Procédé pour travailler par fusion une pièce au moyen d'un arc électrique et appareil pour sa mise en oeuvre La présente invention concerne un procédé pour travailler par fusion une pièce au moyen d'un arc électrique et un appareil pour sa mise en oeuvre. Ce procédé permet, par exemple, de souder :et couper des corps métalliques.
On savait déjà qu'un arc formé entre deux élec trodes peut être allongé et intensifié au moyen d'un courant d'air ou autre gaz et que la flamme ainsi produite peut être utilisée de manière satisfaisante pour faire fondre des parties localisées d'un corps métallique. Toutefois, pour beaucoup d'applications, en particulier pour la soudure et la coupe, il faut une source de chaleur plus stable et plus concentrée que les flammes que l'on a pu obtenir jusqu'ici avec un arc.
Par suite, l'invention a pour but de fournir un procédé utilisant un jet de grande intensité calorifi que, que l'on peut conformer et diriger efficace ment de manière à l'adapter à l'application particu lière envisagée.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on fait passer un arc, formé entre une électrode non consumable disposée axialement dans une tuyère et un organe constituant une seconde électrode, avec un courant de gaz à travers un passage de ladite tuyère agencé de manière à produire un rétrécisse- ment dudit arc, de sorte que la tension par unité de longueur de l'arc ainsi rétréci est supérieure à celle d'un arc non rétréci,
transportant la même quantité de :courant, produit à l'extérieur d'une tuyère dont la section de passage est égale à la section dudit pas sage, et protégé par un courant de gaz de la même composition et s'écoulant à travers cette tuyère à la même vitesse, et en ce qu'on dirige contre la pièce le jet constitué par l'arc et le gaz quittant ledit pas sage.
L'appareil objet de l'invention, pour la mise en oeuvre de ce procédé, est caractérisé en ce qu'il com prend un chalumeau à arc contenant une électrode non consumable en forme de baguette disposée axia- lement dans une tuyère présentant un passage agencé de manière à conduire un courant de gaz et à pro duire un rétrécissement d'un arc formé à travers ce passage <RTI
ID="0001.0046"> entre cette électrode non consumable et un organe constituant une seconde électrode, la sumface de la section transversale la plus faible, dudit pas sage étant inférieure à la surface de la section trans versale d'un àrc semblable, mais non rétréci, mesurée à la même distance de l'extrémité de l'électrode non consumable.
La partie de l'arc, comprise entre la sortie de la tuyère et la pièce, a une direction initiale bien dé- terminée ;
elle est rigide :et persistante. Cette fixité de la direction de cette partie constitue une grande amélioration sur ce qui existait antérieurement. Tou tefois, la rigidité de l'arc dépend, en outre, du cou rant de gaz pénétrant dans la tuyère.
On peut faire arriver dans l'orifice de la tuyère une quantité régla- ble de gaz et la régler de manière à commander la rigidité et la force vive du jet. Tout le gaz passe dans l'arc et est par conséquent chauffé à la tempé rature de l'arc. Tout en transférant vers la pièce cette chaleur, ce gaz sert à refroidir la tuyère.
De plus, comme la vitesse du gaz sortant de la tuyère à une pression donnée augmente avec la tem- pérature et comme la température de l'arc est très éle vée, la vitesse du gaz dans la tuyère pour une pres sion donnée, peut être exceptionnellement élevée. Ces vitesses élevées du gaz ,sont utiles dans beaucoup d'applications du fait de la force vive qu'elles confè rent au jet.
Ce jet à grande vitesse, lorsqu'il est utilisé pour la coupe de certains métaux donne des vitesses, des qualités de coupe et une économie supérieures à celles des procédés antérieurs de coupe à l'arc. Les dessins annexés illustrent, à titre d'exemples, des mises en oeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective d'un appareil dans lequel les électrodes primaires :sont la pièce à travailler et une baguette ; la fig. 2 est une coupe d'une variante; la fig. 3 est une vue en élévation de côté d'un arc protégé par un gaz inerte, non rétréci, d'un type courant utilisé jusqu'ici ; la fig. 4 est un diagramme contenant trois cour bes correspondant à des distances différentes de l'élec trode de la fig. 3, dans lequel le diamètre de l'arc est donné en fonction du courant passant dans l'arc ;
la fig. 5 est une vue représentant un appareil comprenant un chalumeau à arc, certaines parties étant représentées en coupe longitudinale verticale ; la fig. 6 est une vue analogue à la fig. 5 repré sentant un appareil comprenant un autre type de chalumeau à arc ;
la fig. 7 est une vue analogue représentant une variante comprenant un chalumeau avec électrode refroidie par de l'eau et fonctionnant avec du cou rant continu de polarité inverse la fig. 8 est une vue analogue représentant une variante avec arc en forme d'éventail ; la fig. 9 est une coupe suivant la ligne 9-9 de la fig. 8 ; la fig. 10 est une coupe de détail verticale, lon gitudinale, d'une variante avec arc divisé ; la fig. 11 est une coupe suivant la ligne 11-11 de la fig. 10 ;
les fig. 12 à 15 sont des diagrammes représen tant différentes caractéristiques de fonctionnement ; la fig. 16 est une coupe verticale d'un chalumeau selon une autre variante; la fig. 17 est une vue en perspective d'une autre variante dans laquelle les électrodes entre lesquelles jaillit l'arc sont une baguette -en métal réfractaire et un anneau non consumable ;
la fig. 18 est une vue en perspective d'une autre variante utilisant quatre électrodes consistant respec tivement en une baguette, une tuyère, un anneau et la pièce ; la fig. 19 est une coupe verticale représentant une variante à trois électrodes ; la fig. 20 est un schéma d'un appareil comportant un dispositif faisant avancer une électrode fusible dans le jet de gaz chaud sortant du chalumeau ; la fig. 21 est une coupe verticale d'un chalumeau à arc ;
la fig. 22 est une vue en élévation de côté d'un appareil à couper les tôles ; la fig. 23 est une vue de la paroi d'une coupe faite en utilisant un courant d'argon avec Pare; la fig. 24 est une vue analogue de la paroi d'une coupe faite en utilisant avec l'arc un courant d'un gaz contenant de l'hydrogène.
Les chalumeaux représentés schématiquement sur les fi-. 1 et 2 sont alimentés en un gaz approprié, tel que de l'argon, de l'hélium, de l'hydrogène, de l'azote ou un mélange de ceux-ci, ce gaz passant en direction axiale, en un courant annulaire, autour d'une électrode primaire non consumable 10, puis dans une tuyère 12 comportant un passage interne 13 dans lequel l'écoulement s'effectue, soit par aspira tion provoquée par l'arc lui-même, soit en amenant ce gaz sous pression.
L'électrode 10 est ,une baguette dont la pointe est située sur l'axe de la tuyère 12 et au voisinage de son extrémité. L'autre électrode primaire est constituée par la pièce métallique à tra- vailler, telle qu'une tôle 14. La tuyère 12 peut elle- même servir d'électrode secondaire, comme on le verra ci-dessous.
Dans tous les cas, les électrodes primaires sont reliées à une source de courant élec trique continu ou alternatif par des conducteurs 20 et 22. Un arc 24, extrêmement chaud sort de la tuyère 12 du chalumeau.
Dans tous les cas, le passage 13 de la tuyère con forme latéralement, dirige et rétrécit la colonne de l'arc. Cette conformation et ce rétrécissement de la colonne de l'arc par le passage 13 de la tuyère pro duisent divers effets intéressants. La tension par unité de longueur de l'arc peut être sensiblement augmentée, ce qui développe ainsi plus de puissance dans l'écoulement de l'arc pour un courant donné.
On a trouvé, par exemple, qu'alors que la tension par unité de longueur de l'arc dans un arc antérieur non rétréci peut être de 3,15 à 7,9 volts par cm dans de l'argon, pour un courant d'arc de 200 ampères, les valeurs les. plus élevées se trouvant dans.
la partie de la colonne qui est très voisine des électrodes, la tension dans un arc rétréci et dans de l'argon peut être environ de 11,8 volts par cm dans une tuyère ayant 6,3 mm de diamètre intérieur, de 39,4 volts par cm dans une tuyère de 3,2 mm de diamètre inté- rieur et de 69,0 à 79,0 volts par cm dans une tuyère de 1,98 mm de diamètre intérieur.
Le tableau 1 ci-dessous montre la plus grande tension par unité de longueur de l'arc que l'on peut obtenir, en comparaison avec des soudures faites se lon les procédés antérieurs, en utilisant une tuyère cylindrique ayant la forme géométrique représentée sur la fig. 5 qui sera décrite ci-dessous en détail, sur un acier inoxydable à 19 0/o Cr et 10 0/o Ni, en utilisant du courant continu à 175 ampères avec une vitesse de soudure<I>de</I> 25,4 cm par minute et avec de l'argon arrivant au chalumeau.
EMI0003.0008
La tuyère 12 peut être ien une matière solide quelconque et elle peut être refroidie, si cela est nécessaire, par exemple avec de l'eau pour du cuivre, par rayonnement pour du tungstène et avec ou sans eau pour une matière céramique, etc.
Les dimensions de la tuyère varient beaucoup pour les différentes applications. La longueur axiale de la tuyère, si celle-ci est conductrice, doit être limitée de manière à empêcher la formation d'un arc double d'électrode à tuyère et de tuyère à ouvrage. Un critérium empirique pour le fonctionne ment continu stable est que la .chute de tension le long d'un tronçon donné de la colonne de l'arc, confinée dans une portion de la tuyère continue électrique ment, doit être inférieure à la tension qui est néces saire pour établir cet arc double.
Ainsi, par exem ple, si l'on suppose, pour un cas donné, que cette dernière tension, en utilisant de l'argon et une tuyère en cuivre refroidie par de l'eau, est d'environ 20 volts, une tuyère de 3,2 mm de diamètre intérieur (ten sion par unité de longueur de l'arc de 31,4 volts/cm, dans de l'argon, avec un courant de 160 ampères) aura de préférence une longueur inférieure à 0,64 cm (l'équivalent de la longueur correspondant à 20 volts). On peut utiliser des tuyères plus longues, mais elles sont alors soit faites en une matière non conductrice,
soit qu'elles comportent des sections isolées électri quement lorsqu'elles sont composées en matière con ductrice électriquement.
Comme on le voit sur la fig. 3, un arc 26, pro tégé par du gaz inerte d'un type antérieur courant, établi entre une baguette 10 formant cathode et une anode 28 plate, a la forme générale d'un cône ar rondi qui, lorsqu'il est protégé par un écoulement d'argon, a les dimensions notées dans les fig. 3 et 4 pour des courants d'arc compris entre 100 et 400 am pères. Les courbes caractéristiques X, Y et Z mon trent comment les diamètres d'arc observés respec tivement à 2,5 - 7,6 et 15,2 mm de la cathode 10 augmentent lorsque le courant de l'arc augmente, dans tous les cas.
Une tuyère ayant un diamètre de 6,4 mm, peut rétrécir un arc de 200 ampères, de manière telle qu'à 15,2 mm de la pointe de l'électrode par exemple, la section transversale de l'arc est en viron un tiers de celle de l'arc de la fig. 3.
Un chalumeau à arc T (fig. 5), convenant pour souder du métal, comporte une tuyère en cuivre 30 présentant un alésage central 32 dans lequel l'extré- mité inférieure de l'électrode 10 est suspendue à distance de la paroi intérieure et du fond de cet alé sage, en laissant un passage pour le gaz.
Ce gaz s'écoule par un passage allongé 34 qui est ,situé dans l'alignement de l'axe de cette électrode. Ce passage 34 contient un arc pilote existant continuellement entre la tuyère -et l'électrode lorsqu'une source de courant S y est reliée au moyen des fils 20, 22 et 38, par l'intermédiaire d'une résistance 40, telle qu'une lampe ou une série de lampes.
