'arc et le sépare de toute quantité notable d'air, on fait avancer ladite électrode vers l'arc de façon continue et on fournit simultanément à ,cette électrode et audit ouvrage un courant continu suffi sant pour assurer la consommation de l'élec trode à la vitesse d'avance de celle-ci, le pôle positif de ladite source étant relié à l'élec trode et son pôle négatif étant relié à l'ou- rage.
L'installation pour la, mise en oeuvre du procédé est caractérisée par des moyens pour envoyer du gaz non oxydant vers l'arc, pour l'entourer d'un écran de gaz, par des moyens destinés à. faire avancer l'électrode vers l'arc de façon continue et par des moyens d1ali- mentation capables de fournir à l'électrode et à l'ouvrage un courant continu suffisant pour assurer la consommation de l'électrode à la vitesse d'avance de celle-ci. Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'instal lation et illustre le procédé objet de l'inven tion.
Fig. 1 est une représentation schématique de ladite forme d'exécution de l'installation. Fig. 2 est une représentation schématique d'un outil de soudage en forme de pistolet, prévu pour le soudage semi-automatique, et fig. 3 est un diagramme illustrant les con ditions de soudage avec une électrode d'alu minium de 1,6 mm de diamètre.
Dans l'installation représentée à la fig. 1, une électrode 5, constituée par un fil métal lique, est déroulée d'une bobine 8 maintenue dans un support 9, et ce fil est avancé au moyen de rouleaux d'alimentation 6, entraî nés par un moteur 7. Les rouleaux 6 servent à faire avancer l'électrode à l'intérieur d'un conduit 4 de longueur déterminée, reliant le dispositif d'alimentation à une tête de sou dage. Une bouteille de gaz 14 sert à fournir un gaz inerte destiné à former un écran de gaz autour de l'arc. Le conduit d'alimentation en gaz comprend une soupape de réduction 15, un indicateur de débit 16, une soupape 17 actionnée par un électro-aimant, et un tube 13 reliant la soupape 17 au conduit 4.
Le gaz s'écoule à travers le conduit 4, dans un espace ménagé entre son enveloppe et l'électrode 5, avancée dans ce conduit par les rouleaux d'alimentation 6. Un générateur ou une source convenable de courant de soudage 19 est relié par un conducteur 20 à l'ouvrage métallique 18 de vant être soudé, l'autre pôle de ce générateur étant relié par un conducteur 21 à un sabot de contact 10 disposé dans une tête de sou dage 11, ce sabot et cette tête étant en con tact électrique avec l'électrode 5. Un contac teur 47a est représenté en série avec le con ducteur 21.
La source de courant de soudage 19 est de préférence un générateur à courant continu pour soudage électrique du type dans lequel la tension aux bornes décroît fortement lors que le courant débité augmente, la courbe re présentant cette tension en fonction du cou rant s'infléchissant et retombant vers l'axe des tensions zéro lorsque le courant débité augmente. Le pôle négatif de ce générateur est relié à l'ouvrage, et son pôle positif est relié à l'électrode, si bien que l'arc de sou dage est de polarité dite inversée .
Dans l'installation représentée, la liaison de la source de courant de soudage avec l'élec trode et avec l'ouvrage, l'avance de l'élec trode et l'alimentation en gaz protecteur sont commandées par divers contacts de relais et d'interrupteurs. Un relais 30 comprend un enroulement d'actionnement branché entre l'électrode et l'ouvrage, de façon que ce relais soit directement influencé par la tension appliquée entre ces éléments.
L'enroulement du relais 30 est relié à l'ou vrage 18 par une connexion 29 et à l'élec trode par l'intermédiaire de contacts de relais 23a et de connexions 28, 25 et 22 disposées en série. Lorsque l'enroulement du relais 30 est excité, ce relais ferme ses contacts 30a dispo sés dans un circuit comprenant des con nexions 3l et 32 reliant une source d'énergie électrique adéquate, par exemple un réseau de courant alternatif à 110 volts, au moteur d'avance 7. Ce relais ferme également ses contacts 30b, disposés en série avec l'enroule ment d'actionnement d'un relais 60.
Le mo teur d'avance 7 est relié à ladite source d'éner gie électrique par l'intermédiaire de contacts 30a du relais 30 et de contacts 60a du relais de commande 60, et 47.a d'un relais de com mande 41.
Le relais de commande 41 comprend un enroulement d'actionnement branché aux bornes d'une source de tension réduite adé quate, constituée par l'enroulement secondaire 35 d'un transformateur 34 dont l'enroulement primaire 33 est relié aux conducteurs d'ali mentation 31 et 32. Le circuit de l'enroule ment du relais 41 comprend une connexion 40, des contacts d'un interrupteur manuel 38 et des connexions 39, 37, 36 et 42. De préfé rence, les contacts 38 de l'interrupteur ma nuel sont montés dans la poignée du pistolet de soudage, comme représenté à la fig. 2. Cet interrupteur est alors maintenu en position ouverte, sauf lorsqu'il est fermé sous l'effet d'une pression manuelle.
Le circuit de commande représenté à la fig. 1 comprend également un relais contac teur 47, disposé pour actionner les con tacts 47c du contacteur disposé dans le circuit de soudage. L'enroulement d'aetionne- ment de ce relais 47 est branché entre les connexions d'alimentation 31 et 32, de façon à être excité dès que les contacts 41a sont fermés du fait de l'actionnement du relais 41 commandé par l'interrupteur manuel 38.
Ce circuit de commande comprend également un relais 23, qu'on pourrait appeler relais de verrouillage , et qui est branché à la con nexion 25, par l'intermédiaire d'une résistance 26 shuntée par un condensateur 27, et à l'ou vrage 18, par l'intermédiaire de la con nexion 29.
Le relais 23 est ainsi sensible à la tension appliquée entre l'électrode et l'ouvrage et il est conformé de façon telle qu'il ne soit. ac tionné que lorsque cette tension est voisine ou égale à. la tension fournie à vide par le générateur de soudage.
Le relais 23 commande des contacts 23a, disposés en série avec l'enroulement d'act.ion- nement du relais 30, et 23b, disposés en série avec l'enroulement d'actionnement du relais 60. Le relais 60 est un relais retardé dans le temps, conformé de façon à n'être actionné que lorsque la tension appliquée entre l'élec trode et l'ouvrage dépasse une tension de sou dage normale déterminée. Le retard de ce relais doit seulement être assez grand pour empêcher qu'il ne soit actionné pendant le temps que le relais 23 prend pour fermer ses contacts, lorsque l'interrupteur 38 est initiale ment actionné.
Avec une installation telle que celle dé crite, on se rend compte que, lorsque l'opéra teur saisit la poignée 53 de la tête de sou dage 11. et qu'il appuie sur le bouton de l'in terrupteur 38 constituant une détente, cet interrupteur ferme les contacts 41.a du cir cuit d'alimentation auxiliaire représenté p:ar les conducteurs 31 et 32. Du courant est ainsi fourni à l'enroulement d'actionnement du re lais 47 qui est excité et qui ferme les contacts du contacteur 47a, dans le circuit de soudage, appliquant ainsi la tension fournie par la source de courant de soudage entre l'élec trode 5 et l'ouvrage 18, par l'intermédiaire du conducteur 20, du contacteur 47a et du con ducteur 21.
Simultanément, du courant- est fourni à un électro-aimant 50 destiné à ac tionner la soupape 17, disposée dans le coaa- duit d'alimentation en gaz, si bien que du gaz inerte s'échappe de la bouteille 14 et par vient dans le conduit. 4 à travers lequel il s'écoule jusque dans la tête de soudage.
Ce gaz sort de cette tête autour de l'élec trode 5 pour former un écran de gaz et pour éloigner l'air de la région située entre l'extré mité de l'électrode et l'ouvrage, dès que ces éléments sont approchés l'un de l'autre. Dès que la tension de soudage est appliquée entre l'électrode et l'ouvrage, toute la tension four nie par la source de courant de soudage est disponible pour exciter le relais de verrouil lage 23 qui ouvre immédiatement ses contacts 23a et 23b, empêchant ainsi les relais 30 et 60 d'être excités, tant que le circuit de son dage n'est pas chargé.
