Procédé de soudage à l'arc sous protection d'un écran gazeux et installation pour la mise en aeuvre de ce procédé. La.. présente invention a pour objet un procédé de soudage à l'arc sous protection d'un écran gazeux et une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé et notamment un procédé et une installation pour le soudage d'un métal sous protection d'un gaz inerte et ait 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 3 280573, 285860 et 283499.
Dans les brevets suisses N s 280573, 285860 et. 283499, on a décrit un procédé de soudage du type d'ans lequel une électrode d'apport constituée par un fil est avancée de façon continue vers un arc de soudage protégé par du gaz et qui est entretenu entre cette électrode et un ouvrage devant être soudé, par exemple une plaque, le courant de soudage fourni à l'are étant au moins suffisant pour consumer l'élec trode à mesure qu'elle est avancée vers l'arc et pour transférer du métal de soudure à partir de l'électrode jusqu'à un dépôt de sou dure formé sur l'ouvrage à souder,
de manière à former une soudure satisfaisante au point de vue industriel. De préférence, 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 pul- vérisation <B>dû,</B> métal de ladite électrode jus qu'audit dépôt de soudure (voir brevet suisse N 280573). Le gaz de protection est essen tiellement 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 coin- prendre de faibles proportions d'autres gaz qui ne modifient pas sensiblement les caracté ristiques 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 travers 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 neutralisés par des électrons émis par cette cathode.
De la vapeur métallique formée d'ans la région de l'arc par évaporation de l'élec trode, de l'ouvrage à souder (plaque) ou d'une autre source quelconque telle qu'Lui fil métallique de remplissage séparé font par tie de l'atmosphère 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 travers laquelle le métal de soudure est transféré à partir du fil constituant l'électrode jusqu'à l'ouvrage devant être soudé est consti tuée par le gaz de protection inerte et par ladite vapeur 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 pro tection constitué par le gaz inerte.
Etant donné qu'on n'utilise pas de fondant et que l'air atmosphérique ou des impuretés analo- 7ues ne sont pas présents d'ans la zone de l'arc, comme ce serait le cas si le soudage était effectué dans l'air, sous une couverture de fondant ou aii moyen d'électrodes munies d'un revêtement, les caractéristiques de l'arc à pression constante dépendent uniquement des caractéristiques des métaux constituant l'élec trode et l'ouvrage à souder et du gaz de pro tection inerte.
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 l'équilibre ther mique ou certaines autres caractéristiques de l'arc de soudage ou cet équilibre et ces autres caractéristiques de façon avantageuse.
Le pro cédé faisant l'objet de l'invention est caracté- risé en ce qu'on amorce un arc de soudage entre une électrode métallique d'apport et un ouvrage métallique devant être soudé, en ce qu'on fait avancer ladite électrode vers ledit ouvrage au fur et à mesure qu'elle se consume, en ce qu'on amène dans la région dudit arc un courant de gaz de protection, et en ce qu'on introduit dans la région de l'arc une matière modificatrice capable de modifier les caracté ristiques de l'arc.
Ladite matière modificatrice peut être choisie et ajoutée à l'arc de manière à "abaisser le travail exprimé en électronvolts et nécessaire pour extraire des électrons de la cathode, c'est-à-dire le potentiel de contact de la cathode, de manière à modifier l'équilibre thermique de l'are,
c'est-à-dire le rapport entre la chaleur engendrée ou libérée à la cathode et la chaleur engendrée ou libérée à !l'anode de façon déterminée et dans des proportions dé terminées, et de manière à. fournir une tache cathodique concentrée et stable.
L'installation objet de l'invention pour la. mise en oeuvre du procédé ci-dessus est carac térisée en ce qu'elle comprend une électrode d'apport métallique nue coopérant avec l'ou vrage à souder, des moyens pour fournir du courant de soudage à cette électrode et audit ouvrage de manière à amorcer et à entretenir un arc entre l'électrode et cet ouvrage, des moyens pour faire avancer l'électrode vers l'ouvrage au fur et à mesure qu'elle se con sume dans l'arc et par transfert de métal à l'ouvrage,
des moyens pour amener un courant, de gaz de protection inerte dans la région de l'arc, et des moyens pour introduire de façon continue, dans la région de l'arc, une matière modificatrice capable d'augmenter l'émission électronique thermionique de la cathode à l'arc.
On croit que lorsque le fil, métallique cons tituant l'électrode constitue la cathode de l'arc, la concentration de la tache cathodique ainsi obtenue améliore le transfert de métal tant. que le métal fondu en gouttes ou pulvérisé quittant cette électrode est entièrement immergé dans le plasma. Par conséquent, les matières modificatrices utilisées peuvent agir de ma nière à stabiliser l'arc et à améliorer ses carac téristiques de transfert de métal, par exemple en contribuant à assurer un transfert de métal du type à pulvérisation, à partir du fil d'élec trode jusqu'à l'ouvrage.
Ces matières peuvent également modifier d'une manière déterminée des facteurs tels que la vitesse de consomma- tion ou de combustion du fil d'électrode, la pénétration, la dimension et le contour de la perle de soudure.
On croit que la chaleur dégagée ou engen drée à la cathode lors du soudage à l'arc de métaux sous protection d'un gaz inerte est due dans une grande mesure au bombardement de cette cathode par des ions positifs.
Lorsque la cathode est de nature telle qu'elle est capa: ble d'émettre thermioniquement des électrons en relativement grande quantité à sa tempé rature de soudage, on pense que les ions posi- tifs sont en grande partie neutralisés avant d'atteindre la cathode, la chute de tension à la cathode étant faible et le bombardement de la cathode et la production de chaleur à la cathode étant ainsi réduits dans de grandes proportions.
Lorsque la cathode est un mau vais émetteur thermionique d'électrons à sa température de soudage, le bombardement par des ions positifs est plus intense, la chute de tension à la cathode est élevée et de relative ment grandes quantités de chaleur sont engen drées à la, cathode.
On a constaté que lorsqu'une matière cons tituant un bon émetteur thermionique d'élec trons à sa température de soudage, c'est-à-dire une matière thermionique, sert de cathode pour l'arc de soudage, elle constitue une ca thode très efficace, présentant une faible chute de tension cathodique et à laquelle une faible quantité de chaleur est engendrée ou libérée. Cela peut être attribué au fait que le bom bardement par des ions positifs, dont on estime qu'il produit la plus grande partie de la chaleur totale dégagée à la cathode, est relativement faible ou limité lorsque celle-ci est faite de matières thermioniques.
De telles matières émettent tous les électrons nécessaires pour l'entretien de l'arc, à leurs températures de soudage et avec une faible chute de tension cathodique. Cet effet de limitation n'est pas obtenu avec les matières présentant une faible émission thermionique ou constituant des cathodes froides et la plupart des matièrés communément utilisées en construction ou dans l'industrie des machines, telles que l'alu minium, le cuivre, le nickel, le fer, le magné sium, le titane, etc. et les alliages de ces mé taux, qui sont normalement industriellement soudés en grandes quantités, font partie de cette classe.
En se plaçant à un point de vue extrême ment simpliste, si on utilise une matière pré sentant une faible émission électronique ther- mionique, c'est-à-dire une matière dite de cathode froide , pour constituer la cathode de l'arc, cette matière constitue une cathode peu efficace.
Il en résulte un bombardement in tense par des ions positifs de toute matière de cathode froide constituant la cathode d'un arc de soudage sous protection d'un gaz inerte, et un fort dégagement de chaleur à cette ca thode, tandis que les matières de cathode à bonne émission électronique thermionique constituent .des cathodes relativement efficaces et avec lesquelles la chaleur dégagée à la ca thode est relativement faible.
Il y a peu de différence entre les dégage- ments de -chaleur à l'anode de l'arc selon que cette anode est faite d'une matière thermioni- que ou_ d'une matière de cathode froide. On a constaté que le dégagement de chaleur à l'anode est intermédiaire entre celui obtenu à la cathode lorsque celle-ci est faite d'une ma tière de cathode froide et le dégagement à cette même cathode lorsqu'elle est faite d'une ma tière thermionique.
Pour le soudage à l'arc des métaux sous protection d'un gaz inerte, il y a une autre différence importante entre le fonctionnement d'une cathode faite d'une- matière thermionique et celui d'une cathode faite d'une matière -de cathode froide. Etant donné que 1a cathode thermionique émet facilement des électrons en abondance en vertu de sa température, elle continue à émettre ces électrons même après que le courant de l'arc a été interrompu et du fait de l'inertie thermique de l'électrode.
Etant donné que l'émission électronique des matières dites de cathode froide ne dépend pris d'un effet thermique, ' cette émission d'électrons s'arrête immédiatement lorsque le courant de l'arc est interrompu. On a constaté que les matières thermioniques constituent des électrodes d'apport assurant une meilleure stabilité de l'arc pour le soudage à l'are sous protection d'un gaz inerte.
Lorsque des inter ruptions de l'are se produisent, la cathode thermionique constituée par une telle électrode continue de fournir des électrons en vertu de sa température et assure ainsi un réamorçagë facile de l'arc au moyen d'une faible force électromotrice.
Bien au contraire, une matière de cathode froide exige, pour le réa-morçage de l'arc, après une interruption, une force électromotrice très élevée et suffisante pour assurer une décharge luminescente. Pour le soudage à l'arc de métaux sous protection d'un gaz inerte, on modifie donc les matières d'électrodes de soudage et en parti- cüli.er celles de ces électrodes qui constituent des cathodes froides,
de manière à leur donner des caractéristiques électriques et thermiques de l'arc analogues à ou s'approchant jusqu'à un degré déterminé des caractéristiques élec triques .et thermiques obtenues avec des ma tières d'électrodes de soudage thermioniques, ceci aux températures qu'on rencontre dans les arcs 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 de 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 de manière à modifier le rapport entre la chaleur engendrée ou dé gagée à la cathode et la chaleur engendrée ou dégagée à l'anode de l'arc, c'est-à-dire de manière à modifier ou déplacer l'équilibre thermique de l'arc.
On a constaté que de telles additions peuvent être faites par très petites quantités par rapport à la quantité de métal de soudure déposé ou de fil d'électrode con sumé: La matière ajoutée peut être fournie en quantités si faibles qu'elle n'affecte que les caractéristiques électriques et thermiques de l'arc. Si on le désire, cette matière peut être choisie et utilisée en si petites 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 faon appréciable avec le métal soudé.
De préférence; les arcs de soudage aux quels on ajoute ainsi une matière modifica trice sont dés ares 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'im tel arc de soudage et, du fait que le soudage est effectué sans fondant, les caractéristiques électriques et thermiques de tels ares ne dépendent que des caractéristiques du gaz de protection et du métal des électrodes.
Les arcs de soudage sans fondant, à atmosphère stérile et au moyen d'électrodes d'apport nues de ce genre ont des propriétés électriques et thermiques différentes de celles des arcs de soudage dans l'air, des arcs de soudage entretenus sous une couverture de fondant ou immergés ou des arcs de soudage produits au moyen des élec trodes ordinaires à revêtement de fondant. On a constaté que les caractéristiques élec triques et thermiques de tels arcs de soudage sous protection de gaz inerte et au moyen d'électrodes d'apport peuvent ' être délibéré ment modifiées et commandées de manière à, fournir des types de soudure nouveaux et améliorés.
L'environnement 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 d'eux de la manière désirée et dans les proportions désirées, ceci sans porter préjudice à l'effet favorable de la protection de gaz inerte et sans entraîner une perte de commande ou des modifications supplémentaires indésirables de propriétés électriques et thermiques telles que celles qui pourraient résulter de la présence d'impuretés, par exemple d'air, de fondants ou de revête ments qui sont présents lors du soudage usuel dans l'air, sous une couverture de fondant,
ou au moyen d'électrodes à revêtement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, trois formes d'exécution de l'ins tallation pour la mise en oeuvre du procédé, et illustre le procédé faisant l'objet de l'in vention.
La fig. 1 est une vue schématique de la première forme d'exécution.
La fig. 2 est une vue de détail en coupe d'un pistolet de soudage à la main que com prend ladite forme d'exécution.
La fig. 3 est une vue en coupe selon 3-3 de la fig. 2. La fig. 4 représente, schématiquement, un appareil destiné à ajouter de la matière modificatrice à une électrode de soudage cons tituée par un fil métallique.
La fig. 5 représente, à un peu plus grande échelle, ledit fil métallique de soudage au cours des diverses opérations de préparation représentées à la fig. 4.
La fig. 6 est une vue en coupe d'une perle de soudure obtenue par le procédé spécifié. La fig. 7 est une vue en coupe d'une perle de soudure comparable à certains égards à celle représentée à la fig. 6, mais obtenue sans addition de matière modificatrice.
Les fig. 8 à 12 représentent, sous forme de diagrammes et en fonction du courant de soudage, les vitesses de consommation obtenues pour divers fils d'électrodes et avec ou sans addition de matière modificatrice.
La fig. 13 représente, qualitativement, pour certaines matières de cathode et pour certaines surfaces cathodiques composites, l'émission électronique thermionique de la ca thode de l'arc en fonction de la température de la cathode.
La fig. 1.4 représente, schématiquement, la deuxième .forme d'exécution. .
La. fig. 15 est une vue, à plus grande échelle, partie en coupe et avec arrachements, d'un pistolet de soudage à la machine que comprend l'installation représentée à la fig. 14.
La fig. 16 représente, schématiquement, la troisième forme d'exécution, et la fig. 17 est un diagramme représentant pour un courant d'arc constant les dégage ments de chaleur relatifs aux bornes d'arcs de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte.
Dans la première forme d'exécution d'ins tallation de soudage représentée à la fig. 1, l'ouvrage devant être soudé est une plaque désignée par le signe de référence 21. Une électrode de soudage 22 est fournie sous forme d'un long tronçon de fil à partir d'une bo bine 23 montée dans un châssis 24. Un méca nisme d'avance entraîné par un moteur 25 dévide le fil clé la bobine et le pousse conti- nuellement 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 protection 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 annu laire 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 jus que dans la zone de l'arc. Le dispositif d'ali mentation en gaz sera décrit de façon plus complète ci-dessous. Pour l'instant, 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'embou chure 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 soudure.