La tuyère 30 présente également une rainure an nulaire 36 dans son fond, concentrique avec l'orifice 34, de manière à diriger un écoulement extérieur an nulaire enveloppant 44 d'un gaz de protection ap proprié, par exemple de l'argon ou du C02, au tour de l'arc 24 et sur une zone à fondre de la pièce 14. L'arc pilote amorce un arc principal 42 entre l'extrémité de l'électrode 10 et la pièce 14 lorsque cette dernière est reliée à une borne de la source par un fil 48.
En ce cas, la tuyère est main tenue froide par circulation d'eau dans un passage annulaire 50 entourant l'alésage 32.
Le chalumeau de la fig. 5 fonctionne très bien lorsque le pôle négatif de la source S de courant continu est -relié à l'électrode 10 et le pôle positif est relié aux fils 38 et 48 par un conducteur 22. Ce chalumeau fonctionne aussi bien lorsqu'il est relié à une source de courant alternatif.
En ce cas, le fil 48 est relié directement à une borne d'une source de cou rant alternatif de soudure et l'électrode 10 est reliée à l'autre borne. Un arc pilote à courant continu fonc tionnant continuellement sous 30 ampères amorce l'arc à courant alternatif principal de soudure, le stabilise et le maintient. Cet arc pilote peut subsis ter continuellement, même pendant le fonctionne ment de l'arc principal.
En fonctionnement, le chalumeau T se déplace le long d'une soudure à faire dans la pièce 14 et l'arc 24, qui est protégé de l'air extérieur par l'écoulement de gaz protecteur annulaire 44, fait fondre un joint 51 dans la pièce, lequel, lorsque l'arc 24 se déplace,
se refroidit et se solidifie. Une caractéristique remar quable du chalumeau T est que l'arc 24 est bien dirigé et donne des différences remarquablement fai bles dans les dimensions du bourrelet de soudure sur une gamme étendue de hauteurs du chalumeau par rapport à la pièce, comme on le voit dans le :tableau I. Le chalumeau T convient également bien pour sou der des brides de tôle à vitesse rapide.
On a utilisé un petit chalumeau à arc, analogue à celui de la fig. 5, pour souder une tôle en acier inoxy dable de 0,18 mm d'épaisseur, à raison de 63,5 cm par minute, en utilisant un courant continu de 15 am pères, 21,2 1/hr d'argon traversant un orifice cen tral de 1,6 mm de diamètre et environ 710 1/hr d'ar gon dans l'enveloppe environnante. L'arc 24 était stable, facilement réglable et il n'avait pas tendance à se déplacer même pour des courants descendant jusqu'à 8 ampères.
Sur la fig. 6, est représenté un chalumeau Tl, constitué par une électrode primaire 10 qui est mon tée dans l'axe d'un tambour cylindrique 52 dans le bas duquel .se trouve une tuyère 54 présentant un passage central 55 dans lequel pénètre l'extrémité in férieure de l'électrode. La sortie du passage 55 va en se rétrécissant jusqu'à un .orifice de sortie de dia mètre réduit.
La paroi annulaire de la tuyère 54 est à distance de la paroi intérieure du tambour 52, de manière à constituer un passage annulaire 56, fermé par des garnitures d'étanchéité 57, pour l'eau de re froidissement qui y arrive par une entrée 58 et en sort en 60.
De préférence, la tuyère 54 est en cuivre et l'électrode 10 en un alliage de tungstène et de tho rium. L'électrode 10 est reliée au pôle négatif d'une source S de courant continu, par un fil 20, tandis que le pôle positif de cette source est relié à la pièce par des fils 22 et 48.
La tuyère est également reliée au pôle positif de la source par un branchement 38 contenant une résistance 40 limitant la quantité de courant à celle qui est suffisante pour maintenir un arc pilote entre l'électrode primaire 10 et la tuyère 54 qui, en ce cas, forme une électrode secondaire (anode). Un gaz approprié arrive à l'intérieur du tambour 52.
Comme le chalumeau de la fig. 5, le chalumeau de la fig. 6 fonctionne aussi bien avec une source de courant alternatif de soudure.
L'arc 24 sortant par le chalumeau T1 est bien dirigé sur .une longueur allant jusqu'à 3,8 cm<B>;</B> il est excessivement stable. Des résultats d'expériences fai tes avec le chalumeau T1 ont donné:
avec un arc de 200 ampères, une tuyère de 1,27 cm de long et 4 mm de diamètre intérieur, 566 1/hr d'argon, la tension par cm de longueur de l'arc est de 38 volts, la vitesse calculée de la décharge est d'environ 305 m par seconde et la chaleur appliquée à la pièce est de 5,2 kw. On peut comparer cela avec la tension par cm de l'arc fonctionnant avec de l'argon et non ré tréci comme cela est courant, tension qui est de 19 volts ;
avec la même longueur d'arc, la chaleur appliquée sur la pièce est de 2,7 kw. Un calcul ap proximatif des puissances relatives appliquées par unité de surface sur la pièce pour ces exemples, mon tre que le chalumeau décrit est dix fois plus avan tageux. On peut utiliser n'importe quel gaz n'ayant pas d'effet nuisible sur les électrodes.
A des vitesses d'écoulement de gaz plus élevées (8491/hr ou plus pour une tuyère de 3,2 mm de diamètre intérieur, par exemple), l'arc 24 coupe du métal de façon plus puissante. Avec une tuyère de 3,2 mm de diamètre intérieur, 2264 1/hr d'argon et 200 ampères pour le courant de l'arc, par exemple, l'arc peut couper, par fusion une plaque d'alumi nium de 9,6 mm d'épaisseur à une vitesse de dépla- cement d'environ 203 cm/min.
D'autres exemples, in diqués dans le tableau II ci-dessous, montrent cer taines vitesses de coupe de tôle obtenues pour diffé- rents métaux, en utilisant du courant continu de polarité directe et une tuyère de 3,2 mm de diamètre intérieur.
EMI0004.0093
<I>TABLEAU <SEP> 11</I>
<tb> Tension
<tb> Matière <SEP> Epaisseur <SEP> Vitesse <SEP> Courant <SEP> par <SEP> unité <SEP> Argon
<tb> (tôle) <SEP> mm <SEP> cm/min. <SEP> ampères <SEP> de <SEP> longueur <SEP> 1/hr
<tb> volts/cm
<tb> Aluminium <SEP> .. <SEP> 6,4 <SEP> 366 <SEP> 340 <SEP> 56 <SEP> 3120
<tb> Aluminium <SEP> .. <SEP> 12,7 <SEP> 178 <SEP> 380 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Aluminium <SEP> ..
<SEP> 19,8 <SEP> 76 <SEP> 260 <SEP> 64 <SEP> 2830
<tb> Aluminium <SEP> .. <SEP> 25,4 <SEP> 38 <SEP> 260 <SEP> 75 <SEP> 3120
<tb> Laiton <SEP> <B>......</B> <SEP> 6,4 <SEP> 254 <SEP> 280 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Laiton <SEP> <B>......</B> <SEP> 12,7 <SEP> 76 <SEP> 270 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Cuivre <SEP> <B>....</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> 6,4 <SEP> 114 <SEP> 340 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Magnésium <SEP> . <SEP> . <SEP> 6,4 <SEP> 366 <SEP> 250 <SEP> 54 <SEP> 3120
<tb> Magnésium <SEP> . <SEP> 19,8 <SEP> 279 <SEP> 460 <SEP> 60 <SEP> 3120 La fig. 7 représente une variante comportant un chalumeau à arc T2 muni d'une anode 76 refroi die par un liquide et qui est reliée à la borne posi tive d'une source de courant continu S par un fil 78.
Une tuyère 80, formant cuvette, est branchée de ma nière à constituer une cathode secondaire en étant reliée à la borne négative de la source par un bran chement 82 contenant une résistance 84. La pièce W est également reliée à la borne négative par un fil 86. L'anode 76 est en un métal approprié tel que du cuivre et elle comporte un alésage axial allongé 88 dans lequel est monté un tuyau 90 d'entrée d'eau de refroidissement qui aboutit juste au-dessus du bas de l'alésage et qui est espacé de la paroi intérieure de l'alésage pour constituer un passage annulaire de sortie de l'eau de refroidissement.
Le pied de l'arc constitué par le bas de l'anode 76 est arrondi et se trouve espacé d'une surface in terne de même forme de la tuyère 80, ce qui assure un passage 92 par lequel de l'argon, par exemple, va à un orifice 94 situé dans le bas de la cuvette, dans l'alignement de la pointe de l'anode. La tuyère 80 comporte une cavité annulaire 9.6 qui est fermée au moyen d'un manchon 98 et de bagues d'étanchéité 100 et qui constitue un passage annulaire pour un liquide de refroidissement dans lequel de l'eau ar rive en 102 et sort en 104.
L'arc 24 donné par le chalumeau T2 lorsqu'un courant continu de 240 ampères par exemple, arrive par le fil 86, sous un potentiel de 50 volts entre l'anode 76 et la pièce W, a été utilisé pour couper une tôle d'aluminium W de 2,54 cm d'épaisseur, à raison de 12,7 cm/min, en laissant une entaille de 9,5 mm de large. Dans ce cas, on a envoyé à la cuvette 80, 849 1/hr d'argon et l'anode 76 était excitée continuel lement pour donner un arc pilote entre l'anode pri maire et la cuvette formant cathode secondaire qui fonctionnait très bien pour établir un arc principal entre les électrodes primaires 76 et W.
La cuvette 80 et l'anode 76 sont de préférence en cuivre, mais on peut avoir recours à du tungstène ou tout autre métal approprié.
On peut conformer la tuyère de manière à obte nir un arc aplati ou divisé en deux parties, à volonté, comme on le voit, par exemple, sur les fig. 8 et 10. Les fig. 8 et 9 montrent comment on obtient un arc V en forme d'éventail, en ménageant un passage di vergent<B>115</B> présentant une section transversale apla tie dans une tuyère 116 refroidie par de l'eau, lors que la vitesse du gaz est suffisamment élevée, 283 1/hr d'argon, par exemple, s'écoulant par un ori fice de sortie de la tuyère de 2,5 X 9,5 mm.
En ce cas, l'arc est stable, l'argon arrivant dans l'espace annulaire 118 compris entre l'électrode 10 et la paroi d'un passage axial de la tuyère.
Dans le cas de la fig. 10, l'arc est divisé en deux parties à l'aide d'une tuyère 125 comportant deux passages d'arc divergents. 126 et 128 partant d'un passage commun 130 contenant l'électrode 10. Ceci donne des arcs stables _ 122 et 124 convenant pour beaucoup d'applications, par exemple le soudage et la coupe, puisqu'on peut donner aux passages 126 et 128 toute forme et direction désirées. Il peut être prévu un nombre quelconque d'arcs.
Là chaleur totale fournie par l'arc à une pièce, vient de la partie de l'arc contenue dans la tuyère et de la colonne d'arc comprise entre la pièce et la tuyère. Pendant le fonctionnement avec de l'argon, pour un écoulement de gaz nul, il n'y a pratique- ment pas d'échauffement de la tuyère par l'arc qui la quitte, la chaleur transmise à la tuyère étant pour la plus grande partie évacuée par l'eau de refroidis sement de la tuyère.
Par exemple, en utilisant du courant continu, et une tuyère de 6,4 mm de diamètre intérieur et de 9,5 mm de long, la chaleur perdue -sur la tuyère dé- croit continuellement jusqu'à arriver à un minimum d'environ 40 0/o de la chaleur produite par l'arc lorsque l'écoulement d'argon augmente jusqu'à 566 1/hr. Ceci :
signifie qu'avec 5661/hr, en gros 60 0/o de la chaleur produite par l'arc, à l'intérieur de la tuyère, est contenu dans et part avec l'argon chaud sortant de la tuyère. Cette chaleur, à son tour, est amenée par l'arc sur la pièce avec des rendements supérieurs à 70 0/o pour des distances de la tuyère à la pièce de 3,2 à 6,4 mm.