L'opérateur déplace ensuite le pistolet jus qu'à ce que l'électrode 5 vienne toucher l'ou vrage 18, puis il éloigne à nouveau cette élec trode de cet ouvrage pour amorcer un arc. Lorsque l'électrode touche l'ouvrage, le relais de verrouillage 23 est court-circuité et per met à ses contacts 23a de se fermer et (le relier le relais 30 entre l'électrode et l'ou vrage. Les contacts 23b se ferment également. Dès que l'arc est amorcé et qu'une tension de soudage normale est appliquée entre l'élec trode et l'ouvrage, le relais de commande 30 est excité et ferme ses contacts 30a, disposés dans le circuit d'alimentation du moteur d'avance 7, et ses contacts 30b, disposés en série avec l'enroulement du relais 60.
Le mo teur 7 se met en marche et continue à tour ner à vitesse constante pour faire avancer l'électrode 5 dans la direction de l'arc. Ces conditions de fonctionnement sont maintenues tant qu'une tension de soudage normale est appliquée entre l'électrode et l'ouvrage. Lors que la tension d'arc s'approche d'une valeur dite de court-circuit, le relais de commande 30 cesse d'être excité et il interrompt l'ali mentation du moteur d'avance 7 et arrête l'avance de l'électrode vers le pistolet et vers la tête de soudage. L'avance de l'électrode re prend immédiatement dès que la tension de soudage augmente et dépasse cette valeur, voi sine de la tension dite de court-circuit.
Lors que la tension d'arc dépasse la valeur de sou dage normale, le relais 60 est excité et ouvre ses contacts 60a, normalement fermés, cou pant ainsi le circuit d'alimentation du mo teur d'avance 7 et interrompant l'avance de l'électrode, coupant aussi le circuit du relais 47 et ouvrant le contacteur 47a, et interrotn- pa.nt simultanément l'alimentation en gaz en coupant le circuit de l'électro-aimant 50.
Dans l'installation représentée, le relais (le commande 30 est, branché de faon à être direc tement sensible aux conditions de tension aux bornes de l'arc. Cette disposition est. préfé rable à une disposition selon laquelle ce relais de commande serait simplement branché aux bornes de la source de courant de soudage, du fait qu'elle élimine tout effet qui pourrait sans cela être dû à la chute de tension appré ciable qui se produit dans les conducteurs reliant la source de courant de soudage à l'électrode et à l'ouvrage.
Il est évident qu'aussi longtemps que l'in terrupteur à pression 38, disposé sur la poi gnée du pistolet, est maintenu fermé, la sou pape à électro-aimant commandant l'alimen tation en gaz inerte reste ouverte pour assu rer une alimentation continue en gaz protec teur de la tête de soudage, sauf pendant les courts intervalles durant lesquels le relais 60 est excité. Lorsque cet interrupteur manuel est relâché, les contacts 38 s'ouvrent et le relais de commande 41 cesse d'être excité, ouvrant ses contacts 41a pour interrompre l'excitation de l'électro-aimant actionnant la soupape et du relais 47 actionnant les con tacts du contacteur 47a, interrompant ainsi l'alimentation en gaz de la tête de soudage et déconnectant la source de courant de sou dage.
On pourrait, si on le désire, supprimer le relais 47 et les contacts du contacteur 47a. Dans ce cas, le relais de verrouillage 23 serait excité aussitôt que l'électrode et l'ouvrage sont reliés à. la source de courant de soudage à l'aide d'autres moyens convenables quelcon ques. Cependant, dans la plupart des cas, il est préférable d'utiliser un relais 47 comman dant les contacts d'un contacteur 47a, la dis position étant telle que ces contacts sont ac tionnés pour relier la source de courant de soudage à l'électrode et à l'ouvrage à l'ins tant auquel l'alimentation en gaz de la tête de soudage est provoquée par la fermeture de l'interrupteur de commande 38. Cet interrup teur de commande unique sert ainsi à com mander simultanément l'alimentation en gaz et en courant de soudage.
Si l'arc devient trop long, du fait d'une panne dans l'avance de l'électrode ou pour une autre raison, le relais 60 est excité et ouvre ses contacts 60a pour couper l'alimen tation du relais 47 et interrompre le circuit du générateur de soudage, si bien que l'arc est interrompu.
On comprendra que le relais 23 est con formé de façon à ne pouvoir être actionné que sous l'effet de la tension à vide produite par la source de courant de soudage ou d'une ten- sion voisine de cette tension à vide, tandis que le relais 60 est conformé pour fonctionner sous l'effet d'une tension légèrement plus éle vée que la tension d'arc normale. Le relais SO ne peut être excité qu'après que l'arc a été amorcé, lorsque, pour une raison quelconque, cet arc est trop long.
Dans de telles conditions, le relais 60 est excité et ouvre ses contacts 60a de faon à interrompre l'excitation du relais 47 et à ou vrir les contacts du contacteur 47a. L'ouver ture des contacts 60a a également pour effet d'interrompre l'excitation de l'électro-aimant 50, qui laisse se refermer la soupape 17, et d'interrompre l'alimentation. du moteur d'avance 7. Lorsqu'on relâche alors l'interrup teur 38, toutes les commandes se retrouvent dans leurs états primitifs de départ décrits précédemment..
Cependant, si on maintient fermé l'interrupteur 38, le relais 60 cesse alors immédiatement d'être excité du fait que la. tension de soudage est supprimée par l'ou verture du contacteur 47a. Le relais du con tacteur 47 est alors à nouveau excité, la sou pape 17 pour le gaz s'ouvre à nouveau et les conditions de départ normales sont à nouveau établies. On remarquera que l'avance de l'élec trode ne peut être interrompue sans ouvrir simultanément le contacteur 47cs et éteindre ainsi l'arc.
Il est recommandable de disposer un inter rupteur à poussoir 43 sur la poignée du pis tolet, cet interrupteur étant disposé en série avec l'enroulement d'actionnement d'un relais 46 dont les contacts 46a, sont disposés dais un circuit auxiliaire, de façon à pouvoir court- circuiter les contacts 41a, 60a, et 30a. Ainsi, lorsque l'interrupteur 43 est, fermé, le relais 46 est excité par l'intermédiaire de con nexions 42, 45, 44 et 36, et le moteur 7 est alimenté à travers les contacts 46a, que l'élec trode et l'ouvrage soient ou non reliés à la source de courant de soudage.
Cet. interrup- teur-poussoir sert ainsi à. faire avancer l'élec trode dans la tête de soudage lorsque le cir cuit de soudage est ouvert, une telle avance étant utile pour régler la pointe de l'électrode avant de commencer une opération de sou- dage. La résistance 26 et le condensateur 27 reliés à l'enroulement d'actionnement du re lais de verrouillage 23 assurent une action rapide de ce relais, si bien qu'il cesse très vite d'être excité lorsque des conditions de court-circuit sont produites en touchant l'ou vrage avec l'électrode avant d'amorcer l'arc.
Cette disposition assure que les contacts 23a se referment rapidement, ces contacts com mandant l'excitation du relais de com mande 30.
L'installation décrite constitue une instal lation semi-automatique. Lorsqu'on utilise une telle installation, l'opérateur déplace le pisto let à la main de faon que l'extrémité de l'électrode d'apport qui se consume suivre le contour de la soudure qu'on désire effectuer au fur et à mesure que l'opération de sou dage est exécutée, le fil métallique constituant l'électrode étant automatiquement avancé à travers le pistolet que tient l'opérateur.
Cependant, le procédé objet de l'invention est susceptible d'être appliqué à l'aide d'au tres genres d'installations . de soudage, par exemple à l'aide d'installations dans lesquelles l'électrode est portée et est déplacée au moyen d'une machine dans laquelle le support de l'électrode est fixe, l'ouvrage étant déplacé par rapport à l'électrode au fur et à mesure que s'effectue l'opération de soudage, tandis que l'électrode est avancée vers cet ouvrage au fur et à mesure qu'elle se consume.