Dans les bre vets, suisses N $ 285860 et 283499, on a décrit de façon détaillée une manière très avanta geuse de former un écran de gaz sensiblement non turbulent. Le reste du pistolet représenté à la fig. 2 comprend un manche 35 qui a la forme d'une crosse de pistolet. Ce manche porte un commutateur de commande 36 qui est actionné par une gachette 37. Ce commu tateur est de préférence branché de manière à permettre à l'opérateur de commander le courant de soudage, l'écoulement de gaz de protection, et le mécanisme d'avance pour le fil.
Les connexions électriques du commuta teur de commande 36 et d'un commutateur 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 soudage 40.
Le courant de soudage est fourni par une machine de soudage à courant continu ordi naire 45. L'une des bornes de sortie de cette machine de soudage est électriquement reliée à la pièce devant être soudée par un conduc teur 47, et son autre borne de sortie est reliée au pistolet de soudage par un conduc teur du câble 40. Le courant de soudage est fourni à l'électrode en forme de fil à travers le tube de contact 31. Un contacteur 46 est prévu pour ouvrir et fermer le circuit de sou dage 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'Zm indicateur de débit 52. Un conduit 53 amène le gaz à l'extrémité d'entrée de la protection 26.
En fonctionnement, le débit de gaz de protection est de préférence réglé avant d'amorcer l'arc. La- machine de soudage peut être mise en marche avant ou après qu'on a réglé le débit de gaz de protection. On touche ensuite la pièce devant être soudée avec l'extré mité 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'arc 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'arc. Dans le brevet suisse N 280573, on a décrit de façon détail lée le mode de fonctionnement de l'installation représentée aux fig. 1 à 3.
Ainsi qu'on l'a dit plus haut, le procédé spécifié permet de commander la quantité de chaleur dégagée à l'une des bornes d'un arc de soudage au moyen'd'une électrode d'apport et sous protection d'un gaz inerte par rapport à la quantité de chaleur dégagée à l'autre borne de cet arc.
Dans les arcs de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte utilisé pour le soudage des métaux de construction courants ou de métaux de cathode froide , lorsque l'ouvrage constitue la cathode d'un arc de soudage à courant continu et que l'électrode d'apport en forme de fil constitue l'anode de-cet arc, une quantité de chaleur beaucoup plus considérable est dégagée sur l'ouvrage que dans le fil. En fournissant certaines matières modificatrices dans la ré gion de l'arc, en très faibles quantités et d'une façon qu'on décrira plus loin en détail, toutes les autres conditions étant d'ailleurs égales,
on peut modifier l'équilibre thermique de toute quantité désirée et jusqu'à atteindre d'autres conditions extrêmes dans lesquelles la chaleur dissipée dans le fil dépasse de beaucoup la chaleur dissipée dans l'ouvrage. Semblable- ment, dans le soudage à l'arc sous protection Mm gaz inerte et en utilisant le fil d'électrode comme cathode et l'ouvrage comme anode pour le soudage de métaux de construction ordi naires, la quantité de chaleur libérée dans le fil d'électrode est beaucoup plus considérable que celle dissipée dans l'ouvrage et cela peut, dans bien des cas, empêcher le soudage.
En fournissant dans la région de l'arc certaines matières modificatrices dans des proportions et d'une façon qu'on décrira plus loin en détail, toutes les autres conditions étant par ailleurs identiques, on peut déplacer l'équi libre thermique de toute manière désirée pour permettre le soudage en réduisant la chaleur dégagée dans le fil par rapport à celle déga gée dans l'ouvrage. En choisissant et en utili sant des matières modificatrices de façon adé quate, on peut modifier l'équilibre thermique d'un arc de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte de polarité normale de façon à obtenir approximativement le même équili bre thermique que dans un arc de soudage de polarité inverse entretenu sans adjonction de matière modificatrice.
On peut ainsi obtenir un soudage commercialement satisfaisant an moyen d'un arc de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte de polarité normale. <I>Exemple Z:</I> On a par exemple constaté qu'on pouvait faire une soudure sur une plaque d'acier et au moyen d'une électrode faite d'un fil d'acier doux en -utilisant un courant continu de pola rité normale, ceci au moyen d'une installation du type décrit ci-dessus en référence aux fig. 1 à 3 et à condition de fournir certaines matières modificatrices dans la région de l'arc. Les vitesses de consommation du fil d'électrode obtenues ne sont pas excessives comme celles qu'on obtient sans adjonction de matière modificatrice.
Ce fait est illustré par un essai qui a été fait au moyen d'une électrode en acier doux d'un diamètre de 1,6 mm traitée de manière à lui ajouter superficiellement du carbonate de rubidium. Le fil ainsi traité est amené à l'arc à travers un appareil du type décrit ci-dessus. De l'argon de qualité de soudage, c'est-à-dire de l'argon pur à 99,50/0., est utilisé comme gaz de protection avec un débit de 2,1.4 m3 par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre intérieur, ce gaz étant amené de faon à former un cou rant non turbulent constituant un écran de protection. Le courant de soudage est de 325 ampères continu, de polarité normale.
Dans ces conditions, et avec une longueur d'arc normale d'environ 4,8 -mm, la vitesse de consommation et d'avance du fil d'électrode est de 3,8 m par minute et la tension d'arc est de 20 volts. Afin d'obtenir des résultats d'es sais exacts et reproductibles, le pistolet de soudage est maintenu fixe et l'ouvrage est déplacé mécaniquement sous ce pistolet avec une vitesse d'avance de 25,4 cm par minute.
Le carbonate de rubidium est appliqué au fil de la façon représentée aux fig. 4 et 5. Le fil est tout d'abord préparé en le faisant pas ser entre les galets d'une paire de galets dont l'un est molleté, 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 rubidium sous forme d'une poudre sèche est ensuite 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 faon. 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 mol- leté 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'élec trode par le traitement précédent.
Finalement, l'alcool est évaporé de manière que le fil devienne sec. Préparé de la faon qu'on vient de décrire, le fil présente une surface conductrice sensiblement nue et il peut facile ment être avancé dans l'installation de sou dage. Les propriétés de ce fil lui permettent de récolter le courant de soudage à partir du tube de contact ne sont en rien amoindries. Ftant donné que le carbonate de rubidium est une matière déliquescente, il peut absorber une quantité d'humidité considérable lorsqu'il est exposé à une atmosphère humide.
Cela peut provoquer une certaine corrosion indé sirable du fil d'électrode qui peut gêner le transfert du courant de soudage au fil et qui peut également provoquer un attachement du fil dans le tube de contact du fait d'une accumulation de produits de corrosion dans ce tube. De plus, l'eau présente (hydrogène) a un effet nuisible sur la qualité du dépôt de soudure. Cependant, ces difficultés sont facilement évitées en conservant le fil pré paré dans une atmosphère sèche. Un composé de rubidium possédant sensiblement le même effet sur l'équilibre thermique de l'arc que le carbonate tout en étant moins déliquescent que celui-ci est l'oxyde de rubidium.
Du fil traité au carbonate de rubidium, préparé et utilisé de la façon décrite ci- dessus, assure l'entretien d'un bon arc de soudage et un transfert de métal du type à pulvérisation à partir du fil d'électrode jusqu'à l'ouvrage. L'arc obtenu présente une apparence très semblable à celle d'un arc de soudage de métal sous protection d'un gaz inerte avec courant continu de polarité in verse et de grande densité, normalement utilisé pour le soudage au moyen d'un fil d'électrode non traité. Le métal de soudure tombe en fondant dans le cratère formé, dans la plaque et produit une perle de soudure bien formée et de haute qualité.
Afin de démontrer combien les très fai bles quantités de carbonate de rubidium ajou tées sur le fil d'électrode réduisent la chaleur dégagée dans ce fil servant de cathode pour l'arc de polarité normale, on a effectué l'essai suivant: on a à nouveau utilisé comme cathode un fil d'électrode propre et nu en acier doux de 1,6 mm de diamètre, sans toutefois appli quer du carbonate, de rubidium sur ce fil.
L'installation utilisée était celle décrite ci- dessus et le débit et la composition du gaz de protection étaient également de 2,14 m3 par heure d'argon pur à 99,51/o. La vitesse d'avance de soudage était maintenue égale à 25,4 cm par minute et le courant de soudage était également maintenu égal à 325 ampères. Le fil d'électrode non traité utilisé dans ces conditions se consumait et devait être avancé à une vitesse de 9,14 m par minute et la tension d'arc était de 28 volts.
Ces chiffres doivent être comparés à la vitesse de consom mation de 3,8 m par minute précédemment obtenue avec une tension d'arc de 20 volts pour du fil d'électrode traité au carbonate de rubidium. Avec le fil traité au carbonate de rubidium, le fonctionnement de l'arc était satisfaisant et la soudure obtenue était de bonne qualité. Avec le fil d'électrode nu, l'arc semblait affolé et était désordonné, le transfert de métal était mauvais et s'effec tuait par grosses gouttes et avec de fortes éclaboussures et le soudage était pratique ment impossible.
La fig. 6 est une vue en coupe de la soudure obtenue avec du fil d'électrode traité au carbonate de rubidium, et la fig. 7 est une vue en coupe de' la sou dure obtenue dans des conditions identiques, mais avec du fil d'électrode nu et non traité. Bien que ces vues en coupe n'illustrent pas de façon complète la nature peu satisfaisante de la dernière soudure obtenue, elles montrent cependant 1a vitesse excessive de dépôt et 1a mauvaise pénétration obtenues sans addition de carbonate de rubidium.
De façon générale, pour obtenir une bonne fusion du métal trans- féré avec l'ouvrage, la, chaleur dégagée au fil d'électrode ne devrait- pas excéder la chaleur dégagée à l'ouvrage de plus de 50 0/0. La différence marquée entre les consommations respectives de fil d'électrode traité et non traité et entre les caractéristiques respectives des arcs obtenus avec du fil d'électrode traité et non traité doit être attribuée, au moins en, partie, à la grande faculté d'émission électro nique thermionique de l'acier traité au carbo nate de rubidium, à la.
température de sou dage et lorsque cet acier est utilisé comme cathode d'apport d'un arc de soudage de mé-, taux sous protection d'un gaz inerte.
<I>- Exemple II:</I> On a constaté qu'on pouvait obtenir des résultats analogues en ajoutant de la matière modificatrice à un. fil d'électrode fait d'une, matière non ferreuse. Par exemple, on peut souder de l'aluminium à l'are à courant con tinu en ajoutant du nitrate de coesium à un fil d'aluminium servant d'électrode.
On a de la sorte soudé une plaque d'alliage d'alumi nium au moyen d'une électrode faite d'un alliage d'aluminium et en utilisant de l'argon de qualité de soudage, c'est-à-dire de l'argon pur à 99,5 /a comme gaz de protection, cet argon étant fourni sous forme d'in courant i non turbulent et avec un débit de 2;14 m3 par heure à travers une embouchure de 25,4 mm de diamètre. L'installation utilisée était sensi blement la. même que celle décrite ci-dessus en référence aux fig. 1 à. 3. Le fil d'électrode pré- c sentait un diamètre de 1,6 mm et était fait. d'aluminium 43 S.
Une faible quantité de ni trate de coesium avait été préalablement appli quée sur ce fil. La plaque sur laquelle on a fait cette soudure présentait une épaisseur de s 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 nitrate de coesiuni avait été préalablement appliqué au fil d'aluminium exactemet de la manière décrite ci-dessus pour l'addition de carbonate de rubidium à un fil d'acier.
Dans ces conditions, et avec un cou rant d'arc de polarité normale de 200 ampères, la vitesse de consommation et d'avance du fil d'électrode était de 4,06 m par minute et la tension d'arc était de 16 volts. Les conditions de soudage étaient excellentes et. le métal était transféré de l'électrode à l'ouvrage à l'état pulvérisé, l'arc étant stable et tranquille et ne produisant pas d'éclaboussures. La régu lation de l'arc était, bonne, c'est-à-dire que l a longueur de l'arc et la. tension d'arc restaient sensiblement constantes. La perle de soudure était lisse et bien arrondie.
Afin de mettre en évidence l'effet de<B>dé-</B> placement de l'équilibre thermique de l'arc produit par cette addition de nitrate de coesium au fil d'électrode d'aluminium, on a essayé d'effectuer un soudage dans des con ditions comparables, avec un arc de polarité normale et avec une électrode d'aluminium non traitée. On a utilisé à cet effet la même installation dans des conditions de soudage identiqués, sauf que l'électrode d'aluminium non traitée remplaçait l'électrode traitée au nitrate de coesium. Dans ces conditions, on n'a pas pu effectuer de soudage. La vitesse de consommation de l'électrode était excessive et dépassait de beaucoup 12,7 m par minute.
La régulation de l'arc était très mauvaise, l'arc semblait affolé et produisait des écla boussures à profusion. La perle de soudure était irrégulière et n'était pas bien fondue dans la plaque mais était plutôt superposée à celle-ci et ne présentait pas une pénétration adéquate. La tension d'arc était beaucoup plus élevée que celle nécessaire avec le fil d'élec trode traité au nitrate de coesium. Cependant, à cause de la mauvaise régulation de la lon gueur de l'arc, il était impossible d'obtenir une lecture digne de confiance de la tension d'arc.
