Procédé de soudage à l'arc à courant alternatif. La présente invention a pour objet un procédé de soudage à l'arc à courant alter natif et notamment un procédé de soudage d'un métal sous protection d'un gaz inerte et au moyen d'une électrode d'apport.
Le procédé faisant l'objet de l'invention peut être considéré, tout au moins sous cer tains de ses aspects, comme constituant un perfectionnement des procédés de soudage à l'arc de métaux avec gaz de protection décrits dans les brevets suisses N S 280573, 285860 et 283499.
Dans les brevets suisses N 5 280573, 285860 et 283499, on a décrit un procédé de soudage du type dans lequel une électrode d'apport constituée par un fil est avancée de fanon continue vers un arc de soudage protégé par du gaz et qui est entretenu entre cette élec trode et un ouvrage devant être soudé, par exemple une plaque, le courant de soudage fourni à. l'arc étant au moins suffisant pour consumer l'électrode à mesure qu'elle est avan cée vers l'arc et pour transférer du métal de soudure à partir de l'électrode jusqu'à un dépôt de soudure formé sur l'ouvrage à sou der, de manière à former une soudure satisfai sante au point de vue industriel.
De préfé rence, le courant. fourni à l'arc est de densité suffisante pour fournir un dépôt lisse, rapide et uniforme ou pour assurer un transfert du type dit à pulvérisation du métal de ladite électrode jusqu'audit dépôt de soudure (voir brevet suisse N 280573). Le gaz de protection est essentiellement constitué par un gaz inerte. Les gaz de protection inertes cités sont les gaz monoatomiques ou des mélanges de ces gaz, par exemple de l'hélium ou de l'argon ou un mélange d'hélium et d'argon, et peuvent com prendre de faibles proportions d'autres gaz qui ne modifient pas sensiblement les carac téristiques de protection du ou des gaz inertes monoatomiques.
Ces gaz sont de préférence fournis sous forme d'un courant à écoulement laminaire ou sensiblement non turbulent et présentant une rigidité d'écoulement suffi sante pour exclure sensiblement totalement l'atmosphère ambiante de la zone de l'arc. Un tel arc constitue une décharge électrique à tra vers une atmosphère gazeuse commandée. Le gaz se trouvant dans la zone de l'arc est ionisé et les ions positifs produits sont mus par le gradient de potentiel vers la cathode où ils cèdent leur énergie à celle-ci ou sont neutra lisés par des électrons émis par cette cathode.
De la vapeur métallique formée dans la région de l'arc par évaporation de l'électrode, de l'ouvrage à souder (plaque) ou' d'une autre source quelconque telle qu'un fil métallique de remplissage séparé fait partie de l'atmo sphère gazeuse se trouvant dans la zone de l'arc, de sorte que l'atmosphère d'arc à travers laquelle a lieu la.
décharge électrique et à tra vers laquelle le métal de soudure est transféré à partir du fil constituant l'électrode jusqu'à l'ouvrage devant être soudé est constituée par le gaz de protection inerte et par ladite va- peur métallique, tandis que l'air, de la vapeur d'eau et d'autres composants de l'atmosphère ambiante sont sensiblement exclus de la zone de l'arc par l'écran de protection constitué par le gaz inerte.
Etant donné qu'on n'utilise pas de fondant et que l'air atmosphérique ou des impuretés analogues ne sont pas présents dans la zone de l'arc comme ce serait le cas si le soudage était effectué dans l'air, sous une couverture de fondant ou au moyen d'élec trodes munies d'un revêtement, les caracté ristiques de l'arc à pression constante dépen dent uniquement des caractéristiques des mé taux constituant l'électrode et l'ouvrage à sou der et du gaz de protection inerte.
Dans de telles atmosphères stériles , on a éprouvé de considérables difficultés pour le soudage à l'arc à courant alternatif de matières présentant une faible émission thermionique, c'est-à-dire de matières consti tuant des cathodes froides . Les principaux facteurs rendant le soudage difficile dans ces conditions sont l'instabilité de l'arc et le mauvais transfert de métal à partir de l'élec trode jusqu'à l'ouvrage devant être soudé.
Dans certaines conditions, il a été possible de stabiliser les arcs à courant alternatif en utili sant des forces électromotrices élevées d'envi ron<B>150</B> volts, ou en superposant à la. tension appliquée aux bornes de l'arc une tension haute fréquence, ou encore en utilisant simul tanément ces deux artifices. Cependant, ces manières de stabiliser l'arc à courant alter natif ne sont pas entièrement satisfaisantes.
L'utilisation d'une force électromotrice élevée est hasardeuse et doit. de préférence être évitée dans les installations industrielles de soudage ordinaire, et l'équipement auxiliaire nécessaire pour la. stabilisation de l'arc au moyen de haute fréquence est beaucoup plus coûteux que les transformateurs de soudage à courant alternatif ordinaires. <B>De</B> plus, ces artifices n'améliorent pas suffisamment les caractéris tiques de transfert de métal de l'arc.
On a remarqué qu'en fournissant certaines matières d'addition à l'arc, en plus du métal qui est fondu pour former une perle de sou dure et des vapeurs métalliques de ce métal, et en plus du gaz de protection inerte, on peut commander ou modifier les caractéristiques de l'arc de soudage de facon avantageuse. Le procédé faisant l'objet de l'invention est carac térisé en ce qu'on amorce un arc électrique entre une électrode d'apport et un ouvrage devant être soudé, en ce qu'on amène un cou rant de gaz de protection dans la zone de sou dage, de manière à former un écran protecteur autour de cette zone, en ce qu'on fait avancer ladite électrode vers ledit.
arc à mesure qu'elle est consumée, et en ce qu'on fournit à l'arc une matière modificatrice réduisant la tension de réamorçage de cet are. Ladite matière modificatrice est choisie et ajoutée à l'arc de facon à abaisser le travail exprimé en électron volts et nécessaire pour extraire des électrons de la cathode, c'est-à-dire le potentiel de con tact de la cathode, de manière à. améliorer la stabilité de l'arc, à permettre de maintenir un arc à courant alternatif au moyen d'une faible force électromotrice et à fournir une tache cathodique concentrée et stable. On croit.
que durant l'alternance du cycle de courant alternatif durant laquelle l'électrode constitue la cathode, la. stabilité de l'arc est améliorée au moins en partie par concentration de la tache cathodique de la manière qu'on vient de décrire, tant que les gouttes on les goutte lettes de métal fondu et pulvérisé quittant. l'électrode en forme de fil métallique sont complètement immergées dans un plasma. La matière modificatrice peut également modifier des facteurs tels que la vitesse de consomma tion du fil constituant l'électrode, la pénétra tion, la dimension et les contours de la perle de soudure.
Tout are à courant alternatif s'éteint et. les fonctions des électrodes entre lesquelles il jaillit sont inversées avec sa polarité à chaque alternance ou demi-période du courant alter natif entretenant cet arc, au moment où la tension d'arc est inversée. Le principal pro blème à résoudre avec ce type d'are est. dû au fait. qu'il est nécessaire de le réamorcer à chaque demi-période. Chaque fois que l'arc s'éteint, il doit. pouvoir être facilement réamorcé, afin d'être régulier et uniforme et clé pouvoir être utilisé pour le soudage.
Le réamorçage de l'arc dépend de l'émission de la cathode et de l'ionisation de la zone de l'arc, cette ionisation devant assurer le passage du courant d'arc et étant obtenue en appliquant une tension de réamorçage suffisante entre l'électrode et l'ouvrage devant être soudé.
On a. constaté que lorsqu'une matière constituant un bon émetteur thermionique d'électrons à sa température de soudage, c'est- à-dire une matière thermionique, sert de ca thode pour l'arc de soudage, elle constitue une cathode très efficace et présentant une faible chute de tension cathodique. De telles matières émettent tous les électrons nécessaires pour l'arc à leurs températures de soudage et avec une faible chute de tension cathodique. Cette émission n'est pas assurée avec des matières présentant une faible émission thermionique ou constituant des cathodes froides et la.
plupart des matières communément utilisées en construction ou dans l'industrie des ma chines, telles que l'aluminium, le cuivre, le nickel, le fer, le magnésium, le titane, etc., et les alliages de ces métaux, qui sont normale ment. industriellement soudés en grandes quan tités font partie de cette classe. L'émission d'électrons à partir de matières de cathode froide peut être considérée, en simplifiant, comme dépendant principalement d'une émis sion de champ . Cette émission cesse brusque ment, chaque fois que l'arc s'éteint, ou est interrompu, et une force électromotrice très élevée et suffisante pour produire une dé charge luminescente est alors nécessaire pour le réamorçage de l'arc.
La tension de réamor- çage est donc constituée par la tension néces saire pour produire une décharge luminescente dans la. zone de l'arc et pour ioniser cette zone. Les faibles forces électromotrices nor males d'environ 75 volts sont insuffisantes pour fournir la tension de réamorçage néces saire et n'entretiennent par conséquent pas un arc de soudage à courant alternatif dans une atmosphère de protection constituée par un gaz inerte pour la soudure de métaux avec de telles matières de cathode froide.
D'autre part., une matière thermionique continue à émettre des électrons avec abondance du fait de sa température. Ainsi, lorsque l'are est entretenu par une source de courant alternatif, une telle matière continue d'émettre des élec trons même après que le courant entretenant l'arc a cessé de passer, grâce à l'inertie ther mique de l'électrode. Dans ces conditions, un réamorgage facile de l'arc est possible avec une faible force électromotrice.
Les caractéris tiques d'émission thermionique de l'électrode et de l'ouvrage à souder affectent donc la stabilité de l'arc de façon critique, mais il est également essentiel que l'atmosphère de la zone de l'arc soit susceptible d'être facile ment ionisée pour assurer un arc de soudage à courant alternatif stabilisé et adéquat pour le soudage.
Pour le soudage à l'arc de métaux sous protection d'un gaz inerte, on modifie donc les matières d'électrodes de soudage consti tuant des cathodes froides, de manière à obte nir des caractéristiques électriques et thermi ques de l'arc analogues à ou s'approchant jusqu'à un degré déterminé des caractéristi ques électriques et thermiques obtenues avec des matières d'électrodes de soudage thermioni- ques, ceci aux températures qu'on rencontre dans les ares lors du soudage sous protection de gaz inerte au moyen d'électrodes d'apport.
Les caractéristiques électriques et thermiques d'un arc de soudage utilisé sous une protection dé gaz inerte et jaillissant entre des électrodes faites de matières de cathode froide sont. ainsi commandées, cet effet étant obtenu par addi tion d'une matière modificatrice à l'arc et cette matière agissant sur la cathode de l'arc et à la température de l'arc de soudage, de manière à améliorer les caractéristiques d'émission thermionique de cette cathode et à favoriser l'ionisation de l'atmosphère de l'arc, lorsque cela est nécessaire.
On a constaté que de telles additions peuvent être faites par très petites quantités par rapport à la quan tité de métal de soudure déposé ou de fil d'électrode consumé. La matière ajoutée peut être fournie en quantités si faibles qu'elle n'affecte que les caractéristiques électriques et thermiques de l'are. Si on le désire, cette matière peut, être choisie et utilisée en si pe tites quantités qu'elle n'a pas d'effet sensible ou appréciable sur la composition chimique du métal de soudure ou qu'elle ne réagit pas de façon appréciable avec le métal soudé.
De préférence, les arcs de soudage aux quels on ajoute ainsi une matière modifica trice sont des arcs à atmosphère sensiblement stérile ou environnés essentiellement d'un gaz protecteur inerte, l'atmosphère de ces arcs comprenant en outre des vapeurs métalliques ou analogues dégagées par l'électrode et par l'ouvrage à souder. Le courant de gaz de pro tection inerte non turbulent exclut sensible ment l'atmosphère ambiante d'un tel arc de soudage et, du fait. que le soudage est effectué sans fondant., les caractéristiques électriques et thermiques de tels arcs ne dépendent que des caractéristiques du gaz de protection et du métal des électrodes.
Les ares de soudage sans fondant, à atmosphère stérile et au moyen d'électrodes d'apport nues de ce genre, ont des propriétés électriques et thermiques diffé rentes de celles des arcs de soudage dans l'air, des arcs de soudage entretenus sous une cou verture de fondant ou immergés, ou des ares de soudage produits an moyen des électrodes ordinaires à revêtement de fondant. On a constaté que les caractéristiques électriques et thermiques de tels arcs de soudage sous pro tection de gaz inerte et au moyen d'électrodes d'apport peuvent être délibérément modifiées et commandées de manière à fournir des types de soudure nouveaux et améliorés.
L'environ nement. de gaz inerte, stérile et relativement pur, assure que les substances modificatrices ajoutées agissent sur ou avec les surfaces d'électrodes de l'arc, ou sur ou avec l'atmosphère de l'arc, ou sur ou avec les deux, ou modifient ces surfaces ou cette atmosphère ou les deux de la manière désirée et dans les proportions dési rées, ceci sans porter préjudice à l'effet favo rable de la protection de gaz inerte et sans entraîner une perte de commande ou des modi fications supplémentaires indésirables de pro priétés électriques et thermiques telles que celles qui pourraient résulter de la présence d'impuretés, par exemple d'air ou de fon- dants ou de revêtements qui sont présents lors du soudage usuel dans l'air, sous une couver ture de fondant ou au moyen d'électrodes à revêtement.
Le dessin annexé représente, à, titre d'exemple, trois formes d'exécution d'une ins tallation de soudage pour la. mise en ce-Livre du procédé faisant. l'objet, de la présente invention et illustre ce procédé.
La fig. 1 est. une vue schématique d'une première forme d'exécution de ladite installa tion.
La fig. 2 est une vue en coupe longitudi nale d'un pistolet de soudage à main pour le soudage à l'arc sous protection d'un gaz inerte de métaux, ce pistolet faisant partie de l'ins tallation représentée à la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe selon 3-3 de la fig. 2.
