Procédé de soudure à l'arc sous protection de gaz inerte La présente invention concerne la soudure à l'arc sous protection de gaz inerte, au moyen d'une électrode fusible filiforme et d'un cou rant de soudure avec composante à polarité directe, c'est-à-dire du courant continu à polarité directe ou du courant alternatif.
La soudure à arc sous protection de gaz inerte avec électrode fusible se pratique. le plus couramment avec du courant continu à polarité inverse. Jusqu'ici il était jugé impos sible d'utiliser à cet effet la polarité directe ou le courant alternatif, à cause du manque de stabilité de l'arc et d'autres difficultés com munes aux deux ou spéciales à l'une ou l'autre.
Dans le cas de la plupart des métaux, avec la polarité directe, l'arc est généralement instable et se caractérise par une fréquence de chute de gouttes du métal fondu relativement faible. Comme les gouttes de soudure sont, dans ces conditions, très grosses, le dépôt de soudure est très important; il est consommé de 50 à 100 0/o de matière consommable de plus qu'avec la polarité inverse, dans des con ditions de travail semblables. Le plus petit courant donnant, dans le cas de polarité di recte, un arc stable et satisfaisant, dépasse d'environ 50 ampères le courant utilisé avec polarité inverse.
Dans la gamme des valeurs de courant praticables, le degré de pénétration, dans le cas de la polarité directe, peut être de 50 0/o inférieur à celui avec polarité inverse et, de plus, la 3quantité de métal de base mis en fusion est plus petite avec la polarité directe qu'avec la polarité inverse. Toutefois, la masse totale en fusion est un peu plus grande dans le cas de la polarité directe à cause de la plus grande quantité de métal d'appoint en fusion. L'augmentation de métal d'appoint et de métal de base en fusion associée à la diminution de pénétration a pour résultat des soudures trop importantes.
D'autre part, la polarité directe présente certains avantages sur la polarité inverse, en ce qu'on peut obtenir des vitesses de soudure plus élevées sans affouillement, et que l'arc est moins sensible aux influences magnétiques. Il serait donc intéressant de pouvoir amélio rer les caractéristiques de l'arc et la forme de la soudure, dans le cas de la polarité directe. Logiquement, la forme de la soudure est améliorée en augmentant le rapport métal de base à métal d'appoint en fusion, soit en diminuant le débit de métal d'appoint, soit en augmentant la quantité de métal de base en fusion, soit les deux.
Le même problème se pose dans le cas de soudure au courant alternatif avec protection de gaz, aggravé par une instabilité supplémen- taire du fait que la polarité change à chaque demi-période. Cette difficulté supplémentaire peut être vaincue en superposant de la haute fréquence ou en utilisant un transformateur symétrique, ce qui implique des tensions à vide élevées. De cette manière, le redressement de la partie de polarité inverse du courant alter natif provoqué par une émissivité insuffi sante est évité. Dans les cas où ces moyens sont trop coûteux ou dangereux, la soudure au courant alternatif n'est pas possible.
L'invention a pour but de perfectionner la soudure à l'arc sous protection d'un gaz inerte au moyen d'une électrode fusible et d'un courant de soudure comprenant une compo sante à polarité directe, c'est-à-dire du courant continu à polarité directe et aussi du courant alternatif non spécialement traité comme pré cité.
Elle a pour objet un procédé perfectionné de soudure à l'arc sous protection d'un gaz inerte avec du courant continu' à polarité directe ou du courant alternatif, dans lequel une électrode fusible alimentée en ledit courant par un contacteur électrique est déplacée au tomatiquement vers une pièce à souder, un arc de soudure, sous protection de gaz, étant établi entre l'extrémité de ladite électrode et la pièce à souder, caractérisé en ce qu'on utilise une électrode fusible filiforme munie d'un re vêtement à base d'un composé d'un métal al calin, d'un métal alcalino-terreux, d'une terre rare ou de thorium, le revêtement étant suffi samment mince pour ne pas gêner le passage du courant du contacteur à l'électrode.
On peut citer, comme métaux, les métaux alcalins li thium, sodium, potassium, rubidium et cé sium, les métaux alcalino-terreux calcium, strontium et baryum, les terres rares et le tho rium. Comme composés de ces métaux, on peut citer les oxydes, carbonates, stéarates, fluorures et autres sels ou esters.