La différence significative et concluante entre le soudage avec un fil d'électrode traité au nitrate (le coesium et le soudage avec un fil d'électrode non traité consiste en ce que le premier de ces fils est consommé à une vitesse de 4,06 m par minute, tandis que le second se consume à une vitesse supérieure à 12,7 m par minute, ce qui indique une immense diffé- rence entre les quantités de chaleur respective ment dégagées:
à ces fils servant de cathodes. De plus, le transfert de métal était bon et le .soudage était commercialement applicable dans le premier cas, tandis que, dans le second cas, le transfert de métal était mauvais et le sou dage était inapplicable à des buts pratiques. Exemple <I>III:</I> On va donner ci-dessous un autre exemple d'application du procédé à des métaux non ferreux.
On a effectué des soudures sur une plaque d'acier en utilisant un fil d'électrode fait d'un alliage de bronze à l'aluminium, ce fil étant traité avec du chlorure de coesiuni et de rubidium ou, alternativement., n'étant. pas traité. Le fil d'électrode utilisé était fait d'un alliage comprenant environ 9 /a d'alumi nium, le reste étant constitué par du cuivre.
I1 présentait un diamètre de 1,6 mm, et lu, plaque constituant l'ouvrage était une plaque d'acier doux de 9,5 mm d'épaisseur. L'installa- tion utilisée et l'écran de gaz de protection étaient identiques à ceux décrits ci-dessus. Du chlorure de coesium et de rubidium était appli qué sur le fil d'électrode exactement de la même manière que le carbonate de rubidium sur le fil d'acier du premier exemple.
Le fil d'électrode étant utilisé comme cathode et l'arc étant donc de polarité normale, le cou rant de soudage était de 225 ampères, la vi tesse de consommation du fil traité était de 5,33 m par minute et la tension d'arc était de 18 volts. Le transfert clé métal entre les bornes de l'are était, bon et, avait la forme d'un cou rant de gouttes circulant à grande vitesse. La perle 'de soudure présentait un profil ovale et cette perle pénétrait. bien dans la. plaque. La régulation de la longueur de l'are était bonne.
En maintenant des conditions identi ques, mais en utilisant du fil d'électrode non traité, la vitesse de consommation de ce fil était de 8,1 m par minute et la tension d'arc était de 20 volts. Le métal était transféré entre les bornes de l'arc sous forme de plus grosses gouttes,
la perle de soudure obtenue était irrégulière et la régulation de l'arc était mauvaise. Le métal déposé s'accumulait sur la plaque et ne fondait pas bien dans celle-ci. Le soudage était inutilisable dans des buts pratiques. Ces essais montrent à nouveau qu'une quantité de chaleur beaucoup plus considérable est dégagée sur le fil d'électrode servant de cathode lorsque ce fil n'est pas traité que lorsqu'il est additionné de faibles quantités de chlorure de rubidium et de coe- sium coopérant avec le métal de base de la, cathode.
Bien que le déplacement de l'équilibre ther mique soit probablement le plus facile à dé crire de façon statistique en rapport avec un arc de polarité normale, à cause des très gmandes différences entre les vitesses de con sommation du fil d'électrode, ce déplacement se manifeste également avec les arcs de sou dage de polarité inverse.
Comme on l'a dit plus haut, la chaleur dégagée à l'anode de l'arc de soudage est pratiquement indépendante des qualités émissives de la matière de cette anode, et la vitesse de consommation du fil d'électrode devrait par conséquent être sensiblement cons tante lorsque ce fil constitue l'anode, c'est- à-direlorsque l'arc de soudage est de polarité inverse, soit que de la matière modificatrice soit fournie à l'arc ou non. On a. constaté que cela n'est pas le cas.
<I>Exemple</I> ZV: On a effectué une soudure sur une plaque d'acier au moyen d'une électrode en fil d'acier doux de 1,6 mm de diamètre sur laquelle on avait appliqué -une petite quantité d'oxyde de baryiun, de la manière précédemment dé crite. Le fil! d'électrode servait d'anode, l'arc étant de polarité inverse et protégé par un écran de gaz. Le gaz de protection utilisé était de l'argon et le débit de gaz était de 1,42 m3 par heure à travers une embouchure de 19 mm de diamètre intérieur.
L'ouvrage était consti tué par une plaque d'acier de 16 mm d'épais seur servant de cathode et la vitesse d'avance (le soudage était de 25,4 cm par minute. Avec un courant d'arc de 325 ampères, la vitesse de consommation du fil d'électrode était de 5,13 m par minute et la tension d'arc était égale à 22 volts. L'arc était. tranquille et stable et présentait une bonne régulation, et le trans fert de métal était du type pulvérisé. La perle de soudure était bien formée et sa pénétration était modérée.
On ne constatait pas de bom bardement par des ions positifs ordinairement observé lors du soudage à l'arc de polarité inverse sous protection d'un gaz inerte et au moyen d'une électrode non traitée. A titre de comparaison, en utilisant une électrode non traitée dans les mêmes conditions, la vitesse de consommation de ce fil d'électrode était de 5,33 m par minute avec une tension d'arc de 28 volts. Le transfert de métal entre les bornes de l'arc était également du type pulvé risé. La perle de soudure était un peu plus plate et la région de la plaque fortement chauffée par l'arc était beaucoup plus éten due. Le bombardement par des ions positifs produisait sur la plaque l'effet de nettoyage bien connu.
<I>Exemple V:</I> En utilisant un arc de polarité inverse, on a effectué des essais de soudage de matériau non ferreux au moyen d'une électrode en fil d'aluminium de 1,6 mm de diamètre et de l'installation précédemment décrite. L'écran de gaz était constitué par de l'argon à raison de 2,14 m3 par heure et formant un courant non turbulent à travers -une embouchure de 25,4 mm de diamètre intérieur. La cathode ou l'ouvrage était constitué par une plaque d'alu minium de 9,5 mm d'épaisseur.
Le fil d'élec trode était tout d'abord traité en lui appli quant une petite quantité de nitrate de coesium, de' la façon précédemment décrite. La vitesse de consommation de l'électrode était alors de 4,2 m par minute avec un courant d'arc de 205 ampères et une tension d'arc de 19 volts. La soudure ainsi obtenue était bonne. On a ensuite utilisé dans les mêmes conditions lin fil d'électrode en aluminium non traité.
La vitesse de consommation de l'électrode était alors de 4,44 m par minute avec une tension d'arc de 22 volts. La perle de soudure était un peu phis plate et les caractéristiques de l'arc et le transfert de métal étaient bons.
Il est significatif que., lorsque le fil d'élec trode constitue l'anode, la matière modifica trice ajoutée à ce fil n'a que peu ou pas d'effet sur<B>k</B> vitesse de consommation du fil, mais réduit sensiblement la tension d'arc, de sorte que la puissance totale de l'arc est con sidérablement plais faible. Dtant donné que la vitesse de consommation du fil d'électrode est sensiblement constante, il est évident, que la chaleur dégagée dans l'ouvrage doit être ré duite.
C'est exactement ce à quoi on devrait s'attendre si l'ouvrage était rendu meilleur émetteur électronique thermionique. Il est par conséquent évident que, dans ces exemples de soudage à l'arc de polarité inverse, la matière modificatrice appliquée sur le fil d'électrode est transférée à la flaque de soudure avec le métal' de soudure déposé et accroît l'émission thermionique de la flaque de soudure qui sert de cathode.
Ainsi, lorsque des adjonctions de matières modificatrices sont incorporées au fil d'électrode, la chaleur dégagée dans ce fil est :sensiblement réduite lorsque celui-ci constitue la cathode ,et lorsque l'ouvrage constitue l'anode de l'arc et la chaleur dégagée dans l'ouvrage peint également être sensiblement réduite lorsque le fil d'électrode constitue L'anode et lorsque l'ouvrage constitue la ca thode de l'arc.
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 appli quée sur la surface du fil, on peut éprouver 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 détacher.
Une analyse chimique grossière d'un échantil lon 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 ba ryum restant sur la surface du fil représentait l'équivalent d'environ<B>25</B> g par tonne d'acier, c'est-à-dire environ 0,003 0/o en poids du métal de soudure déposé. Cela est caractéristique 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 électriquement conductrice et permet de lui amener le cou rant de soudage pendant qu'il est avancé à travers le tube de .contact. .
L'équilibre thermique d'un arc de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte peut non seulement être déplacé dans un sens donné par adjonction d'une matière modifica trice, comme cela. a été mis en évidence par les exemples précédents, mais suie commande quantitative de ce déplacement de l'équilibre thermique peut de plus être obtenue par choix judicieux de la matière modificatrice.
Les faits expérimentaux suivants démon trent que différentes matières modificatrices ont pour effet d'assurer différents dégage ments de chaleur à la cathode de Parc, dans des conditions par ailleurs sensiblement iden tiques.
Lors du soudage à l'arc de polarité normale au moyen d'une- électrode d'acier traitée au carbonate de rubidium (voir exem ple I), on a obtenu aine vitesse de consomma tion de l'électrode de 3,8 m par minute avec une tension d'arc de 20 volts. Dans des con ditions comparables et avec un fil d'électrode non traité, on a obtenu une vitesse de consom mation de l'électrode de 9,14 m par minute avec une tension d'arc de 28 volts.
En consér- vant inchangées toutes les conditions de Sou dage, mais en substituant du chlorure de coesium et de rubidium au carbonate de rubi dium, on a obtenu une vitesse de consomma tion de l'électrode de 4,2 m par minute avec une tension d'arc de 22 volts.
Lorsqu'on utilise du carbonate de potassium comme matière modificatrice ajoutée an fil d'électrode, la vitesse de consommation de celle-ci est de 6,72 m par minute avec une tension d'arc de 28 volts. De façon analogue, pour le soudage à l'arc de polarité normale d'aluminium (voir exem ple II), en utilisant un fil d'électrode traité au nitrate de coesium, on obtenait un soudage praticable et une vitesse de consommation de l'électrode de 4,06 m par minute avec une tension d'arc de 16 volts:. En utilisant un fil.
d'électrode non traité dans les mêmes condi tions, le soudage devenait impraticable et la vitesse de consommation de l'électrode dépas sait 12,7 m par minute. En conservant exacte ment identiques toutes -les conditions de sou dage, mais en remplaçant. le nitrate de coesium. par un mélange d'oxydes de lanthane et de cérium contenant, en faibles quantités, des oxydes d'autres métaux des terres rares, on a obtenu une vitesse de consommation de l'élec trode de 9,4 ni par minute avec une tension d'arc de 18 volts.
Ces valeurs sont intermé diaires entre celles obtenues avec le fil d'élec trode non traité et celles obtenues avec le fil d'électrode traité au nitrate de coesium.
Semblablement, en utilisant une électrode faite d'un fil d'alliage de bronze d'aluminium avec un arc de polarité normale (voir exemple III), la vitesse de consommation de l'électrode était de 5,53 m par minute, le fil d'électrode ayant été traité au chlorure de coesium et de rubidium. La vitesse de consommation corres pondante pour du fil d'électrode non traité était de 13,2 m par minute.
Lorsqu'on rem place le fil traité au chlorure de coesium et de rubidium par du fil traité au carbonate de rubidium, la vitesse de consommation de ce fil, dans les mêmes conditions de soudage, est de 6 m par minute environ..
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 particu lières.
Bien au contraire, on peut mettre en ozuvre ce procédé avec d'autres matières modi ficatrices comprenant ou contenant un ou plusieurs agents d'émission susceptible de coopérer avec le métal de base de la cathode, de manière à former une surface de cathode composite à base de métal de soudage qui pré sente un pouvoir thermionique émissif plus élevé à la température de soudage que celui du métal de base seul.
L'émission thermioni- que accrue d'une telle surface de cathode en métal composite a pour effet un potentiel de contact et une chute de tension cathodique notablement amoindris par rapport au poten tiel de contact et à la chute de tension catho dique 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 mé taux de base sont évidemment ceux qui for ment l'ouvrage ou ceux qui forment le fil d'électrode et qui sont destinés à être fondus et liés par fusion aux métaux die l'ouvrage, pour former le dépôt de soudure. Les agents d'émission sont des métaux ajoutés à lame ou à l'une ou aux deux 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 principale ment pour but de modifier les caractéristiques thermiques et électriques de l'axe. Pour une opération de soudage donnée, les métaux de base sont déterminés par la composition de l'ouvrage et par la composition du dépôt de soudure devant être formé. Des agents d'émis sion appropriés sont des métaux qui devraient étre électropositifs par rapport au métal de base de la cathode et présenter un potentiel de contact thermionique plus faible que celui du métal de base et un faible potentiel d'ioni sation.
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 potentiel de contact effectif du métal de base de la. cathode. Lesdits métaux doivent en outre pré senter un point de fusion inférieur au point d'ébullition du métal de base de la cathode et un point d'ébullition suffisamment élevé, ou être suffisamment peu volatils pour rester en place sur la surface de la cathode composite pendant im temps suffisamment long pour accroître l'émission thermionique de cette sur face, dans les conditions de soudage.
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 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'actinium, par du scandium ou encore par de l'yttrium.
Ces élé ments peuvent être ajoutés soit sous forme d'éléments ou sous forme métallique, soit encore sous forme de composés de ces éléments suscep tibles de se dissocier partiellement ou complè tement dans l'arc, de manière à libérer lesdits éléments. Par exemple, les oxydes, les carbo nates, les borates, les phosphates, les nitrates, les silicates ou les composés halogénés desdits éléments peuvent être utilisés. Les mélanges de deux ou plus de deux des éléments ou des composés ci-dessus peuvent être utilisés et sont. souvent. particulièrement efficaces.
Les métaux alcalins sont le lithium, le sodium, le potas sium, le rubidium, 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 néody- mium, le prométhium, le samarium, l'euro pium, le gadolinium, le terbium, le dyspro sium, le holmium, l'erbium, le thulium, l'ytter- bium et. le lutécium.
Les métaux des terres rares de la. série de l'actinium sont le thorium, le protactinium, l'uranium, le neptunium et le plutonium, l'americum et le curium.