La fig. 4 est une vue schématique mon trant une façon d'ajouter de la matière modi ficatrice à du fil destiné à constituer l'élec trode de soudage.
La fig. 5 est une vue en perspective mon trant, à plus grande échelle, l'apparence du fil de soudage au cours des différentes phases de la préparation représentée à la fig. 4.
La. fig. 6 est une vue schématique d'une seconde forme d'exécution de l'installation. La fig. 7 est une vue de détail, à plus grande échelle, partie en coupe et avec arra chements, montrant un pistolet de soudage que comprend l'installation représentée à la fig. 6.
La. fig. 8 est une vue schématique d'une troisième forme d'exécution de l'installation de soudage.
La fig. 9 est. un diagramme représentant l'émission cathodique thermionique de diverses matières de cathode et de surfaces de cathode composites.
La fig. 10 est la reproduction d'un oscillo- gramme représentant. la tension aux bornes d'un arc à courant alternatif sous protection d'un gaz inerte, pour le soudage d'un métal, au moyen d'une force électromotrice élevée.
La fig. 11 est une reproduction d'un oscillo- gramme de la tension aux bornes d'un arc à courant alternatif sous protection d'un gaz inerte, pour le soudage d'un métal sans force éleetromotriee de réamorccage élevé.
Dans la première forme d'exécution d'ins tallation de soudage représentée à la fia. 1, l'ouvrage devant être soudé est une plaque désignée par le sienne de référence 21. Une électrode de soudage 22 est fournie sous forme d'un long tronçon de fil à partir d'une bobine 23 montée clans un châssis 24. Un mécanisme d'avance entraîné par un moteur 25 dévide le fil de la bobine et le pousse continuellement à travers une protection flexible 26 et jusque dans un pistolet 27,à une vitesse d'avance choisie et égale à celle à laquelle se consume l'électrode. Le pistolet de soudage et la. pro tection 26 sont bien visibles aux fig. 2 et 3.
Le pistolet comprend un canon interne 30 à travers lequel le fil d'électrode 22 est avancé. Ce fil pénètre dans ce canon à partir de la protection 26 et il est fourni à un tube de contact 31 auquel le courant de soudage est. amené. A partir du tube de contact 31, le fil 22 est. directement fourni à l'arc au contact duquel il est fondu ou consumé, et sa matière est transférée et est déposée dans une flaque ou un cratère de soudure formé sur la plaque 21. Un canon extérieur 32 se terminant par une embouchure 33 entoure le canon intérieur 30 et le tube de contact 31.
L'espace annulaire laissé libre entre le canon intérieur et le canon extérieur et entre le tube de contact et l'embouchure forme un passage permettant l'écoulement d'un gaz de protection inerte dans la zone de l'arc. Le dispositif d'alimentation en gaz sera décrit de faon plus complète ci-dessous. Pour l'ins tant, il suffit de dire que le gaz de protection est fourni à travers la protection 26 à un passage pour le gaz 34 du pistolet. Le gaz sort. de l'embouchure sous forme d'un courant sensiblement. non turbulent. et de manière à former un écran autour de l'extrémité de l'électrode, de l'arc et de la flaque de sou dure.
Dans les brevets suisses Nos 285860 et 283499, on a décrit de façon détaillée une manière très avantageuse de former un écran (le @-az sensiblement non turbulent. Le reste du pistolet représenté à la fig. 2 comprend un manche 35 qui a la forme d'une crosse de pis tolet. Ce manche porte un commutateur de commande 36 qui est actionné par une ga- chette 37. Ce commutateur est de préférence branché de manière à permettre à l'opérateur de commander le courant de soudage, l'écoule ment de gaz de protection et le mécanisme d'avance pour le fil.
Les connexions électriques du commutateur de commande 36 et d'un com mutateur de commande auxiliaire pour l'avance du fil sont réunies dans un. câble de commande 39. Du courant de soudage est amené au pistolet à travers un câble de sou dage 40.
Le courant de soudage peut être fourni par un transformateur de soudage à courant alternatif ordinaire 45. L'une des bornes de sortie du transformateur de soudage est élec triquement reliée à la pièce devant être soudée par un conducteur 47 et son autre borne de sortie est reliée au pistolet de soudage par un conducteur du câble 40, et le courant de soudage est fourni à l'électrode en forme de fil à travers le tube de contact 31. Un con tacteur 46 est prévu pour ouvrir et fermer le circuit de soudage à volonté.
Du gaz de protection inerte est fourni à partir d'une bouteille de gaz sous haute pres sion 49 qui est munie d'une soupape à cylindre 50, d'une soupape réductrice de pression 51 et d'un indicateur de débit 52. Un conduit 53 amène le gaz à l'extrémité d'entrée de la pro tection 26.
En fonctionnement, le débit de gaz de protection est de préférence réglé avant d'amorcer l'arc. Le transformateur de sou dage peut être mis en circuit avant ou après qu'on a réglé le débit de gaz de protection. On touche ensuite la pièce devant être soudée avec l'extrémité de l'électrode et on en éloigne cette extrémité pour amorcer l'arc. L'avance du fil est mise en route en même temps qu'on amorce l'are ou immédiatement avant, et le fil est avancé vers la pièce devant être soudée de façon continue et à la vitesse voulue pour assurer le maintien de l'are. Dans le brevet. suisse N 280573, on a décrit de façon détail- lée le mode de fonctionnement de l'installa tion représentée aux fig. 1 à 3.
Les exemples suivants sont représentatifs de diverses formes de mise en aeuvre du pro cédé spécifié.
Exemple <I>1:</I> On a fait des essais avec une pièce à sou der en acier doux ayant la forme d'une plaque de 9,5 mm d'épaisseur et avec du fil d'acier doux de 1,6 mm de diamètre sur la. surface duquel on avait appliqué une matière modi- ficatriee constituée par du carbonate de rubi dium. L'installation utilisée était du type qu'on vient de décrire en référence aux fig. 1. à 3. De l'argon de qualité de soudage était utilisé comme gaz de protection avec tin débit de 2,14 m3 par heure à travers une embou- ehure de 2,54 cm de diamètre.
Le carbonate de rubidium avait été appli qué au fil de la façon représentée aux fig. 4 et 5. Le fil est tout d'abord préparé en le faisant passer entre les galets d'une paire de galets dont l'un était moleté, pour former sur sa surface des marques transversales de 0,013 mm de profondeur espacées d'environ 0,8 mm (voir fig. 5). Le carbonate de rubi dium sous forme d'une poudre sèche est en suite intimement mélangé avec une certaine quantité d'alcool dénaturé, de façon à former une pâte. Cette pâte est appliquée sur le fil en l'étendant sur sa surface au moyen d'un pinceau, de manière à remplir les marques transversales de cette surface (voir fig. 4).
On fait ensuite passer le fil à travers un racloir constitué par un anneau de caoutchouc étroitement ajusté autour de ce fil, de façon à enlever tout excès de pâte. On fait passer le fil entre les galets d'une paire de galets lisses présentant chacun une rainure semi- circulaire, pour lisser la surface rugueuse formée par le galet moleté tout en retenant une partie de la matière modificatrice dans les marques. La surface du fil est essuyée au moyen d'un chiffon propre et sec pour enlever sensiblement tout le carbonate de rubidium sauf celui qui a été retenu ou incrusté dans la surface de l'électrode par le traitement précédent. Finalement, l'alcool est évaporé, de manière que le fil devienne sec.
Préparé de la façon qu'on vient de décrire, le fil pré sente une surface conductrice sensiblement nue, et il peut facilement être avancé dans l'installation de soudage. Les propriétés de ce fil lui permettant de récolter le courant de soudage à partir du tube de contact ne sont en rien amoindries. Etant donné que le car bonate de rubidium est une matière déli quescente, il peut absorber une quantité d'humidité considérable lorsqu'il est. exposé à une atmosphère humide.
Cela peut provoquer une certaine corrosion indésirable du fil d'électrode qui peut gêner au transfert du courant de soudage au fil et qui peut égale ment provoquer un attachement. du fil dans le tube de contact du fait d'une accumula tion de produits de corrosion dans ce tube. De plus, l'eau présente (hydrogène) a un effet nuisible sur la qualité du dépôt de sou dure. Cependant, ces difficultés sont facile ment évitées en conservant le fil préparé dans une atmosphère sèche. Un composé de rubi dium possédant sensiblement le même effet sur l'équilibre thermique de l'arc que le car bonate tout en étant moins déliquescent que celui-ci est l'oxyde de rubidium.
On a effectué une soudure avec l'électrode préparée de la. façon qu'on vient de décrire et en utilisant une force électromotrice de 75 volts et une tension d'are de 23 volts, le courant d'are indiqué par tin ampèremètre pour courant alternatif ordinaire étant de 320 ampères. La vitesse de consommation du fil était de 4,52 m par minute. On a maintenu des conditions identiques pour plusieurs essais en montant le pistolet de soudage dans un support fixe et en déplaçant à, la machine la pièce devant être soudée sous le pistolet, à la vitesse- d'avance relative désirée pour le soudage. Au cours de ces essais, ladite vitesse d'avance de soudage a été maintenue égale à 25,4 cm par minute.
L'opération effectuée de la façon décrite ci-dessus a. eu pour résultat le maintien d'un arc à. courant alternatif stabilisé au moyen d'une force électromotrice relativement faible de 75 volts. On a obtenu un bon transfert du type à métal pulvérisé par l'arc à courant alternatif, et ceci avec de bonnes qualités de régulation, avec un nettoyage modéré et la forme un alliage ou un mélange avec la. ma tière du fil.
On obtient ainsi une répartition homogène de la matière modificatrice dans le alliage d'aluminium et en utilisant de l'argon de qualité de soudage comme gaz de protec tion, cet argon étant fourni sous forme d'un courant non turbulent et avec un débit de 2,14 m-' par heure à travers une embouchure de 25,4 mm de diamètre. L'installation utilisée était sensiblement la même que celle décrite ci-dessus en référence aux fig. 1 à 3. Le fil d'électrode présentait un diamètre de 1,6 mm et était fait. d'aluminium 43 S. Une faible quantité de carbonate de rubidium avait. été préalablement appliquée sur ce fil de la. façon représentée aux fig. 4 et 5.
La plaque sur laquelle on a fait cette soudure présentait une épaisseur de 9,5 mm et était faite d'aluminium 61 S T. La vitesse d'avance de soudage était de 25,4 cm par minute. Le carbonate de rubi dium avait été préalablement appliqué au fil d'aluminium exactement de la manière dé crite ci-dessus pour l'addition de cette matière à un fil d'acier. Dans ces conditions, et avec une force électromotrice de 75 volts, la ten sion d'arc était de 17 volts, le courant d'arc de 300 ampères et la vitesse de consommation du fil de 7,87 m par minute.
L'opération de soudage effectuée dans les conditions qu'on vient de décrire a eu pour résultat le maintien d'un are à courant alter natif stabilisé au moyen d'une force électro motrice de 75 volts. On a constaté qu'on obte nait un bon transfert pulvérisé du type à courant alternatif, de même que de bonnes caractéristiques de régulation. La perle de soudure formée présentait un contour ovale.
On a constaté que de très petites quantités de matière modificatrice sont suffisantes pour assurer l'obtention des résultats désirés. D'après ce qui précède, deux procédés d'appli cation de cette matière au fil d'électrode sont. satisfaisants et ces procédés sont tels qu'une très faible partie de la matière modificatrice reste sur le fil ou dans le fil terminé et traité. En fait, dans le cas où cette matière est appliquée sur la surface du fil, on peut éprou ver des difficultés pour assurer l'avance du fil à travers le tube de contact et pour amener du courant à ce fil si la matière modificatrice ajoutée se trouve sur la surface du fil en quantité suffisante pour pouvoir s'en déta cher.
Une analyse chimique grossière d'un échantillon de fil d'acier traité au moyen d'oxyde de baryum et utilisé avec succès dans l'un des exemples décrits ci-dessus montre que le baryum restant sur la surface du fil repré sentait l'équivalent d'environ 25 g par tonne d'acier, c'est-à-dire environ 0,003% en poids du métal de soudure déposé. Cela. est, caracté ristique du fait que de très petites quantités de matière modificatrice peuvent. être utilisées. Le fil traité peut encore être considéré comme étant un fil nu et sa surface est électri quement conductrice et permet de lui amener le courant de soudage pendant qu'il est avancé à travers le tube de contact.
Bien que certaines matières modificatrices particulières ayant pour effet d'accroître l'émission thermionique soient comprises dans les matières utilisées dans les exemples ci- dessus, on comprendra que le procédé spécifié n'est nullement limité à ces matières parti culières.
Bien au contraire, on peut mettre en oeuvre ce procédé avec d'autres matières modi ficatrices comprenant ou contenant un ou plu sieurs agents d'émission susceptibles de coopé rer avec le métal de base du fil d'électrode et de la pièce devant, être soudée et qui jouent tour à. tour le rôle de cathode pour l'arc, de manière à former dans chaque cas une surface de cathode composite de métal de soudage qui présente un pouvoir thermionique émissif plus élevé à la. température clé soudage que celui du métal de base seul, ces agents étant égale ment efficaces pour faciliter l'ionisation de la zone de l'arc.
L'émission thermionique accrue d'une telle surface de cathode en métal com posite a pour effet une chute de tension cathodique notablement amoindrie par rapport au potentiel de contact et à la chute de ten sion cathodique du métal de base seul, à la température de soudage. La surface de cathode de soudage composite comprend le ou les agents d'émission et le métal de base de cette cathode. Les métaux de base sont évidem ment ceux qui forment la. pièce devant être soudée ou ceux qui forment le fil d'électrode et qui sont destinés à être fondus et liés par fusion aux métaux de la pièce à souder, pour former le dépôt de soudure.