Le courant de soudage passe par l'élec trode et un arc est maintenu entre l'extré mité de celle-ci et l'ouvrage. Le courant de soudage peut être fourni par un générateur de soudage à courant continu normal. De tels générateurs, y compris les générateurs à ten sion constante prévus pour plusieurs postes de soudage manceuvrés par plusieurs opéra teurs, sont adéquats. En effet, ces généra teurs fournissent une tension d'arc qui dé croît fortement lorsque le débit de courant dans l'arc augmente.
De préférence, le gaz non oxydant utilisé est un gaz inerte, tel que l'argon ou l'hélium., et l'arc est amorcé et maintenu avec une pola- rité dite inverse . On a découvert que, dans ces conditions, l'opération de soudage est grandement améliorée et que l'appareillage de commande, nécessaire pour assurer le fonc tionnement automatique de l'installation, peut être considérablement simplifié. Ainsi, il n'est dès lors pas nécessaire d'utiliser un dispositif d'avance à vitesse variable pour l'électrode d'apport, un simple dispositif d'avance à vi tesse constante étant suffisant du fait de l'amélioration de l'opération de soudage, grâce à la grande vitesse d'avance du fil mé tallique constituant l'électrode et à la grande densité de courant utilisée.
Cette grande den sité de courant, conjointement avec la grande vitesse d'avance de l'électrode, assure un ré glage extrêmement rapide et automatique de la longueur de l'arc. Par conséquent, tout manque de sûreté de la part de la main de l'opérateur, qui guide le pistolet le long de la soudure devant être effectuée, est rapide ment et automatiquement compensé dans l'arc lui-même, sans qu'il soit nécessaire de faire varier la vitesse d'avance de l'électrode dans le pistolet.
De plus l'utilisation d'une telle densité de courant considérable et d'une telle grande vitesse de l'avance de l'électrode, celle-ci étant protégée par un écran de gaz inerte et l'arc présentant une polarité inver sée, permet d'obtenir d'excellentes soudures dans toutes les conditions, du fait que le mé tal de l'électrode est projeté axialement à par tir de celle-ci en un courant régulier de gout telettes ou en un jet de force suffisante pour amener le métal fondu exactement à l'endroit où cela est nécessaire, par exemple à la racine de jointures par ailleurs inaccessibles ou dans des jointures verticales ou disposées au-dessus du pistolet.
Dans cette condition, ce trans port régulier de métal ainsi projeté s'effectue, par exemple, avec une électrode constituée par un fil d'aluminium de 1,6 mm de diamètre, pour un courant égal ou supérieur à 160 am pères, c'est-à-dire pour une densité de courant d'au moins 80 ampères par mm2. La densité de courant nécessaire varie selon la matière constituant l'électrode et selon la section de celle-ci. On a constaté qu'on obtenait les meilleurs résultats lorsqu'on utilisait un gaz protecteur inerte, amené autour de l'arc de faon à for mer une enveloppe sensiblement laminaire de gaz protégeant cet arc.
De façon générale, ce résultat peut être obtenu en amenant le gaz de telle façon qu'il s'écoule axialement dans la direction générale du fil métallique constituant l'électrode, ce courant de gaz étant sensiblement exempt de composantes de vi tesse circonférentielles ou tourbillonnaires. Par exemple, on a constaté que, lorsque le courant de gaz présente une composante de vitesse circonférentielle autour de l'axe de l'électrode, lorsque ce gaz sort de la tête de soudage au voisinage de l'arc, il entraîne de l'air de façon telle que ce dernier a une action nuisible sur la soudure.
Dans l'installation décrite, le moteur d'avance 7 de l'électrode est, de préférence, un moteur à vitesse réglable fonctionnant à une vitesse fixe après qu'il a été réglé pour obtenir la vitesse désirée.
La vitesse d'avance de l'électrode ainsi réglée dépend de la section. de cette électrode et de sa composition, mais, de préférence, cette vitesse est supérieure à 40 mm par se conde. La source de courant de soudage, tel que le générateur à courant continu 19 re présenté au dessin, est également de préfé rence ajustable de façon à pouvoir fournir à l'électrode et à l'ouvrage un courant suffi sant pour assurer la consommation de l'élec trode à la vitesse selon laquelle celle-ci est avancée vers l'arc.
On a constaté qu'en avançant l'électrode vers l'ouvrage à grande vitesse et en utili sant une forte densité de courant, la longueur de l'arc est maintenue sensiblement constante selon nn réglage qu'on pourrait appeler ré glage automatique rapide. Toute tendance de l'arc à devenir trop long a pour effet de faire diminuer automatiquement et de façon correspondante le courant. de soudage, du fait de la caractéristique tension-courant inflé chie et retombante de la source de courant de soudage.
De plus, on a découvert qu'aux grandes densités de courant utilisées, la vi- tesse de consommation de l'électrode décroît lorsque la longueur et la tension de l'arc aug mentent, bien que la quantité d'énergie élec trique consommée augmente. Ainsi, avec une électrode d'aluminium de 1,6 mm de diamètre protégée par un courant d'argon (voir fig. <B>13</B>), même si le courant restait constant lorsque la. longueur et la tension de l'arc augmentent, la vitesse de consommation de l'électrode se rait réduite.
La combinaison de ces facteurs, c'est- à-dire l'effet de la caractéristique tension- courant infléchie et retombante et la diminu tion de la vitesse de consommation de l'élee- trode due à une augmentation de la tension, a un effet tel que l'extrémité de l'électrode retourne rapidement à sa position moyenne normale par rapport à l'ouvrage.
De même, si l'arc devient trop court, le courant aug- mente automatiquement à. cause de la carae- téristique tension-courant retombante de la source de courant de soudage, et la diminu tion de la tension d'arc, consécutive à cette augmentation de courant, contribue également à augmenter la vitesse de consommation de l'électrode, comme indiqué à la fig. 3, ces deux facteurs agissant conjointement pour assurer un rapide allongement de l'arc dont la longueur est ramenée à la valeur moyenne désirée.
De cette façon, toute faible variation de la longueur de l'arc, due à un manque de sûreté de la part de la main de l'opérateur ou à toute autre cause, est automatiquement compensée, et on est en droit de croire que de meilleurs résultats sont ainsi obtenus qu'avec tout autre type d'installation comprenant un dispositif de commande de la vitesse d'avance de l'électrode, destiné à modifier cette vitesse d'avance conformément aux modifications de la longueur de l'arc.
A la fig. 3, on remarquera que la pente de chacune des courbes représentées est plus faible vers le bas de cette courbe que dans sa partie correspondant à de grandes tension d'arc. Il s'ensuit qu'une faible modification de la tension d'arc a pour effet une plus grande modification de la vitesse de consom mation de l'électrode dans les régions des courbes voisines de leurs extrémités infé rieures que dans leurs régions relatives aux grandes tensions d'arc.
Cette caractéristique est très favorable du fait que, lorsque l'arc se rapproche des con ditions de fonctionnement en court-circuit et que la tension d'arc est par conséquent dimi nuée, la correction automatique est accélérée.
Selon les procédés connus pour le soudage (le métaux à l'arc sous protection de gaz, la vitesse de consommation de l'électrode est sensiblement proportionnelle au courant (le soudage et elle augmente généralement lors que la tension de l'arc augmente, pour un cou rant donné quelconque. Par exemple, avec une électrode d'aluminium de 4,8 mm de diamètre et avec un courant (le soudage de 250 am pères et une tension d'arc de 29 volts, la vi tesse de consommation de l'électrode est d'en viron 13 mm par seconde. Dans ces condi tions, si la longueur de l'arc est augmentée de façon que la tension d'arc devienne égale à 32 volts, le courant de soudage tombe à en viron 238 ampères et la vitesse de consom mation de l'électrode n'est. plus que de 12 mm par seconde, tandis que le fil constituant l'électrode est avancé à une vitesse de 13 mm par seconde.