Beaucoup des éléments et des composés des éléments des groupes du système périodique 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, coesitim, 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 préférables lorsque les températures de l'électrode de sou dage sont élevées. 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 ba ryum et de strontium sous forme d'oxydes ou de carbonates, le lanthane et les mélanges de métaux des terres rares de la série du lan thane sous forme métallique et sous forme d'oxydes,
l'oxyde de thorium et. le carbonate de potassium.
Les mêmes matières modificatrices ne sont pas également efficaces pour tous les ouvrages et avec des fils d'électrode de n'importe quelle composition. Les fig. 8 à 12 représentent les vitesses de consommation du fil d'électrode en emjminute, en fonction du courant en ampères, selon les diverses matières modificatrices ajou tées à ces fils-, et illustrent ainsi l'effet des dites matières sur l'équilibre thermique de l'arc de soudage de métal sous protection d'un gaz inerte.
Pour toutes les courbes représentées aux fig. 8 à 12, le fil d'électrode utilisé est un fil d'acier doux d'un diamètre de 1,6 mm, la. soudure se faisant en courant continu dans une atmosphère d'argon. Les courbes de la fig. 8 se rapportent à une opération sans adjonction de matière modificatrice, la courbe 1 étant obtenue en polarité directe (électrode négative et ouvrage à souder positif), la courbe 2 en polarité inverse (électrode posi tive et ouvrage à souder négatif). Les courbes de la fig. 9 sont obtenues en polarité directe.
La. courbe 1 est obtenue sans adjonction de matière modificatrice; la courbe 2 se rapporte à une adjonction de fluorures de terres rares; la- courbe 2 se rapporte à une adjonction d'un mélange d'oxyde de cérium Ce03 et d'un mé lange contenant principalement des oxydes de lanthane et de cérium, avec de petites quantités d'oxydes d'autres terres rares comme matières modificatrices, les autres courbes concernant d'autres matières modificatrices indiquées sur le dessin.
La courbe de la fig. 10 est obtenue en polarité directe avec adjonction de cérium et de lanthane comme matières modificatrices. Les courbes de la fig. 11. sont obtenues sans adjonction de matière modificatrice, la courbe 1 étant obtenue en polarité -directe et la courbe 2 en polarité inverse.
Les courbes de la fig. 12 sont obtenues en polarité directe, la courbe 1 concernant une opération sans adjonction de matière modificatrice, la courbe 2 une- adjonction d'un mélange de K#,C03 et d'un mélange contenant principalement des oxydes de lanthane et de cérium avec de petites quantités d'oxydes d'autres terres rares,. et les autres courbes se rapportant à des opé rations avec adjonction de matières modifi catrices indiquées sur le dessin.
Bien que les principes ou la théorie du fonc tionnement. du procédé spécifié ne soient pas encore connus de façon certaine, on a. trouvé que l'explication suivante de l'efficacité de ce pro cédé est. utile à titre d'orientation pour dé terminer les matières modificatrices ou agents d'émission qui 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 parti culier, afin d'obtenir les résultats désirés.
Les matières modificatrices sont des matières qui se désagrègent, au cas où il s'agit d'un com posé, en im agent. d'émission ou élément d'émis sion 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 surface de la cathode, ceci pendant, l'opé ration de soudage.
Un revêtement d'un métal électropositif sur un métal plus électronégatif a pour effet d'abaisser de façon marquée le potentiel de contact de la surface composite, et d'augmenter ainsi son émission thermioni- que à la température de soudage de l'électrode.
On croit donc que l'efficacité du procédé est due aux phénomènes suivants: le composé con tenant l'agent ou élément d'émission (en ad mettant 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'élec trode et de la pièce à souder).
L'élément 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 semble que la. surface entièrement activée cor respond à une couche monoatomique d'atomes ou d'ions de l'agent. d'émission qui recouvre une grande partie, par exemple plus de 50 0/o, 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 notable 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'élé ment d'émission puissent s'évaporer à de basses températures; de manière à laisser subsister ladite mince couche ou des taches d'élément d'émission sur la surface de la cathode.
Il convient de remarquer que les températures de l'arc de soudage usuellement entretenu à la pression atmosphérique 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 adsorbés sous forme d'ions par la surface de la cathode en métal de base et les forces qui tendent à maintenir cette couche ou ces taches en place sont probablement les plus élevées lorsque le potentiel d'ionisation de l'élé ment d'émission est faible.
Il semble que le potentiel d'ionisation de l'élément. d'émission devrait être plus faible que le potentiel de contact du métal de base de la cathode. Cepen dant, en pratique, et peut-être parce qu'il est difficile de déterminer exactement les po tentiels de contact, on a trouvé que le poten tiel d'ionisation du métal d'émission peut quel quefois dépasser d'une quantité pouvant atteindre un électronvolt et demi 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'émis sion 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, phis élevée lors que cettè différence est positive et aussi grande que possible. Ce potentiel de contact croit 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. Cependant, comme on vient de le dire, on constate des différences assez grandes entre les potentiels de contact des métaux de base mesurés 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 ou d'ex traction de plusieurs métaux de base.
EMI0015.0014
Potentiel <SEP> d'ionisation <SEP> Potentiel <SEP> de <SEP> contact <SEP> thermoionique
<tb> Agents <SEP> d'émission <SEP> Electron-volts <SEP> Métaux <SEP> de <SEP> base <SEP> Electron-volts
<tb> Lithium <SEP> 5,37 <SEP> Magnésium <SEP> 3,78
<tb> Sodium <SEP> 5,12 <SEP> - <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> Ittrium <SEP> 6,5
<tb> Lanthane <SEP> 5,59
<tb> Thorium <SEP> 5,
25 Bien qu'il semble que le coesium fournisse la meilleure surface composite thermionique- ment émettrice avec l'un quelconque des mé taux 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 mé taux à bas point d'ébullition, tel que l'alumi nium.
Le baryum, le strontium, le lanthane et le cérium devraient être beaucoup plus effi caces comme agents émetteurs pour renforcer l'émission thermionique d'une surface compo- site à base de fér que pour tune surface à base d'aluminium. 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 conjointement avec des gaz de protec tion tels que l'hélium et présentant de relative ment mauvaises caractéristiques d'ionisation.
En général, l'agent d'émission ne peut être choisi pour la mise en oeuvre 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 l'ouvrage, et cette coxiposition étant à son tour déter minée par le type de soudure qu'on désire effectuer et par le type d'ouvrage.
De plus, la sui-face de cathode doit fonctionner à une température comprise entre les points de fusion et d'ébullition 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 l'ouvrage.
Le fait que les arcs de soudage sont nor malement amorcés à une pression sensiblement égale à la pression atmosphérique doit être considéré parce que le point d'ébullition de ragent 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 matière modificatrice est continuellement fournie à l'arc, l'élément d'émission est con tinuellement renouvelé sur la surface de ca thode composite et n'a donc besoin d'avoir qu'une durée de vie effective -relativement courte.
Des agents d'émission présentant des points d'ébullition considérablement infé rieurs aux températures de soudage de la cathode peuvent agir de façon à entretenir une surface de cathode composite thermioni- quement émissive et constamment efficace, à condition d'être continuellement ajoutés è. l'arc, et même si le métal de base de la cathode 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 l'ouvrage.
Le traitement d'activation (réduction ou dissociation de la matière modificatrice ajou tée 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 me sure que le fil est avancé vers l'arc. II 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 compo site 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 partielle ment dans l'arc, de manière à fournir l'élé ment ou le métal d'émission à l'état libre sur la ou les surfaces d'électrodes de l'arc. D'au tre part, lorsqu'on utilise mi composé, celui-ci doit de préférence se dissocier assez difficile ment pour que l'élément d'émission ne puisse être complètement évaporé avant de pouvoir atteindre la surface de cathode et être adsorbé sur cette surface sous forme d'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 jus qu'à son endroit d'utilisation sur la surface composite.
Le diagramme de la fig. 13 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. Les diverses courbes donnent l'émission thermionique en amp/cm2 (échelle logarithmique), en fonction de la. tempéra ture en degrés Kelvin. Les parties en trait plein des courbes se rapportent à l'état liquide, les parties en trait pointillé à l'état solide.
Les petits cercles indiquent les points de fusion et les petits triangles les points d'ébul lition.<B>A</B> cette figure, les taux d'émission" thermionique de deux métaux de base: alumi nium (courbe 1) et fer (courbe 2) et de deux agents d'émission: coesium (courbe 3) et ba ryum (courbe 4) sont représentés en fonction de la température. Les émissions thermioni- ques de surfaces composites obtenues ait moyen de coesium et de baryum sont également re présentées en fonction de la température (courbes 5 et 6 respectivement), pour mettre en évidence les principes du procédé.
Il con vient d'insister sur le fait que ces courbes ne sont qu'une illustration et qu'elles ne sont pas exactes au point de vue quantitatif. Elles représentent 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 in férieur 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'ébullition, lorsque des températures suffi samment élevées sont atteintes, cette couche adsorbée se dissipe trop rapidement par éva poration, 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'émission de thorium sur une base de tungstène sont représentées pour illustrer cet effet, ainsi- que la courbe 9 relative à l'émission d'une surface composite obtenue au moyen du thorium.
Au haut du diagramme, les flèches 10, 11 et 12 indiquent les domaines de températures dans lesquels l'aluminium, le fer et le tungstène respectivement sont en phase liquide. L'extrémité gauche de chaque flèche correspond au point de fusion, et l'extrémité droite au point d'ébullition du métal.
Les flèches 13 et 14 à gauche du dia gramme indiquent les domaines propres à une cathode froide et à une cathode thermionique respectivement. Étant donné que les tempé ratures d'électrode de l'arc de soudage pour l'aluminium et pour le fer doivent être com prises dans les domaines indiqués pour ces métaux, pour la mise en couvre du procédé de soudage à l'arc sous protection d'un gaz inerte, on voit de suite que le coesium 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.
L'effet résultant d'un tel émetteur cathodique thermionique d'électrons, comparativement aux métaux de base consti tuant des cathodes froides, sur l'équilibre thermique de l'arc de soudage de métaux sous protection d'un gaz inerte est illustré à la fig. 17. Celle-ci donne la quantité de cha leur relative libérée aux bornes de l'arc de soudage pour un courant constant, à gauche pour une cathode froide, à droite pour une cathode froide avec un agent d'émission ther- mionique.
A titre d'alternative du procédé de prépa ration du fil d'électrode représenté à la fig. 4; et selon lequel la matière modificatrice est appli quée sur la surface du fil ou est incrustée dans des rayures pratiquées dans cette surface, la matière modificatrice d'addition peut être ajoutée au métal fondu à partir duquel le fil est fabriqué, de faon à former un alliage ou un mélange avec ce métal. On obtient ainsi mie répartition homogène de la matière modi ficatrice dans tout le fil d'électrode, ce qui élimine la nécessité d'un traitement indépen dant du fil après sa fabrication.
Exemple <I>VI:</I> A titre d'exemple, on a ajouté du métal misch à une coulée de 43<B>k</B>g d'acier doux fondu, à raison de 1,82 kg de métal misch par tonne d'acier fondu. Le métal misch com prend 53% de cérium, 331/o de lanthane, 1,50/o de fer, le reste étant constitué par des métaux des terres rares.
L'alliage ainsi obtenu et dans lequel une partie du métal misch avait été perdu par évaporation a été étiré pour former du fil de 1,6 mm de diamètre destiné à être utilisé comme électrode d'ap port pour le soudage à l'arc de métaux sous protection d'un gaz inerte, avec un arc à cou rant continu de polarité normale. Avec un débit de 2,14 m3 par heure d'argon s'écoulant à travers une embouchure de 2,54 cm de dia mètre intérieur, on a soudé une plaque d'acier de 9,5 mm d'épaisseur à une vitesse d'avance de soudure de 25,4 cm par minute.
Avec un courant de soudage de 308 ampères, la vitesse de consommation du fil d'électrode était de i 3,56 m par minute et la tension d'arc était de 25 volts. Ces valeurs doivent être comparées à une vitesse de consommation de l'électrode d'environ 8,5 m par minute pour un fil d'élec trode utilisé dans les mêmes conditions, mais ne contenant pas de métal misch. Les condi tions de, soudage avec le fil d'électrode en acier traité au métal misch étaient bonnes. Le transfert de métal était du type pulvérisé et la perle de soudure était bien formée.
Bien qu'on estime actuellement préférable pour la mise en ouvre du procédé de four nir la matière modificatrice en l'appliquant ou en l'occluant dans le fil d'électrode, ou en core en l'ajoutant au fil d'électrode comme partie intégrante . de l'alliage formant ce fil, an peut encore ajouter cette matière modi ficatrice d'autres façons.
La fig. 14 représente, schématiquement, une deuxième forme d'exécution de l'installa= tion pour la mise en ouvre du procédé, dans laquelle les matières modificatrices sont intro duites de façon continue dans le courant de gaz de protection. Un fil d'électrode non traité 60 est avancé à travers un pistolet de soudage 61 jusqu'en position de fonctionnement par rapport à un ouvrage 62 devant être soudé. Comme décrit ci-dessus en regard de la fig. l., 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 en traîné 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 une machine de soudage à courant continu de construction ordinaire 66. L'une des bornes de sortie de cette machine est reliée au pistolet de soudage 61 à travers un commutateur 67 et des conducteurs 68 et 68'. L'autre .borne de sortie de la machine est reliée à l'ouvrage 62 au moyen d'un conduc- Leur 69: Le courant de soudage -est amené jus qu'à l'électrode 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 représenté à la fig. 14. est refroidi au moyen d'une circulation d'eau passant par des con duits débouchant dans l'embouchure de ce pistolet.
Celui-ci est supporté au moyen d'un support fixe comprenant un manchon fendu <B>70</B> qui porte un pignon disposé -de manière qu'on puisse le faire tourner au moyen d'un volant à 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 fig. 15 montre des détails de construction des parties inférieure et supé rieure 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 supérieure au moyen du conducteur 68' et passe au travers des parties intérieures de ce pistolet jusqu'au tube de contact 76.