Parmi ces matières, il est préférable d'uti liser celles qui ont les températures de vapori sation les plus élevées. Ceux qui se vaporisent aux basses températures sont de moins bons émetteurs d'électrons. C'est ainsi que les com posés de lithium, comme le carbonate et le fluorure, sont moins efficaces. Les composés du sodium et du potassium ont des tempéra tures un peu plus élevées et sont donc plus efficaces. Les métaux alcalino-terreux comme le baryum, le strontium et le calcium tendent à être réfractaires et se comportent donc de façon plus régulière.
La combinaison d'oxydes à plus bas point de fusion, comme Fe'03, et de métaux alcalino-terreux donne une meilleure fréquence de chute du métal d'appoint.
La partie non métallique du composé utilisé semble avoir peu d'importance aussi longtemps que celui-ci reste stable aux températures ré gnant au-dessus de la zone de la soudure à l'arc. Un grand nombre de composés des élé ments des groupes des métaux alcalins, des mé taux alcalino-terreux et des terres rares satis font aux exigences de la présente invention.
Beaucoup de ces composés, les oxydes, les carbonates et les esters, contiennent de l'oxy gène qui, à l'endroit de l'arc, améliore le transport du métal et la stabilité de l'arc, en plus des avantages provenant du métal à émissivité électronique du. composé. Le fluo- rure de calcium est un exemple cependant d'un composé qui produit les avantages de l'élé ment à émissivité électronique sans contenir de l'oxygène.
En ce qui concerne le gaz de protection, les meilleurs résultats ont été obtenus avec l'oxy-argon, par exemple un mélange de 511/o d'oxygène dans de l'argon commercial ; on peut cependant aussi utiliser de l'argon pur, de l'hélium et de l'acide carbonique ou des mélanges de ceux-ci, et on peut constater la supériorité relative de ces revêtements pour améliorer les caractéristiques du courant con tinu à polarité directe et du courant alter natif.
Quant au métal du fil d'électrode, la plu part des composés ont été essayés avec l'acier au carbone et l'acier inoxydable, mais l'inven tion est aussi réalisable avec l'aluminium, le nickel, le cuivre et leurs alliages.
Pour obtenir des résultats réguliers, il est intéressant d'utiliser ces matières sous forme de poudre finement divisée obtenue, par exemple, au broyeur à boulets, et pour avoir une consistance uniforme, il est bon d'en faire un étirage sous forme de fil. Le composé en poudre peut être transformé en une pâte au moyen d'alcool méthylique ou d'un autre liant, comme les savons et les colles.
La présente invention rend la soudure au moyen de courant continu à polarité directe praticable, grâce aux avantages suivants: le transport du métal est amélioré, la pénétration est accrue, la vitesse de fusion du fil de soudure est diminuée, la forme du cordon est meilleure, l'affouillement est réduit, et la porosité de la soudure est diminuée. La présente invention permet d'utiliser, pour une dimension d'élec trode donnée, 30 0/o de courant en moins.
Des avantages importants de la présente invention rendent aussi la soudure possible avec du courant alternatif: il ne faut plus de haute fréquence pour stabiliser l'arc ni de trans formateur symétrique, le transport du métal est meilleur, la pénétration est plus grande, la vitesse de fusion du fil de soudure est moindre, la forme du cordon de soudure est améliorée, l'affouillement est réduit, la porosité est moindre et les dérangements magnétiques communs en cas de soudure à courant continu de polarité inverse sont pratiquement éliminés.
On sait peu de choses de la nature de l'arc de soudure, surtout au sujet du transport du métal, et la présente invention n'est pas basée sur une théorie généralement admise. L'in vention ressort cependant plus clairement d'une étude de certains phénomènes de l'arc élec trique.
Pour être un bon émetteur d'électrons, un métal doit avoir un point de fusion relative ment élevé et une fonction de travail faible. La plupart des métaux d'électrode utilisés en soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte, ont des points de fusion relativement bas et une fonction de travail relativement élevée.
Un effet des revêtements est de faciliter l'arrachement des électrons de la cathode. L'émission thermionique des électrons est don née par l'équation de Dushman
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En substituant aux lettres de l'équation les constantes du fer et d'une électrode en fer re couverte d'oxyde de calcium, on trouve que la densité du courant électronique émis par l'élec trode à revêtement est approximativement deux mille huit cents fois celle d'une cathode nue sans revêtement. Il s'ensuit un refroidissement de la cathode et une diminution du dépôt de métal d'appoint, une augmentation de la fré quence de dépôt et de la pénétration, ce qui améliore la fusion intime des métaux.