L'arc tend par conséquent à se raccourcir de 1 mm par seconde. Lorsqu'on utilise au contraire des grandes densités de courant et une vitesse élevée d'avance de l'électrode correspondante, un accroissement de la longueur de l'arc est accompagné d'un accroissement de la tension d'arc. Mais, même si le courant de soudage reste constant, la vitesse de consommation de l'électrode est moindre en dépit du fait que davantage d'énergie est dissipée dans l'arc.
Il est par conséquent évident que lors qu'une telle densité de courant élevée est uti lisée, la vitesse de consommation de l'élec trode, pour un courant donné, n'augmente pas avec la tension d'arc, comme lorsqu'une den sité de courant faible est employée pour l'opé ration de soudage.
Le transport du métal par l'arc obtenu dans le procédé illustré est essentiellement différent du transport goutte à goutte obtenu aux densités de courant utilisées jusqu'ici dans les procédés connus de soudage à l'arc sous protection.
Le métal fondu est projeté à partir (le l'extrémité du fil métallique constituant l'électrode et la densité du courant peut être suffisamment grande pour que le métal soit transporté sous forme d'un jet. conique de fines gouttelettes, ou pratiquement de métal pulvérisé. La force projetant ces gouttelettes de métal est suffisante pour vaincre la pesan teur et il est par conséquent possible d'effec tuer des soudures satisfaisantes au-dessus de l'électrode, des soudures verticales ou des soit- dures vers le bas clans des conditions égale ment satisfaisantes.
On a constaté que le procédé illustré peut être utilisé avantageusement avec l'un quel conque des métaux ou des alliages suivants:
EMI0007.0002
<I>I. <SEP> - <SEP> Dlétaux <SEP> ferreux.</I>
<tb> <I>A. <SEP> Ferritiques:</I>
<tb> 1 <SEP> Acier <SEP> au <SEP> carbone <SEP> ordinaire.
<tb> 2 <SEP> Acier <SEP> allié.
<tb> <I>B. <SEP> Austénitiques:</I>
<tb> 1 <SEP> Type <SEP> à <SEP> 18 <SEP> 0/o <SEP> de <SEP> chrome <SEP> et <SEP> 8 <SEP> 0/o <SEP> de
<tb> nickel.
EMI0007.0003
II. <SEP> <I>- <SEP> Dlétaux <SEP> non <SEP> ferreux.</I>
<tb> <I>A. <SEP> Aluminium <SEP> et <SEP> ses <SEP> alliages:</I>
<tb> 1 <SEP> Aluminium <SEP> pur <SEP> - <SEP> type <SEP> 2S.
<tb> 2 <SEP> Alliages <SEP> d'aluminium <SEP> - <SEP> type <SEP> 3S.
<tb> 3 <SEP> Alliages <SEP> d'aluminium <SEP> - <SEP> type <SEP> 43S.
<tb> 4 <SEP> Alliages <SEP> d'aluminium <SEP> - <SEP> type <SEP> 716.
<tb> <I>B. <SEP> Cuivre:</I>
<tb> 1 <SEP> Cuivre <SEP> désoxydé.
<tb> 2 <SEP> Alliages <SEP> de <SEP> cuivre <SEP> - <SEP> bronze
<tb> phosphoreux.
<tb> 3 <SEP> Alliages <SEP> de <SEP> cuivre <SEP> - <SEP> bronze
<tb> d'aluminium.
<tb> <I>C. <SEP> Magnésium:</I>
<tb> 1 <SEP> Alliage <SEP> de <SEP> magnésium, <SEP> type <SEP> JI
<tb> (6 <SEP> 0/o <SEP> d'aluminium <SEP> et <SEP> 10/o <SEP> de <SEP> zinc).
Il est fort probable que ce procédé puisse également être avantageusement employé avec d'autres métaux et d'autres alliages de sou dure, par exemple avec d'autres métaux fer- roux tels que les aciers à haut pourcentage de manganèse, les aciers à haut pourcentage de nickel, etc., et avec d'autres métaux non ferreux.
Pour donner un exemple typique, on a constaté qu'avec une électrode constituée par un fil d'aluminium de 1,6 mm de diamètre, protégé par un courant d'argon, d'excellents résultats sont obtenus lorsque le fil est avancé à une vitesse constante de 68 mm par seconde, le courant de soudage étant compris entre 130 et 180 ampères selon la longueur de l'arc. et le réglage du générateur.
En général, on peut dire qu'avec des électrodes en aluminium, la relation entre la densité de courant optimum <I>D</I> dans l'électrode et la vitesse d'avance P optimum de cette électrode peut être expri mée par D = 1,22 B + C, où C est compïis entre -16 et -f-16, D étant la densité du courant en ampères par mm2 et B étant la vitesse d'avance de l'électrode en mm par se conde.
Lorsqu'on utilise des électrodes présentant une très faible résistance électrique, par exemple des électrodes d'aluminium ou de cuivre, il ne se produit pas de chauffage appré ciable de l'électrode par résistance, le long de cette électrode entre le sabot de contact et l'arc.
Même lorsqu'on utilise des électrodes pré sentant une résistance électrique plus élevée, ce chauffage par résistance peut être négli geable car, en aucun cas, il n'est nécessaire d'utiliser un chauffage par résistance pour amorcer l'arc ou pour le maintenir.
Selon le procédé décrit, le métal est trans porté de l'électrode à l'arc presque unique ment du fait de la chaleur intense produite dans cet arc. lui-même. On a constaté qu'avec une électrode d'aluminium de 1,6 mm de dia mètre, qu'on fait avancer vers l'arc à une vi tesse constante de 61,5 mm par seconde, un courant de soudage de 140 ampères et une tension d'arc voisine de 20 volts assurent des conditions de soudage stables et favora bles, lorsqu'on utilise un courant d'argon pro tecteur. Des oscillogrammes prouvent que les glo bules de métal transportés par l'arc, lorsque l'électrode est maintenue dans une position horizontale, sont projetés à partir de l'extré mité de l'électrode vers l'ouvrage à un taux d'environ 31 globules par seconde.
Ainsi, 1,8 mm de fil est consommé pour chaque glo bule ainsi transporté.
On a remarqué que ces globules étaient de dimension suffisante pour court-circuiter l'arc pendant un instant, chaque fois qu'un globule est déformé et est sur le point de quitter l'électrode. Le transport de métal ainsi obtenu a pour effet de produire un arc cré pitant et, bien que du métal puisse ainsi être déposé dans des positions verticales ou au dessus de l'électrode, ce mode de fonctionne ment n'est pas le plus désirable pour obtenir les gouttes de soudure de la meilleure et de la plus saine apparence possible.
En accrois sant encore le courant à 160 ampères et la, tension à 23 volts tout en maintenant la vi.. tesse d'avance à 61,5 mm par seconde, on obtient un arc d'environ 6,35 mm de long et une véritable projection ou pulvérisation de métal. Le transport du métal est alors effec tué sous forme de plus petites gouttes de mé tal fondu passant de l'électrode à l'ouvrage à un taux de 49 gouttelettes par seconde, si bien qu'une longueur d'électrode de 1,25 mm est. consommée par gouttelette. Ces gouttelettes discrètes sont projetées à partir du fil consti tuant l'électrode jusqu'à l'ouvrage sans cause. de court-circuitage de l'arc.
Dans ces condi tions, on a constaté que le métal fondu était projeté axialement à partir de l'extrémité de l'électrode plutôt que le long du chemin le plus court entre l'électrode et l'ouvrage, ces fines gouttelettes discrètes formant un noyau nettement différencié de métal transporté.
En général, on peut dire que la densité du courant devrait être suffisante pour pro jeter le métal horizontalement le long d'un arc, c'est-à-dire à partir d'une électrode main tenue en position horizontale jusqu'à un ou vrage présentant à l'électrode une surface verticale. Si l'intensité ou la densité du courant n'est pas suffisante pour projeter axialement le métal fondu à partir de l'électrode vers l'ouvrage, sous forme d'un jet de pulvérisa tion de fines gouttelettes discrètes entourées par l'écran de gaz (ou, dans le cas d'une élec trode d'aluminium de 1,6 min de diamètre, pour transporter le métal à un taux d'environ 34 gouttelettes par seconde), les résultats ne sont pas satisfaisants.