Ainsi qu'on peut le voir à la fig. 14, 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 85 du type vibratoire. Ce dispositif est principalement constitué par une trémie à partir de laquelle la matière en poudre est fournie au moyen d'un mécanisme distributeur vibratoire. Cette matière est en traînée parle 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 protection. Ce gaz contenant ladite matière modificatrice à l'état de suspension passe à travers des pas sages appropriés ménagés dans le pistolet 67. et sort de celui-ci sous forme d'L-m courant.
non turbulent à travers une embouchure 89 (voir fig. 15) qui entoure le tube de contact 76. La, matière modificatriee suspendue dans le courant de gaz. de protection pénètre dans la région de l'arc dans laquelle elle fournit une substance stabilisatrice présentant un bas potentiel d!'ionisàtion et où elle donne aux sur- faces de cathode de l'arc des propriétés d'émis sion 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 mo dificatrice pulvérulente. <I>Exemple VII:</I> Cet exemple illustre une mise en aeuvre du procédé dans laquelle la matière modifi catrice est fournie à l'arc sous forme d'une poussière suspendue dans le gaz de protec tion. Un arc de soudage de polarité normale a été amorcé entre un fil d'électrode en acier doux non traité, d'un diamètre de 1,6 mm., constituant la cathode de l'arc et une plaque d'acier de 9,5 mm d'épaisseur constituant l'anode de l'arc.
De l'oxyde de baryum sous forme d'une fine poudre sèche était trans porté jusque dans l'arc par le courant de gaz de protection qui était de l'argon de qualité de soudage fourni avec un débit de 2,14 m3 par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre intérieur. Le courant d'arc étant de 300 ampères, la vitesse de consommation chi fil d'électrode était de 4,82 m par minute avec une tension d'arc de 22 volts. Toutes les autres conditions étant par ailleurs égales, mais sans introduction de poussière d'oxyde de baryum dans le courant de gaz de protec tion, la vitesse de consommation de l'électrode était égale à 7,9 m à la minute et la tension d'arc étant de 30 volts.
En amorçant dans les mêmes conditions un arc de soudage de polarité inverse et en fournissant de la poussière d'oxyde de barymn à l'état suspendu dans le gaz de protection, on a obtenu des résultats analogues à ceux obtenus avec un arc de soudage de polarité inverse et en fournissant de l'oxyde de ba ryum par application de cet oxyde sur le fil d'électrode.
En plus des modes d'introduction de la matière modificatrice dans l'arc décrits ci- dessus, on a constaté que, dans certaines con ditions, 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, 16 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 1a forme d'exécution représentée à la fig. 16, un fil d'électrode 90 est avancé à partir d'une bobine 91, au moyen d'un méca nisme d'avance 92 entraîné par un moteur, comme dans les formes d'exécution précédem ment décrites. Ce fil d'électrode est propre, nu et n'est pas traité. Il est guidé à partir du mécanisme -d'avance 92 et à travers une protection 93 jusqu'à un pistolet de soudage 94.
Ce pistolet est pratiquement identique à celui représenté aux fig. 14 et 15. Du courant de soudage est fourni à partir d'iuie machine de soudage 100. L'une des bornes de sortie de cette machine 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 de la machine 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 à 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'arc, cet arc lui-même et la -flaque de soudure. Un second ensemble d'alimentation en fil mé tallique est utilisé pour faire avancer un--fir de remplissage 119 jusqu'à la soudure. Ce fil contient, dans sa masse, sous forme d'un revê tement superficiel ou d'une incrustation dans sa surface, la matière modificatrice nécessaire. Le fil métallique traité 119 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'en semble d'alimentation en fil de remplissage est identique à l'ensemble d'alimentation en fil d'électrode. Il comprend une bobine 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 fixa tion 123 supporte la protection 122 au voisi- nage du pistolet et guide ainsi le fil de rem plissage 119 jusque dans la soudure. On ob tient- les meilleurs résultats lorsque le fil de remplissage 119 -est avancé vers la zone de soudage 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 de soudure avant de parvenir directement au-dessous de l'arc.
Les matières modificatrices ajoutées et faisant partie de ce fil de remplissage assurent le taux d'émission électronique thermionique de l'a cathode d'une façon très semblable à celle assurée par les matières modificatrices ajoutées par applica tion sur le fil d'électrode de la façon décrite dans les exemples précédents. <I>Exemple VIII:</I> Cet exemple illustre l'effet produit sur un arc à courant continu de polarité inverse, pour le soudage d'un métal sous protection d'un gaz inerte, par une addition d'une matière modifi catrice amenée au moyen d'un fil de remplis sage auxiliaire.
Avec une installation telle que celle représentée à la fig. 7_6, on a utilisé un fil d'électrode en acier doux de 1,6 mm de diamètre sous protection d'un écran gazeux d'argon s'écoulant sous forme d'un courant non turbulent avec un débit de 2,14 m3 par heure à travers une embouchure de 2,54 cm de diamètre. En ne fournissant pas de fil auxiliaire de remplissage et pour un réglage donné du générateur de soudage, le courant de soudage était de 285 ampères, la tension d'arc de 29 volts et la vitesse de consommation du fil d'électrode de 4,44 m par minute.
Un fil de remplissage auxiliaire constitué par un fil d'acier de 1,15 mm de diamètre était uti- lisé. Ce fil avait été préalablement traité avec de l'oxyde de baryLUn, exactement de la façon décrite ci-dessus (exemple I) à propos du fil d'électrode de 1,6 mm de diamètre traité au carbonate de rubidium. Ce fil auxiliaire était avancé vers l'arc de manière à fondre dans la flaque de soudure et à compléter la quantité de métal de soudure fournie par l'électrode de soudage en se consumant. Lorsque ce fil.
métallique traité à l'oxyde de baryum était ajouté à la soudure avec une vitesse d'avance de 2,3 m par minute et en maintenant cous- tant le réglage du générateur de soudage, la tension de soudage tombait immédiatement à 25 volts, le courant de soudage augmentait jusqu'à 325 ampères et la vitesse de consom mation de l'électrode augmentait jusqu'à 5,7 m par minute, de la façon usuelle et en rapport avec l'augmentation du courant de soudage.
L'oxyde de baryum appliqué sur le fil de rem plissage auxiliaire était par conséquent effi cace pour augmenter la capacité d'émission de la flaque de soudure, exactement comme lorsque de l'oxyde de baryum ou une autre matière modificatrice d'addition était appli quée sur le fil d'électrode ou était transportée jusque dans la région de l'are sous forme d'une poussière suspendue dans le gaz de pro tection.
<I>Exemple IX:</I> Dans certains cas, on peut également mettre en ce-Livre le procédé spécifié en appli quant la matière modificatrice d'addition di rectement sur l'ouvrage. Par exemple, en utili sant une installation du type décrit en réfé- 'rence à la fig. 1, on a appliqué préalablement, au moyen d'un pinceau, -une boue d'oxyde de baryum et d'alcool sur les endroits d'une pla que d'acier devant être soudés. L'alcool s'éva porait, laissant un revêtement superficiel d'oxyde de baryum qui adhérait à la plaque.
Le soudage à l'arc à courant continu de pola rité inverse d'un métal sous protection d'un gaz inerte nécessitait, sur la partie revêtue de la plaque, un courant d'arc de 350 ampères et une tension d'arc de 22 volts. Lorsque la soudure s'écartait de la partie de la plaque préalablement traitée pour parvenir sur une région nue et propre de cette plaque, la ten sion d'arc sautait brusquement à 30 volts et le courant d'arc diminuait brusquement jus qu'à 290 ampères, indiquant ainsi que la fla que de soudure servant de cathode constituait un émetteur électronique thermionique très amélioré lorsque de l'oxyde de baryum avait préalablement été appliqué sur la partie cor respondante de la plaque.
Arc welding process under protection of a gas shield and installation for the implementation of this process. The subject of the present invention is an arc welding process under protection of a gas shield and an installation for implementing this process and in particular a process and an installation for welding a metal under protection. of an inert gas and by means of a supply electrode.
The process forming the subject of the invention can be considered, at least in certain of its aspects, as constituting an improvement in arc welding processes. metals with shielding gas described in Swiss Patents Nos. 3,280573, 285860 and 283499.
In Swiss patents N s 280573, 285860 and. 283499, there has been described a welding process of the type in which a filler electrode constituted by a wire is continuously advanced towards a welding arc protected by gas and which is maintained between this electrode and a work to be welded, for example a plate, the welding current supplied to the are at least sufficient to consume the electrode as it is advanced towards the arc and to transfer weld metal from the electrode until a deposit of hard solder formed on the work to be welded,
so as to form an industrially satisfactory weld. 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 <B> due, </B> metal from said electrode until 'said weld deposit (see Swiss patent N 280573). The shielding gas is essentially an inert gas.
The inert protective gases mentioned are monoatomic gases or mixtures of these gases, for example helium or argon, or a mixture of helium and. argon, and may take 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.
Metallic vapor formed in the region of the arc by evaporation from the electrode, the workpiece (plate) or some other source such as a separate filler wire form part of it. of the gaseous atmosphere in the arc zone, so that the arc atmosphere through which the electric discharge takes place and through which the weld metal is transferred from the wire constituting the electrode until the work to be welded is constituted by the inert shielding gas and by said metallic vapor;
while 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 area of the arc, as would be the case if the welding were carried out in the arc. air, under a blanket of flux or by means of coated electrodes, 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 of the gas of pro inert tection.
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 to control or modify the thermal balance or certain other characteristics of the welding arc or this balance and these other characteristics in an advantageous manner.
The process forming the object of the invention is characterized in that a welding arc is initiated between a metal filler electrode and a metal work to be welded, in that said electrode is advanced towards said work as it is consumed, in that a current of shielding gas is brought into the region of said arc, and in that one introduces into the region of the arc a modifying material capable of modify the characteristics of the arc.
Said modifier material can be chosen and added to the arc so as to "lower the work expressed in electron volts and required to extract electrons from the cathode, i.e. the contact potential of the cathode, so as to modify the thermal balance of the are,
that is to say the ratio between the heat generated or released at the cathode and the heat generated or released at the anode in a determined manner and in defined proportions, and in such a manner as. provide a concentrated and stable cathode spot.
The installation object of the invention for the. implementation of the above method is characterized in that it comprises a bare metal filler electrode cooperating with the work to be welded, means for supplying welding current to this electrode and to said work so as to initiating and maintaining an arc between the electrode and this work, means for advancing the electrode towards the work as it con sumes in the arc and by transferring metal to the work ,
means for bringing a current of inert shielding gas into the region of the arc, and means for continuously introducing, into the region of the arc, a modifier material capable of increasing the thermionic electron emission of the arc cathode.
It is believed that when the metallic wire constituting the electrode constitutes the cathode of the arc, the concentration of the cathode spot thus obtained improves the transfer of metal so much. that the molten metal in drops or pulverized leaving this electrode is entirely immersed in the plasma. Therefore, the modifier materials used can act to stabilize the arc and improve its metal transfer characteristics, for example by helping to provide spray type metal transfer from the wire. trode to the book.
These materials can also affect factors such as the rate of consumption or combustion of the electrode wire, the penetration, size and contour of the solder bead in a determined manner.
It is believed that the heat given off or generated at the cathode during the arc welding of metals under protection of an inert gas is due to a large extent to the bombardment of this cathode with positive ions.
When the cathode is of such nature that it is capable of thermionically emitting electrons in relatively large quantities at its welding temperature, it is believed that the positive ions are largely neutralized before reaching the cathode. , the voltage drop at the cathode being low and the bombardment of the cathode and the production of heat at the cathode thus being reduced to a large extent.
When the cathode is a bad thermionic emitter of electrons at its welding temperature, the bombardment with positive ions is more intense, the voltage drop at the cathode is high, and relatively large amounts of heat are generated at the cathode. , cathode.
It has been 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 cathode. highly efficient, exhibiting a low drop in cathode voltage and at which a small amount of heat is generated or released. This can be attributed to the fact that the positive ion bombardment, which is estimated to produce most of the total heat given off at the cathode, is relatively low or limited when the cathode is made of thermionic materials.
Such materials emit all the electrons necessary for the maintenance of the arc, at their welding temperatures and with a low drop in cathode voltage. This limiting effect is not obtained with materials having a low thermionic emission or constituting cold cathodes and most of the materials commonly used in construction or in the machine industry, such as aluminum, copper, carbon. nickel, iron, magnesium, titanium, etc. and alloys of these metals, which are normally industrially welded in large quantities, are included in this class.
From an extremely simplistic point of view, if we use a material having a low electronic thermal emission, that is to say a so-called cold cathode material, to constitute the cathode of the arc, this material constitutes an inefficient cathode.
This results in intense bombardment by positive ions of any cold cathode material constituting the cathode of a welding arc under protection of an inert gas, and a strong release of heat at this cathode, while the materials of Cathode with good thermionic electron emission constitute relatively efficient cathodes and with which the heat given off at the cathode is relatively low.
There is little difference between the heat releases at the anode of the arc depending on whether that anode is made of thermionic material or of cold cathode material. It has been observed that the release of heat at the anode is intermediate between that obtained at the cathode when the latter is made of a cold cathode material and the release at this same cathode when it is made of a cold cathode. thermionic tière.
For the arc welding of metals under inert gas protection, there is another important difference between the operation of a cathode made of a thermionic material and that of a cathode made of a material - cold cathode. Since the thermionic cathode readily emits abundant electrons by virtue of its temperature, it continues to emit these electrons even after the arc current has been interrupted and due to the thermal inertia of the electrode.
Since the electronic emission of so-called cold cathode materials does not depend on a thermal effect, this electron emission stops immediately when the arc current is interrupted. It has been observed that thermionic materials constitute filler electrodes ensuring better stability of the arc for are welding under protection of an inert gas.
When interruptions of the are occur, the thermionic cathode constituted by such an electrode continues to supply electrons by virtue of its temperature and thus ensures easy re-ignition of the arc by means of a low electromotive force.