Les agents d'émission sont des métaux ajoutés à l'arc ou aux électrodes de soudage en extrêmement faibles quantités, soit sous forme d'éléments, soit .sous forme de composés qui se dissocient dans l'arc de manière à libérer de tels éléments. Ces métaux ont principalement pour but de modifier les caractéristiques thermiques et électriques de l'arc. Pour une opération de soudage donnée, les métaux de base sont déter minés par la composition de la pièce devant être sondée et par la composition du dépôt de soudure devant être formé.
Des agents d'émission appropriés sont des métaux qui devraient, être électropositifs par rapport au métal de base de la cathode et présenter un potentiel de contact plus faible que celui du métal de base et un faible potentiel d'ionisa tion. Ce dernier potentiel doit de préférence être inférieur au potentiel d'ionisation de tout autre constituant de l'atmosphère de l'arc et doit, de préférence, être inférieur au poten tiel de contact. effectif du métal de base de la cathode.
Lesdits métaux doivent en outre présenter un point de fusion inférieur au point d'ébullition du métal de base de la ca thode et, un point d'ébullition suffisamment élevé, ou être suffisamment peu volatils pour rester en place sur la. surface de la cathode composite pendant un temps suffisamment long pour accroître l'émission thermionique de cette surface dans les conditions de sou dage. Etant donné que l'électrode et la pièce devant être soudée au moyen de l'arc à cou rant alternatif changent de polarité de façon répétée si bien que l'électrode et la pièce à souder servent alternativement de cathode, il est évident que l'agent d'émission doit être efficace de la. façon décrite ci-dessus, aussi bien sur l'électrode que sur la pièce à. souder, afin. de stabiliser l'arc à courant. alternatif.
D'après des résultats expérimentaux, on a déterminé que le procédé peut être mis en ouvre de façon satisfaisante à l'aide d'un agent d'émission constitué par un élément du t du groupe des métaux alcalins, du groupe des métaux alcalino-terreux, par du lanthane ou par des métaux des terres rares de la série du lanthane, par de l'actinium ou par des métaux des terres rares de la série de l'acti nium, par du scandium ou encore par de l'yttrium. Ces éléments peuvent être ajoutés soit sous forme d'éléments ou sous forme métallique, soit encore sous forme de compo sés de ces éléments susceptibles de se dissocier partiellement ou complètement dans l'arc, de manière à libérer lesdits éléments.
Par exem ple, les oxydes, les carbonates, les borates, les phosphates, les nitrates, les silicates ou les composés halogénés desdits éléments peuvent être utilisés. Les mélanges de deux ou plu sieurs des éléments ou des composés ci-dessus ou de deux ou plusieurs éléments ou composés peuvent être utilisés et sont souvent particu lièrement efficaces. Les métaux alcalins sont le lithium, le sodium, le potassium, le rubi dium, le coesium et le francium. Les métaux alcalino-terreux sont le calcium, le baryum, le strontium et le radium.
Les métaux des terres rares de la série du lanthane sont le cérium, le praséodymium, le néodymium, le promethium, le samarium, l'europium le gadolinium, le terbium, le dysprosium, le hol mium, l'erbium, le thulium, l'ytterbium et le lutécium. Les métaux des terres rares de la série de l'actinium sont le thorium, le protac tinium, l'uranium, le neptunium, le plutonium, l'américium et le curium.
Beaucoup des éléments et des composés des éléments des groupes du système périodi que qu'on vient de citer sont rares et coûteux, et certains d'entre eux sont dangereusement radioactifs. Pour ces raisons, pour d'autres raisons pratiques, et également. parce que des résultats particulièrement favorables et haute ment désirables peuvent être obtenus pour le soudage à l'arc sous protection de gaz inerte des métaux communément utilisés en construc tion et dans l'industrie au moyen des agents qu'on va citer, on préfère utiliser un agent d'émission constitué par un élément choisi parmi les suivants:
potassium, rubidium, coesium, strontium, baryum, lanthane ou mé langes de métaux des terres rares de la série du lanthane et cérium. Dans certains cas, le thorium et l'uranium peuvent être préfé rables lorsque les températures de l'électrode de soudage sont. élevées. Ces agents d'émission préférés peuvent être ajoutés soit sous forme d'éléments, soit sous forme de composés de ces éléments susceptibles de se dissocier complète ment ou partiellement dans l'arc pour libérer lesdits éléments. Par exemple, on peut utiliser les oxydes, les carbonates, les borates, le phos phate, les nitrates, les silicates ou les compo sés halogénés des éléments préférés cités ci dessus.
Des mélanges de deux ou de plusieurs de ces éléments préférés ou de leurs composés ou de deux ou plusieurs éléments et composés peuvent aussi être utilisés et sont souvent particulièrement efficaces.
A titre d'exemple particulier de matières modificatrices préférées, on citera le nitrate de coesium, le carbonate de rubidium, le chlo rure de coesium et de rubidium, l'oxyde ou le carbonate de baryum, les mélanges de baryum et de strontium sous forme d'oxydes ou de carbonates, -le lanthane et. les mélanges de mé taux des terres rares de la série du lanthane sous forme métallique et sous forme d'oxydes, l'oxyde de thorium et le carbonate de potas sium.
Les matières qu'on vient d'indiquer et qui sont fournies à l'arc conformément au procédé spécifié sont efficaces pour stabiliser un arc à courant alternatif amorcé entre une électrode et une pièce devant être soudée faites toutes deux de matières à faible émission thermioni- que, ceci par réduction de la tension de réamorçage de l'arc. La tension de réamorçage comprend en partie la. tension nécessaire pour produire une émission cathodique suffisant à provoquer ou à maintenir le passage d'un courant d'arc et également le potentiel néces saire pour reioniser l'atmosphère de l'arc.
Ces matières coopèrent avec l'électrode et avec la pièce à souder, de manière à accroître l'émis sion thermionique de cette électrode et de cette pièce pendant les parties du cycle du courant. alternatif au cours desquelles elles servent respectivement de cathode pour l'arc. Les dites matières fonctionnent également dans l'atmosphère de l'are, de manière à nourrir ou entretenir l'ionisation de cette atmosphère. Avec des matières de cathode froide, une ten sion initiale élevée est. nécessaire pour pro duire tout d'abord un courant de transition à décharge. luminescente qui est. ensuite accru jusqu'à une valeur normale pour le courant d'arc et polir une différence d e potentiel con sidérablement inférieure.
Comme on l'a dit plus haut, une matière thermionique continue d'émettre des électrons même après l'extinction de l'arc, du fait de son inertie thermique. On a constaté qu'un agent d'émission fourni à l'are à courant alternatif selon le procédé spécifié n'a. besoin de produire que l'émission thermionique à partir du fil d'électrode et de la pièce à souder en matière de cathode froide nécessaire pour dépasser l'émission de transition correspondant à un arc à décharge luminescente, ceci afin de supprimer la néces sité d'une tension initiale d'amorçage élevée. Le courant de décharge total peut ensuite s'établir et être maintenu au moyen d'une force électromotrice relativement faible et sans utilisation d'une tension de décharge lumi nescente élevée.
Lorsque le gaz de protection utilisé est un gaz relativement facilement ioni- sable et présentant une relativement faible vitesse de déionisation, tel que l'argon, la ten sion de réamorçage dépend principalement du potentiel nécessaire pour assurer l'émission du courant voulu. Cependant, lorsqu'un gaz de protection tel que l'hélium est utilisé, ce gaz n'étant pas facilement ionisable et se déioni- sant rapidement pendant le. bref intervalle d'extinction de l'are, la tension de réamor- çage dépend également dans une grande me sure du potentiel d'ionisation de la. zone de l'arc.
La faculté de l'a;ent d'émission de se ioniser facilement dans l'atmosphère de l'arc présente une importance considérable pour la stabilisation de l'are, en plus de sa. faculté d'accroître l'émission thermionique. Les fig. 10 et 11 illustrent l'effet. de l'agent d'émission fourni à l'are selon le procédé spécifié sur la tension de réamorçage de l'arc à courant alternatif.
Ces figures sont des reproductions d'oscillogrammes de la tension d'arc obtenue clans les opérations de soudage à l'arc à cou rant alternatif sous protection d'un gaz inerte de métaux, avec des matières de cathode froide. Ces tensions d'arc sont par exemple typiques d'une opération de soudage effectuée avec une électrode d'aluminium pour souder une pièce d'aluminium conformément à l'exem ple 4 ci-dessus. La fig. 10 correspond à une opération de soudage effectuée sans l'aide d'une matière modificatrice utilisée selon le procédé spécifié. Afin d'amorcer et de main tenir un arc, on a dû utiliser une force électro motrice élevée et égale à 150 volts. On voit.
qu'au début de chaque demi-période, à un instant correspondant à l'inversion du sens du courant de l'arc, la courbe représentant la tension d'arc présente une pointe. Cette pointe est caractéristique de la tension élevée nécessaire pour réamorcer l'arc dans les con ditions précitées et, dans une atmosphère stérile . La force électromotrice élevée utili sée est suffisante pour fournir les pointes de tension, de sorte que l'arc est ainsi entretenu. La fig. 11 correspond à une opération de sou dage effectuée selon le procédé spécifié et comme décrit à l'exemple 4 ci-dessus, une matière modificatrice constituée par du car bonate de rubidium ayant été ajoutée au fil d'aluminium. La soudure a été effectuée dans une atmosphère de protection d'argon.
Pour l'obtention de l'oscillogramme, on a à nouveau utilisé une force électromotrice de 150 volts pour alimenter l'arc. Dans ces conditions, on voit que la tension de réamorçage est efficace ment réduite, la tension de pointe nécessaire pour amorcer l'arc ne dépassant pas 75 volts. Ainsi, lorsque de la matière modificatrice est ainsi fournie à l'arc, celui-ci peut être amorcé et maintenu amorcé au moyen d'une faible force électromotrice normale de 75 volts.
On remarquera en particulier, en référence à ces deux oscillogrammes, que l'effet de l'addition de matière modificatrice doit se manifester aussi bien sur le fil de soudure que sur la pièce devant être soudée afin de permettre un réamoreage de l'arc au moyen d'une faible force électromotrice. Par conséquent, lors qu'on parle dans la présente description de l'action ou de l'effet des agents d'émission sur la cathode, on doit comprendre que cette action ou cet effet doit. être efficace aussi bien au fil d'électrode qu'à '1a pièce à souder qui jouent alternativement le rôle de cathode pour l'arc, au cours de demi-périodes succes sives du courant alimentant l'arc.
Lorsqu'on emploie un gaz protecteur moins facilement ionisable, par exemple de l'hélium, on obtient sensiblement les mêmes effets que ceux illus trés par l'oscillogramme de la fig. 11 et se rapportant à la tension d'arc, ceci grâce à l'ionisation de l'agent d'émission dans l'atmo sphère de l'arc.
Des matières modificatrices déterminées ne sont pas également efficaces sur des fils d'élec trode et sur des pièces devant être soudées de différentes compositions. Bien que les prin cipes ou la théorie du fonctionnement du pro cédé spécifié ne soient pas encore connus de facon certaine, on a trouvé que l'explication suivante de l'efficacité de ce procédé est utile à titre d'orientation pour déterminer lesquels des diverses matières modificatrices ou agents d'émission doivent être utilisés pour le soudage d'une pièce à souder faite d'un métal de base particulier ou conjointement avec un fil d'électrode fait d'un métal de base particulier, afin d'obtenir les résultats désirés.
Les ma tières modificatrices sont des matières qui se désagrègent, au cas où il s'agit d'un composé, en un agent d'émission ou élément d'émission métallique présentant un faible potentiel de contact et un faible potentiel d'ionisation, qui est électropositif par rapport au métal de base de la cathode, et qui forme un mince film sur toute la surface ou sur une partie de la sur face de la cathode (électrode et pièce à sou der), ceci pendant l'opération de soudage. Un revêtement d'un métal électropositif sur un métal plus électronégatif a pour effet d'abais ser de façon marquée le potentiel de contact de la surface composite, et d'augmenter ainsi son émission thermionique à la température de soudage de l'électrode.
Lorsque l'émission thermionique accrue ainsi obtenue est suffi sante pendant les périodes d'extinction de l'arc et d'inversion du sens du courant d'arc pour dépasser l'émission de transition par are à décharge luminescente, l'arc est facilement réamorcé avec de faibles forces électro motrices. On croit donc que l'efficacité du procédé est due aux phénomènes suivants: le composé contenant l'agent ou l'élément d'émis sion (en admettant que l'agent d'émission soit ajouté à l'arc sous forme d'un composé) est réduit ou dissocié et libère l'agent d'émission sous forme d'un métal, dans ou sur la partie fondue de la cathode de soudage (surfaces du fil d'électrode et de la pièce à souder).
L'élé ment d'émission diffuse jusqu'à la surface de la cathode fondue ou effectue une migration sur cette surface ou les deux pour former une surface de cathode de soudage composite et thermioniquement hautement émissive. Il sem ble que la surface entièrement activée corres pond à une couche monoatomique d'atomes ou d'ions de l'agent d'émission qui recouvre une grande partie de la surface de cathode.
Cette mince couche de l'élément d'émission est maintenue sur la surface par des forces d'attraction si élevées qu'une évaporation no table ne se produit que pour des températures bien supérieures au point d'ébullition de cet élément d'émission, ceci bien que des quantités en excès de l'élément d'émission puissent s'évaporer à de basses températures, de ma nière à laisser subsister ladite mince couche ou des taches d'élément d'émission sur la sur face de la cathode. Il convient de remarquer que les températures de l'arc de soudage usuellement entretenu à la pression atmosphé rique sont supérieures aux températures de dissociation de la plupart des composés.