Par exemple, avec l'électrode d'aluminium de 1,6 mm de diamètre qu'on fait avancer à la vitesse de 61,5 mm par seconde et avec une protection d'argon, si le courant est ré duit à 120 ampères et la tension d'arc à <B>18</B> volts, on a constaté que lorsque l'électrode est maintenue en position horizontale, un arc d'environ 6,35 min de long est maintenu, au cun transport de métal n'ayant lieu entre l'électrode horizontale et une plaque verti cale constituant l'ouvrage opposé à cette élec trode.
De gros globules se forment à l'extrémité de l'électrode et se détachent de celle-ci pour tomber par gravité. Chaque fois qu'un tel globule quitte l'extrémité de l'électrode, la tension d'arc augmente momentanément et un oscillogramme a montré que ces globules étaient produits à une vitesse de seulement globules par seconde dans ces conditions <B>3</B> particulières. L'utilisation de la polarisation inverse est particulièrement avantageuse lorsque l'arc est protégé par un gaz inerte.
Dans ces condi tions, on a constaté qu'un effet de nettoyage ou de décapage se produit, toute pellicule d'oxyde étant arrachée par crépitement de la cathode sous l'effet du bombardement de celle-ci par des ions positifs, si bien qu'une excellente fusion du métal d'apport avec l'ou vrage est assurée. L'utilisation d'un arc de polarité inverse n'entraîne aucun effet nui sible de surchauffage de l'électrode positive, cette électrode étant avancée vers l'arc à une vitesse si grande qu'un tel surchauffage ne peut se produire. De plus, grâce à. la polarité inversée de l'arc, la chaleur est concentrée dans le métal de l'ouvrage, assurant ainsi une pénétration adéquate du métal d'apport. Ce pendant, on a constaté qu'un arc de polarité non inversée est préférable lorsqu'on utilise une électrode de laiton.
Le gaz fourni à partir de la bouteille 14 est de préférence un gaz inerte monoatomique tel que de l'hélium ou de l'argon. Cependant, on comprendra que dans certains buts il puisse être préférable d'utiliser un gaz réducteur plutôt qu'un gaz inerte. Par exemple, des résultats satisfaisants ont été obtenus en utilisant une électrode en fil d'acier d'un diamètre de 1,6 mm avec un courant de soudage de 260 ampères, la vitesse d'avance de ce fil vers l'arc étant d'environ ÎO mm par seconde et le gaz utilisé étant un mélange de monoxyde et de dioxyde de car bone.
On a constaté qu'un très grand domaine de puissance peut être utilisé pour assurer -Lui soudage satisfaisant selon le procédé décrit, particulièrement lorsque l'électrode est en acier inoxydable. On a par exemple constaté qu'avec une électrode en fil d'acier inoxyda ble, la puissance de soudage peut être modi fiée dans un domaine d'environ 5000 watts, tandis qu'avec les procédés de soudage usuel, à. l'aide d'une électrode recouverte de même dimension, le domaine de puissance admissible est d'environ 500 watts seulement. On a cons taté que pour obtenir le meilleur effet pro tecteur de l'arc à l'aide d'un gaz de protec tion, ce gaz doit s'échapper d'une ouverture de façon à assurer la production d'une enve loppe de gaz sensiblement laminaire dans la zone de soudure.
Si le gaz est fourni autour de l'arc d'une façon. telle qu'il soit animé d'une vitesse circonférentielle sensible ou d'une composante de vitesse tourbillonnaire, de l'air est entraîné avec le gaz de protection en quantités telles que la protection devient inefficace. D'autre part, si le gaz est fourni de façon qu'il s'écoule dans la direction géaé- xale de l'avance de l'électrode, sans être animé d'une vitesse circonférentielle sensible ou d'une composante relative autour de l'élec trode, l'enveloppe de gaz entourant l'arc est sensiblement laminaire et jusqu'à 90 1/o de l'air peut être éloigné de la zone de soudage par une telle enveloppe de gaz.
Dans l'installation représentée, le gaz est fourni au pistolet par un conduit 13, reliant la bouteille 14 au conduit 4, qui entoure le fil 5 constituant l'électrode. Le gaz s'écoule le long du conduit 4 et pénètre dans une cham bre à gaz ménagée dans la tête de soudage, à. partir de laquelle il s'échappe vers l'extré mité de l'électrode, dans la direction générale de celle-ci. Si on le désire, des baffles ou un écran, tel que celui représenté en 3 à la fig. 1, peuvent être disposés dans le conduit 4 ou dans la chambre à gaz, à l'intérieur de la tête de soudage, pour annuler toute vitesse circonférentielle dont le gaz pourrait sans cela être animé et pour assurer un écoulement axial du gaz de protection vers l'orifice de sortie et à travers cet orifice voisin de l'extré mité de l'électrode.
Dans la description qui précède et dans les revendications qui vont suivre, on emploie le terme électrode d'apport nue constituée par un fil métallique pour désigner des fils nus ordinaires de métal d'apport et égale ment des fils de métal d'apport recouverts d'un léger revêtement ou badigeonnage, par opposition aux électrodes recouvertes d'une épaisse couche de fondant. De même, le terme électrode d'aluminium est utilisé pour dé signer indifféremment des électrodes d'alu minium et des électrodes d'alliages d'alumi nium.
Electric arc welding process and installation for implementing this process. The subject of the invention is an electric arc welding process and an installation for implementing this process. It relates in particular to a welding process using a bare filler electrode consisting of a metal wire connected to a welding current source, according to which. an arc is struck between this electrode and a metal structure connected to said source.
According to the invention, non-oxidizing gas is simultaneously sent towards this arc, so as to form a screen of substantially non-turbulent gas, which surrounds the arc and separates it from any significant quantity of air, said electrode is advanced towards the arc continuously and simultaneously supplied to this electrode and to said structure a direct current sufficient to ensure consumption of the electrode at the speed of advance thereof, the positive pole of said source being connected to the elec trode and its negative pole being connected to the light.
The installation for the implementation of the method is characterized by means for sending non-oxidizing gas towards the arc, to surround it with a gas screen, by means intended for. advancing the electrode towards the arc continuously and by means of power supply capable of supplying the electrode and the work with sufficient direct current to ensure the consumption of the electrode at the rate of advance of this one. The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the installation and illustrates the method which is the subject of the invention.
Fig. 1 is a schematic representation of said embodiment of the installation. Fig. 2 is a schematic representation of a gun-shaped welding tool, intended for semi-automatic welding, and FIG. 3 is a diagram illustrating the welding conditions with a 1.6 mm diameter aluminum electrode.
In the installation shown in fig. 1, an electrode 5, consisting of a lique metal wire, is unwound from a spool 8 held in a support 9, and this wire is advanced by means of feed rollers 6, driven by a motor 7. The rollers 6 serve to advance the electrode inside a duct 4 of determined length, connecting the supply device to a soldering head. A gas cylinder 14 serves to supply an inert gas to form a gas shield around the arc. The gas supply duct comprises a reducing valve 15, a flow indicator 16, a valve 17 actuated by an electromagnet, and a tube 13 connecting the valve 17 to the duct 4.
The gas flows through the conduit 4, in a space formed between its casing and the electrode 5, advanced into this conduit by the feed rollers 6. A generator or a suitable source of welding current 19 is connected by a conductor 20 to the metal structure 18 to be welded, the other pole of this generator being connected by a conductor 21 to a contact shoe 10 arranged in a welding head 11, this shoe and this head being in con electrical contact with electrode 5. A contactor 47a is shown in series with conductor 21.
The welding current source 19 is preferably a direct current generator for electric welding of the type in which the voltage at the terminals decreases sharply as the current supplied increases, the curve showing this voltage as a function of the bending current and falling back towards the zero voltage axis when the current delivered increases. The negative pole of this generator is connected to the work, and its positive pole is connected to the electrode, so that the welding arc is of so-called reverse polarity.
In the installation shown, the connection of the welding current source with the electrode and with the work, the advance of the electrode and the supply of protective gas are controlled by various relay contacts and 'switches. A relay 30 comprises an actuating winding connected between the electrode and the work, so that this relay is directly influenced by the voltage applied between these elements.