Le tableau III donne une image approximative de ce phénomène, en utilisant des tensions comme mesures commodes de .l'énergie, sous 200 ampères (courant continu) en se basant sur le fait qu'avec un courant constant l'énergie en watts consumée en tre deux points quelconques est directement propor tionnelle à la tension entre ces points.
On a utilisé une tuyère cylindrique de 6,4 mm -de diamètre inté rieur et de 9,5 mm de long et une longueur de 6,4 mm pour l'arc extérieur, une barre de cuivre refroidie par l'intérieur servant d'anode. Dans ce tableau les volts produits ont été déterminés comme suit. Avec la tuyère à une distance de 6,4 mm de l'anode, une tension a été appliquée de façon à produire un courant d'arc de 200 ampères.
Ensuite la position de l'électrod-erbaguette dans la tuyère a été modifiée et on a mesuré la tension nécessitée pour maintenir le courant à 200 ampères. Ces mesures ont permis de déterminer le champ électrique dans la tuyère.
Connaissant le champ électrique et l'espacement nor mal entre l'anode et l'extrémité de la tuyère, on a déterminé les volts produits dans tuyère avec un espacement normal des électrodes. De même,
des mesures de tension entre les électrodes pour des positions différentes de la tuyère par rapport à l'anode tout en maintenant l'électrode-baguette dans sa po sition normale dans la tuyère donnèrent le champ électrique à l'extérieur de la tuyère permettant de déterminer les volts produits en dehors de la tuyère espacée normalement. Par soustraction de la somme des volts produits à l'intérieur et à l'extérieur de la tuyère de la tension de 24 volts appliquée,
on a ob- tenu une différence de 7 volts qui doit être attri buée à la charge dans l'espace produite par les élec trons à proximité de l'anode.
Toutefois, des énergies à disposition dans le jet, une certaine proportion seulement est fournie à la pièce, comme le montrent les colonnes du tableau titrées volts fournis à la pièce . L'énergie fournie à la pièce par le jet est fonction de la différence en tre la chaleur développée par l'arc dans la tuyère et la chaleur transmise au fluide de refroidissement utilisé pour maintenir constante la température de la tuyère.
Toute l'énergie contenue dans la charge d'es pace est transmise à la pièce sous forme de cha leur. Le rendement indiqué dans le tableau re présente la proportion quantitative de la chaleur ap pliquée à la pièce ; on l'a obtenu en divisant la quan tité d'énergie fournie à la pièce par la totalité de l'énergie contenue dans le jet.
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<I>TABLEAU <SEP> 111</I>
<tb> Ecoulement <SEP> d'argon <SEP> nul <SEP> Ecoulement <SEP> arg. <SEP> 566 <SEP> 1/hr
<tb> Volts <SEP> Volts <SEP> fournis <SEP> Volts <SEP> Volts <SEP> fournis
<tb> produits <SEP> à <SEP> la <SEP> pièce <SEP> produits <SEP> à <SEP> la <SEP> pièce
<tb> Corps <SEP> de <SEP> l'arc <SEP> dans <SEP> la <SEP> tuyère <SEP> <B>.........</B> <SEP> . <SEP> 12 <SEP> 0 <SEP> 16 <SEP> 8
<tb> Corps <SEP> de <SEP> l'arc <SEP> à <SEP> l'extérieur <SEP> de <SEP> la <SEP> tuyère <SEP> - <SEP> 5 <SEP> 2 <SEP> 6 <SEP> 5
<tb> Charge <SEP> d'espace <SEP> <B>------ <SEP> ---</B> <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> <B>-------</B> <SEP> . <SEP> 7 <SEP> 7 <SEP> 7 <SEP> 7
<tb> Total <SEP> ..<B>....</B> <SEP> ...<B>-----------------</B> <SEP> ..
<SEP> 24 <SEP> 9 <SEP> 29 <SEP> 20
<tb> Rendement <SEP> <B>---- <SEP> --------- <SEP> -------- <SEP> -</B> <SEP> 35% <SEP> 700/o On voit donc qu'avec un écoulement d'argon de 5661/hr, la chaleur développée dans le corps de l'arc situé à l'intérieur de la tuyère est de première importance.
En se reportant au graphique de la fig. 12 la courbe B représente le champ électrique dans la tuyère en fonction du diamètre de la tuyère pour une tuyère de forme cylindrique. La droite de référence verticale C, à gauche du graphique indique le champ électrique dans un arc en atmosphère d'argon ouvert 26 (fig. 3). Ce champ électrique a été déterminé en modifiant l'espace entre l'électrode et la pièce et en notant la tension requise entre l'électrode et la pièce pour maintenir le courant à 200 ampères.
Comme on le voit, lorsque le diamètre de la tuyère augmente (et que le rétrécissement de l'arc est moindre), la courbe B se rapproche de la caractéristique C et vient la toucher. Pour de plus petits diamètres de la tuyère, le champ électrique est beaucoup de fois supérieur à ce champ C. Sur la fig. 12, l'orifice de 9,5 mm de diamètre ne rétrécit l'arc que modérément comme le montre la légère augmentation du champ par rapport au minimum représenté par la droite C.
La fig. 13 représente la répartition de la puissance en fonction de l'écoulement du gaz par la tuyère du chalumeau, pour un courant électrique fixe, courant continu (tuyère cylindrique de 9,5 mm de long). Le total de la puissance électrique fournie au chalumeau (volts X ampères), indiquée par la courbe E, aug mente presque linéairement à raison de 1,4 à<B>1,75</B> watts environ par dm' d'augmentation de l'écoule ment de gaz. Cette même tuyère, fonctionnant avec un courant électrique plus faible, donnerait une carac téristique relativement plus plate de la puissance to tale en fonction de l'écoulement du gaz.
La courbe F de la puissance fournie à l'ouvrage augmente rapide ment jusqu'à 849 1/hr. La courbe G de la puissance perdue sur la tuyère diminue jusqu'à 5661/hr et reste à un minimum sensiblement constant pour des écoule ments de gaz plus élevés.
A titre de comparaison, on a représenté la ligne H de la puissance totale fournie au chalumeau et la ligne 1 de la puissance transmise à l'ouvrage d'un arc protégé par de l'argon, non rétréci, d'un type antérieur de même longueur (15,9 mm) et où passe le même courant (200 am pères). Le chalumeau à arc rétréci à raison de 11321/hr passant par la tuyère donne donc 75 % de plus de puissance sur l'ouvrage que ne le fait l'arc ordinaire protégé par l'argon.
Les courbes J et K de la fig. 14 représentent la caractéristique de la tension entre les électrodes en fonction du courant d'un arc rétréci .par une tuyère de 6,4 mm de diamètre et d'un arc protégé par l'ar gon mais non rétréci du type antérieur, respective ment. On peut voir que l'augmentation de la tension avec le courant, courbe J, est beaucoup plus grande dans le chalumeau à arc rétréci.
Une conséquence pratique de ceci est que, par opposition au chalumeau à électrode non consumable usuel fournissant un arc non rétréci, la source de puissance principale, c'est- à-dire le transformateur ou le générateur alimentant le chalumeau à arc décrit, n'a pas besoin d'avoir une caractéristique volts-ampères descendante, afin de maintenir sensiblement constant le courant de l'arc malgré de petites variations de la longueur de l'arc.
Par exemple, avec un passage de l'arc dans une tuyère de 3,4 mm de diamètre intérieur et 4,8 mm de long, en utilisant 8491/hr d'argon et une tension constante de 35 volts en courant continu, la lon gueur de l'arc à l'extérieur de la tuyère est passée de 6,4 mm à 3,2 mm pour un changement de courant de 100 à 130 ampères seulement. Dans un arc non ré tréci protégé par de l'argon du type usuel, le cou rant changerait de plusieurs fois cette quantité avec le même genre de source de puissance.
On a fait fonctionner des chalumeaux du type décrit avec comme gaz He, N2 et H2 et avec des mé langes de ces gaz avec de l'argon. Les courbes ca ractéristiques L, M et N de la fig. 15 montrent les variations de la tension de l'arc entre les électrodes en fonction du pourcentage en volume de He, N2 et H;,,. dans l'argon, pour du courant continu de polarité directe fourni par un générateur conventionnel.
Les différentes variantes du chalumeau à arc décrites ci-dessus ne comportent qu'une électrode principale de passage du courant et par suite elles ne conviennent que dans les procédés où la pièce peut être branchée comme seconde électrode principale. Pour les applications dans lesquelles il n'est pas à souhaiter de mettre la pièce dans le circuit de sou dure ou lorsque la pièce n'est pas conductrice élec triquement, on peut modifier le chalumeau pour y incorporer une deuxième électrode principale, le jet de l'arc étant dirigé contre la pièce uniquement par la pression du gaz.
Comme on le voit sur la fig. 16, le chalumeau à arc comporte deux électrodes 205 et 206, à distance l'une de l'autre, reliées aux bornes opposées d'une source de puissance électrique 207, par exemple un générateur, de manière à donner entre ces électrodes un arc à haute intensité. L'électrode 205 est, de pré férence, une baguette en un alliage de tungstène et de thorium, tandis que l'électrode 206 est de préférence une tuyère tubulaire en cuivre présentant un passage de sortie 208 qui est dans l'alignement de l'électrode 205.
La tuyère comporte un passage annulaire 209 de refroidissement par l'eau autour de cet orifice, de sorte que l'électrode annulaire est sensiblement non consumable en service. Un gaz, tel que de l'ar gon, sous une pression allant jusqu'à environ 2 atm. arrive à la chambre 210 de la tuyère 206 entre les électrodes, de sorte que l'arc est refoulé dans l'ori fice 208 par le gaz qui y passe.
Le gaz est ionisé par l'arc dans cet orifice, il est refoulé à travers l'orifice et il sort sous forme d'une colonne 211, très chaude et analogue à un jet, qui conserve cette forme sur une certaine distance après être sortie par l'orifice. En fonctionnement, le jet 211 arrive sur une pièce 212 qui, comme on le voit sur la fig. 16 n'est pas dans le circuit électrique.
La section transversale maximum du passage 208 est inférieure à la section transversale d'un arc naturel à pression élevée pour la même valeur du courant, de sorte que le passage 208 rétrécit l'arc. La longueur du passage 208 comprise entre sa plus fai ble section transversale et la sortie ne dépasse pas six fois la plus petite dimension de ce passage. L'écoulement du gaz qui y entre refoule l'arc dans le passage 208 et fait qu'une colonne analogue à un jet de gaz chauffé sort à l'autre bout du passage. L'électrode annulaire est de préférence en une ma tière à point de fusion élevé, telle que du tungstène, tandis que c'est la cathode qui est en un tel métal lorsqu'on utilise du courant continu à polarité inverse ou du courant alternatif.
La variante représentée schématiquement sur la fig. 17 utilise également un gaz 213 tel que de l'ar gon qui, de préférence, est amené à s'écouler annu- lairement autour d'une électrode 205, puis dans une tuyère 214 .comportant un passage allongé 215 de rétrécissement. L'électrode 205 est une baguette dont la pointe 216 formant le pied de l'arc est disposée dans l'axe de la tuyère voisine 214.
L'autre électrode 217 est annulaire avec un orifice 218 placé dans l'axe de la tuyère 214, du côté opposé à l'électrode 205. Les électrodes 205 et 217 sont reliées à une source d'énergie électrique par des conducteurs 219 et 219'. L'arc est ainsi tiré à travers la tuyère 214 par le champ électrique existant entre les électrodes 205 et 217. La colonne résultante 220, analogue à un jet de gaz chaud ionisé sort par l'extrémité ou verte de la tuyère 214 puis par l'orifice 218 du cha lumeau.
Dans la variante de la fig. 18, le conducteur 221 est relié à l'électrode 205 et le conducteur 222 à la tuyère 214, à la pièce annulaire 218 et à une pièce 223 formant électrode, par l'intermédiaire d'impé dances réglables telles que des résistances Rl, R2 et R3 respectivement.