On the contrary, a cold cathode material requires, for the resumption of the arc, after an interruption, a very high electromotive force and sufficient to ensure a glow discharge. For the arc welding of metals under protection of an inert gas, the welding electrode materials are therefore modified and in particular those of these electrodes which constitute cold cathodes,
so as to give them electrical and thermal characteristics of the arc analogous to or approaching to a determined degree the electrical and thermal characteristics obtained with thermionic welding electrode materials, this at the temperatures that one meets in the arcs during welding under protection of inert gas by means of filler 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 achieved by adding a modifying material to the arc and this material acting in such a way as to modify the ratio between the heat generated or released at the cathode and the heat generated or released at the anode of the arc, that is to say so as to modify or displace the equilibrium thermal arc.
It has been found that such additions can be made in very small amounts relative to the amount of weld metal deposited or electrode wire assumed: The added material can be provided in such small amounts that it only affects the electrical and thermal characteristics of the arc. If desired, this material can be selected and used in such small amounts that it has no substantial or appreciable effect on the chemical composition of the weld metal or. that it does not react appreciably with the welded metal.
Preferably; the welding arcs to which a modifying material is thus added are dice ares with a substantially sterile atmosphere or essentially surrounded by a. inert protective gas, the atmosphere of these arcs further comprising metallic vapors or the like given off by the electrode and by the work to be welded. The flow of inert, non-turbulent shielding gas substantially excludes the ambient atmosphere from such a welding arc and, since welding is performed without flux, the electrical and thermal characteristics of such arcs only depend on the characteristics of the welding arc. shielding gas and metal electrodes.
Welding arcs without flux, in a sterile atmosphere and by means of such bare filler electrodes have different electrical and thermal properties from those of welding arcs in air, welding arcs maintained under a blanket of heat. fluxing or submerged or welding arcs produced by 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 welds.
The inert, sterile and relatively pure gas environment 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 them 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 properties electrical and thermal such as those which could result from the presence of impurities, for example air, fluxes or coatings which are present during usual welding in air, under a flux blanket,
or by means of coated electrodes.
The appended drawing represents, by way of example, three embodiments of the installation for carrying out the method, and illustrates the method forming the subject of the invention.
Fig. 1 is a schematic view of the first embodiment.
Fig. 2 is a detailed sectional view of a hand welding gun that the said embodiment takes.
Fig. 3 is a sectional view along 3-3 of FIG. 2. FIG. 4 schematically shows an apparatus for adding modifying material to a welding electrode made up of a metal wire.
Fig. 5 shows, on a slightly larger scale, said welding metal wire during the various preparation operations shown in FIG. 4.
Fig. 6 is a sectional view of a solder bead obtained by the specified method. Fig. 7 is a sectional view of a solder bead comparable in certain respects to that shown in FIG. 6, but obtained without addition of modifying material.
Figs. 8 to 12 show, in the form of diagrams and as a function of the welding current, the consumption rates obtained for various electrode wires and with or without the addition of modifying material.
Fig. 13 shows, qualitatively, for certain cathode materials and for certain composite cathode surfaces, the thermionic electron emission of the arc electrode as a function of the temperature of the cathode.
Fig. 1.4 represents, schematically, the second .form of execution. .
Fig. 15 is a view, on a larger scale, partly in section and with cutaways, of a machine welding gun included in the installation shown in FIG. 14.
Fig. 16 shows, schematically, the third embodiment, and FIG. 17 is a diagram showing for a constant arc current the heat releases relative to the terminals of welding arcs of metals under protection of an inert gas.
In the first embodiment of a welding installation shown in FIG. 1, the work to be welded is a plate designated by the reference sign 21. A welding electrode 22 is supplied in the form of a long section of wire from a coil 23 mounted in a frame 24. A motor driven feed mechanism 25 unwinds the key wire from the spool and pushes it continuously through a flexible guard 26 and into a gun 27, at a selected feed rate equal to that at which it burns the electrode.
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 the shield 26 and is supplied to a contact tube 31 to which the welding current is supplied. 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. A outer barrel 32 ending in a mouthpiece 33 surrounds the inner barrel 30 and the 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 as far as the arc zone. The gas supply device will be described more fully below. For now, suffice to say that shielding gas is supplied through shield 26. to a passage for the gas 34 of the gun. The gas exits the mouthpiece in the form of a substantially non-turbulent current and so as to form a screen around the end of the electrode, the arc and the weld puddle.
In Swiss Patents Nos. 285860 and 283499, a very advantageous way of forming a substantially non-turbulent gas shield has been described in detail. The rest of the gun shown in fig. 2 comprises a handle 35 which has the shape of a pistol grip. This handle carries a control switch 36 which is actuated by a trigger 37. This switch is preferably wired so as to allow the operator to control the welding current, the shielding gas flow, and the welding mechanism. 'advance for the thread.
The electrical connections of the control switch 36 and an auxiliary control switch for the wire feed are combined in a control cable 39. Welding current is supplied to the gun through a welding cable 40.
The welding current is supplied by an ordinary direct current welding machine 45. One of the output terminals of this welding machine is electrically connected to the part to be welded by a conductor 47, and its other terminal. The output is connected to the welding gun by a conductor of the cable 40. The welding current is supplied to the wire-shaped electrode through the contact tube 31. A contactor 46 is provided for opening and closing the welding circuit. dage at 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 protection 26.
In operation, the shielding gas flow rate is preferably adjusted before starting the arc. The welding machine can be started before or after the flow of shielding gas has been adjusted. The part to be welded is then touched with the end of the electrode and this end removed to strike the arc.
The wire feed is started at the same time as or immediately before the arc is struck, and the wire is advanced to the workpiece to be welded continuously and at the desired speed to maintain the arc . In Swiss patent N 280573, the mode of operation of the installation shown in FIGS. 1 to 3.
As mentioned above, the specified method allows the quantity of heat released at one of the terminals of a welding arc to be controlled by means of a filler electrode and under protection of a welding arc. inert gas compared to the quantity of heat released at the other terminal of this arc.
In welding arcs of metals protected by an inert gas used for welding common construction metals or cold cathode metals, where the work is the cathode of a direct current welding arc and the wire-shaped filler electrode constitutes the anode of this arc, a much greater quantity of heat is released on the work than in the wire. By providing certain modifying materials in the region of the arc, in very small quantities and in a manner which will be described in detail later, all other conditions being equal, moreover,
the thermal equilibrium can be changed by any desired amount and until other extreme conditions are reached in which the heat dissipated in the wire greatly exceeds the heat dissipated in the work. Similarly, in arc welding under Mm inert gas protection and using the electrode wire as the cathode and the work as the anode for welding ordinary structural metals, the amount of heat released in the wire of electrode is much larger than that dissipated in the work and this can, in many cases, prevent welding.
By providing in the region of the arc certain modifying materials in an amount and in a manner which will be described in detail later, all other conditions being otherwise the same, the thermal equilibrium can be shifted in any desired manner. to allow welding by reducing the heat released in the wire compared to that released in the work. By choosing and using the right modifier materials, the thermal equilibrium of a metal welding arc can be modified under the protection of an inert gas of normal polarity so as to obtain approximately the same thermal equilibrium as in a welding arc of reverse polarity maintained without the addition of modifying material.
It is thus possible to obtain commercially satisfactory welding by means of a metal welding arc under the protection of an inert gas of normal polarity. <I> Example Z: </I> For example, it was found that we could make a weld on a steel plate and by means of an electrode made of a mild steel wire using a direct current of normal polarity, this by means of an installation of the type described above with reference to FIGS. 1 to 3 and on condition that certain modifying materials are provided in the region of the arch. The electrode wire consumption rates obtained are not excessive like those obtained without the addition of modifying material.
This fact is illustrated by a test which was carried out by means of a mild steel electrode with a diameter of 1.6 mm treated so as to superficially add rubidium carbonate thereto. The wire thus treated is brought to the arc through an apparatus of the type described above. Welding grade argon, i.e. 99.50 / 0 pure argon, is used as shielding gas with a flow rate of 2.1.4 m3 per hour through a mouthpiece of 2.54 cm internal diameter, this gas being brought to form a non-turbulent current constituting a protective screen. The welding current is 325 amps continuous, normal polarity.
Under these conditions, and with a normal arc length of about 4.8 mm, the consumption and feed rate of the electrode wire is 3.8 m per minute and the arc voltage is 20 volts. In order to obtain exact and reproducible test results, the welding gun is kept stationary and the work is moved mechanically under this gun with a feed rate of 25.4 cm per minute.
Rubidium carbonate is applied to the wire as shown in Figs. 4 and 5. The wire is first prepared by making it pass between the rollers of a pair of rollers, one of which is soft, 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, fawn. 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 way just described, the wire has a substantially bare conductive surface and it can easily be fed into the soldering installation. The properties of this wire allow it to collect the welding current from the contact tip are not diminished in any way. Since rubidium carbonate is a deliquescent material, it can absorb a considerable amount of moisture when 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 the wire to stick in the contact tip due to a build-up of corrosion products in it. tube. In addition, the water present (hydrogen) has a detrimental effect on the quality of the weld 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.
Rubidium carbonate treated wire, prepared and used as described above, maintains a good welding arc and spray type metal transfer from the electrode wire to the wire. 'work. The arc obtained has an appearance very similar to that of a metal welding arc under protection of an inert gas with direct current of reverse polarity and high density, normally used for welding by means of a wire. untreated electrode. The weld metal falls by melting into the formed crater, into the plate and produces a well formed and high quality weld bead.
In order to demonstrate how much the very small quantities of rubidium carbonate added to the electrode wire reduce the heat given off in this wire serving as the cathode for the arc of normal polarity, the following test was carried out: we have to again used as cathode a clean and bare electrode wire of mild steel 1.6 mm in diameter, without however applying rubidium carbonate to this wire.
The installation used was that described above and the flow rate and the composition of the shielding gas were also 2.14 m3 per hour of pure argon at 99.51 / o. The welding feed rate was kept at 10 inches per minute and the welding current was also kept at 325 amps. The untreated electrode wire used under these conditions consumed and had to be advanced at a rate of 9.14 m per minute and the arc voltage was 28 volts.
These figures should be compared to the consumption rate of 3.8 m per minute previously obtained with an arc voltage of 20 volts for electrode wire treated with rubidium carbonate. With the wire treated with rubidium carbonate, the operation of the arc was satisfactory and the weld obtained was of good quality. With the bare electrode wire the arc looked distraught and messy, the metal transfer was poor and occurred in large drops and with heavy spattering and welding was practically impossible.
Fig. 6 is a sectional view of the weld obtained with electrode wire treated with rubidium carbonate, and FIG. 7 is a sectional view of the hard solder obtained under identical conditions, but with bare and untreated electrode wire. Although these sectional views do not fully illustrate the unsatisfactory nature of the last weld obtained, they do show the excessive deposition rate and poor penetration obtained without the addition of rubidium carbonate.
In general, in order to obtain good fusion of the metal transferred with the work, the heat given off at the electrode wire should not exceed the heat given off at the work by more than 50%. The marked difference between the respective consumptions of treated and untreated electrode wire and between the respective characteristics of the arcs obtained with treated and untreated electrode wire must be attributed, at least in part, to the great ability of thermionic electronic emission of steel treated with rubidium carbonate, at.
welding temperature and when this steel is used as a supply cathode for a metal welding arc, under protection of an inert gas.
<I> - Example II: </I> It was found that similar results could be obtained by adding modifier material to a. electrode wire made of a non-ferrous material. For example, one can weld aluminum with direct current by adding cesium nitrate to an aluminum wire serving as an electrode.
In this way, an aluminum alloy plate was welded by means of an electrode made of an aluminum alloy and using welding grade argon, i.e. pure argon at 99.5 / a as shielding gas, this argon being supplied in the form of a non-turbulent stream and with a flow rate of 2.14 m 3 per hour through a mouthpiece 25.4 mm in diameter. The installation used was sensibly there. same as that described above with reference to FIGS. 1 to. 3. The electrode wire had a diameter of 1.6 mm and was made. aluminum 43 S.
A small amount of cesium ni trate had previously been applied to this wire. The plate on which this weld was made had a thickness of 9.5 mm and was made of 61 S T aluminum. The welding feed rate was 25.4 cm per minute. The cesium nitrate had been previously applied to the aluminum wire exactly as described above for the addition of rubidium carbonate to a steel wire.
Under these conditions, and with an arc current of normal polarity of 200 amps, the consumption and advance speed of the electrode wire was 4.06 m per minute and the arc voltage was 16 volts. . The welding conditions were excellent and. the metal was transferred from the electrode to the work in a pulverized state, the arc being stable and quiet and not producing splashing. The regulation of the arc was good, ie the length of the arc and the. arc voltage remained substantially constant. The solder bead was smooth and well rounded.
In order to demonstrate the effect of <B> displacement </B> of the thermal equilibrium of the arc produced by this addition of cesium nitrate to the aluminum electrode wire, we tried to weld under comparable conditions, with an arc of normal polarity and with an untreated aluminum electrode. The same installation was used for this purpose under identified welding conditions, except that the untreated aluminum electrode replaced the electrode treated with cesium nitrate. Under these conditions, it was not possible to carry out welding. The consumption rate of the electrode was excessive and greatly exceeded 12.7 m per minute.
The regulation of the arc was very poor, the arc seemed distraught and produced splashes profusely. The solder bead was irregular and was not well fused into the plate but rather lay superimposed on it and did not exhibit adequate penetration. The arc voltage was much higher than required with the elec trode wire treated with cesium nitrate. However, due to poor arc length regulation, it was impossible to get a reliable reading of the arc voltage.