The coil of the relay 30 is connected to the work 18 by a connection 29 and to the electrode by means of relay contacts 23a and connections 28, 25 and 22 arranged in series. When the winding of the relay 30 is energized, this relay closes its contacts 30a arranged in a circuit comprising connections 31 and 32 connecting a suitable source of electrical energy, for example a 110 volt alternating current network, to the motor. 7. This relay also closes its contacts 30b, arranged in series with the actuating winding of a relay 60.
The advance motor 7 is connected to said source of electrical energy by means of contacts 30a of relay 30 and contacts 60a of control relay 60, and 47.a of a control relay 41.
The control relay 41 comprises an actuating winding connected to the terminals of a suitable reduced voltage source, constituted by the secondary winding 35 of a transformer 34, the primary winding 33 of which is connected to the supply conductors. 31 and 32. The relay winding circuit 41 comprises a connection 40, contacts of a manual switch 38 and connections 39, 37, 36 and 42. Preferably, the contacts 38 of the switch ma nuel are mounted in the handle of the welding gun, as shown in fig. 2. This switch is then kept in the open position, except when it is closed by manual pressure.
The control circuit shown in FIG. 1 also comprises a contactor relay 47, arranged to actuate the contacts 47c of the contactor arranged in the welding circuit. The actuation winding of this relay 47 is connected between the supply connections 31 and 32, so as to be energized as soon as the contacts 41a are closed due to the actuation of the relay 41 controlled by the switch. manual 38.
This control circuit also comprises a relay 23, which could be called a locking relay, and which is connected to connection 25, via a resistor 26 shunted by a capacitor 27, and to the work. 18, via connection 29.
The relay 23 is thus sensitive to the voltage applied between the electrode and the structure and it is shaped such that it is not. activated only when this voltage is close to or equal to. the no-load voltage supplied by the welding generator.
The relay 23 controls contacts 23a, arranged in series with the actuating winding of the relay 30, and 23b, arranged in series with the actuating winding of the relay 60. The relay 60 is a delayed relay. in time, shaped so as to be actuated only when the voltage applied between the electrode and the work exceeds a determined normal welding voltage. The delay of this relay need only be large enough to prevent it from being actuated during the time that the relay 23 takes to close its contacts, when the switch 38 is initially actuated.
With an installation such as that described, we realize that, when the operator grasps the handle 53 of the soldering head 11. and presses the button of the switch 38 constituting a trigger, this switch closes the contacts 41.a of the auxiliary power supply circuit shown by the conductors 31 and 32. Current is thus supplied to the actuating winding of the relay 47 which is energized and which closes the contacts of the relay. contactor 47a, in the welding circuit, thus applying the voltage supplied by the welding current source between electrode 5 and work 18, through conductor 20, contactor 47a and conductor 21.
Simultaneously, current is supplied to an electromagnet 50 for actuating the valve 17, disposed in the gas supply duct, so that inert gas escapes from the cylinder 14 and through it. the conduit. 4 through which it flows into the welding head.
This gas leaves this head around the electrode 5 to form a gas screen and to move the air away from the region between the end of the electrode and the work, as soon as these elements are approached. 'from each other. As soon as the welding voltage is applied between the electrode and the work, all the voltage supplied by the welding current source is available to energize the latch relay 23 which immediately opens its contacts 23a and 23b, thus preventing relays 30 and 60 to be energized, as long as the sound circuit is not loaded.
The operator then moves the gun until the electrode 5 comes into contact with the opening 18, then he removes this electrode from this structure again in order to start an arc. When the electrode touches the work, the locking relay 23 is short-circuited and allows its contacts 23a to close and connect the relay 30 between the electrode and the work. The contacts 23b close. As soon as the arc is struck and a normal welding voltage is applied between the electrode and the work, the control relay 30 is energized and closes its contacts 30a, arranged in the power supply circuit of the device. feed motor 7, and its contacts 30b, arranged in series with the winding of relay 60.
The motor 7 starts up and continues to rotate at constant speed to advance the electrode 5 in the direction of the arc. These operating conditions are maintained as long as normal welding voltage is applied between the electrode and the work. When the arc voltage approaches a so-called short-circuit value, the control relay 30 ceases to be energized and it interrupts the supply to the feed motor 7 and stops the feed of the motor. electrode to the gun and to the welding head. The advance of the electrode re takes immediately as soon as the welding voltage increases and exceeds this value, close to the so-called short-circuit voltage.
When the arc voltage exceeds the normal welding value, the relay 60 is energized and opens its contacts 60a, normally closed, thus cutting off the supply circuit of the advance motor 7 and interrupting the advance of the electrode, also cutting the circuit of the relay 47 and opening the contactor 47a, and simultaneously interrupting the gas supply by cutting the circuit of the electromagnet 50.
In the installation shown, the relay (the control 30 is connected so as to be directly sensitive to the voltage conditions at the terminals of the arc. This arrangement is. Preferable to an arrangement according to which this control relay is simply connected to the terminals of the welding current source, since it eliminates any effect which could otherwise be due to the appreciable voltage drop which occurs in the conductors connecting the welding current source to the electrode and at work.
It is obvious that as long as the pressure switch 38, disposed on the pistol grip, is kept closed, the electromagnet valve controlling the inert gas supply remains open to ensure a supply. continuous in shielding gas from the weld head, except during short intervals when relay 60 is energized. When this manual switch is released, the contacts 38 open and the control relay 41 ceases to be energized, opening its contacts 41a to interrupt the energization of the electromagnet operating the valve and of the relay 47 operating the con. contactor 47a, thereby interrupting the gas supply to the welding head and disconnecting the source of welding current.
One could, if desired, remove the relay 47 and the contacts of the contactor 47a. In this case, the locking relay 23 would be energized as soon as the electrode and the work are connected to. the welding current source by any other suitable means. However, in most cases it is preferable to use a relay 47 controlling the contacts of a contactor 47a, the arrangement being such that these contacts are actuated to connect the welding current source to the electrode. and to the work at which the gas supply to the welding head is caused by the closing of the control switch 38. This single control switch thus serves to simultaneously control the supply of gas. gas and welding current.
If the arc becomes too long, due to a failure in the advance of the electrode or for some other reason, the relay 60 is energized and opens its contacts 60a to cut the supply to the relay 47 and interrupt the welding generator circuit so that the arc is interrupted.
It will be understood that the relay 23 is configured so that it can only be actuated under the effect of the no-load voltage produced by the welding current source or a voltage close to this no-load voltage, while relay 60 is configured to operate under a voltage slightly higher than the normal arc voltage. The SO relay can only be energized after the arc has been initiated, when for some reason this arc is too long.
Under such conditions, the relay 60 is energized and opens its contacts 60a so as to interrupt the excitation of the relay 47 and to turn the contacts of the contactor 47a. The opening of the contacts 60a also has the effect of interrupting the excitation of the electromagnet 50, which allows the valve 17 to close, and of interrupting the supply. of the advance motor 7. When the switch 38 is then released, all the commands return to their initial initial states described above.
However, if the switch 38 is kept closed, then the relay 60 immediately ceases to be energized because the. welding voltage is removed by opening contactor 47a. The relay of the contactor 47 is then energized again, the valve 17 for the gas opens again and the normal starting conditions are again established. It will be noted that the advance of the electrode cannot be interrupted without simultaneously opening the contactor 47cs and thus extinguishing the arc.
It is advisable to have a push-button switch 43 on the handle of the udder, this switch being arranged in series with the actuating winding of a relay 46, the contacts 46a of which are arranged in an auxiliary circuit, so to be able to short-circuit the contacts 41a, 60a, and 30a. Thus, when the switch 43 is closed, the relay 46 is energized through the intermediary of connections 42, 45, 44 and 36, and the motor 7 is supplied through the contacts 46a, which the electrode and the The work may or may not be connected to the welding current source.
This. push-button switch is thus used to. advancing the electrode in the welding head when the welding circuit is open, such advance being useful for adjusting the tip of the electrode before starting a welding operation. The resistor 26 and the capacitor 27 connected to the actuation winding of the interlock relay 23 ensure a rapid action of this relay, so that it very quickly ceases to be energized when short-circuit conditions are produced. touching the work with the electrode before striking the arc.