L'unique figure du dessin. annexé est un schéma d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant la forme d'exécution pré férée de la présente invention.
Le courant électrique de soudure provient d'une source de courant de soudure S reliée à une pièce à souder W et à un contact C du fil électrode E. Le fil E se déroule d'un dévidoir R sous la traction des galets de pinçage G en traînés par un moteur M à commande de vi tesse V et sort, après passage dans le contact C, d'un ajutage à gaz<I>N.</I> L'arc<I>A</I> s'établit entre l'extrémité du fil électrode et la pièce à souder W. Un courant gazeux contenant essentielle ment un gaz inerte monoatomique, de l'argon ou de l'hélium par exemple, s'échappe dans l'ajutage N par un tuyau d'entrée 1, et sort sous la forme d'un courant annulaire qui en toure le fil E et protège l'arc.
Avant l'opération de soudure, le fil E est traité et on le recouvre en surface d'un composé oxygéné, de préférence un oxyde d'un métal alcalin ou alcalino-terreux, comme une lessive de chaux, de stéarate de calcium ou d'oxyde de césium.
Des cordons de soudure sains ont été obte nus avec des électrodes recouvertes de chaux, alimentées en courant continu à polarité directe, sur une plaque d'acier doux d'une épaisseur de 4,77 mm, dans une atmosphère d'argon. On utiliser du courant alternatif. Le peut transport de métal est accru, la porosité du dépôt est moindre et la pénétration dans la plaque d'acier doux est plus grande qu'avec une électrode semblable utilisée dans les mêmes conditions, mais sans revêtement de lessive de chaux. Ce revêtement est tellement mince qu'il ne dérange aucunement le passage du courant entre le contact C et le fil élec trode E.
Le tableau ci-dessous donne des caractéris tiques d'arc pour un arc à polarité directe pro- tégé à l'oxy-argon, sous la forme d'une échelle de comparaison dans laquelle un fonctionne ment équivalent à celui de la polarité inverse est taxé -f- 5. Les revêtements sont appliqués à un fil d'acier à faible teneur en carbone d'un diamètre de 1,59 mm.
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Le procédé selon l'invention s'applique aussi avec un fil d'aluminium. Un revêtement de poudre de pollucite a été appliqué à un fil d'aluminium d'un diamètre de 1,59 mm, et un cordon a été déposé sur une plaque d'aluminium avec un courant continu à polarité directe de 260 ampères.
Le fil électrode s'est déroulé à 513 cm par minute, alors que la vitesse de dé roulement normal d'un fil non revêtu est de 1270 cm par minute. Le crachement était réduit et l'arc très stable. La fusion du fil était fort freinée, la pénétration de la soudure était accrue, et on a obtenu un arc plus court. Des résultats semblables ont été obtenus avec l'acier, l'acier inoxydable et le cuivre.
La pollucite est un silicate double de cé sium et d'aluminium. Une analyse type de pollucite est:
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Oxyde <SEP> de <SEP> césium <SEP> Cs2O <SEP> .... <SEP> 28,6
<tb> Bioxyde <SEP> de <SEP> silicium <SEP> SiO2 <SEP> .... <SEP> 46,0
<tb> Oxyde <SEP> d'aluminium <SEP> <B>A1203</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 17,0
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> sodium <SEP> Na2O <SEP> <B>----</B> <SEP> 2,0
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> rubidium <SEP> Rb20 <SEP> <B>....</B> <SEP> 1,3
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> potassium <SEP> K30 <SEP> <B>....</B> <SEP> 1,0
<tb> Oxyde <SEP> de <SEP> lithium <SEP> Li2O <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,3
<tb> Eau <SEP> H20 <SEP> <B>....</B> <SEP> 2,5
The present invention relates to arc welding under inert gas protection, using a filiform fusible electrode and a welding current with a direct polarity component, that is, direct current with direct polarity or alternating current.
Arc welding under inert gas protection with a fusible electrode is practiced. most commonly with reverse polarity direct current. Hitherto it was considered impossible to use direct polarity or alternating current for this purpose, because of the lack of stability of the arc and other difficulties common to both or special to one or the other. other.