La couche monoatomique ou les taches d'atomes de l'élément d'émission sont probablement adsorbées sous forme d'ions par la surface de la cathode en métal de base et les forces qui tendent à maintenir cette couche au ces taches en place sont probablement les plus élevées lorsque le potentiel d'ionisation de l'élément d'émission est faible. Il semble que le poten tiel d'ionisation de l'élément d'émission de vrait être plus faible que le potentiel de con tact du métal de base de la cathode.
Cepen dant, en pratique, et peut-être parce qu'il est difficile de déterminer exactement les poten tiels de contact, on a trouvé que le potentiel d'ionisation du métal d'émission peut quelque fois dépasser d'une quantité pouvant atteindre un et demi électronvolt les valeurs données par des observateurs dignes de foi pour les potentiels de contact des métaux de base de cathode.
En général, l'élément d'émission doit être électropositif par rapport au métal de base; le potentiel de contact de la surface composite est le plus faible et. son émission thermionique est la plus élevée lorsque cette différence est positive et aussi grande que possible, et ce potentiel de contact croît et cette émission thermionique diminue lorsque ladite différence devient égale à zéro ou même négative.
Les potentiels d'ionisation de plusieurs des éléments d'émission cités ci-dessus ont. été dé terminés avec une exactitude raisonnable. Ce pendant, comme on vient de le dire, on cons tate des différences assez grandes entre les potentiels de contact des métaux de base me surés par différents chercheurs. On donne ci-dessous une liste tirée de la littérature du potentiel d'ionisation de certains des éléments d'émission et du potentiel de contact de plu sieurs métaux de base.
EMI0012.0005
Potentiel <SEP> d'ionisation <SEP> Potentiel <SEP> de <SEP> contact
<tb> thermionique
<tb> Agents <SEP> Electron- <SEP> Métaux <SEP> de <SEP> Electron d'émission <SEP> volts
<tb> base <SEP> volts
<tb> Lithium <SEP> 5,37 <SEP> Magnésium <SEP> 3,78
<tb> Sodium <SEP> 5,12 <SEP> Aluminium <SEP> 4,08
<tb> Potassium <SEP> 4,32 <SEP> Cuivre <SEP> 4,33
<tb> Rubidium <SEP> 4,16 <SEP> Fer <SEP> 4,48
<tb> Coesium <SEP> 3,87
<tb> Strontium <SEP> 5,67
<tb> Baryum <SEP> 5,19
<tb> Scandium <SEP> 6,7
<tb> Yttrium <SEP> 6,5
<tb> Lanthane <SEP> 5,59
<tb> Thorium <SEP> <B>5,
25</B> Bien qu'il semble que le coesium fournisse la meilleure surface composite thermionique- ment émettrice avec l'un quelconque des métaux de base de la liste ci-dessus, son point d'ébullition est relativement bas et il n'est pas bien retenu sur la surface des métaux de base ayant des points d'ébullition élevés, comme le fer, dans les conditions de soudage. Le coesium est très efficace pour augmenter l'émission thermionique de la surface des métaux à bas point d'ébullition, tel que l'aluminium.
Le baryum, le strontium, le lanthane et le cérium devraient, être beaucoup plus efficaces comme agent émetteurs pour renforcer l'émission tliermionique d'une surface composite à base de fer que pour une surface à base d'alumi nium. Des essais ont montré que cela est en effet le cas. Les agents d'émission présentant de bas potentiels d'ionisation sont particulièrement favorables lorsqu'ils sont utilisés conjointe ment avec des gaz de protection tels que l'liéliuni et présentant de relativement mau vaises caractéristiques d'ionisation.
En général, l'agent d'émission ne peut être choisi pour la. mise en rouvre du procédé spécifié et, pour une surface composite déter minée que lorsque le métal de base des ca thodes utilisé dans cette mise en oeuvre est connu, ce métal étant déterminé par la com position du fil d'électrode ou de la pièce devant être soudée et cette composition étant. à son tour déterminée par le type de soudure qu'on désire effectuer et par le type de pièce devant être soudée.
De plus, la surface de cathode doit fonctionner à une température comprise entre les points de fusion et d'ébulli tion du métal constituant le fil d'électrode, de sorte que ce métal puisse être fondu et être transféré par l'arc pour être déposé dans le métal fondu sur la. pièce devant être soudée.
Le fait que les arcs de soudage sont nor malement amorcés à une pression sensiblement égnile à la. pression atmosphérique doit être considéré, parce que le point d'ébullition de l'agent d'émission devrait être élevé, afin de conserver cet agent intact sur la surface de cathode pendant un temps suffisant, et les températures et points d'ébullition devant être pris en considération doivent par conséquent être les températures et points d'ébullition à pression atmosphérique. Du fait que de la ma- Hère modificatrice est continuellement fournie à l'arc, l'élément d'émission est continuellement renouvelé sur la surface de cathode composite et n'a donc besoin d'avoir qu'une durée de vie effec tive relativement courte.
Des agents d'émission présentant des points d'ébullition considérable ment inférieurs aux températures de soudage des cathodes peuvent agir de façon à entre tenir une surface de cathode composite ther- mioniquement émissive et constamment effi cace, à condition d'être continuellement ajou tés à l'arc, et même si le métal de base des cathodes est rapidement enlevé, respectivement ajouté, pendant l'opération de soudage, par transfert de métal à partir du fil d'électrode jusqu'au dépôt de soudure formé sur la pièce à souder.
Le traitement d'activation (réduction ou dissociation de la matière modificatrice ajoutée si celle-ci est constituée par un composé et migration de l'élément d'émission jusque sur la surface de cathode sous forme d'une couche monoatomique) doit avoir lieu à mesure que le fil est avancé vers l'arc. Il est important. que l'élément d'émission choisi soit capable d'être retenu par adsorption, sous forme d'une mince couche, sur le métal de base et à la température de soudage de celui-ci, parce que c'est à cette température (comprise entre les points de fusion et d'ébullition du métal de base) que la surface de cathode de soudage fonctionne et que la surface composite doit par conséquent être efficace.
Si la matière modificatrice est fournie à l'arc sous forme d'un composé, ce composé doit être assez peu stable pour se dissocier au moins partiellement dans l'arc, de manière à fournir l'élément ou le métal d'émission à l'état libre sur les sur faces d'électrodes de l'arc. D'autre part, lors qu'on utilise un composé, celui-ci doit de pré férence se dissocier assez difficilement pour que l'élément d'émission ne puisse être com plètement évaporé avant de pouvoir atteindre la surface de cathode et être adsorbé sur cette surface sous forme de ions. Lorsque la matière modificatrice est un composé,
elle peut être considérée comme comprenant une phase efficace> qui est constituée par un élément d'émission et une phase porteuse qui est constituée par l'élément ou groupe d'éléments qui porte l'élément d'émission jusqu'à son en droit d'utilisation sur la surface composite.
Le diagramme de la fig. 9 illustre l'effet de commande et d'amélioration de l'émission électronique thermionique dans l'arc de sou dage obtenu au moyen de surfaces de cathode composites. Il donne l'émission thermionique en amp/cm2 en fonction de la température en degrés Kelvin. A cette figure, les taux d'émission thermionique de deux métaux de base: aluminium (courbe 1) et fer (courbe 2) et de deux agents d'émission: coesium (courbe 3) et baryum (courbe 4) sont. représentés en fonction de la température. Les émissions thermioniques de surfaces composites obtenues au moyen de coesium et de baryum sont égale ment représentées en fonction de la température (courbes 5 et 6 respectivement) pour mettre en évidence les principes du procédé.
II con vient d'insister sur le fait que ces courbes ne sont qu'une illustration d'un seul des effets des matières modificatrices, soit de l'accroisse ment de l'émission thermionique, et. qu'elles ne sont pas exactes au point, de vue quantitatif. Elles illustrent qualitativement la relation qui existe entre les taux d'émission thermionique de diverses surfaces, mais les relations quan titatives représentées sont inexactes du fait que le potentiel de contact d'une surface de cathode composite varie avec le métal de base de cette cathode aussi bien qu'avec l'élément d'émission utilisé. Le potentiel de contact d'une surface thermionique composite est infé rieur à celui du métal de base et à celui de l'élément d'émission pris isolément.
Bien que le métal de revêtement ou agent, d'émission soit retenu sous forme d'une couche adsorbée sur la surface du métal de base à une tempé rature bien supérieure à sa température d'ébul lition, lorsque des températures suffisamment élevées sont atteintes, cette couche adsorbée se dissipe trop rapidement par évaporation et l'émission thermionique est alors sensiblement identique à celle du métal de base seul. La courbe 7 d'émission du métal réfractaire et thermionique tungstène et la courbe 8 d'émis- Sion de thorium sur une base de tungstène sont représentées pour illustrer cet. effet., ainsi que la courbe 9 d'une surface composite obte nue au moyen du thorium.
Au haut du dia gramme, on a indiqué les flèches 10, 11 et 12 donnant les domaines de températures dans lesquels l'aluminium, le fer et le tungstène respectivement sont en phase liquide. L'extré mité gauche de chaque flèche indique le point de fusion, et l'extrémité droite le point d'ébullition du métal.
Les flèches 13 et 14 à gauche du diagramme indiquent respectivement les domaines propres à une cathode froide et à une cathode thermo- ionique. Etant donné que les températures d'électrode de l'arc de soudage pour l'alumi nium et pour le fer doivent être comprises dans les domaines indiqués pour ces métaux, pour la. mise en oeuvre du procédé (le soudage à l'arc sous protection d'un gaz inerte, on voit de suite que le eoesium serait le plus efficace pour renforcer l'émission thermioni- que d'une surface d'aluminium et que le ba ryum serait le plus efficace pour renforcer l'émission du fer.
Bien qu'on estime actuellement. préférable pour la mise en oeuvre du procédé décrit de fournir la matière modificatrice en l'appli quant ou en l'occluant dans le fil d'électrode, ou encore en l'ajoutant au fil d'électrode comme partie intégrante de l'alliage formant ce fil; on peut, encore ajouter cette matière modificatrice d'autres Tacons.
La fig. 6 représente, schématiquement, une deuxième forme d'exécution de l'installation pour la mise en ceuvre du procédé, dans la quelle les matières modificatrices sont intro duites de façon continue dans le courant des gaz de protection. Un fil d'électrode non traité 60 est avancé à travers un pistolet de sou dage 61 jusqu'en position de fonctionnement par rapport à un ouvrage 62 devant être soudé. Comme décrit ci-dessus en regard de la fig. 1, le fil d'électrode 60 est fourni à partir d'une bobine 65 à partir de laquelle il est dévidé au moyen d'un mécanisme d'avance 63 entraîné par un moteur.
Ce fil est. ensuite poussé à travers une protection 64 jusqu'au pistolet de soudage 61. Du courant de soudage est fourni par un transformateur de soudage à courant alternatif de construc tion ordinaire 66. L'une des bornes de .sortie de ce transformateur est reliée au pistolet de soudage 61 à travers un commutateur 67 et des conducteurs 68 et 68'. L'autre borne de sortie du transformateur est reliée à la pièce à souder 62 au moyen d'un conducteur 69. Le courant de soudage est amené jusqu'à l'élec trode 60 à l'intérieur du pistolet 61, au moyen d'un tube de contact., comme dans le pistolet représenté aux fig. 2 et 3.
Le pistolet repré senté à la fig. 6 est refroidi au moyen d'une circulation d'eau passant par des conduits débouchant. dans l'embouchure de ce pistolet. Celui-ci est supporté au moyen d'un support fixe comprenant un manchon fendu 70 qui porte un pignon disposé de manière qu'on puisse le faire tourner au moyen d'un volant a main 71.. Une crémaillère 72 est fixée au fût du pistolet 61, de manière à coopérer avec ledit pignon et à permettre ainsi de régler sa position verticale par rapport au manchon fendu. La. fi-. 7 montre des détails de cons truction des parties inférieure et supérieure du pistolet 61. Le fil d'électrode est avancé à travers un canon intérieur 75 et à travers un tube de contact 76 qui amène le courant de soudage jusqu'à l'électrode 60.
Ce courant est amené au pistolet à son extrémité supé- rieure au moyen du conducteur 68' et passe au travers des parties intérieures de ce pisto let jusqu'au tube de contact 76.
Ainsi qu'on peut le voir à la. fig. 6, du gaz de protection est fourni à partir d'une bouteille de gaz comprimé 80. Ce gaz sort de la bouteille à travers une soupape à cylindre usuelle 81, un régulateur de pression 82 et un indicateur de débit 83 pour passer dans un conduit 84.A travers le conduit 84, le gaz de protection est amené dans un dispositif dis tributeur de poudre du type vibratoire dési gné par le signe de référence 85. Ce dispo sitif est principalement constitué par une trémie à partir de laquelle la. matière en poudre est fournie au moyen d'un méca nisme distributeur vibratoire. Cette matière est. entrainée par le courant de gaz inerte, au fur et à mesure que ce gaz amené au dispositif à travers le conduit. 84 quitte ce dispositif à travers un conduit 86.
Du gaz de protection contenant de la matière en poudre à l'état de suspension passe par le conduit 86,à partir du distributeur de poudre 85, jusqu'au pistolet de soudage 61. Dans cette forme d'exécution, la matière modificatrice est fournie sous forme d'un solide à l'état sec et pulvérulent qui est introduit dans le courant de gaz de protec tion. Ce gaz contenant ladite matière modifi catrice à l'état de suspension passe à travers des passages appropriés ménagés dans le pis tolet 61 et sort de celui-ci sous forme d'un courant non turbulent à travers une embou chure 89 (voir fig. 7) qui entoure le tube de contact 76.
La matière modificatrice suspen due dans le courant de gaz de protection pé nètre dans la région de l'arc dans laquelle elle fournit une substance stabilisatrice présentant un bas potentiel d'ionisation et où elle donne aux surfaces de cathode de l'arc des proprié tés d'émission thermionique telles que celles décrites plus haut. Le dispositif distributeur de poudre 85 n'est pas nécessairement du type décrit ci-dessus, il pourrait aussi être constitué par un appareil quelconque capable d'assurer une alimentation continue de l'arc en matière modificatrice pulvérulente.