En ce cas, le courant allant de la tuyère 214 à l'électrode 205 sert à produire un arc pilote et un réglage approprié des résistances fait que la totalité ou une partie de la colonne de l'arc 224 passe par l'orifice 218 et va à la pièce 223. On réalise ainsi un réglage simple de la quantité de chaleur fournie à la pièce. Dans chacun des cas, les orifices à travers lesquels l'arc passe rétrécissent laté ralement l'arc 224.
La tuyère et la pièce annulaire peuvent être en toute matière appropriée, telle que du cuivre ou du tungstène, et elles peuvent être refroidies par de l'eau. Toutefois, elles peuvent être faites en n'importe quelle autre matière solide conductrice de la chaleur et elles peuvent être refroidies de toute façon com mode.
Comme on le voit sur la fig. 19, le chalumeau T4 comporte une enveloppe cylindrique 226 sur l'ex trémité inférieure de laquelle est montée une cuvette 228. La cuvette est isolée électriquement de l'en veloppe par une pièce annulaire 230 en une matière isolante et elle comporte un passage annulaire inté rieur 232 par lequel on peut faire circuler un liquide réfrigérant tel que de l'eau entre une entrée 234 et une sortie 236.
La cuvette 228 présente un orifice 238 à paroi cylindrique qui est dans l'alignement de l'axe d'une cathode 240 en forme de crayon, faite en matière réfractaire conductrice, par exemple un alliage de tungstène et de thorium. La cathode 240 est maintenue en place dans un corps annulaire 242 du chalumeau, auquel l'enveloppe 226 est attachée.
L'extrémité 244, formant pied de l'arc, de la ca thode 240 est située dans l'axe d'une tuyère 246 présentant un alésage central 248 dont la paroi cy lindrique entoure à distance l'extrémité de cette ca thode 240 en laissant entre eux un passage annulaire 250 pour l'écoulement d'un gaz approprié, de l'argon en ce cas, arrivant à l'intérieur de l'enveloppe 226.
La tuyère 246 comporte une bride annulaire 252 à son extrémité inférieure, qui est vissée dans l'extré mité inférieure de l'enveloppe 226, l'étanchéité étant assurée par une garniture en caoutchouc au silicone 251, placée entre le bord supérieur de cette bride et un épaulement 254 de l'enveloppe.
Le corps de la tuyère est à distance de la paroi intérieure de l'en veloppe de manière à former entre eux une chambre annulaire 256 permettant d'y faire circuler un liquide réfrigérant tel que de l'eau qui pénètre dans cette chambre par une entrée 258 et en sort en 260 à tra vers la paroi de l'enveloppe. Le haut de la chambre 256 est fermé par une bague 262 placée entre la tuyère et l'enveloppe.
La cathode 240 est reliée électriquement à la borne négative d'une source de courant S par un fil 264. Dans le cas de courant continu, le positif de cette source S est relié électriquement par un con ducteur 266 à la cuvette 228 et à l'enveloppe 226 par un conducteur en parallèle 268 contenant une résis tance 270. La cuvette est conformée de façon à former une chambre interne 272 comportant une en trée latérale 274 permettant l'arrivée d'un gaz.
On a utilisé un chalumeau tel que celui de la fig. 19, avec une cathode 240 en tungstène de 3,2 mm de diamètre, un écoulement d'argon à raison de 141,5 à 16981/hr, un courant de 10 ampères passant dans le circuit de l'arc pilote contenant la résistance 270 et un courant de 300 ampères passant dans le cir cuit principal de l'arc sous 40 volts. ; on obtient ainsi un jet E de gaz très chaud. Ce jet a l'aspect d'une flamme oxyacétylénique, mais il peut avoir une température de 3 à 6 fois supérieure et on peut le régler facilement jusqu'à une longueur de 254 mm.
Ce jet E fond le saphir et l'oxyde de zirconium et il est intéressant pour chauffer, braser ou souder ou comme source de lumière à grande intensité.
Le chalumeau T4 peut aussi être utilisé pour des réactions chimiques en introduisant un deuxième gaz dans la chambre 272. Ce chalumeau est remar quable du fait que l'on peut régler l'arc en modi fiant le courant, la composition du gaz, la vitesse d'écoulement et les orifices de manière à donner un jet E qui est -suffisamment chaud pour fondre le tungstène.
En plus des applications ci-dessus mentionnées, on peut utiliser efficacement ce chalumeau pour cou per, percer, tronçonner, entailler, gouger et décaper une pièce simplement en appliquant le jet de gaz chaud sur la pièce et en les déplaçant l'un par .rap port à l'autre dans la mesure nécessaire. Dans le cas où l'on entaille une pièce de métal, par exemple, le jet de gaz chaud est appliqué obliquement sur la surface à enlever,
de manière à faire fondre et à chasser du métal de la surface. Dans le cas d'une coupe, le jet est utilisé de manière à faire une en taille dans la pièce en faisant fondre et expulsant pro- gressivement le métal fondu suivant le tracé désiré, comme dans le cas d'une opération au chalumeau oxyacétylénique.
Un dépôt de métal de soudure s'effectue de pré férence en dirigeant le jet contre une électrode cons tituée par un fil fusible. Le jet projette le métal fondu fourni par le fil sur la pièce, laquelle est en outre chauffée par le jet à la température voulue, confor mément à ce qui est nécessaire pour la pénétration. La surface de l'ouvrage recevant le métal fondu peut aussi, si elle est conductrice électriquement, être re liée à la source de puissance et être chauffée en plus par un arc auxiliaire.
La fig. 20 représente un chalumeau 301 conte nant une baguette 302 formant électrode et une tuyère 303 refroidie par de l'eau et présentant un orifice 304 dans lequel se forme un arc électrique 305 dirigé sur l'extrémité d'un fil métallique 306 à faire fondre. Le fil 306 qui est une électrode de l'arc principal avance de façon continue dans la ré gion de l'arc en passant dans un pistolet 307 sous l'action d'un appareil courant d'avance de fil 308. Une source de puissance électrique 309 est bran chée entre l'électrode 302 et le fil consumable par des conducteurs 310 et 311 respectivement. Cette source de puissance 309 peut fournir du courant con tinu ou alternatif.
Sur le dessin, on a représenté une source de courant continu, branchée de manière à donner une polarité négative à l'électrode du cha lumeau. Si on le désire, on peut maintenir un arc pilote entre l'électrode 302 et la paroi de l'orifice en branchant la tuyère 303 sur la source 309 par l'inter médiaire d'une impédance appropriée, telle qu'une résistance 312. En plus, lorsque la matière pulvérisée 313 est déposée sur une pièce conductrice, on peut établir un autre circuit 314 allant à la pièce 315. On a représenté cette disposition avec source de puissance distincte 316 en trait interrompu.
L'électrode 302 est du type non consumable et peut être une baguette ordinaire en tungstène ou une électrode -en cuivre refroidie intérieurement par de l'eau. Le premier type convient pour du courant continu de polarité quelconque et pour du courant alternatif. Le type à refroidissement par l'eau con vient surtout pour du courant continu de polarité inverse (électrode du chalumeau positive) et on peut l'utiliser avec des gaz plus actifs que -dans le cas du tungstène.
La matière à pulvériser est fournie de façon commode sous forme d'un fil ou d'une bande, de sorte qu'on peut l'amener continuellement dans l'arc et, évidemment, elle doit être conductrice de l'élec tricité lorsqu'elle constitue une des électrodes prin cipales de l'arc, ce qui est préférable. On peut utili ser pour cela de l'aluminium, de l'acier inoxydable, de l'acier ordinaire ou d'autres métaux tels que le cuivre ou ses alliages. En outre, on peut ajouter commodément d'autres matières ou fondants, sous forme de revêtement sur le fil ou contenus dans le fil qui est alors tubulaire.
De cette manière, on peut faire arriver des matières résistant à l'usure telles que des carbures.
Un gaz approprié arrive au chalumeau dans l'es pace annulaire compris entre l'électrode 302 et le passage axial 317 de la tuyère 303, allant à l'orifice 304. Le gaz peut être l'un des gaz protecteurs bien connus (argon, hélium, hydrogène, etc.) utilisés en soudure, y compris des gaz actifs tels .que les chloro- silanes, si on le désire.<U>On peut facilement</U> ajouter <U>un</U> paz p@roteçteu,r <U>supplémentaire à l'aide</U> d<U>'une</U> cau@pelle <U>extérieure 318</U> concentrique,
entourant la tuyère ou en effectuant toute l'opération dans une chambre fermée. Un montage avec deux générateurs, tel que re présenté, a fonctionné de la façon suivante : la source de courant 309 produisant l'arc entre le chalumeau et le fil donnait un courant continu à polarité directe de 195 ampères, le gaz qui circulait était de l'argon à raison de 2831/hr, passant par un orifice 304 de 3,2 mm ; un fil 306 en acier inoxydable de 1;6 mm arrivait à raison de 381 cm/min et on a mesuré sur le fil<B>311</B> un courant de 285 ampères.
Le courant passant dans le fil 314 allant à la plaque de base était du courant continu de polarité directe de 90 ampères. La pièce 315 était une tôle d'acier, laminée à froid de 6,4 mm d'épaisseur, se déplaçant horizontalement à raison de 25,4 cm/min. Il n'a pas été nécessaire de faire subir à la plaque de préparation spéciale.
Le dispositif comportait les écartements ci-dessous tuyère du chalumeau au fil 6,4 mm<B>;</B> position en retrait de l'électrode 4,8 mm, ce qui donne 11,2 mm pour la longueur totale de l'arc ; fil à la tôle 3,14 cm.
La section transversale du dépôt présentait une très faible pénétration. Il s'est formé une forte cou= che 327 d'environ 5,1 mm d'épaisseur, solidement fixée sur la tôle 315 avec une pénétration dans celle-ci inférieure à 0,8 mm. Il a été impossible de séparer le bourrelet déposé de la tôle d'acier.
On a également fait arriver dans le chalumeau, comme représenté sur le dessin, des fils d'aluminium, d'acier inoxydable et d'acier ordinaire, .sans le cir cuit 314 allant de la source auxiliaire à la tôle. On a appliqué entre le chalumeau et le fil des courants continus de 120 à 200 ampères, avec 283 à 1115 1/hr d'argon passant par un orifice de 3,2 mm, donnant un jet de métal à partir du fil fondu. A des distances appropriées, les particules métalliques pulvérisées étaient solidement fixées sur des surfaces solides, par exemple de la brique, de l'acier laminé à froid et de l'aluminium.
Une faible distance du fil à l'ouvrage, d'environ 6,4 à 12,7 mm, permettait de percer des trous dans la matière de base, y compris la brique. Projetée dans l'espace, la pulvérisation allait hori zontalement à plus de 3 mètres. Ceci montre que le revêtement peut se faire dans n'importe quelle posi tion. On peut régler les circuits de l'arc de manière à obtenir tout degré de fusion du métal de base. On règle ainsi la dilution du métal soudé.
Cette dilution est de première importance dans la soudure de mé taux tels que la fonte, l'aluminium et certains aciers spéciaux. On a soudé un fil d'acier sur une tôle en acier doux de 6,4 mm d'épaisseur, avec bord en V incliné à 601,. L'examen d'une coupe de la soudure attaquée chimiquement a montré qu'il n'y avait pres que pas de pénétration du métal soudé dans la tôle de base.
Le chalumeau de la fig. 21 comporte un corps B présentant un alésage dont l'extrémité inférieure est filetée de manière à recevoir un porte-électrode H. Une douille C, disposée à l'intérieur du porte-élec- trode H, porte contre une butée du dessus du corps B et le porte-électrode a une surface intérieure infé rieure conique de manière à resserrer la douille C lorsque l'on visse le porte-électrode H dans le corps B.
Une bague isolante I est vissée à l'extérieur du bas du corps B et une tuyère N est vissée sur l'exté rieur de cette bague I.
