Procédé de soudure à l'arc d'aciers au carbone La présente invention se rapporte à la sou dure à l'arc de pièces en acier au carbone sous un courant de gaz constitué d'un mélange d'oxygène et d'un gaz inerte monoatomique essentiellement formé d'argon.
On sait qu'un gaz de protection pour sou dure à l'arc formé d'un mélange de 1% à 20 % d'oxygène, et d'argon quant au reste, assure une amélioration marquée de la sou dure à l'arc sous couche de gaz à l'aide d'une électrode fusible. Dans la soudure de l'acier au carbone suivant ce procédé avec un gaz oxy- argon contenant jusqu'à 10% d'oxygène, l'arc est stable et l'on obtient un cordon de soudure relativement plat. Cependant, les baguettes de soudure en acier à faible teneur en carbone existant dans le commerce ne permettent pas toujours d'obtenir des soudures saines, c'est- à-dire que ces soudures présentent une cer taine porosité indésirable.
En soudure à l'arc sans protection de l'arc, on a proposé de résoudre le problème de la porosité dans le métal de soudure obtenu en modifiant la composition de la baguette pour obtenir le caractère sain désiré. Cependant, en général, ces baguettes de soudure ne convien nent pas pour la soudure à l'arc sous gaz de tous les aciers au carbone et notamment des aciers soufflés.
La présente invention concerne un pro cédé de soudure à l'arc d'aciers au carbone suivant lequel on fait fondre une électrode ou baguette d'apport en acier à faible teneur en carbone dans un arc électrique protégé par un mélange gazeux composé d'oxygène et d'un gaz inerte monoatomique essentiellement cons titué d'argon, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on règle la teneur en oxygène du mé lange entre 0,5% et 10% et l'on opère en présence, dans la zone de soudure, d'au moins trois agents fortement désoxydants.
Pour la mise en ouvre de ce procédé, l'in vention propose une électrode ou baguette d'apport en acier à faible teneur en carbone contenant jusqu'à 0,20% de carbone (de pré férence moins de 0,10%), et au moins trois agents désoxydants choisi de préférence parmi les éléments suivants dans les proportions in diquées : manganèse 0,05% à 200%, sili cium 0,05% à 1,00%, soufre moins de 0,04%, aluminium 0,005% à 0,50%, zirco nium 0,01% à 0,40%, titane 0,01% à 0,50%, calcium 0,001,% à 0,200%, ma gnésium 0,001% à 0,200%, vanadium 0,0l% à 0,30%, et chrome 0,01% à 1,50'0/o.
On obtient un métal de soudure réguliè rement sain en utilisant ces électrodes ou ba- guettes d'apport en combinaison avec un gaz protecteur du type oxy-argon pour la soudure de pièces en acier au carbone. On préfère un mélange de 0,50% à 10% d'oxygène et d'ar gon quant au reste, bien qu'une certaine quan tité d'hélium puisse être ajoutée au mélange. Plus de deux agents désoxydants dans les élec trodes d'acier sont beaucoup plus efficaces qu'un ou deux agents pour éliminer la poro sité du métal de soudure. Apparemment, on obtient un effet cumulatif ou de renforcement, de sorte qu'une proportion relativement faible d'au moins trois des agents désoxydants cités ci-dessus produit régulièrement des soudures saines sous gaz oxy-argon avec une grande variété d'aciers ordinaires au carbone et d'aciers à faible teneur en carbone.
La littérature a déjà indiqué un choix dé terminé de teneurs en désoxydant pour une composition d'électrode. Dans ces indications de la littérature, le choix de la teneur en dés oxydant avait pour but d'éliminer dans le dépôt de soudure la formation d'inclusions indésirables qui aurait pu provenir de la ré action du métal fondu avec un ou plusieurs éléments du milieu gazeux (air) entourant l'arc, principalement avec l'azote. Dans la pré sente invention, le but est essentiellement d'obtenir une soudure saine relativement ten dre et ductile dans la soudure à l'arc d'acier au carbone sous une couche d'un gaz inerte monoatomique contenant de l'oxygène.
Dans la fabrication d'aciers du type souf flé, la solidification dans le moule est obtenue avant la fin de la réaction carbone/oxygène. Cette réaction peut être représentée par l'équation C + FeO = CO + Fe En conséquence du dégagement de gaz pro voqué par la réaction, ces aciers sont poreux lorsqu'ils viennent de fonderie, mais sont gé néralement sains après un laminage à chaud ou un autre travail à chaud, parce que les souf- flures se sont refermées pendant ce travail. D'autre part, lorsqu'un tel acier est refondu, la réaction susindiquée reprend et est accom pagnée d'un dégagement de gaz. Dans la sou- dure de ce type d'acier par les procédés ordi naires, le gaz dégagé donne à la soudure un caractère poreux.