<I>Exemple 5:</I> Cet exemple illustre une mise en ouvre du procédé dans laquelle la. matière modifi catrice est fournie à l'are sous forme d'une poussière suspendue dans le gaz de protection. On a ainsi soudé une plaque d'acier doux de 9,5 mm d'épaisseur au moyen d'une électrode constituée par du fil de même acier doux non traité de 1,6 mm de diamètre. Un écran de gaz de protection était formé en fournissant l'argon à raison de 2,14 m3 à l'heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre inté rieur. De l'oxyde de baryum était amené dans l'arc sous forme d'une fine poudre entraînée par le gaz de protection.
Avec une force électromotrice de 75 volts, un courant d'arc de 300 ampères et. une tension d'arc de 19 volts, la vitesse de consommation du fil d'électrode nu et non traité était de 3,3 m par minute et la vitesse d'avance de soudage était maintenue égale à 25,4 cm par minute.
Dans les conditions décrites ci-dessus, on a obtenu un arc à courant alternatif stabilisé amorcé et entretenu au moyen d'une source présentant une force électromotrice de 75 volts. On a remarqué que le transfert de métal à courant alternatif était du type pulvérisé et de bonne qualité et que la régulation était également bonne.
<I>Exemple 6:</I> On a effectué un essai analogue en utili sant de l'hélium comme gaz de protection, avec un débit de 2,85 m3 par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre intérieur. De l'oxyde de baryum sous forme d'une fine poudre était fourni à l'arc dans le gaz de protection de la manière décrite ci-dessus. Avec une force électromotrice de 75 volts, un courant d'are de 270 ampères et une tension d'arc de 30 volts, la vitesse de consommation du fil d'électrode était de 3,8 m par minute.
Dans les conditions qu'on vient de décrire, on a obtenu un arc à courant alternatif stabilisé amorcé et entretenu par une source ayant une force électromotrice de 75 volts. Le transfert métallique s'effectuait. sous forme de fines gouttelettes et la régulation était bonne. Une quantité moyenne d'éclaboussures pouvait être constatée et. la perle de soudure était. assez plate.
En plus des modes d'introduction de la matière modificatrice dans l'arc décrits ci- dessus, on a constaté que cette matière pouvait également être disposée sur un fil auxiliaire de remplissage avancé dans la soudure ou être directement disposée sur la. pièce devant être soudée.
La fig. 8 représente une troisième forme d'exécution de l'installation pour la mise en oeuvre du procédé, dans laquelle on utilise un fil auxiliaire de remplissage sur lequel la ma tière modificatrice a. été appliquée.
Dans la forme d'exécution représentée à la fig. 8, un fil d'électrode 90 est avancé à partir d'une bobine 91, au moyen d'un mécanisme d'avance 92 entraîné par un moteur, comme dans les formes d'exécution précédemment. dé crites. Ce fil d'électrode est propre, nu et n'est pas traité. Il est guidé à partir du méca nisme d'avance 92 et à travers une protection 93 jusqu'à un pistolet de soudage 94. Ce pisto let est pratiquement identique à celui repré senté aux fig. 6 et 7. Du courant de soudage est fourni à partir d'un transformateur de sou dage 100. L'une des bornes de sortie de ce transformateur est reliée au pistolet de sou dage par un conducteur 101, un commutateur 102 et un conducteur 103.
Le courant est amené jusqu'au fil d'électrode 90 à l'intérieur du pistolet. de soudage 94. L'autre borne de sortie du transformateur de soudage est reliée à l'ouvrage devant être soudé au moyen d'un conducteur 104. Du gaz de protection est fourni à partir d'une bouteille de gaz com primé 110, à travers une soupape<B>à</B> cylindre 111 ordinaire, un régulateur de pression 112, un indicateur de débit 113 et un conduit 114, jusqu'au pistolet de soudage 94. Le gaz de protection sort par l'embouchure du pistolet sous forme d'un courant non turbulent entou rant l'extrémité de l'électrode adjacente à l'are, cet arc lui-même et la, flaque de soudure. Un second ensemble d'alimentation en fil mé tallique est utilisé pour faire avancer un fil de remplissage<B>119</B> jusqu'à la soudure.
Ce fil contient, dans sa. masse, sous forme d'un revêtement superficiel ou d'une incrustation dans sa surface, la matière modificatrice néces saire. Le fil métallique traité <B>119</B> n'est pas alimenté en courant et ne constitue pas une électrode. C'est un fil séparé qui est avancé jusque dans la région de l'arc dans laquelle il est fondu dans la soudure par la. chaleur de l'arc. L'ensemble d'alimentation en fil de rem plissage est identique à. l'ensemble d'alimen tation en fil d'électrode. Il comprend une bo bine de fil 120 et un mécanisme d'avance 121 pour le fil, qui est entraîné par un moteur.
Ce mécanisme dévide le fil 119 de la bobine 120 et le pousse à travers une protection 122 jusque dans la, zone de soudage. Un dispositif de fixation 123 supporte la, protection 122 au voisinage du pistolet et guide ainsi le fil de remplissage 119 jusque dans la soudure. On obtient les meilleurs résultats lorsque le fil de remplissage 119 est avancé vers la zone de souda;e de manière telle que son extrémité touche la pièce devant être soudée au bord de la flaque de soudure et que ce fil fonde dans la flaque (le soudure avant de parvenir direc tement. au-dessous de l'are.
Exemple <I>7:</I> Cet exemple illustre l'effet produit sur un are à courant alternatif pour le soudage d'un métal sous protection d'un gaz inerte par addition d'une matière modificatrice amenée au moyen d'un fil de remplissage auxiliaire. Avec une installation telle que celle représen tée à la fi-. 8 et. en utilisant un fil d'élec trode en acier doux de 1,6 mm de diamètre sous protection d'un écran gazeux d'argon fourni avec un débit de 2,1..1 m3 par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de dia mètre, on a soudé une pièce constituée par une plaque d'acier doux de 9,5 mm d'épais seur. Un fil de remplissage auxiliaire constitué par un fil d'acier de 1,15 mm de diamètre était utilisé.
Ce fil avait été préalablement traité avec de l'oxyde de baryum, exactement de la faeon décrite ci-dessus (exemple 1) à propos du fil d'électrode de 1.,6 mm de dia mètre traité au carbonate de rubidium. Ce fil auxiliaire était avancé vers l'arc, de manière à fondre dans la flaque de soudure et à com pléter la. quantité de métal de soudure fournie par L'électrode de soudage en se consumant.
Lorsque l'are était amorcé et que ce fil traité à l'oxyde de baryum était ajouté à la soudure avec une vitesse d'avance de 2,28 m par mi- mite, un are était entretenu par une source de courant alternatif présentant. une force électromotrice de 75 volts. La tension d'arc était de 29 volts, le courant d'are de 370 am pères et la vitesse de consommation du fil d'électrode de 8,1 m par minute. La vitesse d'avance de soudage était maintenue à 25,4 cm par minute.
Dans ces conditions, on obtenait un arc à courant alternatif stabilisé, entretenu au moyen (Finie faible force électromotrice de 75 volts. On a pu observer qu'on obtenait un bon transfert métallique à courant alternatif du type pulvérisé et. que la régulation était satisfaisante.
Lorsque l'oxyde de baryum est fourni sous forme d'addition au fil auxiliaire de remplis sage, comme décrit ci-dessus, il est impossible d'amorcer l'are de la manière ordinaire. Cela est dû au fait que la matière modificatrice apportée par le fil de remplissage n'est pas efficace pour renforcer l'émission ou pour stabiliser l'are avant. que le fil de remplissage n'ait été fondu ou que l'are n'ait été amorcé. Une mise en route satisfaisante du processus de soudage est obtenue en revêtant une petite surface de la pièce devant être soudée, au point de départ de la soudure, d'une solution alcoolique de la matière modificatrice. Une fois amorcé, l'are est entretenu sans interruption par avance continue du fil de remplissage auxiliaire traité.
<I>Exemple 8:</I> Le procédé spécifié peut. encore être mis en oeuvre en appliquant de la matière modifi catrice directement sur la pièce devant être soudée. Par exemple, en utilisant une installa tion du type décrit en référence à la fig. 1, on a soudé une plaque d'acier de 9,5 mm d'épaisseur en appliquant préalablement, au moyen d'un pinceau, une boue de carbonate de rubidium et d'alcool sur les endroits de cette plaque devant être soudés. La soudure était obtenue au moyen d'un fil d'électrode en acier doux non traité de 1,6 mm de diamètre. Un écran de protection de gaz inerte était obtenu en fournissant de l'argon à raison de 2,14 ms par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre.
Avec un courant d'arc de 310 am pères et une tension d'arc de 27 volts obtenus au moyen d'une source présentant une force électromotrice de 75 volts, on obtenait une vi tesse de consommation de l'électrode de 6,35 m par minute. La vitesse d'avance de soudage était maintenue égale à 25,4 cm par minute.
Dans les conditions décrites ci-dessus, un are à courant alternatif stabilisé était amorcé et entretenu au moyen d'une faible force électromotrice de 75 volts. Le transfert de mé- tal à courant alternatif était du type pulvé risé et de bonne qualité, la régulation était. également bonne, et la perle de soudure obte nue était. bien arrondie.
Alternating current arc welding process. The present invention relates to a method of arc welding with native alternating current and in particular a method of welding a metal under the protection of an inert gas and by means of a filler electrode.
The process forming the subject of the invention can be considered, at least in certain of its aspects, as constituting an improvement of the metal arc welding processes with shielding gas described in Swiss patents NS 280573, 285860 and 283499.
In Swiss Patents Nos. 5 280573, 285860 and 283499, a welding process of the type in which a filler electrode constituted by a wire is advanced continuously dewlap towards a welding arc protected by gas and which is maintained has been described. between this élec trode and a work to be welded, for example a plate, the welding current supplied to. the arc being at least sufficient to consume the electrode as it is advanced towards the arc and to transfer weld metal from the electrode to a weld deposit formed on the work at weld, so as to form a satisfactory weld from an industrial point of view.
Preferably, the current. supplied to the arc is of sufficient density to provide a smooth, rapid and uniform deposit or to ensure a transfer of the so-called spray type of the metal from said electrode to said weld deposit (see Swiss patent N 280573). The shielding gas is essentially constituted by an inert gas. The inert shielding gases mentioned are monoatomic gases or mixtures of these gases, for example helium or argon or a mixture of helium and argon, and may include small proportions of other gases. which do not significantly modify the protective characteristics of the inert monoatomic gas (s).
These gases are preferably supplied in the form of a laminar or substantially non-turbulent flow stream and having sufficient flow stiffness to substantially exclude the ambient atmosphere from the region of the arc substantially completely. Such an arc constitutes an electric discharge through a controlled gaseous atmosphere. The gas in the region of the arc is ionized and the positive ions produced are moved by the potential gradient towards the cathode where they give up their energy to the latter or are neutralized by electrons emitted by this cathode.
Metal vapor formed in the region of the arc by evaporation from the electrode, the workpiece (plate) or from some other source such as a separate filler wire is part of the process. atmo gaseous sphere lying in the area of the arc, so that the arc atmosphere through which the.
electric discharge and through which the weld metal is transferred from the wire constituting the electrode to the work to be welded is constituted by the inert shielding gas and by said metallic vapor, while the air, water vapor and other components of the ambient atmosphere are substantially excluded from the arc area by the protective screen formed by the inert gas.
Since no flux is used and atmospheric air or similar impurities are not present in the arc zone as would be the case if the welding was carried out in air, under a blanket flux or by means of electrodes provided with a coating, the characteristics of the arc at constant pressure depend only on the characteristics of the metals constituting the electrode and the work to be welded and on the inert shielding gas .
In such sterile atmospheres, considerable difficulties have been experienced in the alternating current arc welding of materials exhibiting low thermionic emission, i.e. materials constituting cold cathodes. The main factors making welding difficult under these conditions are arc instability and poor transfer of metal from the electrode to the work to be welded.
Under certain conditions, it has been possible to stabilize the ac arcs by using high electromotive forces of about <B> 150 </B> volts, or by superimposing on the. voltage applied to the terminals of the arc a high frequency voltage, or else by simultaneously using these two devices. However, these ways of stabilizing the AC native arc are not entirely satisfactory.
The use of a high electromotive force is hazardous and must. preferably be avoided in ordinary industrial welding installations, and the auxiliary equipment required for the. Arc stabilization using high frequency is much more expensive than ordinary AC welding transformers. <B> </B> Moreover, these devices do not sufficiently improve the metal transfer characteristics of the arc.
It has been noticed that by providing certain additive materials to the arc, in addition to the metal which is melted to form a hard soda bead and the metallic vapors of this metal, and in addition to the inert shielding gas, one can control or modify the characteristics of the welding arc advantageously. The method forming the subject of the invention is characterized in that an electric arc is started between a filler electrode and a work to be welded, in that a current of shielding gas is brought into the flow. welding zone, so as to form a protective screen around this zone, in that said electrode is moved towards said electrode.
arc as it is consumed, and in that the arc is supplied with modifying material reducing the re-ignition voltage of this are. Said modifying material is chosen and added to the arc so as to lower the work expressed in electron volts and necessary to extract electrons from the cathode, i.e. the contact potential of the cathode, so as to . to improve the stability of the arc, to enable an alternating current arc to be maintained by means of a low electromotive force, and to provide a concentrated and stable cathode spot. We believe.
that during the alternation of the alternating current cycle during which the electrode constitutes the cathode, the. Arc stability is improved at least in part by concentrating the cathode spot in the manner just described, as long as the drops are dripping with molten and pulverized metal leaving. the wire-shaped electrode are completely immersed in a plasma. The modifier material can also modify factors such as the rate of consumption of the wire constituting the electrode, the penetration, the size and the contours of the solder bead.