The significant and conclusive difference between welding with an electrode wire treated with nitrate (coesium and welding with an untreated electrode wire is that the first of these wires is consumed at a speed of 4.06 m per minute, while the second is consumed at a rate of more than 12.7 m per minute, which indicates an immense difference between the quantities of heat released respectively:
to these wires serving as cathodes. Further, the metal transfer was good and the soldering was commercially applicable in the first case, while in the second case the metal transfer was bad and the soldering was inapplicable for practical purposes. Example <I> III: </I> Another example of application of the process to non-ferrous metals will be given below.
Welds were made on a steel plate using an electrode wire made of an aluminum bronze alloy, this wire being treated with coesiuni rubidium chloride or, alternatively, not being. . not processed. The electrode wire used was made of an alloy comprising about 9 / a of aluminum, the remainder being copper.
It had a diameter of 1.6 mm, and the plate constituting the work was a mild steel plate 9.5 mm thick. The installation used and the shielding gas shield were identical to those described above. Coesium rubidium chloride was applied to the electrode wire in exactly the same way as rubidium carbonate on the steel wire of the first example.
The electrode wire being used as cathode and the arc therefore being of normal polarity, the welding current was 225 amperes, the consumption speed of the treated wire was 5.33 m per minute and the voltage of arc was 18 volts. The key metal transfer between the are terminals was good and had the form of a stream of drops circulating at high speed. The solder bead had an oval profile and this bead penetrated. well in the. plate. The regulation of the length of the are was good.
Maintaining the same conditions, but using untreated electrode wire, the consumption rate of this wire was 8.1 m per minute and the arc voltage was 20 volts. The metal was transferred between the terminals of the arc in the form of larger drops,
the resulting solder bead was irregular and the arc regulation was poor. The deposited metal accumulated on the plate and did not melt well in it. Welding was unusable for practical purposes. These tests again show that a much greater amount of heat is given off on the electrode wire serving as the cathode when this wire is not treated than when small amounts of rubidium chloride and coe- sium cooperating with the base metal of the cathode.
Although the shift in thermal equilibrium is probably the easiest to describe statistically in relation to an arc of normal polarity, because of the large differences between the consumption rates of the electrode wire, this shift is also manifested with welding arcs of reverse polarity.
As stated above, the heat given off at the anode of the welding arc is practically independent of the emissive qualities of the material of this anode, and the rate of consumption of the electrode wire should therefore be substantially constant when this wire constitutes the anode, that is to say when the welding arc is of reverse polarity, whether modifying material is supplied to the arc or not. We have. found that this is not the case.
<I> Example </I> ZV: Welding was carried out on a steel plate using a 1.6 mm diameter mild steel wire electrode to which a small amount of baryiun oxide, as described above. Thread! electrode served as anode, the arc being of reverse polarity and protected by a gas shield. The shielding gas used was argon and the gas flow rate was 1.42m3 per hour through a 19mm ID mouthpiece.
The work consisted of a 16 mm thick steel plate serving as the cathode and the feed rate (welding was 25.4 cm per minute. With an arc current of 325 amps, the consumption rate of the electrode wire was 5.13 m per minute and the arc voltage was 22 volts. The arc was quiet and stable and exhibited good regulation, and the metal transfer was of the spray type The solder bead was well formed and its penetration was moderate.
There was no positive ion bombardment ordinarily seen with reverse polarity arc welding under protection of an inert gas and using an untreated electrode. For comparison, using an untreated electrode under the same conditions, the consumption rate of this electrode wire was 5.33 m per minute with an arc voltage of 28 volts. The transfer of metal between the arc terminals was also of the pulverized type. The solder bead was a little flatter and the area of the plate strongly heated by the arc was much larger. The bombardment with positive ions produced the well-known cleaning effect on the plate.
<I> Example V: </I> Using an arc of reverse polarity, welding tests of non-ferrous material were carried out using an aluminum wire electrode 1.6 mm in diameter and installation previously described. The gas screen consisted of argon at a rate of 2.14 m3 per hour and forming a non-turbulent flow through a mouthpiece 25.4 mm in internal diameter. The cathode or the structure consisted of a 9.5 mm thick aluminum plate.
The electrode wire was first treated by applying a small amount of cesium nitrate thereto, as previously described. The consumption rate of the electrode was then 4.2 m per minute with an arc current of 205 amps and an arc voltage of 19 volts. The weld thus obtained was good. Untreated aluminum electrode wire was then used under the same conditions.
The consumption rate of the electrode was then 4.44 m per minute with an arc voltage of 22 volts. The solder bead was a bit flat and the arc characteristics and metal transfer were good.
It is significant that, when the electrode wire constitutes the anode, the modifying material added to this wire has little or no effect on the <B> k </B> consumption rate of the wire. , but significantly reduces the arc voltage, so that the total arc power is very low. Since the consumption rate of the electrode wire is substantially constant, it is obvious that the heat given off in the work must be reduced.
This is exactly what one would expect if the book was made a better thermionic electronic emitter. It is therefore evident that in these examples of reverse polarity arc welding, the modifier material applied to the electrode wire is transferred to the weld puddle with the weld metal deposited and increases the thermionic emission. of the weld puddle which serves as a cathode
Thus, when additions of modifying materials are incorporated into the electrode wire, the heat released in this wire is: significantly reduced when the latter constitutes the cathode, and when the work constitutes the anode of the arc and the heat released in the painted work also be appreciably reduced when the electrode wire constitutes the anode and when the work constitutes the ca thode of the arc.
It has been found that very small amounts of modifier material are sufficient to ensure the achievement of the desired results. From the above two methods of applying this material to the electrode wire are satisfactory and these methods are such that a very small portion of the modifier material remains on the wire or in the finished and processed wire. . In fact, in the case where this material is applied to the surface of the wire, it may be difficult to ensure the advance of the wire through the contact tube and to supply current to this wire if the modifier material added 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 ba ryum remaining on the surface of the wire represented l. equivalent of about <B> 25 </B> g per tonne of steel, ie about 0.003% by weight of weld metal deposited. This 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 the welding current to be supplied to it as it is advanced through the contact tube. .
The thermal equilibrium of a metal welding arc protected by an inert gas can not only be shifted in a given direction by the addition of modifying material, like this. has been demonstrated by the preceding examples, but soot quantitative control of this displacement of the thermal equilibrium can moreover be obtained by judicious choice of the modifying material.
The following experimental facts demonstrate that different modifying materials have the effect of providing different heat releases at the Parc cathode, under otherwise substantially identical conditions.
When arc welding of normal polarity using a steel electrode treated with rubidium carbonate (see example I), the electrode consumption rate of 3.8 m per minute with an arc voltage of 20 volts. Under comparable conditions and with an untreated electrode wire, an electrode consumption rate of 9.14 m per minute was obtained with an arc voltage of 28 volts.
By keeping all the soldering conditions unchanged, but by substituting rubidium and cesium chloride for rubidium carbonate, a consumption rate of the electrode of 4.2 m per minute was obtained with a voltage 22 volt arc.
When potassium carbonate is used as a modifying material added to the electrode wire, the rate of consumption thereof is 6.72 m per minute with an arc voltage of 28 volts. Similarly, for arc welding of normal polarity of aluminum (see Example II), using an electrode wire treated with cesium nitrate, workable welding was obtained and a speed of consumption of electrode of 4.06 m per minute with an arc voltage of 16 volts :. Using a wire.
electrode not treated under the same conditions, welding became impracticable and the consumption rate of the electrode exceeded 12.7 m per minute. By keeping all the welding conditions exactly identical, but by replacing. cesium nitrate. by a mixture of oxides of lanthanum and of cerium containing, in small quantities, oxides of other rare earth metals, a consumption rate of the electrode of 9.4 m per minute was obtained with a voltage of 18 volt arc.
These values are intermediate between those obtained with the untreated electrode wire and those obtained with the electrode wire treated with cesium nitrate.
Similarly, using an electrode made of an aluminum bronze alloy wire with an arc of normal polarity (see Example III), the consumption speed of the electrode was 5.53 m per minute, the wire electrode which has been treated with coesium rubidium chloride. The corresponding consumption rate for untreated electrode wire was 13.2 m per minute.
When replacing the wire treated with rubidium and coesium chloride with wire treated with rubidium carbonate, the consumption rate of this wire, under the same welding conditions, is approximately 6 m per minute.
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 carried out with other modifying materials comprising or containing one or more emission agents capable of cooperating with the base metal of the cathode, so as to form a composite cathode surface at welding metal base which exhibits a higher thermionic emissivity at the welding temperature than that of the base metal alone.
The increased thermionic emission of such a composite metal cathode surface results in a significantly reduced contact potential and cathode voltage drop relative to the contact potential and cathode voltage drop of the metal. base alone, at welding temperature. 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 work or those which form the electrode wire and which are intended to be melted and bonded by fusion to the metals in the work, to form the weld deposit. Emitting agents are metals added to the blade or to one or both welding electrodes in extremely small amounts either as elements or as compounds which dissociate in the arc so as to liberate such elements.
The main purpose of these metals is to modify the thermal and electrical characteristics of the axis. For a given welding operation, the base metals are determined by the composition of the work and by the composition of the weld deposit to be formed. Suitable emitting agents are metals which should be electropositive to the base metal of the cathode and have a lower thermionic contact potential than that of the base metal and a low ionization potential.
The 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 effective contact potential of the base metal of the. cathode. Said metals must furthermore have a melting point below the boiling point of the base metal of the cathode and a sufficiently high boiling point, or be sufficiently low volatile to remain in place on the surface of the composite cathode for. im time long enough to increase the thermionic emission of this surface, under welding conditions.
From experimental results it has been determined that the process can be carried out satisfactorily using an emitting agent. consisting of an element of the group of alkali metals, of the group of alkaline earth metals, of lanthanum or of rare earth metals of the lanthanum series, of actinium or of rare earth metals of. actinium 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, 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 can be used and are. often. particularly effective.
The alkali metals are lithium, sodium, potassium, rubidium, coesium and francium. Alkaline earth metals are. calcium, barium, strontium and radium. The rare earth metals of the lanthanum series are cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, euro pium, gadolinium, terbium, dyspro sium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and. lutetium.
The rare earth metals of the. series of actinium are thorium, protactinium, uranium, neptunium and plutonium, americum 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 shielding of commonly metals. 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 among the following: potassium, rubidium, coesitim, strontium, barium, lanthanum or methyl lanthanum and cerium series rare earth metal swaddles.
In some cases, thorium and. uranium may be preferable when the soldering electrode temperatures are high. By way of particular example of preferred modifying materials, mention will be made of cesium nitrate, rubidium carbonate, cesium and rubidium chloride, barium oxide or carbonate, mixtures of barium and strontium under in the form of oxides or carbonates, lanthanum and mixtures of rare earth metals of the Lan Thane series in metallic form and in the form of oxides,
thorium oxide and. potassium carbonate.
The same modifier materials are not equally effective for all structures and with electrode leads of any composition. Figs. 8 to 12 represent the consumption rates of the electrode wire in emjminute, as a function of the current in amperes, according to the various modifying materials added to these wires, and thus illustrate the effect of said materials on the thermal balance of welding arc of metal under protection of an inert gas.
For all the curves shown in fig. 8 to 12, the electrode wire used is a mild steel wire with a diameter of 1.6 mm, 1a. welding being done in direct current in an atmosphere of argon. The curves in fig. 8 relate to an operation without the addition of modifying material, curve 1 being obtained in direct polarity (negative electrode and positive welding work), curve 2 in reverse polarity (positive electrode and negative welding article). The curves in fig. 9 are obtained in direct polarity.
Curve 1 is obtained without the addition of modifying material; curve 2 relates to an addition of rare earth fluorides; Curve 2 relates to an addition of a mixture of cerium oxide Ce03 and a mixture mainly containing oxides of lanthanum and cerium, with small amounts of oxides of other rare earths as modifying materials , other curves relating to other modifying materials shown in the drawing.
The curve of FIG. 10 is obtained in direct polarity with the addition of cerium and lanthanum as modifier materials. The curves in fig. 11. are obtained without the addition of modifying material, curve 1 being obtained in -direct polarity and curve 2 in reverse polarity.
The curves in fig. 12 are obtained in direct polarity, curve 1 relating to an operation without addition of modifying material, curve 2 an addition of a mixture of K #, C03 and of a mixture mainly containing oxides of lanthanum and cerium with small amounts of oxides of other rare earths ,. and the other curves relating to operations with the addition of modifying materials indicated in the drawing.
Although the principles or theory of operation. of the specified process are not yet known with certainty, we have. found that the following explanation of the effectiveness of this process is. useful as a guide in determining the modifier materials or emission agents to be used in welding a workpiece made of a metal. base metal or together with an electrode wire made of a particular base metal, in order to achieve the desired results.
Modifying materials are materials which break down, in the case of a compound, into an agent. metallic emitting or emitting element having a low contact potential and a low ionization potential, which is electropositive to the base metal of the cathode, and which forms a thin film over the entire surface or on a part of the surface of the cathode, 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.
It is therefore believed that the efficiency of the process is due to the following phenomena: the compound containing the emitting agent or element (admitting 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 of 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 seems that the. fully activated surface corresponds to a monoatomic layer of atoms or ions of the agent. emission which covers a large part, for example more than 50 0 / o, of the cathode surface. This thin layer of the transmitting element is held on the.
surface by forces of attraction so high that noticeable evaporation occurs only at temperatures well above the boiling point of this element. emission, although excess amounts of the emission element may evaporate at low temperatures; so as to leave said thin layer or emitting element spots 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 the. 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 or spots in place are probably highest when the ionization potential of the emission element is low.
It appears that the ionization potential of the element. emission 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 one and a half electronvolt 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 the highest when this difference is positive and as large as possible. 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 above emission elements have been determined with reasonable accuracy. However, as we have just said, there are quite large differences between the contact potentials of base metals measured by different researchers.
Below is a list taken from the literature of the ionization potential of some of the emission elements and the contact or extraction potential of several base metals.