This arrangement ensures that the contacts 23a close quickly, these contacts controlling the excitation of the control relay 30.
The installation described constitutes a semi-automatic installation. When using such an installation, the operator moves the gun by hand so that the end of the filler electrode which burns out follows the contour of the weld desired to be made as it goes. that the welding operation is performed, the metal wire constituting the electrode being automatically advanced through the gun held by the operator.
However, the method which is the subject of the invention is capable of being applied using other types of installations. welding, for example using installations in which the electrode is carried and is moved by means of a machine in which the electrode holder is fixed, the work being moved relative to the electrode as the welding operation is carried out, while the electrode is advanced towards this work as it is consumed.
The welding current passes through the electrode and an arc is maintained between the end of the electrode and the work. Welding current can be supplied by a normal direct current welding generator. Such generators, including constant voltage generators provided for several welding stations manned by several operators, are suitable. Indeed, these generators provide an arc voltage which decreases sharply when the current flow in the arc increases.
Preferably, the non-oxidizing gas used is an inert gas, such as argon or helium, and the arc is started and maintained with a so-called reverse polarity. It has been found that, under these conditions, the welding operation is greatly improved and that the control equipment, necessary to ensure the automatic operation of the installation, can be considerably simplified. Thus, it is therefore not necessary to use a variable-speed feed device for the supply electrode, a simple constant-speed feed device being sufficient due to the improvement in the speed. welding operation, thanks to the high speed of advance of the metal wire constituting the electrode and to the high current density used.
This high current density, together with the high speed of advance of the electrode, ensures extremely fast and automatic adjustment of the arc length. Therefore, any lack of safety on the part of the operator's hand, which guides the gun along the weld to be made, is quickly and automatically compensated for in the arc itself, without it being necessary to vary the speed of advance of the electrode in the gun.
In addition, the use of such a considerable current density and such a high speed of advance of the electrode, the latter being protected by a screen of inert gas and the arc having a reverse polarity, allows to obtain excellent welds in all conditions, because the metal of the electrode is projected axially by firing thereof in a regular stream of drops or in a jet of sufficient force to bring the molten metal exactly where it is needed, for example at the root of otherwise inaccessible joints or in vertical joints or above the gun.
Under this condition, this regular transport of metal thus projected is effected, for example, with an electrode consisting of an aluminum wire 1.6 mm in diameter, for a current equal to or greater than 160 am per cent. that is, for a current density of at least 80 amps per mm2. The current density required varies according to the material constituting the electrode and according to the section thereof. It has been found that the best results are obtained when an inert protective gas is used, brought around the arc so as to form a substantially laminar envelope of gas protecting this arc.
In general, this result can be obtained by bringing the gas in such a way that it flows axially in the general direction of the metal wire constituting the electrode, this gas stream being substantially free of circumferential or vortex speed components. . For example, it has been found that when the gas stream has a circumferential velocity component around the axis of the electrode, when this gas exits the welding head in the vicinity of the arc, it entrains air in such a way that the latter has a detrimental effect on the weld.
In the described installation, the electrode advance motor 7 is preferably an adjustable speed motor operating at a fixed speed after it has been adjusted to obtain the desired speed.
The speed of advance of the electrode thus adjusted depends on the section. of this electrode and of its composition, but, preferably, this speed is greater than 40 mm per second. The welding current source, such as the direct current generator 19 shown in the drawing, is also preferably adjustable so as to be able to supply the electrode and the work with sufficient current to ensure the consumption of the machine. Electrodes at the speed at which it is advanced towards the arc.
It has been found that by advancing the electrode towards the work at high speed and by using a high current density, the length of the arc is kept substantially constant according to an adjustment which could be called rapid automatic adjustment. Any tendency of the arc to become too long has the effect of automatically and correspondingly decreasing the current. welding, due to the inflated and falling voltage-current characteristic of the welding current source.
In addition, it has been found that at the high current densities used, the consumption rate of the electrode decreases as the arc length and voltage increase, although the amount of electrical energy consumed increases. . Thus, with an aluminum electrode 1.6 mm in diameter protected by a current of argon (see fig. <B> 13 </B>), even if the current remained constant when the. arc length and voltage increase, the consumption rate of the electrode is reduced.
The combination of these factors, i.e. the effect of the inflected and falling voltage-current characteristic and the decrease in the consumption rate of the electrode due to an increase in voltage, has a effect such that the end of the electrode quickly returns to its normal average position relative to the work.
Likewise, if the arc becomes too short, the current automatically increases to. due to the falling voltage-current charac- teristic of the welding current source, and the decrease in the arc voltage, resulting from this increase in current, also contributes to increasing the consumption rate of the electrode, as shown in fig. 3, these two factors acting together to ensure rapid elongation of the arc, the length of which is reduced to the desired mean value.
In this way, any slight variation in the length of the arc, due to a lack of safety on the part of the operator's hand or to any other cause, is automatically compensated for, and we are entitled to believe that Better results are thus obtained than with any other type of installation comprising a device for controlling the speed of advance of the electrode, intended to modify this speed of advance in accordance with the modifications of the length of the arc.
In fig. 3, it will be noted that the slope of each of the curves shown is weaker towards the bottom of this curve than in its part corresponding to large arc voltages. It follows that a small change in the arc voltage has the effect of a greater change in the consumption rate of the electrode in the regions of the curves near their lower ends than in their regions relative to the large ones. arc voltages.
This characteristic is very favorable because, when the arc approaches the short-circuit operating conditions and the arc voltage is consequently reduced, the automatic correction is accelerated.
According to known methods for welding (arc metals under gas protection, the consumption rate of the electrode is substantially proportional to the current (welding and it generally increases when the arc voltage increases, for any given current For example, with an aluminum electrode 4.8 mm in diameter and with a current (welding 250 amps and an arc voltage of 29 volts, the consumption speed of the The electrode is about 13 mm per second. Under these conditions, if the arc length is increased so that the arc voltage becomes 32 volts, the welding current drops to about 238 amps. and the consumption rate of the electrode is no longer than 12 mm per second, while the wire constituting the electrode is advanced at a rate of 13 mm per second.
The arc therefore tends to shorten by 1 mm per second. When, on the contrary, high current densities and a high feed rate of the corresponding electrode are used, an increase in the arc length is accompanied by an increase in the arc voltage. But, even if the welding current remains constant, the consumption rate of the electrode is slower despite the fact that more energy is dissipated in the arc.
It is therefore evident that when such a high current density is used, the consumption rate of the electrode, for a given current, does not increase with the arcing voltage, as when a voltage is detected. The low current unit is used for the welding operation.
The transport of the metal by the arc obtained in the illustrated process is essentially different from the dropwise transport obtained at the current densities used heretofore in the known methods of arc welding under protection.
The molten metal is projected from the end of the metal wire constituting the electrode and the current density may be large enough that the metal is transported as a conical jet of fine droplets, or nearly metal The force throwing up these metal droplets is sufficient to overcome gravity and it is therefore possible to make satisfactory welds over the electrode, vertical welds or downward hardening in cases. also satisfactory conditions.
It has been found that the illustrated process can be used advantageously with any of the following metals or alloys:
EMI0007.0002
<I> I. <SEP> - <SEP> Ferrous <SEP> lethal. </I>
<tb> <I> A. <SEP> Ferritics: </I>
<tb> 1 <SEP> Plain <SEP> carbon <SEP> steel <SEP>.
<tb> 2 <SEP> Allied <SEP> steel.
<tb> <I> B. <SEP> Austenitics: </I>
<tb> 1 <SEP> Type <SEP> to <SEP> 18 <SEP> 0 / o <SEP> of <SEP> chrome <SEP> and <SEP> 8 <SEP> 0 / o <SEP> of
<tb> nickel.
EMI0007.0003
II. <SEP> <I> - <SEP> Lethal <SEP> not <SEP> ferrous. </I>
<tb> <I> A. <SEP> Aluminum <SEP> and <SEP> its <SEP> alloys: </I>
<tb> 1 <SEP> Pure aluminum <SEP> <SEP> - <SEP> type <SEP> 2S.