Dans le corps B, se trouve une entrée 410 pour le gaz protecteur, débouchant dans une chambre an nulaire comprise entre la tête -de la douille et le des sus du porte-électrode H, le gaz descendant à l'inté rieur du support H, à l'extérieur de la douille, après quoi il passe par des fentes de la douille dans le bas du support. Le corps B comporte également une en trée 412 pour l'eau de refroidissement, à partir de laquelle des passages, non représentés, vont à une rainure annulaire 414 @du corps du chalumeau.
Le fil d'arrivée du courant de soudure passe par le tuyau souple de sortie de l'eau, à la manière habituelle.
Le porte-électrode H comporte une partie tubu laire supérieure 416 ayant sensiblement la longueur de la douille, une partie intermédiaire 418 formant collier située plus bas que le dessous du corps B et plus grande que l'alésage de celui-ci, et un bossage 420 placé en dessous du collier 418.
Des, rainures longitudinales, ménagées dans la partie tubulaire 416 et dans le collier 418, font communiquer la rai nure 414 du corps avec l'espace situé sous le corps B.
La tuyère N comporte un manchon extérieur supérieur 424 qui .est vissé sur la bague isolante I et descend en dessous de celle-ci en entourant le col- lier 418 de manière à constituer une chemise à eau 426. En dessous de cette chemise, la tuyère comporte une partie 428 à paroi épaisse présentant un alésage central ayant en haut un grand diamètre et, dans le basa un diamètre plus petit, et dans lequel est logé une garniture isolante en céramique réfractaire 430.
La garniture 430 comporte un bord supérieur 432 entourant le bossage 420 du porte-électrode et une partie inférieure 434, formant manchon, ayant sen siblement le même diamètre intérieur que le bos sage 420 et dans l'alignement de celui-ci.
La chemise 426 est fermée par une garniture compressible 436, montée sur un épaulement annu- laire du haut de la partie épaisse 428 et cette gar- niture 436 s'étend intérieurement sur le haut du bord 432. La garniture 436 est comprimée contre le bas du collier 418 lorsque le manchon 424 est vissé sur la bague isolante I.
La partie 428 est munie d'un support 438 ayant un alésage dans l'alignement de ceux du bossage 420 et du manchon en céramique 430. Cet alésage du support 438 est élargi de manière à recevoir une pièce amovible 440, conductrice de l'électricité. Cette pièce 440 comporte une partie supérieure tubulaire et une partie inférieure conique se terminant par une tête 442.
Dans la partie à paroi épaisse 428 sont forés des passages 444 partant de la chemise 426, et le sup port 438 contient des passages 446 qui correspondent avec les passages 444 lorsque le support 438 est fixé sur la partie 428 à paroi épaisse, par exemple à l'aide d'une soudure à l'argent. Ces passages 446 commu niquent avec une chemise 448 ménagée entre la par tie conique de la pièce 440 et l'intérieur de l'alésage du support 438.
Un écrou 450 de retenue de la pièce 440 est vissé sur l'extérieur du support 438. Cet écrou com porte un bord rabattu venant se placer sous la tête 442. L'alésage du support 438 comporte une rainure dans laquelle se loge une bague d'étanchéité 451 à travers laquelle passe 3a partie supérieure tubulaire de la pièce 440 lorsque celle-ci pénètre dans l'alésage. Une garniture 452 est comprimée contre le dessous du support 438 par la tête 442 lorsque l'on serre l'écrou 450.
Le bord extérieur de l'écrou est muni d'une bague 454 en matière isolante pour éviter qu'il se forme un arc de là à la pièce à travailler.
Une bague d'arrivée de courant 456 en une ma tière conductrice est serrée entre le manchon 424 et la bague isolante I et elle porte une tige de liaison pour y brancher un conducteur 458 pour un courant de démarrage à haute fréquence. Grâce à la garni- ture en céramique 430, les parties. 424 et 428 sont isolées du porte-électrode H et un arc pilote s'établit entre la pièce 440 et la pointe de l'électrode E, l'arc principal s'établissant entre l'électrode E et la pièce.
Dans une variante, le conducteur connecté à la pièce 440 peut "être relié à un circuit d'arc principal ne comportant pas la pièce à travailler, l'arc de tra vail. s'établissant entre l'électrode E et la pièce 440. Quoique, dans ces conditions, l'arc passe par le passage rétréci de la pièce 440 sous l'action de la force du courant gazeux seul, il se forme cependant un jet caractéristique, de forte intensité thermique.
L'extérieur de la tuyère N est recouvert d'une gaine 460 en caoutchouc :souple qui recouvre la ba gue 456 et qui peut être soulevée en la roulant pour accéder à l'écrou 450 pour remplacer la pièce 440.
Pour des travaux de coupage, perçage, gougeage ou entaillage, on a trouvé qu'il était particulièrement avantageux d'utiliser un courant de gaz contenant au moins 1 % d'hydrogène.
Si on le désire, la pièce à travailler peut être dans le circuit de l'arc et le jet de gaz chaud peut avancer par rapport à la pièce afin de faire fondre progres sivement le métal et faire une entaille dans celui-ci suivant un tracé désiré. L'hydrogène présente l'avan tage de réduire sensiblement la formation de crasses, en améliorant la qualité des surfaces ainsi découpées et en augmentant également l'efficacité et la vitesse de l'opération de coupe.
De plus, on peut faciliter thermochimiquement l'enlèvement du métal en faisant arriver un courant distinct de fluide contenant une poudre adjuvante dans le jet à l'endroit le plus efficace dans ce but. De même, on peut enlever une crasse résiduelle en ap pliquant un jet d'un fluide approprié auxiliaire, une flamme ou un arc contre cette crasse pendant qu'elle est encore à l'état fondu.
Comme on le voit sur la fig. 22, un gaz arrive sous pression d'une source 510 par un tuyau d'ali mentation 511 contenant une soupape 512 et un ré gulateur de pression 514 et passe dans une conduite 515 allant au chalumeau 516. De l'hydrogène arrive de même d'une source 510' à la conduite 515 par un tuyau 517 contenant une soupape 518 et un régula teur de pression<B>519.</B> Le chalumeau 516 est analogue à celui de coupe déjà décrit et produit un jet de gaz chaud 509 à grande vitesse. Ce jet 509 est appliqué sur la pièce 520, par exemple une tôle, reliée à un côté de la source de puissance 521, telle qu'un géné rateur, par un fil 522.
L'autre côté de la source 521 est relié à l'électrode du chalumeau par un fil 523. Le chalumeau 516 est porté par un chariot automo teur 524,à vitesse réglée, circulant sur une voie 525 dans le sens de la coupe à faire, parallèlement au- dessus de la tôle.
En fonctionnement, le jet 509 sort du chalumeau 516 et le chariot circule dans le sens voulu de ma nière que ce jet sectionne la tôle, comme le montre la fig. 22.
Pour obtenir des coupes de bonne qualité avec le procédé de coupe au chalumeau à arc, il est es sentiel d'ajouter de l'hydrogène à l'atmosphère pro tectrice. L'addition de 1 % d'hydrogène à l'argon ou à l'hélium améliore la qualité des parois de la coupe par rapport à ce que l'on obtient normalement en utilisant seulement l'argon ou l'hélium. L'améliora tion de la qualité augmente jusqu'à ce que l'on ait ajouté environ 35 ()/o d'hydrogène à l'argon.
Au-des sus de ce pourcentage, la qualité reste sensiblement constante pourvu que l'on augmente la vitesse d'écou lement du gaz arrivant au chalumeau en proportion du changement de la concentration en hydrogène, puisque l'hydrogène est un gaz très léger. Aussi, pour obtenir des coupes de bonne qualité en utilisant de fortes concentrations en hydrogène, il est bon d'utiliser au moins deux fois la vitesse d'écoulement du gaz utilisé avec de plus faibles concentrations en hydrogène.
Cette augmentation de la qualité ressort des fig. 23 et 24. La fig. 23 représente la paroi d'une coupe faite dans une tôle d'aluminium de 19 mm d'épais seur ayant un aspect brut, oxydé, avec une croûte 527, que l'on a coupée en utilisant de l'argon seul. La fig. 24 représente une tôle 528 faite de la même matière ayant une surface lisse et brillante avec des coins nets et sans croûte, la coupe ayant été faite avec un mélange de 65 0/o d'argon et 35 0/o d'hydro gène.
La qualité de la paroi de la coupe est très pro bablement due à ce que l'hydrogène est un gaz ré ducteur, empêchant ainsi l'oxygène de venir au con tact de la surface fondue. Ainsi, l'adjonction de 1 à 100 0/o d'hydrogène au gaz inerte améliore beaucoup la qualité de la coupe, le maximum de la qualité étant obtenu en utilisant environ 35 0/o d'hydrogène.
L'hydrogène présente encore l'avantage de don ner un arc à tension relativement élevée. Ceci tient à ce que l'hydrogène a une résistance électrique élevée. Dans ce procédé, il est bon d'avoir une tension éle vée, en particulier dans la coupe de tôles épaisses, afin d'obliger le jet de coupe à pénétrer dans toute l'épaisseur de la plaque en donnant en même temps une coupe d'excellente qualité. L'utilisation de ten sions élevées permet en même temps d'avoir des am- pérages plus faibles pour obtenir l'apport de cha leur nécessaire. La tension de l'arc augmente lorsque la teneur en hydrogène de l'atmosphère de l'arc aug mente.
Plus la concentration en hydrogène est élevée, plus la tension est élevée. Egalement, à ampérage constant, il est possible de couper la pièce à de gran des vitesses en utilisant de l'hydrogène, puisque l'ap port de chaleur à la pièce augmente proportionnelle ment avec la tension.
En ajoutant 35 0/o d'hydrogène à un gaz inerte, une source d'alimentation fournissant en circuit ou vert une tension de 80 volts est satisfaisante, tandis qu'en utilisant 100 0/o d'hydrogène il faut une source d'au moins 160 volts. La tension nécessaire en cir cuit ouvert est directement proportionnelle à la te neur en hydrogène de l'atmosphère.
Si l'on n'a pas la tension en circuit ouvert nécessaire, l'arc ne peut s'amorcer puisque la courbe caractéristique courant- tension de l'arc ne coupe pas la courbe caractéris tique courant-tension de la source de puissance.
L'addition d'hydrogène présente encore l'avantage d'éviter la formation d'un arc double, c'est-à-dire de deux arcs indépendants au travers de la tuyère. Lors que cela arrive, la tuyère est endommagée ou détruite. Etant donné que l'hydrogène a une résistance élec trique très élevée, il forme une couche isolante en tre l'arc qui sort et l'intérieur de l'orifice de la tuyère. Cette couche isolante retarde la tendance qu'a l'arc de sauter de l'électrode en tungstène ou en cuivre sur la tuyère et delà sur la plaque de base.
Le procédé présente encore l'avantage de briser la molécule d'hydrogène. Ce phénomène de rupture donne une vitesse élevée aux particules de gaz, ce qui enlève le métal fondu et la crasse des parois de la coupe et améliore le transfert de la chaleur.
Plus le gaz utilisé est léger, plus grande est la vitesse que l'on peut obtenir. Par suite, étant donné que l'hydrogène monoatomique est le gaz le plus lé ger connu, il donne une vitesse extrêmement grande d'écoulement du jet avec en même temps une inten sité de chaleur élevée qui fond et enlève le métal de la coupe et nettoie mécaniquement les parois de la coupe.
Les atmosphères recommandées consistent en un mélange de 80 0/o d'argon et 20 0/o d'hydrogène pour la coupe à la main et de 65 0/o d'argon et 35 0/o d'hydrogène pour la coupe à la machine. L'utilisation de ces mélanges est basée sur une tension en circuit ouvert limitée à un maximum de 100 volts. Le plus faible de ces deux pourcentages d'addition d'hydro gène :est recommandé de façon à réduire au minimum la longueur critique de l'arc, en permettant ainsi à l'opérateur de modifier 1a longueur de l'arc.
Si l'on utilise une tension en circuit ouvert d'au moins 160 volts, on peut utiliser de façon satisfaisante de l'hy drogène pur.