Everything is alternating current and turns off. the functions of the electrodes between which it spurts out are reversed with its polarity at each half-wave or half-period of the native alternating current maintaining this arc, at the moment when the arc voltage is reversed. The main problem to be solved with this type of are. due to the fact. that it is necessary to restart it at each half-period. Every time the arc goes out, it must. be able to be easily re-ignited, in order to be regular and uniform and key be able to be used for welding.
The re-ignition of the arc depends on the emission from the cathode and on the ionization of the arc zone, this ionization having to ensure the passage of the arc current and being obtained by applying a sufficient re-ignition voltage between l electrode and the work to be welded.
We have. found that when a material constituting a good thermionic emitter of electrons at its welding temperature, that is to say a thermionic material, serves as a cathode for the welding arc, it constitutes a very efficient cathode and exhibiting a low drop in cathode voltage. Such materials emit all the electrons necessary for the arc at their welding temperatures and with a low drop in cathode voltage. This emission is not ensured with materials exhibiting a low thermionic emission or constituting cold cathodes and the.
most of the materials commonly used in construction or in the machine industry, such as aluminum, copper, nickel, iron, magnesium, titanium, etc., and alloys of these metals, which are normal is lying. industrially welded in large quantities belong to this class. The emission of electrons from cold cathode materials can be viewed, simplified, as dependent primarily on field emission. This emission ceases abruptly each time the arc goes out, or is interrupted, and a very high electromotive force sufficient to produce a luminescent discharge is then required for the re-ignition of the arc.
The re-ignition voltage is therefore constituted by the voltage necessary to produce a glow discharge in the. arc area and to ionize this area. The normal low electromotive forces of about 75 volts are insufficient to provide the necessary restrike voltage and therefore do not sustain an ac welding arc in a protective atmosphere of inert gas for metal welding. with such cold cathode materials.
On the other hand, a thermionic material continues to emit electrons in abundance due to its temperature. Thus, when the are is maintained by an alternating current source, such a material continues to emit electrons even after the current sustaining the arc has ceased to flow, thanks to the thermal inertia of the electrode. . Under these conditions, easy reclamation of the arc is possible with a low electromotive force.
The thermionic emission characteristics of the electrode and the workpiece therefore affect the stability of the arc critically, but it is also essential that the atmosphere of the arc zone is susceptible to be readily ionized to ensure a stabilized AC welding arc suitable for welding.
For the arc welding of metals under protection of an inert gas, the welding electrode materials constituting cold cathodes are therefore modified, so as to obtain electrical and thermal characteristics of the arc similar to or approaching to a determined degree the electrical and thermal characteristics obtained with thermionic welding electrode materials, this at the temperatures encountered in ares when welding under protection of inert gas by means of 'supply electrodes.
The electrical and thermal characteristics of a welding arc used under inert gas shielding and spouting between electrodes made of cold cathode materials are. thus controlled, this effect being obtained by adding an arc modifying material and this material acting on the cathode of the arc and at the temperature of the welding arc, so as to improve the emission characteristics thermionic of this cathode and to favor the ionization of the atmosphere of the arc, when this is necessary.
It has been found that such additions can be made in very small amounts relative to the amount of solder metal deposited or electrode wire consumed. The added material can be supplied in such small quantities that it affects only the electrical and thermal characteristics of the are. If desired, this material can be selected and used in such small amounts that it has no appreciable or appreciable effect on the chemical composition of the weld metal or does not appreciably react with it. welded metal.
Preferably, the welding arcs to which a modifying material is thus added are arcs with a substantially sterile atmosphere or surrounded essentially by an inert protective gas, the atmosphere of these arcs further comprising metallic vapors or the like given off by the gas. electrode and by the work to be welded. The stream of inert, non-turbulent shielding gas substantially excludes the ambient atmosphere from such a welding arc and, therefore. that the welding is carried out without flux., the electrical and thermal characteristics of such arcs depend only on the characteristics of the shielding gas and the metal of the electrodes.
Welding ares without flux, in a sterile atmosphere and by means of bare filler electrodes of this kind, have different electrical and thermal properties from those of welding arcs in air, welding arcs maintained under a flux coated or submerged, or welding arrays produced by means of ordinary flux coated electrodes. It has been found that the electrical and thermal characteristics of such welding arcs under inert gas shielding and by means of filler electrodes can be deliberately changed and controlled so as to provide new and improved types of welding.
The environment. of inert gas, sterile and relatively pure, ensures that the modifying substances added act on or with the electrode surfaces of the arc, or on or with the atmosphere of the arc, or on or with both, or modify these surfaces or this atmosphere or both in the desired manner and in the desired proportions, this without prejudicing the favorable effect of the inert gas shielding and without causing loss of control or undesirable additional changes in performance electrical and thermal properties such as those which could result from the presence of impurities, for example air or fluxes or coatings which are present during usual welding in air, under a cover of flux or in means of coated electrodes.
The accompanying drawing shows, by way of example, three embodiments of a welding installation for the. setting in this-Book of the making process. the object of the present invention and illustrates this method.
Fig. 1 is. a schematic view of a first embodiment of said installation.
Fig. 2 is a longitudinal sectional view of a hand-held welding gun for arc welding under protection of an inert metal gas, this gun forming part of the installation shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a sectional view along 3-3 of FIG. 2.
Fig. 4 is a schematic view showing one way of adding modi ficant material to the wire intended to constitute the welding electrode.
Fig. 5 is a perspective view showing, on a larger scale, the appearance of the welding wire during the different phases of the preparation shown in FIG. 4.
Fig. 6 is a schematic view of a second embodiment of the installation. Fig. 7 is a detail view, on a larger scale, partly in section and with cutouts, showing a welding gun included in the installation shown in FIG. 6.
Fig. 8 is a schematic view of a third embodiment of the welding installation.
Fig. 9 is. a diagram showing the thermionic cathodic emission of various cathode materials and composite cathode surfaces.
Fig. 10 is a reproduction of a representative oscillogram. the voltage at the terminals of an alternating current arc protected by an inert gas, for welding a metal, by means of a high electromotive force.
Fig. 11 is a reproduction of an oscillogram of the voltage across an alternating current arc under protection of an inert gas, for welding metal without a high electromotive force of re-ignition.
In the first embodiment of a welding installation shown in fia. 1, the work to be welded is a plate designated by its reference 21. A welding electrode 22 is provided in the form of a long section of wire from a spool 23 mounted in a frame 24. A mechanism feeder driven by a motor 25 unwinds the wire from the spool and pushes it continuously through a flexible protection 26 and into a gun 27, at a selected feed rate equal to that at which the electrode is consumed. The welding gun and the. protection 26 are clearly visible in fig. 2 and 3.
The gun includes an internal barrel 30 through which the electrode wire 22 is advanced. This wire enters this barrel from shield 26 and is supplied to a contact tube 31 at which the welding current is. bring. From the contact tube 31, the wire 22 is. directly supplied to the arc in contact with which it is melted or consumed, and its material is transferred and is deposited in a puddle or a weld crater formed on the plate 21. An outer barrel 32 terminating in a mouth 33 surrounds the barrel interior 30 and contact tube 31.
The annular space left free between the inner barrel and the outer barrel and between the contact tube and the mouthpiece forms a passage allowing the flow of an inert shielding gas in the region of the arc. The gas supply device will be described more fully below. For now, suffice it to say that shielding gas is supplied through shield 26 to a gas passage 34 of the gun. The gas comes out. of the mouth in the form of a stream substantially. non-turbulent. and so as to form a screen around the end of the electrode, the arc and the hard puddle.
In Swiss Patents Nos. 285860 and 283499, a very advantageous way of forming a screen (the substantially non-turbulent gas) has been described in detail. The remainder of the gun shown in FIG. 2 comprises a handle 35 which has the form This handle carries a control switch 36 which is actuated by a trigger 37. This switch is preferably connected so as to allow the operator to control the welding current, the welding current. ment of shielding gas and the feed mechanism for the wire.
The electrical connections of the control switch 36 and an auxiliary control switch for the advance of the wire are combined in one. control cable 39. Welding current is supplied to the gun through a welding cable 40.
The welding current can be supplied by an ordinary AC welding transformer 45. One of the output terminals of the welding transformer is electrically connected to the part to be welded by a conductor 47 and its other output terminal is connected to the welding gun by a conductor of the cable 40, and the welding current is supplied to the wire-shaped electrode through the contact tube 31. A contactor 46 is provided to open and close the welding circuit. will.
Inert shielding gas is supplied from a high pressure gas cylinder 49 which is provided with a cylinder valve 50, a pressure reducing valve 51 and a flow indicator 52. A conduit 53 brings gas to the inlet end of shield 26.
In operation, the shielding gas flow rate is preferably adjusted before starting the arc. The welding transformer can be switched on before or after the shielding gas flow has been adjusted. The part to be welded is then touched with the end of the electrode and this end is pulled away from it to strike the arc. The wire feed is started at the same time as or immediately before the are started, and the wire is advanced towards the part to be welded continuously and at the desired speed to ensure the maintenance of the are . In the patent. Swiss N 280573, the operating mode of the installation shown in FIGS. 1 to 3.
The following examples are representative of various embodiments of the specified process.
Example <I> 1: </I> Tests were carried out with a mild steel weld in the form of a plate 9.5 mm thick and with mild steel wire of 1, 6 mm in diameter on the. surface of which had been applied a modified material consisting of rubidium carbonate. The installation used was of the type just described with reference to FIGS. 1. to 3. Welding grade argon was used as shielding gas with a flow rate of 2.14 m3 per hour through a mouth 2.54 cm in diameter.
Rubidium carbonate had been applied over the wire as shown in Figs. 4 and 5. The wire is first prepared by passing it between the rollers of a pair of rollers, one of which was knurled, to form on its surface transverse marks 0.013 mm deep spaced approximately 0 , 8 mm (see fig. 5). Rubidium carbonate in the form of a dry powder is then intimately mixed with a certain quantity of denatured alcohol, so as to form a paste. This paste is applied to the wire by spreading it over its surface using a brush, so as to fill in the transverse marks of this surface (see fig. 4).
The wire is then passed through a scraper consisting of a rubber ring tightly fitted around this wire, so as to remove any excess paste. The wire is passed between the rollers of a pair of smooth rollers each having a semicircular groove, to smooth the rough surface formed by the knurled roller while retaining some of the modifier material in the marks. The surface of the wire is wiped with a clean, dry cloth to remove substantially all of the rubidium carbonate except that which has been retained or embedded in the surface of the electrode by the previous treatment. Finally, the alcohol is evaporated, so that the yarn becomes dry.
Prepared in the manner just described, the wire has a substantially bare conductive surface, and it can easily be fed into the welding installation. The properties of this wire allowing it to collect the welding current from the contact tip are in no way diminished. Since rubidium carbonate is a delicent material, it can absorb a considerable amount of moisture when it is. exposed to a humid atmosphere.
This can cause some unwanted corrosion of the electrode wire which can interfere with the transfer of welding current to the wire and which can also cause attachment. wire in the contact tube due to an accumulation of corrosion products in this tube. In addition, the water present (hydrogen) has a detrimental effect on the quality of the hard lime deposit. However, these difficulties are easily avoided by keeping the prepared yarn in a dry atmosphere. A rubidium compound having substantially the same effect on the thermal balance of the arc as carbonate while being less deliquescent than the latter is rubidium oxide.
A weld was made with the prepared electrode of the. as just described and using an electromotive force of 75 volts and an ar voltage of 23 volts, the ar current indicated by an ammeter for ordinary alternating current being 320 amps. The wire consumption speed was 4.52 m per minute. Identical conditions were maintained for several runs by mounting the welding gun in a stationary support and moving the workpiece to be welded under the gun under the machine at the relative feed rate desired for the welding. During these tests, said welding advance speed was kept equal to 25.4 cm per minute.
The operation carried out as described above a. resulted in maintaining an arc at. alternating current stabilized by means of a relatively weak electromotive force of 75 volts. A good transfer of the metal sprayed type by the alternating current arc was obtained, and this with good regulating qualities, with moderate cleaning and forming an alloy or a mixture with the. my thread.
A homogeneous distribution of the modifying material in the aluminum alloy is thus obtained by using welding grade argon as a shielding gas, this argon being supplied in the form of a non-turbulent current and with a flow rate of 2.14 m- 'per hour through a mouthpiece 25.4 mm in diameter. The installation used was substantially the same as that described above with reference to FIGS. 1 to 3. The electrode wire had a diameter of 1.6 mm and was done. aluminum 43 S. A small amount of rubidium carbonate had. been previously applied to this thread of the. way shown in fig. 4 and 5.
The plate on which this weld was made was 9.5 mm thick and was made of 61 S T aluminum. The welding feed rate was 25.4 cm per minute. Rubidium carbonate had previously been applied to aluminum wire in exactly the manner described above for adding this material to steel wire. Under these conditions, and with an electromotive force of 75 volts, the arc voltage was 17 volts, the arc current 300 amps and the wire consumption speed 7.87 m per minute.
The welding operation carried out under the conditions just described resulted in the maintenance of an are with native alternating current stabilized by means of an electro-motive force of 75 volts. It has been found that good spray transfer of the AC type is obtained, as well as good control characteristics. The formed solder bead had an oval outline.
It has been found that very small amounts of modifier material are sufficient to ensure the achievement of the desired results. From the above, there are two methods of applying this material to the electrode wire. satisfactory and such methods are such that a very small portion of the modifier material remains on the yarn or in the finished and processed yarn. In fact, in the event that this material is applied to the surface of the wire, one may experience difficulty in advancing the wire through the contact tube and in supplying current to that wire if the added modifier material becomes. found on the surface of the wire in sufficient quantity to be able to detach from it.