Même les aciers semi-cal- més à faible teneur en carbone soudés par les procédés habituels sous couche protectrice d'un gaz inerte monoatomique présentent sou vent cet état à cause des températures élevées utilisées et de l'action oxydante de l'air qui a pu diffuser à travers le gaz inerte en quantité suffisante pour éliminer les agents désoxy dants en tant qu'agents efficaces et ranimer ainsi la réaction carbone/oxygène.
Une cause de formation de soufflures dans les soudures exécutées dans l'industrie sous une couche de gaz inerte monoatomique est l'absorption d'azote aux dépens de l'air dif fusé par le métal fondu, azote rejeté lors de la solidification. Bien qu'une couche protec trice parfaite ne pourrait permettre ce phéno mène, la diffusion de l'air est suffisante pour créer une certaine porosité de cette manière avec les vitesses d'écoulement normales utili sées dans l'industrie, par exemple 3 à 6 litres de gaz par minute.
La présence dans les ba guettes de soudure d'éléments formant des ni trures qui stabilisent l'azote entrant éventuel lement dans la zone de réaction en formant des nitrures métalliques solides et stables, ou celle d'autres éléments qui limitent la solubi lité à l'état liquide ou augmentent la solubilité à l'état solide de l'azote, a pour effet de réduire ce type de porosité.
Des soudures à l'arc satisfaisantes sous couche de gaz protecteur sont couramment obtenues avec les baguettes de soudure exis tant dans le commerce, mais on a trouvé que ces baguettes sont relativement sensibles aux mauvaises conditions de protection, c'est-à- dire que la porosité se manifeste souvent lors que la vitesse d'écoulement du gaz inerte n'est pas maintenue à une valeur relativement éle vée, en raison des réactions décrites ci-dessus.
Le fait qu'une soudure n'est pas poreuse ne signifie pas nécessairement qu'elle est sa tisfaisante. A moins que les caractéristiques d'écoulement du métal de soudure ainsi que le laitier formé répondent à certaines condi- tions, l'opération de soudure peut être indû ment prolongée, ou des soudures peu satisfai santes peuvent être obtenues. Par exemple, dans un métal de soudure s'écoulant mal parce que sa composition est mal équilibrée, le métal fondu semble posséder une tension superfi cielle anormale. La couronne de la soudure est haute plutôt que plate et la tendance au dépouillement est marquée. Cette tendance se manifeste par une dépression sur les côtés de la soudure. En plus, les propriétés mécaniques du dépôt de soudure sont des facteurs essen tiels de son caractère satisfaisant.
La quantité et le type de laitier formé pen dant la soudure sont souvent importants et des laitiers indésirables peuvent être formés lorsqu'on se sert d'une composition mal équi librée. Bien que ces laitiers ne soient pas par ticulièrement nuisibles, il peut se faire parfois qu'ils ne flottent pas à la surface du métal et s'incrustent dans le métal de soudure. Il peut se faire aussi qu'ils ne puissent être facilement enlevés de la surface de la soudure. Cet incon vénient est particulièrement gênant lorsqu'on ne prévoit pas d'opérations d'achèvement, meulage par exemple.
L'équilibre de la teneur en agents désoxy dants est donc un facteur important. Par exemple, en ajoutant de l'aluminium à une ba guette de soudure manquant de silicium, on arrive peut-être à la désoxydation désirée, mais la masse de soudure s'écoule mal et l'on obtient une quantité excessive de laitier. La présence de 0,25 % de silicium permet d'abaisser la teneur en aluminium jusqu'à ce qu'on obtienne de bonnes caractéristiques d'écoulement, mais le métal de soudure reste sensible aux conditions de soudure, par exem ple à un faible courant de gaz et à des cou rants électriques élevés. En augmentant la te neur en silicium jusqu'à 0,50%, on élimine cette sensibilité.
Le manganèse possède une certaine tendance à réduire la sensibilité de la soudure à la porosité, mais également la faculté plus importante d'améliorer la fluidité et l'écoulement de la soudure. Cependant, au- dessus de 2% de manganèse environ, la masse de soudure devient trop fluide pour certaines applications, par exemple la soudure verticale et en surplomb, et il est probable qu'un dur cissement excessif du métal de soudure se pro duira. On a également découvert que l'emploi d'aluminium, zirconium et titane en combi naison est supérieur à l'emploi de l'un ou de l'autre de ces éléments pris isolément ou deux par deux.