L'exemple ci-dessous montre l'amélioration du transfert de chaleur à la pièce lorsque l'on ajoute de l'hydrogène :en quantité appréciable à l'argon. On a utilisé de la manière suivante un chalumeau à are avec une électrode en tungstène de 3,2 mm de dia mètre, distante de 9,6 mm du bord d'une tuyère en cuivre refroidie par l'eau ayant une ouverture de 3,2 mm avec une conicité de 12o ;
on a utilisé un écoulement d'argon de 0,28-0,57-1,14 et 1,70 m3/hr respectivement, avec un courant continu de 140, 260, 185 et 170 ampères sous des tensions variant de 30 à 50 volts, cet écoulement traversant la tuyère et arrivant sur une tôle de cuivre froide épaisse de 1,9 cm. Il en est résulté une certaine décoloration et seulement une légère fusion occasionnelle de la sur face de la tôle en cuivre.
On a continué ces essais en ajoutant de l'hydro gène à l'argon. On a trouvé que l'arc du chalumeau soumis à une tension en circuit ouvert de 100 volts ne pouvait être amorcé et ensuite entretenu que si l'on établissait d'abord l'arc dans l'argon en mélange au plus avec une faible quantité d'hydrogène. Il a été ensuite possible d'augmenter la quantité d'hydro gène jusqu'à 25 à 30 0/o et de maintenir l'arc avec la pièce. D'après ces essais, on a conclu que de l'hydro gène pur dans un chalumeau de ce genre peut néces siter une tension d'environ 150 volts.
En augmentant la teneur en hydrogène, on a augmenté aussi la pro fondeur de fusion du cuivre. Avec une teneur en hydrogène de 25 0/o dans l'argon avec un écoulement total de 2,12 m3/hr dans le chalumeau et avec 200 ampères et 78 volts continus, on a fait une rainure de 2,5 mm de profondeur et de 3,8 mm de large dans le cuivre avec une vitesse de déplacement de 76,2 cm/min. Le métal enlevé a été chassé du tracé par la grande vitesse du jet.
On a utilisé également un chalumeau à arc avec comme électrode une baguette de tungstène de 4,8 mm de diamètre en retrait de 8,0 mm dans le passage d'une tuyère en cuivre refroidie par l'eau et ayant 3,2 mm de diamètre et 1,6 mm de long, avec 1,92 m3/hr d'un mélange comprenant 40 0/o d'hydro gène et 60 0/o d'argon, un courant continu de 165 ampères sous 102 volts, pour couper une tore aacier inoxydable de 2,54 cm d'épaisseur à une vitesse de 59,7 cm/min.
On a utilisé un autre chalumeau à arc contenant une électrode faite d'une baguette de tungstène de 3,2 mm de diamètre en retrait de 6,4 mm à partir de la face extrême d'une tuyère en cuivre refroidie par de l'eau et comprenant une pièce rapportée en tungstène avec un trou d'environ 2,4 mm de long et de 2 mm de diamètre, en utilisant 4,02 m3/hr d'hy drogène, une pression de 1,09 kg/em2 au-dessus de la pression atmosphérique avec du courant continu à<B>215</B> ampères sous 93 volts, allant de la cathode constituée par la baguette en tungstène à la tuyère.
Le jet d'hydrogène sortant de l'arc par la tuyère a coupé de l'aluminium de 2,54 cm d'épaisseur à rai son de 63,5 cm/min, en donnant une coupe à paroi droite de qualité supérieure. Le même chalumeau que ci-dessus, sauf que la pièce rapportée constituant la tuyère en tungstène avait un orifice de 6,4 cm de long et 1,6 mm de dia mètre a été utilisé avec 2,83 m3/hr d'hydrogène, une pression de<B>1,62</B> kg/cm2 au-dessus de la pression atmosphérique et un courant continu de 170 am pères sous 84 volts, en donnant un jet d'hydrogène qui a coupé une tôle en acier inoxydable de 2,
54 cm d'épaisseur à raison de 15,2 cm/min. La coupe avait des bords sensiblement d'équerre et les surfaces de la coupe étaient remarquablement lisses. Le tableau ci-dessous indique les vitesses de coupe à la machine obtenues pour des tôles d'alumi- nium de diverses épaisseurs, avec une source d'ali mentation présentant une tension en circuit ouvert de 100 volts.
EMI0012.0017
Epaisseur <SEP> Vitesse <SEP> Ampères <SEP> Volts <SEP> Vitesse <SEP> du <SEP> gaz
<tb> mm <SEP> cm/min <SEP> ms/hr
<tb> 6,4 <SEP> 762 <SEP> 320 <SEP> 70 <SEP> 1,41
<tb> 12,7 <SEP> 318 <SEP> 320 <SEP> 75 <SEP> 1,70
<tb> 19,0 <SEP> 190 <SEP> 320 <SEP> 77 <SEP> 1,98
<tb> 25,4 <SEP> 127 <SEP> 320 <SEP> 80 <SEP> 1,98 Dans tous les cas le gaz utilisé était un mélange de 65 0/o d'argon et 35 0/o 'hydrogène.
La vitesse et la qualité de la coupe à la main va rient suivant l'habileté de l'opérateur avec une vi tesse moyenne d'environ 152 cm/min sur une tôle d'aluminium de 1,27 cm d'épaisseur. Dans la coupe à la main, on a utilisé un gaz contenant 20 0/o d'hy drogène et 80 0/o d'argon.
Dans les essais ci-dessous, on a utilisé l'appareil de coupe au chalumeau à arc représenté à la fig. 22. La différence de technique par rapport à la coupe consistait uniquement dans le basculement du cha lumeau de l'angle droit à un angle d'avance d'envi- ron 450 avec la surface de l'ouvrage. On a ainsi uti lisé l'appareil pour gouger, entailler, supprimer un joint et travailler la surface d'une pièce de métal. La profondeur obtenue en entaillant ou Bougeant est commandée d'abord par la vitesse d'avance, l'obli quité du chalumeau, l'ampérage et la vitesse d'écou lement du gaz.
Une augmentation de la vitesse d'avance donne une diminution de la profondeur de l'entaille. Une augmentation de l'ampérage donne une augmentation de la profondeur. L'inclinaison du chalumeau et la vitesse du gaz déterminent la qualité ainsi .que la profondeur de l'entaille. La largeur de l'entaille est surtout déterminée par la forme de l'ori fice. Dans le travail ci-dessus, on n'a utilisé que des orifices ronds. Toutefois, des orifices elliptiques ou en forme de fente peuvent être avantageux dans cer tains cas.
On peut utiliser dans ce procédé différents gaz en combinaison avec l'hydrogène, par exemple l'ar gon, l'hélium, l'azote, l'oxygène et différents mélanges de ces gaz. Les rainures de la meilleure qualité ont été obtenues avec un mélange de 35 0/o d'hydrogène et 65 0/o d'argon. On a maintenu constante la vitesse du gaz à 1,98 m3/hr avec une pression de 1,41 kg/cm2 au-dessus de la pression atmosphérique. Très proba blement, on aurait pu obtenir de plus grandes vites ses et des entailles plus profondes en utilisant des pressions plus élevées et de plus grandes vitesses du gaz.
On peut effectuer l'opération à la main ou méca niquement en obtenant la même qualité. En outre, le procédé donne des résultats satisfaisants sur des ma tières froides ou chaudes, l'utilisation de matières chaudes demandant une plus grande vitesse d'avance. Etant donné qu'il s'agit d'un procédé produisant une fusion, on pou entailler n'importe quel métal. La vi tesse d'avance dépend du point de fusion et de la con- ductibilité thermique du métal à traiter.
On peut effectuer des entailles en une seule passe, ou en plusieurs, avec une même facilité. On peur uti liser plusieurs chalumeaux si l'on désire avoir des entailles larges. On a utilisé des jets de gaz auxiliaires pour faci liter l'enlèvement du métal des entailles. Ces gaz peu vent être de l'air, de l'oxygène, de l'azote, de l'hydro gène, de l'argon ou de l'hélium, suivant la qualité désirée. Le tableau ci-dessous donne plusieurs exemples d'entailles que l'on peut obtenir, la vitesse du gaz étant de 1,98 m3/hr et le chalumeau étant incliné à 50,) sur l'horizontale. La pièce était de l'aluminium d'une épaisseur de 6,4 mm.
Les dimensions des entailles varièrent entre une largeur de 3,2 mm et une profondeur de 0,5 mm pour les vitesses les plus élevées (entailles Nos 7 et 8) et une largeur de 7,9 mm sur une profondeur de 4,8 mm pour la vitesse la plus lente (entaille No 9).
EMI0013.0000
Courant <SEP> Tension <SEP> Vitesse
<tb> Entaille <SEP> Na <SEP> (amp.) <SEP> (volts) <SEP> (../min)
<tb> 1 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 267
<tb> 2 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 330
<tb> 3 <SEP> 145 <SEP> 63 <SEP> 368
<tb> 4 <SEP> 140 <SEP> 63 <SEP> 457
<tb> 5 <SEP> 140 <SEP> 63 <SEP> 508
<tb> 6 <SEP> 140 <SEP> 60 <SEP> 572
<tb> 7 <SEP> 130 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 8 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 9 <SEP> 120 <SEP> 70 <SEP> 216 Le perçage de trous constitue une opération dif férente. Il implique l'utilisation d'un chalumeau fixe au lieu d'être mobile. La forme du trou est surtout commandée par la forme de l'orifice.
On peut percer une tôle de même épaisseur que celle que l'on peut couper. L'ampérage, la vitesse du gaz et le diamètre de l'orifice doivent être tels que l'on obtienne une coupe complète de la tôle. Le dia mètre du trou percé est commandé par la dimension et la forme de l'orifice.
En plus de l'hydrogène, on peut utiliser pour l'opération de perçage les gaz suivants : argon, hé lium, azote et tous les mélanges de ces gaz. Toutefois, les mélanges d'argon et d'hydrogène donnent les meilleurs résultats.
Le tableau ci-dessous donne plusieurs exemples de trous percés dans les conditions indiquées en uti lisant une vitesse de gaz de 1,98 m3/hr.
EMI0013.0008
Tôle <SEP> Diamètre <SEP> du <SEP> trou
<tb> d'aluminium <SEP> Voltage <SEP> Ampérage <SEP> en <SEP> haut <SEP> en <SEP> bas
<tb> (mm) <SEP> (mm) <SEP> (mm)
<tb> 25 <SEP> 240 <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 4,8
<tb> 19 <SEP> 260 <SEP> 70 <SEP> 9,5 <SEP> 6,4
<tb> 19 <SEP> 220 <SEP> 70 <SEP> 9,5 <SEP> 19 <SEP> 200 <SEP> 70 <SEP> 9,5 <SEP> 3,2
<tb> 19 <SEP> 340 <SEP> 70 <SEP> 12 <SEP> 6,4
<tb> 13 <SEP> 180 <SEP> - <SEP> 9,5 <SEP> 3,2
<tb> 13. <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 9,5 <SEP> 3,2
<tb> 13 <SEP> 120 <SEP> - <SEP> 9,5 <SEP> 6,4 <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 8,0 <SEP> 4,8
<tb> 6,4 <SEP> 80 <SEP> - <SEP> 8,0 <SEP> 3,2
Method for working by melting a part by means of an electric arc and apparatus for its implementation The present invention relates to a method for working by melting a part by means of an electric arc and an apparatus for its implementation. This process makes it possible, for example, to weld: and cut metal bodies.
It was already known that an arc formed between two electrodes can be lengthened and intensified by means of a current of air or other gas and that the flame thus produced can be used satisfactorily to melt localized parts of a gas. metal body. However, for many applications, especially for welding and cutting, a more stable and concentrated heat source is required than the flames that have been achieved so far with an arc.
Consequently, the object of the invention is to provide a method using a jet of high calorific intensity, which can be shaped and directed effectively so as to adapt it to the particular application envisaged.