In the case of most metals, with direct polarity, the arc is generally unstable and is characterized by a relatively low drop rate of molten metal. As the solder drops are, under these conditions, very large, the solder deposit is very important; 50 to 100 0 / o more consumable material is consumed than with the reverse polarity, under similar working conditions. The smallest current giving, in the case of direct polarity, a stable and satisfactory arc, exceeds by about 50 amperes the current used with reverse polarity.
In the range of practicable current values, the degree of penetration, in the case of direct polarity, can be 50 0 / o lower than that with reverse polarity and, in addition, the quantity of molten base metal is smaller with forward polarity than with reverse polarity. However, the total molten mass is somewhat larger in the case of direct polarity because of the greater amount of molten make-up metal. The increase in make-up metal and molten base metal associated with the decrease in penetration results in excessively large welds.
On the other hand, direct polarity has certain advantages over reverse polarity, in that higher welding speeds can be obtained without scouring, and the arc is less sensitive to magnetic influences. It would therefore be interesting to be able to improve the characteristics of the arc and the shape of the weld, in the case of direct polarity. Logically, the shape of the weld is improved by increasing the molten base metal to make-up metal ratio, either by decreasing the flow rate of make-up metal, or by increasing the amount of molten base metal, or both. .
The same problem arises in the case of alternating current welding with gas protection, aggravated by additional instability as the polarity changes every half cycle. This additional difficulty can be overcome by superimposing high frequency or by using a balanced transformer, which involves high no-load voltages. In this way, rectification of the reverse polarity portion of the native alternating current caused by insufficient emissivity is avoided. In cases where these means are too expensive or dangerous, AC welding is not possible.
The object of the invention is to improve arc welding under protection of an inert gas by means of a fusible electrode and a welding current comprising a component with direct polarity, that is to say direct current with direct polarity and also alternating current not specially treated as mentioned above.
It relates to an improved method of arc welding under protection of an inert gas with direct current 'with direct polarity or alternating current, in which a fusible electrode supplied with said current by an electric contactor is automatically moved. towards a part to be welded, a welding arc, under gas protection, being established between the end of said electrode and the part to be welded, characterized in that a filiform fusible electrode provided with a re-garment based of a compound of an alkali metal, of an alkaline earth metal, of a rare earth or of thorium, the coating being thin enough not to interfere with the flow of current from the contactor to the electrode.
Mention may be made, as metals, of the alkali metals thium, sodium, potassium, rubidium and cesium, the alkaline earth metals calcium, strontium and barium, rare earths and thorium. As compounds of these metals, mention may be made of oxides, carbonates, stearates, fluorides and other salts or esters.
Among these materials, it is preferable to use those which have the highest vaporization temperatures. Those that vaporize at low temperatures are less good emitters of electrons. For example, lithium compounds, such as carbonate and fluoride, are less effective. The sodium and potassium compounds have somewhat higher temperatures and are therefore more effective. Alkaline earth metals such as barium, strontium and calcium tend to be refractory and therefore behave more regularly.
The combination of lower melting oxides, such as Fe'03, and alkaline earth metals results in a better drop rate of the make-up metal.
The non-metallic part of the compound used seems to be of little importance as long as it remains stable at the temperatures prevailing above the area of the arc weld. A large number of compounds of the elements of the alkali metal, alkaline earth metal and rare earth groups meet the requirements of the present invention.
Many of these compounds, oxides, carbonates and esters, contain oxygen which, at the arc location, improves metal transport and arc stability, in addition to the benefits derived from the arc. electronically emissive metal of. compound. Calcium fluoride, however, is an example of a compound which produces the advantages of the electron emissivity element without containing oxygen.
As regards the shielding gas, the best results have been obtained with oxy-argon, for example a mixture of 511% of oxygen in commercial argon; however, one can also use pure argon, helium and carbonic acid or mixtures thereof, and one can see the relative superiority of these coatings to improve the characteristics of direct polarity direct current and native alter current.
As for the metal of the electrode wire, most of the compounds have been tested with carbon steel and stainless steel, but the invention is also feasible with aluminum, nickel, copper and their alloys. .
In order to obtain regular results, it is advantageous to use these materials in the form of finely divided powder obtained, for example, with a ball mill, and to have a uniform consistency, it is good to draw them in the form of a wire. . The powdered compound can be made into a paste using methyl alcohol or another binder, such as soaps and glues.
The present invention makes welding by means of direct polarity direct current practicable, thanks to the following advantages: the transport of the metal is improved, the penetration is increased, the melting speed of the welding wire is reduced, the shape of the bead is better , scour is reduced, and the porosity of the weld is reduced. The present invention makes it possible to use, for a given electrode size, 30% less current.