Le tableau ci-dessous donne trois compo sitions de baguettes pouvant convenir comme électrodes fusibles ou métal d'apport dans le présent procédé, pour la soudure à l'arc de pièces en acier au carbone sous couche pro tectrice de gaz oxy-argon à 1%, 2%, 2,5% et 5% d'oxygène.
EMI0003.0002
Composition <SEP> Baguette <SEP> A <SEP> Baguette <SEP> B <SEP> Baguette <SEP> C
<tb> Carbone <SEP> 0,028 <SEP> 0,04 <SEP> 0,08
<tb> Manganèse <SEP> 0,30 <SEP> 0,70 <SEP> 1,07
<tb> Silicium <SEP> 0,05 <SEP> 0,45 <SEP> 0,47
<tb> Soufre <SEP> - <SEP> 0,03 <SEP> 0,031
<tb> Phosphore <SEP> - <SEP> 0,03 <SEP> 0,023
<tb> Aluminium <SEP> 0,086 <SEP> 0,09 <SEP> 0,08
<tb> Zirconium <SEP> - <SEP> 0,04 <SEP> 0,04
<tb> Titane <SEP> - <SEP> 0,07 <SEP> 0,07
<tb> Chrome <SEP> - <SEP> 0,20 <SEP> 0,
51
<tb> Fer <SEP> le <SEP> reste <SEP> le <SEP> reste <SEP> le <SEP> reste En général, la teneur en titane peut varier entre 0,01% et 0,50% ; la teneur en zirco nium entre 0,01% et 0,40%; en aluminium entre 0,005 0/o et 0,50 0/o ; les teneurs en phosphore et en soufre sont de préférence aussi réduites que possible, et ne peuvent en aucun cas dépasser 0,04 0/0 ; la teneur en sili cium peut varier entre 0,05% et 1,00%; celle du manganèse entre 0,05% et 2,00% ; et la teneur en carbone doit être aussi faible que possible, de préférence au-dessous de 0,10%, et ne peut en aucun cas dépasser 0,20%. Dans les cas du chrome et du vana dium, la gamme peut être 0,01% à 1,50% pour le chrome et 0,01% à 0,30% pour le vanadium ; et dans les cas du calcium et du magnésium, la gamme peut être de 0,001% à 0,200% pour chacun d'eux.
Des soudures périphériques satisfaisantes ont été exécutées par le procédé suivant l'in vention sur des obus en acier au carbone com prenant des cylindres d'environ 12,7 cm de diamètre avec une épaisseur de paroi de 9,5 mm. Le gaz de protection comprenait un mélange de 2% d'oxygène de pureté commer ciale, le reste étant de l'argon de pureté com merciale s'écoulant à raison d'environ 1132 litres par heure à travers le pistolet de sou dure. On utilise pour l'arc du courant continu à polarité inverse (électrode positive) à 380 420 ampères. L'arc a environ 6,3 mm de lon gueur.
La vitesse linéaire de la soudure est comprise entre 15 et 150 cm par minute avec une électrode de soudure de 2,4 mm de diamètre et une baguette auxiliaire d'apport, toutes deux constituées d'un acier à faible te neur en carbone contenant du manganèse, du silicium et de l'aluminium qui sont des dés oxydants énergiques. Les vitesses d'utilisation de la baguette de métal d'apport varient entre 117 et 223 cm par minute, et les soudures obtenues sont satisfaisantes. Les vitesses d'uti lisation de la baguette de métal d'apport sont un peu plus élevées que la normale à cause de la présence d'oxygène dans le gaz de pro tection.
Des soudures satisfaisantes ont été égale ment obtenues avec le même appareil et dans les mêmes conditions avec polarité simple (électrode négative) et courant continu de 450 ampères environ à une vitesse linéaire de sou dure de 25,4 cm par minute et une vitesse d'écoulement de la baguette de métal d'apport de 132 cm par minute. Le procédé selon l'in vention convient également pour la soudure à l'arc avec courant alternatif sous couche de gaz oxy-argon avec ou sans stabilisation à haute fréquence.
Les avantages découlant de la présente invention sont : vitesse de dépôt sensiblement doublée, dépouillement indésirable réduit, di minution de la consommation du gaz protec teur, diminution des projections, réduction à volonté de la pénétration du métal de base, stabilité plus grande et réduction de la poro sité indésirable.