<tb> 2 <SEP> Aluminum <SEP> alloys <SEP> - <SEP> type <SEP> 3S.
<tb> 3 <SEP> Aluminum <SEP> alloys <SEP> - <SEP> type <SEP> 43S.
<tb> 4 <SEP> Aluminum <SEP> alloys <SEP> - <SEP> type <SEP> 716.
<tb> <I> B. <SEP> Copper: </I>
<tb> 1 <SEP> Copper <SEP> deoxidized.
<tb> 2 <SEP> Alloys <SEP> of <SEP> copper <SEP> - <SEP> bronze
<tb> phosphorous.
<tb> 3 <SEP> Alloys <SEP> of <SEP> copper <SEP> - <SEP> bronze
<tb> aluminum.
<tb> <I> C. <SEP> Magnesium: </I>
<tb> 1 <SEP> Magnesium <SEP> alloy <SEP>, <SEP> type <SEP> JI
<tb> (6 <SEP> 0 / o <SEP> of aluminum <SEP> and <SEP> 10 / o <SEP> of <SEP> zinc).
It is highly probable that this process can also be advantageously employed with other metals and other hard alloy alloys, for example with other iron-red metals such as steels with a high percentage of manganese, steels with high levels of manganese. percentage of nickel, etc., and with other non-ferrous metals.
To give a typical example, it has been found that with an electrode consisting of an aluminum wire 1.6 mm in diameter, protected by a current of argon, excellent results are obtained when the wire is advanced at a constant speed of 68 mm per second, the welding current being between 130 and 180 amperes depending on the length of the arc. and generator setting.
In general, it can be said that with aluminum electrodes, the relation between the optimum current density <I> D </I> in the electrode and the optimum advance speed P of this electrode can be expressed by D = 1.22 B + C, where C is comprised between -16 and -f-16, D being the current density in amperes per mm2 and B being the advance rate of the electrode in mm per second.
When using electrodes having a very low electrical resistance, for example aluminum or copper electrodes, no appreciable heating of the electrode by resistance occurs, along this electrode between the contact shoe and the arch.
Even when using electrodes with a higher electrical resistance, this resistance heating can be negligible because, under no circumstances is it necessary to use resistance heating to start or maintain the arc. .
According to the method described, the metal is transported from the electrode to the arc almost solely because of the intense heat produced in this arc. himself. It has been found that with an aluminum electrode of 1.6 mm in diameter, which is advanced towards the arc at a constant speed of 61.5 mm per second, a welding current of 140 amperes and an arc voltage close to 20 volts ensure stable and favorable welding conditions, when a protective argon current is used. Oscillograms prove that the metal globules carried by the arc, when the electrode is held in a horizontal position, are thrown from the end of the electrode towards the work at a rate of about 31 blood cells per second.
Thus, 1.8 mm of thread is consumed for each globule thus transported.
It was noted that these globules were of sufficient size to short circuit the arc for an instant, whenever a globule is deformed and is about to leave the electrode. The metal transport thus obtained has the effect of producing a creative arc and, although metal can thus be deposited in vertical positions or above the electrode, this mode of operation is not the most desirable for get the best, healthiest looking solder drops possible.
By further increasing the current to 160 amps and the voltage to 23 volts while maintaining the feed rate at 61.5 mm per second, an arc of approximately 6.35 mm in length and an arc is obtained. real metal splash or spray. Metal transport is then effected as smaller drops of molten metal passing from the electrode to the work at a rate of 49 droplets per second, resulting in an electrode length of 1.25 mm. is. consumed by droplet. These discrete droplets are projected from the wire constituting the electrode to the work without cause. arc short-circuiting.
Under these conditions, it was found that the molten metal was thrown axially from the end of the electrode rather than along the shortest path between the electrode and the work, these fine discrete droplets forming a core clearly differentiated from transported metal.
In general, it can be said that the current density should be sufficient to project the metal horizontally along an arc, i.e. from an electrode held in a horizontal position to one or more Glass having a vertical surface to the electrode. If the intensity or density of the current is not sufficient to project the molten metal axially from the electrode towards the work, in the form of a spray jet of fine discrete droplets surrounded by the screen of gas (or, in the case of an aluminum electrode 1.6 min in diameter, to transport the metal at a rate of about 34 droplets per second), the results are not satisfactory.
For example, with the 1.6 mm diameter aluminum electrode which is advanced at a speed of 61.5 mm per second and with an argon protection, if the current is reduced to 120 amps and the arc voltage at <B> 18 </B> volts, it has been found that when the electrode is kept in a horizontal position, an arc of about 6.35 min long is maintained, at no metal transport n 'taking place between the horizontal electrode and a vertical plate constituting the work opposite this electrode.
Large blood cells form at the end of the electrode and break away from it to fall by gravity. Each time such a globule leaves the tip of the electrode, the arc voltage momentarily increases and an oscillogram showed that these globules were produced at a rate of only globules per second under these conditions <B> 3 </ B> particular. The use of reverse polarization is particularly advantageous when the arc is protected by an inert gas.
Under these conditions, it has been observed that a cleaning or pickling effect occurs, any oxide film being torn off by crackling of the cathode under the effect of the bombardment thereof with positive ions, so that excellent fusion of the filler metal with the work is ensured. The use of an arc of reverse polarity does not cause any detrimental effect of overheating of the positive electrode, this electrode being advanced towards the arc at a speed so great that such overheating cannot occur. Moreover, thanks to. the reverse polarity of the arc, the heat is concentrated in the metal of the work, thus ensuring adequate penetration of the filler metal. However, it has been found that an arc of non-inverted polarity is preferable when using a brass electrode.
The gas supplied from cylinder 14 is preferably a monoatomic inert gas such as helium or argon. However, it will be understood that for some purposes it may be preferable to use a reducing gas rather than an inert gas. For example, satisfactory results have been obtained using a steel wire electrode with a diameter of 1.6 mm with a welding current of 260 amps, the rate of advance of this wire towards the arc being d. about 10 mm per second and the gas used being a mixture of carbon monoxide and dioxide.
It has been found that a very large power range can be used to ensure satisfactory welding according to the method described, particularly when the electrode is made of stainless steel. It has, for example, been found that with an electrode made of stainless steel wire, the welding power can be varied within a range of about 5000 watts, while with the usual welding methods at. Using a covered electrode of the same size, the permissible power range is only about 500 watts. It has been observed that in order to obtain the best protective effect of the arc using a shielding gas, this gas must escape from an opening so as to ensure the production of an envelope of substantially laminar gas in the weld zone.
If the gas is supplied around the arc in one way. such as being driven by a substantial circumferential velocity or a vortex velocity component, air is entrained with the shielding gas in amounts such that the shielding becomes ineffective. On the other hand, if the gas is supplied so that it flows in the geaxial direction of advance of the electrode, without being driven by a substantial circumferential velocity or a relative component around Elec trode, the gas envelope surrounding the arc is substantially laminar and up to 90 1 / o of the air can be removed from the welding zone by such a gas envelope.
In the installation shown, the gas is supplied to the gun by a conduit 13, connecting the bottle 14 to the conduit 4, which surrounds the wire 5 constituting the electrode. The gas flows along the conduit 4 and enters a gas chamber provided in the welding head, at. from which it escapes towards the end of the electrode, in the general direction thereof. If desired, baffles or a screen, such as that shown at 3 in fig. 1, can be arranged in the duct 4 or in the gas chamber, inside the welding head, to cancel any circumferential speed which the gas could otherwise be animated and to ensure an axial flow of the shielding gas towards the outlet orifice and through this orifice adjacent to the end of the electrode.
In the foregoing description and in the claims which follow, the term bare filler electrode consisting of a metal wire is used to denote ordinary bare wires of filler metal and also wires of filler metal coated with 'a light coating or brushing, as opposed to electrodes covered with a thick layer of flux. Likewise, the term aluminum electrode is used to denote either aluminum electrodes and aluminum alloy electrodes.