The method according to the invention is characterized in that an arc is passed, formed between a non-consumable electrode arranged axially in a nozzle and a member constituting a second electrode, with a gas stream through a passage of said nozzle arranged so as to produce a narrowing of said arc, so that the tension per unit length of the arc thus narrowed is greater than that of an unstressed arc,
carrying the same quantity of: current, produced outside a nozzle whose passage section is equal to the section of said pitch, and protected by a current of gas of the same composition and flowing through this nozzle at the same speed, and in that the jet formed by the arc and the gas leaving said wise step is directed against the part.
The apparatus which is the subject of the invention, for the implementation of this method, is characterized in that it comprises an arc torch containing a non-consumable rod-shaped electrode disposed axially in a nozzle having a passage arranged to conduct a current of gas and to produce a narrowing of an arc formed through this passage <RTI
ID = "0001.0046"> between this non-consumable electrode and a member constituting a second electrode, the area of the smallest cross section, of said pitch being less than the area of the cross section of a similar, but not shrunk, measured at the same distance from the end of the non-consumable electrode.
The part of the arc, included between the outlet of the nozzle and the part, has a well-defined initial direction;
it is rigid: and persistent. This fixity of the direction of this part constitutes a big improvement on what existed previously. However, the rigidity of the arc also depends on the flow of gas entering the nozzle.
An adjustable quantity of gas can be fed into the orifice of the nozzle and adjusted to control the stiffness and force of the jet. All gas passes through the arc and is therefore heated to the temperature of the arc. While transferring this heat to the room, this gas is used to cool the nozzle.
In addition, as the velocity of the gas exiting the nozzle at a given pressure increases with temperature and since the temperature of the arc is very high, the velocity of the gas in the nozzle at a given pressure can be increased. exceptionally high. These high gas velocities are useful in many applications because of the dynamic force they impart to the jet.
This high speed jet, when used for cutting certain metals, results in higher speeds, cutting qualities and economy than previous arc cutting processes. The appended drawings illustrate, by way of examples, implementations of the method according to the invention.
Fig. 1 is a perspective view of an apparatus in which the primary electrodes: are the workpiece and a rod; fig. 2 is a section of a variant; fig. 3 is a side elevational view of an inert gas shielded, unshrunked arc of a type commonly used heretofore; fig. 4 is a diagram containing three curves corresponding to different distances from the electrode of FIG. 3, in which the diameter of the arc is given as a function of the current flowing in the arc;
fig. 5 is a view showing an apparatus comprising an arc torch, certain parts being shown in vertical longitudinal section; fig. 6 is a view similar to FIG. 5 representing an apparatus comprising another type of arc torch;
fig. 7 is a similar view showing a variant comprising a torch with electrode cooled by water and operating with direct current of reverse polarity; FIG. 8 is a similar view showing a variant with a fan-shaped arch; fig. 9 is a section taken along line 9-9 of FIG. 8; fig. 10 is a vertical detail section, lengthwise, of a variant with a divided arch; fig. 11 is a section taken along line 11-11 of FIG. 10;
figs. 12 to 15 are diagrams showing various operating characteristics; fig. 16 is a vertical section through a torch according to another variant; fig. 17 is a perspective view of another variant in which the electrodes between which the arc springs are a refractory metal rod and a non-consumable ring;
fig. 18 is a perspective view of another variant using four electrodes consisting respectively of a rod, a nozzle, a ring and the part; fig. 19 is a vertical section showing a variant with three electrodes; fig. 20 is a diagram of an apparatus comprising a device for advancing a fusible electrode in the jet of hot gas issuing from the torch; fig. 21 is a vertical section of an arc torch;
fig. 22 is a side elevational view of a sheet metal cutting apparatus; fig. 23 is a view of the wall of a section made using a stream of argon with Pare; fig. 24 is a similar view of the wall of a section made by using with the arc a stream of a gas containing hydrogen.
The torches shown schematically on the fi-. 1 and 2 are supplied with a suitable gas, such as argon, helium, hydrogen, nitrogen or a mixture thereof, this gas passing in the axial direction, in an annular current , around a non-consumable primary electrode 10, then in a nozzle 12 comprising an internal passage 13 in which the flow takes place, either by suction caused by the arc itself, or by bringing this gas under pressure .
The electrode 10 is a rod, the tip of which is situated on the axis of the nozzle 12 and in the vicinity of its end. The other primary electrode is formed by the metal part to be worked on, such as a sheet 14. The nozzle 12 can itself serve as a secondary electrode, as will be seen below.
In all cases, the primary electrodes are connected to a source of direct or alternating electric current by conductors 20 and 22. An extremely hot arc 24 comes out of the nozzle 12 of the torch.
In all cases, the passage 13 of the nozzle shaped laterally directs and narrows the column of the arc. This conformation and this narrowing of the arc column through the passage 13 of the nozzle produces various interesting effects. The voltage per unit arc length can be significantly increased, thus developing more power in the arc flow for a given current.
It has been found, for example, that while the voltage per unit arc length in an unstressed forward arc can be 3.15-7.9 volts per cm in argon, for a current d arc of 200 amperes, the values. higher in.
the part of the column which is very close to the electrodes, the voltage in a narrow arc and in argon can be about 11.8 volts per cm in a nozzle having 6.3 mm internal diameter, of 39.4 volts per cm in a 3.2 mm inner diameter nozzle and 69.0 to 79.0 volts per cm in a 1.98 mm inner diameter nozzle.
Table 1 below shows the greatest tension per unit arc length that can be obtained, in comparison with welds made according to the prior processes, using a cylindrical nozzle having the geometric shape shown in the figure. fig. 5 which will be described in detail below, on a stainless steel at 19 0 / o Cr and 10 0 / o Ni, using direct current at 175 amperes with a welding speed <I> of </I> 25, 4 cm per minute and with argon reaching the torch.
EMI0003.0008
The nozzle 12 can be any solid material and it can be cooled, if necessary, for example with water for copper, by radiation for tungsten and with or without water for ceramic material, etc.
The dimensions of the nozzle vary a lot for different applications. The axial length of the nozzle, if the latter is conductive, should be limited so as to prevent the formation of a double arc of the nozzle electrode and the structural nozzle. An empirical criterion for stable continuous operation is that the voltage drop along a given section of the arc column, confined in a portion of the electrically continuously nozzle, must be less than the voltage which is. necessary to establish this double arc.
So, for example, if we assume, for a given case, that this latter voltage, using argon and a water-cooled copper nozzle, is about 20 volts, a nozzle of 3.2 mm internal diameter (voltage per unit arc length of 31.4 volts / cm, in argon, with a current of 160 amps) should preferably be less than 0.64 cm in length (the equivalent of the length corresponding to 20 volts). Longer nozzles can be used, but they are then either made of a non-conductive material,
or that they include electrically insulated sections when they are made of electrically conductive material.
As seen in fig. 3, an arc 26, protected by inert gas of an earlier common type, established between a rod 10 forming a cathode and a flat anode 28, has the general shape of a rounded ar cone which, when protected by an argon flow, has the dimensions noted in Figs. 3 and 4 for arcing currents between 100 and 400 am pères. The characteristic curves X, Y and Z show how the arc diameters observed respectively at 2.5 - 7.6 and 15.2 mm from cathode 10 increase with increasing arc current, in all cases. .
A nozzle having a diameter of 6.4 mm, can narrow an arc of 200 amps, so that at 15.2 mm from the tip of the electrode, for example, the cross section of the arc is about one. third of that of the arc of fig. 3.
A T arc torch (Fig. 5), suitable for welding metal, has a copper nozzle 30 having a central bore 32 in which the lower end of electrode 10 is suspended away from the interior wall and from the bottom of this wise hazard, leaving a passage for gas.
This gas flows through an elongated passage 34 which is located in alignment with the axis of this electrode. This passage 34 contains a pilot arc continuously existing between the nozzle -and the electrode when a current source S is connected thereto by means of the wires 20, 22 and 38, via a resistor 40, such that a lamp or a series of lamps.
The nozzle 30 also has an annular groove 36 in its bottom, concentric with the orifice 34, so as to direct an annular external flow enveloping 44 of an appropriate shielding gas, for example argon or CO2. , around the arc 24 and on a zone to be melted of the part 14. The pilot arc initiates a main arc 42 between the end of the electrode 10 and the part 14 when the latter is connected to a terminal of the source by a wire 48.
In this case, the nozzle is kept cold by circulating water in an annular passage 50 surrounding the bore 32.
The torch of FIG. 5 works very well when the negative pole of the source S of direct current is connected to the electrode 10 and the positive pole is connected to the wires 38 and 48 by a conductor 22. This torch works equally well when it is connected to an alternating current source.
In this case, the wire 48 is connected directly to one terminal of a source of alternating current of welding and the electrode 10 is connected to the other terminal. A DC pilot arc continuously operating at 30 amps initiates, stabilizes and maintains the main welding AC arc. This pilot arc can persist continuously, even during the operation of the main arc.
In operation, the torch T moves along a weld to be made in the part 14 and the arc 24, which is shielded from the outside air by the annular protective gas flow 44, melts a joint 51 in. the part, which, when the arc 24 moves,
cools and solidifies. A notable feature of the T torch is that the arc 24 is well directed and gives remarkably small differences in weld bead dimensions over a wide range of heights of the torch relative to the workpiece, as seen in Fig. : table I. The torch T is also suitable for welding sheet metal flanges at high speed.
A small arc torch, similar to that of FIG. 5, to weld a stainless steel sheet 0.18 mm thick, at a rate of 63.5 cm per minute, using a continuous current of 15 amps, 21.2 l / hr of argon passing through a 1.6 mm diameter central orifice and approximately 710 1 / hr of ar gon in the surrounding casing. Arc 24 was stable, easily adjustable, and it did not tend to move even for currents down to 8 amps.
In fig. 6, is shown a torch Tl, consisting of a primary electrode 10 which is mounted in the axis of a cylindrical drum 52 in the bottom of which .is a nozzle 54 having a central passage 55 into which the end penetrates. end of the electrode. The outlet of passage 55 narrows to an outlet of reduced diameter.
The annular wall of the nozzle 54 is spaced from the interior wall of the drum 52, so as to constitute an annular passage 56, closed by seals 57, for the cooling water which arrives there through an inlet 58. and comes out in 60.
Preferably, the nozzle 54 is made of copper and the electrode 10 of an alloy of tungsten and thorium. Electrode 10 is connected to the negative pole of a direct current source S, by a wire 20, while the positive pole of this source is connected to the part by wires 22 and 48.
The nozzle is also connected to the positive pole of the source by a connection 38 containing a resistor 40 limiting the amount of current to that which is sufficient to maintain a pilot arc between the primary electrode 10 and the nozzle 54 which, in this case, forms a secondary electrode (anode). A suitable gas arrives inside the drum 52.
Like the torch of FIG. 5, the torch of FIG. 6 also works well with an AC source of solder.
Arc 24 exiting the torch T1 is well directed over a length of up to 3.8 cm <B>; </B> it is excessively stable. Results of experiments carried out with the torch T1 gave:
with a 200 amp arc, a nozzle 1.27 cm long and 4 mm inner diameter, 566 1 / hr of argon, the voltage per cm of arc length is 38 volts, the calculated speed of the discharge is about 305 m per second and the heat applied to the part is 5.2 kw. We can compare this with the voltage per cm of the arc operating with argon and not shrunk as is current, voltage which is 19 volts;
with the same arc length, the heat applied to the workpiece is 2.7 kw. An approximate calculation of the relative powers applied per unit area on the part for these examples shows that the torch described is ten times more advantageous. Any gas which has no detrimental effect on the electrodes can be used.
At higher gas flow velocities (8491 / hr or more for a 3.2mm ID nozzle, for example), arc 24 cuts metal more powerfully. With a 3.2 mm internal diameter nozzle, 2264 1 / hr of argon and 200 amps for the arc current, for example, the arc can cut, by melting a 9 aluminum plate, 6 mm thick at a travel speed of about 203 cm / min.