EMI0015.0014
<SEP> ionization potential <SEP> <SEP> potential of <SEP> thermionic <SEP> contact
<tb> Emission agents <SEP> <SEP> Electron-volts <SEP> Metals <SEP> of <SEP> base <SEP> Electron-volts
<tb> Lithium <SEP> 5.37 <SEP> Magnesium <SEP> 3.78
<tb> Sodium <SEP> 5.12 <SEP> - <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> Ittrium <SEP> 6.5
<tb> Lanthanum <SEP> 5.59
<tb> Thorium <SEP> 5,
Although it appears that cesium provides the best thermionically emitting composite surface with any of the bases listed above, its boiling point is relatively low and it is not well. retained on the surface of base metals with high boiling points, such as iron, under welding conditions. Cesium is very effective in increasing the thermionic emission from the surface of low boiling metals, such as aluminum.
Barium, strontium, lanthanum and cerium are expected to be much more effective as emitting agents for enhancing the thermionic emission of a ferrous-based composite surface than 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 helium and exhibiting relatively poor ionization characteristics.
In general, the emission agent can only be chosen for carrying out the specified process and for a determined composite surface when the base metal of the cathodes used in this process is known, this metal being determined. by the composition of the electrode wire or of the work, and this coxiposition being in turn determined by the type of weld to be carried out and by the type of work.
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 be transferred by the arc to be deposited in the molten metal on the work.
The fact that welding arcs are normally ignited at a pressure substantially equal to 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 considered should therefore be the temperatures and boiling points at atmospheric pressure. Because modifier material is continuously supplied to the arc, the emitting element is continually renewed on the surface of the composite electrode and therefore only needs to have an effective life - relatively short.
Emitting agents with boiling points considerably below cathode welding temperatures can act to maintain a thermionically emissive and constantly effective composite cathode surface, provided they are continuously added. the arc, and even if the base metal of the cathode is quickly removed, respectively added, during the welding operation, by transfer of metal from the electrode wire to the weld deposit formed on the work .
The activation treatment (reduction or dissociation of the modifying material added if this 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 make sure the wire is advanced towards 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 operating and that the composite surface must therefore be effective.
If the modifier material is supplied to the arc as a compound, this compound should be unstable enough to dissociate at least partially in the arc, so as to provide the emitting element or metal. in the free state on the electrode surface (s) of the arc. On the other hand, when a compound is used, it should preferably dissociate quite difficultly so that the emission element cannot be completely evaporated before it can reach the cathode surface and be adsorbed on 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 emitting element and a carrier phase which is constituted by the element or group of elements which carries the emitting element. to its place of use on the composite surface.
The diagram in fig. 13 illustrates the effect of controlling and improving thermionic electron emission in the welding arc obtained by means of composite cathode surfaces. The various curves give the thermionic emission in amp / cm2 (logarithmic scale), as a function of the. temperature in degrees Kelvin. The solid line parts of the curves refer to the liquid state, the dotted line parts to the solid state.
The small circles indicate the melting points and the small triangles the boiling points. <B> A </B> this figure, the thermionic emission rates of two base metals: aluminum (curve 1) and iron (curve 2) and two emission agents: coesium (curve 3) and ba ryum (curve 4) are shown as a function of temperature. The thermionic emissions of composite surfaces obtained by means of coesium and barium are also shown 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 and that they are not quantitatively correct. They qualitatively represent the relationship that exists 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 as with the transmitting 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 point, 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. The emission curve 7 of the refractory and thermionic tungsten metal and the emission curve 8 of thorium on a tungsten base are shown to illustrate this effect, as well as the curve 9 relating to the emission of a composite surface obtained. by means of thorium.
At the top of the diagram, arrows 10, 11 and 12 indicate the temperature ranges in which aluminum, iron and tungsten respectively are in the liquid phase. The left end of each arrow is the melting point, and the right end is the boiling point of the metal.
Arrows 13 and 14 to the left of the diagram indicate the domains specific to a cold cathode and to a thermionic cathode respectively. Since the welding arc electrode temperatures for aluminum and for iron must be included in the ranges indicated for these metals, in order to cover the arc welding process under protection. of an inert gas, we see immediately that the cesium would be the most effective for reinforcing the thermionic emission of an aluminum surface and that the ba ryum would be the most effective for reinforcing the emission of iron.
The resulting effect of such a thermionic cathode electron emitter, compared with base metals constituting cold cathodes, on the thermal equilibrium of the welding arc of metals under protection of an inert gas is illustrated in fig. 17. This gives the relative quantity of heat released across the welding arc for a constant current, on the left for a cold cathode, on the right for a cold cathode with a heat emitting agent.
As an alternative to the process for preparing the electrode wire shown in FIG. 4; and according to which the modifier material is applied to the surface of the wire or is embedded in grooves made in that surface, the addition modifier material can be added to the molten metal from which the wire is made, so as to form a alloy or a mixture with this metal. There is thus obtained a homogeneous distribution of the modifying material throughout the electrode wire, which eliminates the need for independent treatment of the wire after its manufacture.
Example <I> VI: </I> As an example, misch metal was added to a casting of 43 <B> k </B> g of molten mild steel, at a rate of 1.82 kg of metal misch per ton of molten steel. The metal misch comprises 53% of cerium, 331 / o of lanthanum, 1.50 / o of iron, the rest being constituted by rare earth metals.
The alloy thus obtained and in which part of the misch metal had been lost by evaporation was drawn to form a wire of 1.6 mm in diameter intended to be used as a support electrode for arc welding. metals protected by an inert gas, with a continuous current arc of normal polarity. With a flow rate of 2.14 m3 per hour of argon flowing through a 2.54 cm internal diameter mouth, a 9.5 mm thick steel plate was welded at a speed of d. weld advance of 25.4 cm per minute.
With a welding current of 308 amps, the consumption rate of the electrode wire was 3.56 m per minute and the arc voltage was 25 volts. These values should be compared with an electrode consumption rate of about 8.5 m per minute for an electrode wire used under the same conditions, but not containing misch metal. The welding conditions with the misch metal treated steel electrode wire were good. The metal transfer was of the spray type and the solder bead was well formed.
Although it is presently believed preferable for the practice of the process to provide the modifier material by applying or occluding it in the electrode wire, or even adding it to the electrode wire as part. integral. of the alloy forming this wire, one can also add this modifying material in other ways.
Fig. 14 shows, schematically, a second embodiment of the installation for carrying out the process, in which the modifying materials are introduced continuously into the shielding gas stream. An untreated electrode wire 60 is advanced through a welding 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 a feed mechanism 63 dragged by a motor. This wire is then pushed through a guard 64 to the welding gun 61.
Welding current is supplied by a dc welding machine of ordinary construction 66. One of the output terminals of this machine is connected to the welding gun 61 through a switch 67 and leads 68 and 68 '. The other output terminal of the machine is connected to the structure 62 by means of a conductor 69: The welding current is brought to the 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. 14. is cooled by circulating water passing through conduits opening into the mouth of this gun.
This is supported by means of a fixed support comprising a split sleeve <B> 70 </B> which carries a pinion arranged so that it can be rotated by means of a hand wheel 71. A rack 72 is fixed to the barrel of the gun 61, so as to cooperate with said pinion and thus to allow its vertical position to be adjusted relative to the split sleeve. Fig. 15 shows construction details of the upper and lower parts of the gun 61. The electrode wire is. advanced through an inner barrel 75 and through a contact tube 76 which brings the welding current to electrode 60.
This current is brought 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 in fig. 14, shielding gas is supplied from a compressed gas cylinder 80. This gas exits the cylinder through a conventional cylinder valve 81, a pressure regulator 82 and a flow indicator 83 to pass through a conduit. 84. Through conduit 84, the shielding gas is fed into a powder dispenser device 85 of the vibratory type. This device is mainly constituted by a hopper from which the powdered material is supplied by means of a vibratory distributor mechanism. This material is dragged by the stream of inert gas, as this gas supplied to the device through conduit 84 leaves this device through conduit 86.
Shielding gas containing powdered material in the state of suspension passes through line 86 from powder distributor 85 to welding gun 61. In this embodiment, modifier material is supplied as forms 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 formed in the gun 67 and exits therefrom as a current L-m.
non-turbulent through a mouth 89 (see Fig. 15) which surrounds the contact tube 76. The modified material suspended in the gas stream. protection penetrates into the region of the arc where it provides a stabilizing substance having a low ionization potential and where it gives the cathode surfaces of the arc thermionic emitting properties such as those described. upper.
The powder dispensing device 85 is not necessarily of the type described above, it could also be constituted by any device capable of ensuring a continuous supply of the arc with modifying pulverulent material. <I> Example VII: </I> This example illustrates an implementation of the process in which the modifier material is supplied to the arc in the form of a dust suspended in the shielding gas. A welding arc of normal polarity was struck between an untreated mild steel electrode wire, 1.6 mm in diameter, constituting the cathode of the arc and a 9.5 mm steel plate. mm of thickness constituting the anode of the arc.
Barium oxide in the form of a fine dry powder was carried into the arc by the shielding gas stream which was welding grade argon supplied at a flow rate of 2.14 m3 per hour through a 2.54cm inner diameter mouthpiece. With the arc current being 300 amps, the electrode wire consumption rate was 4.82 m per minute with an arc voltage of 22 volts. All other conditions being otherwise equal, but without the introduction of barium oxide dust into the shielding gas stream, the consumption rate of the electrode was equal to 7.9 m per minute and the voltage d 'arc being 30 volts.
By starting under the same conditions a welding arc of reverse polarity and supplying barymn oxide dust suspended in the shielding gas, results were obtained similar to those obtained with a welding arc of reverse polarity and providing ba ryum oxide by applying this oxide to the electrode wire.
In addition to the methods of introducing the modifying material into the arc described above, it has been found that, under certain conditions, 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. 16 represents a third embodiment of the installation for carrying out the method, in which an auxiliary filling wire is used on which the modifying material has been applied. In the embodiment shown in FIG. 16, an electrode wire 90 is advanced from a spool 91, by means of an advance mechanism 92 driven by a motor, as in the embodiments previously described. This electrode wire is clean, bare and is untreated. It is guided from the feed mechanism 92 and through a guard 93 to a welding gun 94.
This gun is practically identical to that shown in FIGS. 14 and 15. Welding current is supplied from a welding machine 100. One of the output terminals of this machine is connected to the welding gun by a conductor 101, a switch 102 and a conductor 103. Current is supplied to the electrode wire 90 inside the welding gun 94. The other output terminal of the welding machine is connected to the work to be welded to. through a conductor 104. Shielding gas is supplied from a compressed gas cylinder 110, through an ordinary cylinder valve 111; a pressure regulator 112 ;.
a flow indicator 113 and a conduit 114, to the welding gun 94. The shielding gas exits through the mouth of the gun in the form of a non-turbulent current surrounding. the end of the electrode adjacent to. the arc, this arc itself and the welding puddle. A second wire feed assembly is used to advance a filler 119 to the weld. This wire 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 119 is not supplied with current and does not constitute an electrode.
It is a separate wire which is advanced to the region of the arc where it is melted into the weld by the heat of the arc. The filler wire feed assembly is the same as the electrode wire feed assembly. It includes a wire spool 120 and a feed mechanism 121 for the wire, which is driven by a motor. This mechanism unwinds the wire 119 from the spool 120 and pushes it through a shield 122 into the welding zone.
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 into the weld puddle. before reaching directly below the arch.
The modifier materials added and forming part of this filler wire provide the thermionic electron emission rate of the cathode in a manner very similar to that provided by the modifier materials applied to the electrode wire of the cathode. way described in the previous examples. <I> Example VIII: </I> This example illustrates the effect produced on a direct current arc of reverse polarity, for welding a metal under protection of an inert gas, by the addition of a modified material. catrice brought by means of an auxiliary wise filling thread.
With an installation such as that shown in FIG. 7_6, a 1.6 mm diameter mild steel electrode wire was used under the protection of an argon gas shield flowing as a non-turbulent stream with a flow rate of 2.14 m3 per hour through a mouthpiece 2.54 cm in diameter. By not providing an auxiliary filler wire and for a given setting of the welding generator, the welding current was 285 amps, the arc voltage was 29 volts, and the consumption speed of the electrode wire was 4.44. m per minute.
An auxiliary filler wire consisting of a steel wire of 1.15 mm in diameter was used. This wire had been previously treated with baryLUn oxide, exactly as described above (Example I) with respect to the 1.6 mm diameter electrode wire treated with rubidium carbonate. This auxiliary wire was advanced towards the arc so as to melt into the weld puddle and to supplement the quantity of weld metal supplied by the welding electrode by being consumed. When this thread.
metal treated with barium oxide was added to the weld at a feed rate of 2.3 m per minute and while maintaining the welding generator setting sewing, the welding voltage immediately dropped to 25 volts, the welding current increased to 325 amps and electrode consumption rate increased to 5.7 m per minute, in the usual way and in relation to the increase in welding current.
The barium oxide applied to the auxiliary filler wire was therefore effective in increasing the emission capacity of the solder puddle, just as when barium oxide or other addition modifier material was applied. on the electrode wire or was carried to the area of the are as a dust suspended in the shielding gas.
<I> Example IX: </I> In some cases, the specified process may also be carried out by applying the addition modifier material directly to the book. For example, using an installation of the type described with reference to FIG. 1, was previously applied, by means of a brush, -a slurry of barium oxide and alcohol on the places of a steel plate to be welded. The alcohol evaporated, leaving a surface coating of barium oxide which adhered to the plate.
Reverse polarity direct current arc welding of metal under inert gas shielding required an arc current of 350 amps and an arc voltage of 22 on the coated portion of the plate. volts. When the weld moved away from the portion of the previously treated plate to reach a bare and clean region of that plate, the arc voltage suddenly jumped to 30 volts and the arc current dropped sharply to 290. amperes, thus indicating that the welding film serving as cathode constituted a much improved thermionic electronic emitter when barium oxide had previously been applied to the corresponding part of the plate.