Important advantages of the present invention also make welding possible with alternating current: high frequency is no longer needed to stabilize the arc or a symmetrical transformer, the transport of the metal is better, the penetration is greater, the speed There is less fusion of the weld wire, the shape of the weld bead is improved, scour is reduced, porosity is less and the magnetic disturbances common in reverse polarity direct current welding are virtually eliminated.
Little is known about the nature of the weld arc, especially about the transport of metal, and the present invention is not based on generally accepted theory. However, the invention emerges more clearly from a study of certain phenomena of the electric arc.
To be a good electron emitter, a metal must have a relatively high melting point and a low working function. Most of the electrode metals used in arc welding under the protection of inert gas, have relatively low melting points and relatively high working function.
One effect of the coatings is to facilitate the removal of electrons from the cathode. The thermionic emission of electrons is given by the Dushman equation
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Substituting for the letters of the equation the constants of iron and of an iron electrode covered with calcium oxide, we find that the density of the electronic current emitted by the coated electrode is approximately two thousand eight hundred times that of a bare cathode without coating. This results in cooling of the cathode and a decrease in makeup metal deposition, an increase in deposition frequency and penetration, which improves the intimate melting of metals.
The only figure in the drawing. attached is a diagram of an apparatus for carrying out the method according to the preferred embodiment of the present invention.
The electrical welding current comes from a welding current source S connected to a piece to be welded W and to a contact C of the electrode wire E. The wire E unwinds from a reel R under the traction of the clamping rollers G dragged by an M motor with speed control V and leaves, after passing through contact C, a gas nozzle <I> N. </I> The arc <I> A </I> s' established between the end of the electrode wire and the piece to be welded W. A gaseous current essentially containing an inert monoatomic gas, argon or helium for example, escapes into the nozzle N through a pipe d input 1, and leaves in the form of an annular current which turns the wire E and protects the arc.
Before the welding operation, the wire E is treated and it is covered on the surface with an oxygen-containing compound, preferably an oxide of an alkali or alkaline-earth metal, such as a lime, calcium stearate or dye lye. cesium oxide.
Sound weld beads were obtained with lime coated, direct polarity direct current powered electrodes on a 4.77mm thick mild steel plate in an argon atmosphere. We use alternating current. The metal transport is increased, the porosity of the deposit is less and the penetration into the mild steel plate is greater than with a similar electrode used under the same conditions, but without a lime wash coating. This coating is so thin that it does not in any way disturb the flow of current between contact C and electrode wire E.
The table below gives arc characteristics for an oxy-argon protected direct polarity arc, in the form of a comparison scale in which an operation equivalent to that of the reverse polarity is. taxed -f- 5. Coatings are applied to a low carbon steel wire with a diameter of 1.59 mm.
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The method according to the invention is also applicable with an aluminum wire. A pollucite powder coating was applied to an aluminum wire with a diameter of 1.59 mm, and a bead was deposited on an aluminum plate with a direct current of direct polarity of 260 amps.
The electrode wire unwound at 513 cm per minute, while the normal unwinding speed of an uncoated wire is 1270 cm per minute. Spitting was reduced and the arc was very stable. The fusion of the wire was strongly slowed down, the penetration of the weld was increased, and a shorter arc was obtained. Similar results have been obtained with steel, stainless steel and copper.
Pollucite is a double silicate of cesium and aluminum. A typical pollucite analysis is:
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Cesium <SEP> <SEP> <SEP> Cs2O <SEP> .... <SEP> 28.6
<tb> Silicon <SEP> <SEP> <SEP> SiO2 <SEP> .... <SEP> 46.0
<tb> <SEP> aluminum oxide <SEP> <B> A1203 </B> <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 17.0
<tb> Sodium <SEP> <SEP> <SEP> Na2O <SEP> <B> ---- </B> <SEP> 2.0
<tb> <SEP> rubidium oxide <SEP> Rb20 <SEP> <B> .... </B> <SEP> 1.3
<tb> <SEP> potassium oxide <SEP> K30 <SEP> <B> .... </B> <SEP> 1.0
<tb> Oxide <SEP> of <SEP> lithium <SEP> Li2O <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> 0.3
<tb> Water <SEP> H20 <SEP> <B> .... </B> <SEP> 2.5