A rough chemical analysis of a sample of steel wire treated with barium oxide and successfully used in one of the examples described above shows that the barium remaining on the surface of the wire represented the equivalent. of about 25 g per tonne of steel, i.e. about 0.003% by weight of the weld metal deposited. That. is, characteristic of the fact that very small amounts of modifier material can. be used. The treated wire can still be considered to be bare wire and its surface is electrically conductive and allows welding current to be supplied to it as it is advanced through the contact tube.
While certain particular modifier materials having the effect of increasing thermionic emission are included in the materials used in the above examples, it will be understood that the specified process is by no means limited to these particular materials.
On the contrary, this process can be implemented with other modifying materials comprising or containing one or more emission agents capable of cooperating with the base metal of the electrode wire and of the part to be welded and who play in turn. in turn the cathode role for the arc, so as in each case to form a composite weld metal cathode surface which has a higher thermionic emissive power at the. welding temperature than that of the base metal alone, these agents also being effective in facilitating the ionization of the arc zone.
The increased thermionic emission from such a composite metal cathode surface results in a significantly less cathodic voltage drop relative to the contact potential and the cathodic voltage drop of the base metal alone, at the temperature of. welding. The composite welding cathode surface comprises the emitting agent (s) and the parent metal of that cathode. The base metals are obviously those which form the. part to be welded or those which form the electrode wire and which are intended to be melted and fused to the metals of the part to be welded, to form the weld deposit.
Emitting agents are metals added to the arc or to the welding electrodes in extremely small amounts, either as elements or as compounds which dissociate in the arc so as to release such elements. . The main purpose of these metals is to modify the thermal and electrical characteristics of the arc. For a given welding operation, the base metals are determined by the composition of the part to be probed and by the composition of the weld deposit to be formed.
Suitable emission agents are metals which should be electropositive to the base metal of the cathode and have a lower contact potential than that of the base metal and a low ionization potential. This latter potential should preferably be less than the ionization potential of any other constituent of the atmosphere of the arc and should preferably be less than the contact potential. effective base metal of the cathode.
Said metals must furthermore have a melting point lower than the boiling point of the base metal of the ca thode and a sufficiently high boiling point, or be sufficiently low volatile to remain in place on the. surface of the composite cathode for a sufficiently long time to increase the thermionic emission of this surface under the soldering conditions. Since the electrode and the workpiece to be welded by means of the AC arc repeatedly change polarity so that the electrode and the workpiece alternately serve as the cathode, it is evident that the emission agent must be effective from the. way described above, both on the electrode and on the workpiece. solder, so. to stabilize the current arc. alternative.
From experimental results it has been determined that the process can be carried out satisfactorily using an emission agent consisting of a member of the group of alkali metals, of the group of alkaline metals. earthy, by lanthanum or by rare earth metals from the lanthanum series, by actinium or by rare earth metals from the acti nium series, by scandium or even by yttrium. These elements can be added either in the form of elements or in metallic form, or also in the form of compounds of these elements capable of partially or completely dissociating in the arc, so as to free said elements.
For example, the oxides, carbonates, borates, phosphates, nitrates, silicates or halogenated compounds of said elements can be used. Mixtures of two or more of the above elements or compounds or of two or more elements or compounds can be used and are often particularly effective. The alkali metals are lithium, sodium, potassium, rubidium, coesium and francium. The alkaline earth metals are calcium, barium, strontium and radium.
The rare earth metals of the lanthanum series are cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, hol mium, erbium, thulium, l 'ytterbium and lutetium. The rare earth metals of the actinium series are thorium, protac tinium, uranium, neptunium, plutonium, americium and curium.
Many of the elements and compounds of the elements of the groups of the periodic system just mentioned are rare and expensive, and some of them are dangerously radioactive. For these reasons, for other practical reasons, and also. because particularly favorable and highly desirable results can be obtained for arc welding under inert gas protection of metals commonly used in construction and in industry by means of the agents which will be mentioned, it is preferred to use an emission agent consisting of an element chosen from the following:
potassium, rubidium, coesium, strontium, barium, lanthanum or rare earth metal mixtures of the lanthanum and cerium series. In some cases, thorium and uranium may be preferable where welding electrode temperatures are. high. These preferred emission agents can be added either in the form of elements or in the form of compounds of these elements capable of dissociating completely or partially in the arc to release said elements. For example, one can use oxides, carbonates, borates, phosphorus, nitrates, silicates or halogenated compounds of the preferred elements mentioned above.
Mixtures of two or more of these preferred elements or their compounds or of two or more elements and compounds can also be used and are often particularly effective.
As a particular example of preferred modifying materials, mention will be made of cesium nitrate, rubidium carbonate, coesium and rubidium chloride, barium oxide or carbonate, mixtures of barium and strontium in the form of. of oxides or carbonates, lanthanum and. mixtures of rare earth metals of the lanthanum series in metallic form and in the form of oxides, thorium oxide and potassium carbonate.
The above mentioned materials which are supplied to the arc in accordance with the specified process are effective in stabilizing an alternating current arc initiated between an electrode and a part to be welded both made of low thermionic emission materials. that, this by reducing the voltage of re-ignition of the arc. The restart voltage partly comprises the. voltage necessary to produce a cathodic emission sufficient to cause or maintain the passage of an arc current and also the potential necessary to reionize the atmosphere of the arc.
These materials cooperate with the electrode and with the part to be welded, so as to increase the thermionic emission of this electrode and of this part during the parts of the current cycle. alternating during which they respectively serve as cathode for the arc. Said materials also function in the atmosphere of the are, so as to feed or maintain the ionization of this atmosphere. With cold cathode materials, a high initial voltage is. necessary to first produce a transition to discharge current. luminescent that is. then increased to a normal value for the arc current and polish a significantly lower potential difference.
As mentioned above, a thermionic material continues to emit electrons even after the arc has been extinguished, due to its thermal inertia. It has been found that an emitting agent supplied to the AC are by the specified method does not. need to produce only the thermionic emission from the electrode wire and the workpiece of cold cathode material necessary to exceed the transition emission corresponding to a glow discharge arc, in order to eliminate the need for 'a high initial ignition voltage. The full discharge current can then be built up and maintained by means of a relatively low electromotive force and without the use of a high glow discharge voltage.
When the shielding gas used is a gas which is relatively easily ionizable and exhibits a relatively low rate of deionization, such as argon, the restart voltage depends mainly on the potential necessary to ensure the emission of the desired current. However, when a shielding gas such as helium is used, this gas is not easily ionizable and deionizes rapidly during the. short interval of the are switching off, the restrike voltage also depends to a large extent on the ionization potential of the. arc area.
The ability of the emission source to easily ionize in the atmosphere of the arc is of considerable importance for the stabilization of the are, in addition to its. ability to increase thermionic emission. Figs. 10 and 11 illustrate the effect. of the emitting agent supplied to the are according to the method specified on the alternating current arc restart voltage.
These figures are reproductions of oscillograms of the arc voltage obtained in ac arc welding operations under protection of an inert metal gas, with cold cathode materials. These arc voltages are for example typical of a welding operation carried out with an aluminum electrode to weld a piece of aluminum in accordance with Example 4 above. Fig. 10 corresponds to a welding operation carried out without the aid of a modifier material used according to the specified process. In order to strike and hold an arc, it was necessary to use a high electro-motive force equal to 150 volts. We see.
that at the start of each half-period, at an instant corresponding to the reversal of the direction of the arc current, the curve representing the arc voltage has a peak. This tip is characteristic of the high voltage required to re-strike the arc under the above conditions and in a sterile atmosphere. The high electromotive force used is sufficient to supply the voltage peaks, so that the arc is thus maintained. Fig. 11 corresponds to a soldering operation carried out according to the specified process and as described in Example 4 above, a modifier material consisting of rubidium carbonate having been added to the aluminum wire. The welding was carried out in a protective atmosphere of argon.
To obtain the oscillogram, we again used an electromotive force of 150 volts to power the arc. Under these conditions, it can be seen that the re-ignition voltage is effectively reduced, the peak voltage required to strike the arc not exceeding 75 volts. Thus, when modifier material is thus supplied to the arc, the arc can be started and kept ignited by means of a normal low electromotive force of 75 volts.
It will be noted in particular, with reference to these two oscillograms, that the effect of the addition of modifying material must appear both on the welding wire and on the part to be welded in order to allow the arc to be re-ignited at medium of low electromotive force. Therefore, when speaking in the present description of the action or effect of the emitting agents on the cathode, it should be understood that this action or effect must. be effective both at the electrode wire and at the workpiece which alternately act as the cathode for the arc, during successive half-periods of the current feeding the arc.
When a less easily ionizable protective gas is used, for example helium, substantially the same effects are obtained as those illustrated by the oscillogram of FIG. 11 and relating to the arc voltage, this by virtue of the ionization of the emission agent in the atmosphere of the arc.
Certain modifier materials are not equally effective on electrode wires and on parts to be welded of different compositions. Although the principles or theory of operation of the specified process are not yet known with certainty, the following explanation of the effectiveness of this process has been found to be useful as a guideline in determining which of the various modifier materials or emission agents must be used for welding a workpiece made of a particular base metal or in conjunction with an electrode wire made of a particular base metal, in order to achieve the results desired.
Modifying materials are materials which break down, in the case of a compound, into an emitting agent or metallic emitting element with low contact potential and low ionization potential, which is electropositive with respect to the base metal of the cathode, and which forms a thin film over the entire surface or on part of the surface of the cathode (electrode and part to be welded), this during the welding operation. A coating of an electropositive metal on a more electronegative metal has the effect of markedly lowering the contact potential of the composite surface, and thus increasing its thermionic emission at the welding temperature of the electrode.
When the increased thermionic emission thus obtained is sufficient during the periods of extinction of the arc and reversal of the direction of the arc current to exceed the transition emission by glow discharge are, the arc is easily re-ignited with weak electro-motive forces. It is therefore believed that the efficiency of the process is due to the following phenomena: the compound containing the emitting agent or element (assuming that the emitting agent is added to the arc in the form of a compound) is reduced or dissociated and releases the emitting agent as a metal, in or on the molten part of the welding cathode (surfaces of the electrode wire and the workpiece).
The emitting element diffuses to, or migrates to, the surface of the molten cathode or both to form a composite and thermionically highly emissive welding cathode surface. It appears that the fully activated surface corresponds to a monoatomic layer of atoms or ions of the emitting agent which covers a large part of the cathode surface.
This thin layer of the emitting element is held on the surface by forces of attraction so high that no table evaporation occurs only at temperatures well above the boiling point of this emitting element, this although excess amounts of the emitting element may evaporate at low temperatures, so as to leave said thin layer or stains of emitting element on the surface of the cathode. It should be noted that the temperatures of the welding arc usually maintained at atmospheric pressure are higher than the dissociation temperatures of most compounds.
The monatomic layer or spots of atoms of the emitting element are probably adsorbed as ions by the surface of the base metal cathode and the forces which tend to hold this layer at these spots in place are probably highest when the ionization potential of the emitting element is low. It appears that the ionization potential of the emitting element should be lower than the contact potential of the base metal of the cathode.
However, in practice, and perhaps because it is difficult to determine exactly the contact potentials, it has been found that the ionization potential of the emitting metal can sometimes exceed by an amount up to a maximum. and a half electron volts the values given by reliable observers for the contact potentials of the base metals of the cathode.
In general, the emitting element should be electropositive to the base metal; the contact potential of the composite surface is the lowest and. its thermionic emission is highest when this difference is positive and as large as possible, and this contact potential increases and this thermionic emission decreases when said difference becomes equal to zero or even negative.
The ionization potentials of several of the emission elements mentioned above have. been determined with reasonable accuracy. However, as we have just said, we can see quite large differences between the contact potentials of base metals as measured by various researchers. A list taken from the literature is given below of the ionization potential of some of the emission elements and the contact potential of several base metals.
EMI0012.0005
Ionization <SEP> potential <SEP> Contact <SEP> potential <SEP>
<tb> thermionic
<tb> Agents <SEP> Electron- <SEP> Metals <SEP> of <SEP> Emitting electron <SEP> volts
<tb> base <SEP> volts
<tb> Lithium <SEP> 5.37 <SEP> Magnesium <SEP> 3.78
<tb> Sodium <SEP> 5.12 <SEP> Aluminum <SEP> 4.08
<tb> Potassium <SEP> 4.32 <SEP> Copper <SEP> 4.33
<tb> Rubidium <SEP> 4.16 <SEP> Iron <SEP> 4.48
<tb> Coesium <SEP> 3.87
<tb> Strontium <SEP> 5.67
<tb> Barium <SEP> 5.19
<tb> Scandium <SEP> 6.7
<tb> Yttrium <SEP> 6.5
<tb> Lanthanum <SEP> 5.59
<tb> Thorium <SEP> <B> 5,
25 </B> Although it appears that cesium provides the best thermionically emitting composite surface with any of the base metals in the above list, its boiling point is relatively low and it does not is not well retained on the surface of base metals with high boiling points, such as iron, under welding conditions. Coesium is very effective in increasing the thermionic emission from the surface of low boiling point metals, such as aluminum.
Barium, strontium, lanthanum and cerium are expected to be much more effective as an emitting agent for enhancing the ionic emission of an iron-based composite surface than for an aluminum-based surface. Tests have shown that this is indeed the case. Emission agents exhibiting low ionization potentials are particularly favorable when used in conjunction with shielding gases such as eliuni and exhibiting relatively poor ionization characteristics.
In general, the issuing agent cannot be chosen for the. implementation of the specified process and, for a composite surface determined only when the base metal of the cathodes used in this implementation is known, this metal being determined by the composition of the electrode wire or of the part in front of be welded and this composition being. in turn determined by the type of weld to be performed and the type of part to be welded.
In addition, the cathode surface must operate at a temperature between the melting and boiling points of the metal constituting the electrode wire, so that this metal can be melted and transferred by the arc to be deposited. in the molten metal on the. part to be welded.
The fact that the welding arcs are normally initiated at a pressure which is substantially equal to the. atmospheric pressure must be considered, because the boiling point of the emitting agent should be high, in order to keep this agent intact on the cathode surface for a sufficient time, and the temperatures and boiling points to be taken into consideration must therefore be temperatures and boiling points at atmospheric pressure. Because modifier material is continuously supplied to the arc, the emitting element is continually renewed on the composite cathode surface and therefore only needs to have a relatively effective lifetime. short.
Emission agents with boiling points considerably lower than cathode welding temperatures can act to maintain a thermionically emissive and constantly effective composite cathode surface, provided they are continuously added to the surface. the arc, and even if the base metal of the cathodes is quickly removed, respectively added, during the welding operation, by transfer of metal from the electrode wire to the weld deposit formed on the part to be welded .
The activation treatment (reduction or dissociation of the modifying material added if it is constituted by a compound and migration of the emitting element to the cathode surface in the form of a monoatomic layer) must take place at as the wire is advanced toward the arc. It is important. that the selected emitting element is capable of being retained by adsorption, in the form of a thin layer, on the base metal and at the welding temperature thereof, because it is at this temperature ( between the melting and boiling points of the base metal) that the welding cathode surface is functioning and therefore the composite surface must be effective.
If the modifier material is supplied to the arc as a compound, that compound must be unstable enough to dissociate at least partially in the arc, so as to provide the emitting element or metal to the arc. free state on the surfaces of the arc electrodes. On the other hand, when a compound is used, it should preferably dissociate with sufficient difficulty so that the emitting element cannot be completely evaporated before it can reach the cathode surface and be adsorbed on it. this surface in the form of ions. When the modifier material is a compound,
it can be considered as comprising an effective phase> which is constituted by an emission element and a carrier phase which is constituted by the element or group of elements which carries the emission element to its right of 'use on the composite surface.
The diagram in fig. 9 illustrates the effect of controlling and improving thermionic electron emission in the welding arc obtained by means of composite cathode surfaces. It gives the thermionic emission in amp / cm2 as a function of the temperature in degrees Kelvin. In this figure, the thermionic emission rates of two base metals: aluminum (curve 1) and iron (curve 2) and of two emission agents: coesium (curve 3) and barium (curve 4) are. shown as a function of temperature. The thermionic emissions of composite surfaces obtained by means of coesium and barium are also represented as a function of temperature (curves 5 and 6 respectively) to demonstrate the principles of the process.
It should be emphasized that these curves are only an illustration of only one of the effects of modifying materials, namely the increase in thermionic emission, and. that they are not quantitatively accurate. They qualitatively illustrate the relationship between the thermionic emission rates of various surfaces, but the quantitative relationships shown are inaccurate because the contact potential of a composite cathode surface varies with the base metal of that cathode as well. although with the emission element used. The contact potential of a composite thermionic surface is lower than that of the base metal and that of the emitting element taken in isolation.
Although the coating metal or emitting agent is retained as an adsorbed layer on the surface of the base metal at a temperature well above its boiling temperature, when sufficiently high temperatures are reached, this adsorbed layer dissipates too quickly by evaporation and the thermionic emission is then substantially identical to that of the base metal alone. Tungsten refractory and thermionic metal emission curve 7 and thorium emission curve 8 on a tungsten basis are shown to illustrate this. effect., as well as the curve 9 of a composite surface obtained by means of thorium.
At the top of the diagram, arrows 10, 11 and 12 have been indicated giving the temperature ranges in which aluminum, iron and tungsten respectively are in the liquid phase. The left end of each arrow indicates the melting point, and the right end the boiling point of the metal.
Arrows 13 and 14 to the left of the diagram indicate the areas specific to a cold cathode and a thermionic cathode, respectively. Since the welding arc electrode temperatures for aluminum and for iron must be within the ranges indicated for these metals, for the. implementation of the process (arc welding under protection of an inert gas, it can be seen immediately that eoesium would be the most effective in reinforcing the thermionic emission of an aluminum surface and that the ba ryum would be the most effective in enhancing the emission of iron.
Although currently estimated. It is preferable for carrying out the method described to provide the modifying material by applying it quantitatively or by occluding it in the electrode wire, or alternatively by adding it to the electrode wire as an integral part of the alloy forming This thread; we can also add this modifying material to other Tacons.
Fig. 6 shows, schematically, a second embodiment of the installation for carrying out the process, in which the modifying materials are introduced continuously into the current of the shielding gases. An untreated electrode wire 60 is advanced through a solder gun 61 to an operative position relative to a work 62 to be welded. As described above with reference to fig. 1, the electrode wire 60 is supplied from a spool 65 from which it is unwound by means of an advance mechanism 63 driven by a motor.
This thread is. then pushed through a guard 64 to the welding gun 61. Welding current is supplied by an ordinary construction AC welding transformer 66. One of the output terminals of this transformer is connected to the gun. welding 61 through a switch 67 and conductors 68 and 68 '. The other output terminal of the transformer is connected to the piece to be welded 62 by means of a conductor 69. The welding current is supplied to electrode 60 inside the gun 61 by means of a contact tube., as in the gun shown in fig. 2 and 3.
The gun shown in fig. 6 is cooled by means of a circulation of water passing through opening conduits. in the mouth of this pistol. This is supported by means of a fixed support comprising a split sleeve 70 which carries a pinion arranged so that it can be rotated by means of a handwheel 71. A rack 72 is fixed to the barrel. gun 61, so as to cooperate with said pinion and thus to allow its vertical position to be adjusted relative to the split sleeve. The. Fi-. 7 shows constructional details of the lower and upper parts of the gun 61. The electrode wire is advanced through an inner barrel 75 and through a contact tube 76 which carries the welding current to the electrode 60. .
This current is fed to the gun at its upper end by means of the conductor 68 'and passes through the interior parts of this gun to the contact tube 76.
As can be seen at. fig. 6, shielding gas is supplied from a compressed gas cylinder 80. This gas exits from the cylinder through a conventional cylinder valve 81, a pressure regulator 82 and a flow indicator 83 to pass through a conduit. 84. Through line 84, the shielding gas is fed into a vibratory type powder dispenser device designated by the reference sign 85. This device is mainly constituted by a hopper from which the. powdered material is supplied by means of a vibratory distributor mechanism. This matter is. entrained by the stream of inert gas, as this gas supplied to the device through the conduit. 84 leaves this device through a conduit 86.
Shielding gas containing powdered material in a suspended state passes through line 86, from powder distributor 85, to welding gun 61. In this embodiment, modifier material is provided. as a dry, powdery solid which is introduced into the shielding gas stream. This gas containing said modifying material in the state of suspension passes through suitable passages in the udder 61 and exits therefrom in the form of a non-turbulent stream through a mouth 89 (see Fig. 7). ) which surrounds the contact tip 76.
The modifying material suspended in the shielding gas stream enters the region of the arc where it provides a stabilizing substance having a low ionization potential and where it gives properties to the cathode surfaces of the arc. thermionic emission such as those described above. The powder dispensing device 85 is not necessarily of the type described above, it could also consist of any device capable of ensuring a continuous supply of the arc with pulverulent modifying material.
<I> Example 5: </I> This example illustrates an implementation of the method in which the. The modifying material is supplied to the area in the form of a dust suspended in the shielding gas. A 9.5 mm thick mild steel plate was thus welded by means of an electrode made of the same untreated mild steel wire 1.6 mm in diameter. A shielding gas shield was formed by supplying argon at a rate of 2.14 m3 per hour through a mouthpiece 2.54 cm inside diameter. Barium oxide was fed into the arc as a fine powder entrained by the shielding gas.
With an electromotive force of 75 volts, an arc current of 300 amps and. an arc voltage of 19 volts, the consumption rate of the bare, untreated electrode wire was 3.3 m per minute and the welding feed rate was kept equal to 25.4 cm per minute.
Under the conditions described above, there was obtained a stabilized AC arc initiated and maintained by means of a source having an electromotive force of 75 volts. It was noted that the AC metal transfer was of the pulverized type and of good quality and that the regulation was also good.
<I> Example 6: </I> A similar test was carried out using helium as a shielding gas, with a flow rate of 2.85 m3 per hour through a mouth of 2.54 cm internal diameter . Barium oxide in the form of a fine powder was supplied to the arc in the shielding gas as described above. With an electromotive force of 75 volts, an are current of 270 amps and an arc voltage of 30 volts, the consumption rate of the electrode wire was 3.8 m per minute.
Under the conditions just described, we obtained a stabilized alternating current arc initiated and maintained by a source having an electromotive force of 75 volts. The metallic transfer was taking place. as fine droplets and regulation was good. An average amount of splashing could be seen and. the solder bead was. fairly flat.
In addition to the methods of introducing the modifying material into the arc described above, it has been found that this material could also be placed on an auxiliary filler wire advanced into the weld or be directly placed on the. part to be welded.
Fig. 8 shows a third embodiment of the installation for carrying out the method, in which an auxiliary filling yarn is used on which the modifying material a. been applied.
In the embodiment shown in FIG. 8, an electrode wire 90 is advanced from a spool 91, by means of a motor driven feed mechanism 92, as in the above embodiments. described. This electrode wire is clean, bare and is untreated. It is guided from the advance mechanism 92 and through a protection 93 to a welding gun 94. This gun is practically identical to that shown in figs. 6 and 7. Welding current is supplied from a soldering transformer 100. One of the output terminals of this transformer is connected to the soldering gun by a conductor 101, a switch 102 and a conductor 103. .
Current is supplied to electrode wire 90 inside the gun. 94. The other output terminal of the welding transformer is connected to the work to be welded by means of a conductor 104. Shielding gas is supplied from a compressed gas cylinder 110, at through an ordinary cylinder valve 111, pressure regulator 112, flow indicator 113 and conduit 114, to welding gun 94. Shielding gas exits through gun mouth in the form of a non-turbulent current surrounding the end of the electrode adjacent to the are, this arc itself and the weld puddle. A second metal wire feed assembly is used to advance a <B> 119 </B> filler wire to the weld.
This thread contains, in its. mass, in the form of a surface coating or an encrustation in its surface, the necessary modifying material. The treated metal wire <B> 119 </B> is not supplied with current and does not constitute an electrode. It is a separate wire which is advanced into the region of the arc where it is melted into the solder by the. heat of the arc. The filler wire feed assembly is the same as. the electrode wire feed assembly. It comprises a wire spool 120 and a feed mechanism 121 for the wire, which is driven by a motor.
This mechanism unwinds wire 119 from spool 120 and pushes it through shield 122 into the weld area. A fixing device 123 supports the protection 122 in the vicinity of the gun and thus guides the filler wire 119 into the weld. The best results are obtained when filler wire 119 is advanced towards the weld area so that its end touches the part to be welded at the edge of the weld puddle and this wire melts in the puddle (the weld before reaching directly below the are.
Example <I> 7: </I> This example illustrates the effect produced on an alternating current are for welding a metal under protection of an inert gas by adding a modifying material supplied by means of a auxiliary filler wire. With an installation such as the one shown in fi-. 8 and. using a 1.6 mm diameter mild steel elec trode wire protected by an argon gas shield supplied with a flow rate of 2.1..1 m3 per hour through a 2.54 mouthpiece cm in diameter, a part consisting of a 9.5 mm thick mild steel plate was welded. An auxiliary filler wire consisting of a steel wire of 1.15 mm in diameter was used.
This wire had been previously treated with barium oxide, exactly in the manner described above (Example 1) with regard to the electrode wire of 1.6 mm in diameter treated with rubidium carbonate. This auxiliary wire was advanced towards the arc, so as to melt into the puddle of solder and complete it. amount of weld metal supplied by the welding electrode as it burns.
When the are was fired and this barium oxide treated wire was added to the solder at a feed rate of 2.28 m per half, an are was maintained by an alternating current source. an electromotive force of 75 volts. The arc voltage was 29 volts, the are current 370 amps, and the electrode wire consumption rate was 8.1 m per minute. The welding feed rate was maintained at 25.4 cm per minute.
Under these conditions, a stabilized alternating current arc was obtained, maintained by means of a low electromotive force of 75 volts. It was observed that a good metallic transfer to alternating current of the pulverized type was obtained and that the regulation was satisfactory. .
When the barium oxide is supplied as an addition to the auxiliary filler wire, as described above, it is impossible to prime the are in the ordinary manner. This is due to the fact that the modifying material provided by the filler yarn is not effective in enhancing the emission or in stabilizing the front are. that the filler wire has not melted or the are has been primed. A satisfactory initiation of the welding process is achieved by coating a small area of the part to be welded, at the starting point of the weld, with an alcoholic solution of the modifier material. Once primed, the are is maintained without interruption by continuous advance of the treated auxiliary filler wire.
<I> Example 8: </I> The specified process can. still be implemented by applying modifying material directly to the part to be welded. For example, using an installation of the type described with reference to FIG. 1, a steel plate 9.5 mm thick was welded by applying beforehand, by means of a brush, a rubidium carbonate and alcohol slurry on the places of this plate to be welded. The weld was obtained using an untreated mild steel electrode wire 1.6 mm in diameter. An inert gas shield was obtained by supplying argon at a rate of 2.14 msec per hour through a mouthpiece 2.54 cm in diameter.
With an arc current of 310 amperes and an arc voltage of 27 volts obtained by means of a source having an electromotive force of 75 volts, a consumption speed of the electrode of 6.35 m was obtained. per minute. The welding feed rate was kept at 25.4 cm per minute.
Under the conditions described above, a stabilized AC are started and maintained using a low electromotive force of 75 volts. The AC metal transfer was of the pulverized type and of good quality, the regulation was. also good, and the solder bead got bare was. well rounded.