Other examples, shown in Table II below, show some sheet cutting speeds obtained for different metals, using direct current of direct polarity and a 3.2mm ID nozzle.
EMI0004.0093
<I> TABLE <SEP> 11 </I>
<tb> Voltage
<tb> Material <SEP> Thickness <SEP> Speed <SEP> Current <SEP> by <SEP> unit <SEP> Argon
<tb> (sheet metal) <SEP> mm <SEP> cm / min. <SEP> <SEP> <SEP> amps <SEP> length 1 / hr
<tb> volts / cm
<tb> Aluminum <SEP> .. <SEP> 6.4 <SEP> 366 <SEP> 340 <SEP> 56 <SEP> 3120
<tb> Aluminum <SEP> .. <SEP> 12.7 <SEP> 178 <SEP> 380 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Aluminum <SEP> ..
<SEP> 19.8 <SEP> 76 <SEP> 260 <SEP> 64 <SEP> 2830
<tb> Aluminum <SEP> .. <SEP> 25.4 <SEP> 38 <SEP> 260 <SEP> 75 <SEP> 3120
<tb> Brass <SEP> <B> ...... </B> <SEP> 6.4 <SEP> 254 <SEP> 280 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Brass <SEP> <B> ...... </B> <SEP> 12.7 <SEP> 76 <SEP> 270 <SEP> 69 <SEP> 3120
<tb> Copper <SEP> <B> .... </B> <SEP>. <SEP>. <SEP> 6.4 <SEP> 114 <SEP> 340 <SEP> 66 <SEP> 3120
<tb> Magnesium <SEP>. <SEP>. <SEP> 6.4 <SEP> 366 <SEP> 250 <SEP> 54 <SEP> 3120
<tb> Magnesium <SEP>. <SEP> 19.8 <SEP> 279 <SEP> 460 <SEP> 60 <SEP> 3120 Fig. 7 shows a variant comprising an arc torch T2 provided with an anode 76 cooled by a liquid and which is connected to the positive terminal of a direct current source S by a wire 78.
A nozzle 80, forming a bowl, is connected so as to constitute a secondary cathode by being connected to the negative terminal of the source by a connection 82 containing a resistor 84. Part W is also connected to the negative terminal by a wire. 86. The anode 76 is of a suitable metal such as copper and has an elongated axial bore 88 in which is mounted a cooling water inlet pipe 90 which terminates just above the bottom of the bore. and which is spaced from the inner wall of the bore to form an annular outlet passage for the cooling water.
The foot of the arc formed by the bottom of the anode 76 is rounded and is spaced from an internal surface of the same shape of the nozzle 80, which provides a passage 92 through which argon, for example , goes to a hole 94 located in the bottom of the cuvette, in line with the tip of the anode. The nozzle 80 has an annular cavity 9.6 which is closed by means of a sleeve 98 and sealing rings 100 and which constitutes an annular passage for a cooling liquid in which water arrives at 102 and exits at 104 .
The arc 24 given by the torch T2 when a direct current of 240 amperes for example, arrives by the wire 86, under a potential of 50 volts between the anode 76 and the part W, was used to cut a sheet of metal. 'aluminum W 2.54 cm thick, at a rate of 12.7 cm / min, leaving a notch 9.5 mm wide. In this case, 80, 849 1 / hr of argon was sent to the cuvette and the anode 76 was continuously energized to give a pilot arc between the primary anode and the secondary cathode cuvette which worked very well for establish a main arc between the primary electrodes 76 and W.
The cup 80 and the anode 76 are preferably made of copper, but tungsten or any other suitable metal can be used.
The nozzle can be shaped so as to obtain an arc flattened or divided into two parts, at will, as can be seen, for example, in FIGS. 8 and 10. Figs. 8 and 9 show how a fan-shaped V-arc is obtained by providing a di vergent passage <B> 115 </B> with a flattened cross section in a nozzle 116 cooled by water, when the gas velocity is sufficiently high, 283 1 / hr of argon, for example, flowing through a nozzle outlet of 2.5 x 9.5 mm.
In this case, the arc is stable, the argon arriving in the annular space 118 between the electrode 10 and the wall of an axial passage of the nozzle.
In the case of fig. 10, the arc is divided into two parts by means of a nozzle 125 having two diverging arc passages. 126 and 128 starting from a common passage 130 containing the electrode 10. This gives stable arcs 122 and 124 suitable for many applications, for example welding and cutting, since the passages 126 and 128 can be given any shape and direction desired. Any number of arcs can be provided.
The total heat supplied by the arc to a part comes from the part of the arc contained in the nozzle and from the arc column between the part and the nozzle. During operation with argon, for zero gas flow, there is practically no heating of the nozzle by the arc which leaves it, the heat transmitted to the nozzle being for the most part. part evacuated by the cooling water of the nozzle.
For example, using direct current, and a nozzle 6.4 mm internal diameter and 9.5 mm long, the waste heat -on the nozzle continuously decreases until it reaches a minimum of about 40 0 / o of the heat produced by the arc when the flow of argon increases to 566 1 / hr. This:
means that with 5661 / hr, roughly 60 0 / o of the heat produced by the arc, inside the nozzle, is contained in and leaves with the hot argon exiting the nozzle. This heat, in turn, is brought by the arc to the workpiece with efficiencies greater than 70 0 / o for distances from the nozzle to the workpiece of 3.2 to 6.4 mm.
Table III gives an approximate picture of this phenomenon, using voltages as convenient measures of energy, under 200 amps (direct current) based on the fact that with constant current the energy in watts consumed in any two points is directly proportional to the tension between these points.
A cylindrical nozzle 6.4 mm inside diameter and 9.5 mm long and 6.4 mm long was used for the outer arc, an internally cooled copper bar serving as the outer arc. anode. In this table, the volts produced were determined as follows. With the nozzle at a distance of 6.4mm from the anode, voltage was applied to produce an arc current of 200 amps.
Then the position of the rod in the nozzle was modified and the voltage required to maintain the current at 200 amperes was measured. These measurements made it possible to determine the electric field in the nozzle.
Knowing the electric field and the normal spacing between the anode and the end of the nozzle, the volts produced in the nozzle were determined with normal electrode spacing. Likewise,
voltage measurements between the electrodes for different positions of the nozzle with respect to the anode while maintaining the rod electrode in its normal position in the nozzle gave the electric field outside the nozzle to determine volts produced outside the normally spaced nozzle. By subtracting the sum of the volts produced inside and outside the nozzle from the voltage of 24 volts applied,
a difference of 7 volts has been obtained which must be attributed to the charge in space produced by the electrons near the anode.
However, of the energies available in the jet, only a certain proportion is supplied to the part, as shown by the table columns titled volts supplied to the part. The energy supplied to the part by the jet is a function of the difference between the heat developed by the arc in the nozzle and the heat transmitted to the cooling fluid used to keep the temperature of the nozzle constant.
All the energy contained in the space charge is transmitted to the room in the form of heat. The efficiency indicated in the table re presents the quantitative proportion of the heat applied to the room; it was obtained by dividing the amount of energy supplied to the part by the total energy contained in the jet.
EMI0006.0014
<I> TABLE <SEP> 111 </I>
<tb> Argon <SEP> flow <SEP> null <SEP> Argon <SEP> flow. <SEP> 566 <SEP> 1 / hr
<tb> Volts <SEP> Volts <SEP> provided <SEP> Volts <SEP> Volts <SEP> provided
<tb> products <SEP> to <SEP> the <SEP> part <SEP> products <SEP> to <SEP> the <SEP> part
<tb> Body <SEP> of <SEP> the arc <SEP> in <SEP> the <SEP> nozzle <SEP> <B> ......... </B> <SEP>. <SEP> 12 <SEP> 0 <SEP> 16 <SEP> 8
<tb> Body <SEP> of <SEP> the arc <SEP> to <SEP> outside <SEP> of <SEP> the <SEP> nozzle <SEP> - <SEP> 5 <SEP> 2 <SEP > 6 <SEP> 5
<tb> Load <SEP> of space <SEP> <B> ------ <SEP> --- </B> <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP>. <SEP> <B> ------- </B> <SEP>. <SEP> 7 <SEP> 7 <SEP> 7 <SEP> 7
<tb> Total <SEP> .. <B> .... </B> <SEP> ... <B> ----------------- </B> <SEP> ..
<SEP> 24 <SEP> 9 <SEP> 29 <SEP> 20
<tb> Efficiency <SEP> <B> ---- <SEP> --------- <SEP> -------- <SEP> - </B> <SEP> 35% <SEP> 700 / o It can therefore be seen that with an argon flow of 5661 / hr, the heat developed in the body of the arc located inside the nozzle is of prime importance.
Referring to the graph of fig. 12 curve B represents the electric field in the nozzle as a function of the diameter of the nozzle for a nozzle of cylindrical shape. The vertical reference line C, to the left of the graph indicates the electric field in an arc in an open argon atmosphere 26 (Fig. 3). This electric field was determined by changing the space between the electrode and the workpiece and noting the voltage required between the electrode and the workpiece to maintain the current at 200 amps.
As can be seen, when the diameter of the nozzle increases (and the narrowing of the arc is less), the curve B approaches characteristic C and comes to touch it. For smaller diameters of the nozzle, the electric field is many times greater than this field C. In fig. 12, the 9.5 mm diameter orifice only moderately narrows the arc as shown by the slight increase in the field from the minimum represented by line C.
Fig. 13 shows the distribution of the power as a function of the gas flow through the torch nozzle, for a fixed electric current, direct current (cylindrical nozzle 9.5 mm long). The total electric power supplied to the torch (volts X amps), indicated by curve E, increases almost linearly at the rate of approximately 1.4 to <B> 1.75 </B> watts per dm 'of increase of gas flow. This same nozzle, operating with a lower electric current, would give a relatively flatter characteristic of the total power as a function of the gas flow.
The curve F of the power supplied to the work increases rapidly to 849 1 / hr. The nozzle power loss G curve decreases to 5661 / hr and remains at a substantially constant minimum for higher gas flows.
By way of comparison, line H is shown for the total power supplied to the torch and line 1 for the power transmitted to the work of an arc protected by argon, not shrunk, of an earlier type of same length (15.9 mm) and where the same current passes (200 am pères). The arc torch narrowed at the rate of 11321 / hr passing through the nozzle therefore gives 75% more power on the structure than does the ordinary arc protected by argon.
Curves J and K in fig. 14 show the characteristic of the voltage between the electrodes as a function of the current of an arc narrowed by a nozzle of 6.4 mm in diameter and an arc protected by the arc gon but not narrowed of the previous type, respectively . It can be seen that the increase in voltage with current, curve J, is much greater in the narrowed arc torch.
A practical consequence of this is that, as opposed to the usual non-consumable electrode torch providing an unstressed arc, the main power source, i.e. the transformer or generator supplying the described arc torch, does not It does not need to have a falling volt-amperes characteristic, in order to keep the arc current substantially constant despite small variations in arc length.
For example, with passing the arc through a nozzle 3.4mm ID and 4.8mm long, using 8491 / hr of argon and a constant voltage of 35 volts dc, the lon Arc current outside the nozzle increased from 6.4mm to 3.2mm for a current change of only 100 to 130 amps. In an unrefined arc protected by argon of the usual type, the current would change several times this quantity with the same kind of power source.
Torches of the type described were operated with He, N2 and H2 as gas and with mixtures of these gases with argon. The characteristic curves L, M and N in fig. 15 show the variations in the arc voltage between the electrodes as a function of the volume percentage of He, N2 and H 3,. in argon, for direct current of direct polarity supplied by a conventional generator.
The various variants of the arc torch described above have only one main current-passing electrode and therefore are only suitable in processes where the workpiece can be connected as a second main electrode. For applications in which it is not desirable to put the part in the solder circuit or where the part is not electrically conductive, the torch can be modified to incorporate a second main electrode, the the arc being directed against the part only by the gas pressure.
As seen in fig. 16, the arc torch comprises two electrodes 205 and 206, at a distance from each other, connected to the opposite terminals of an electric power source 207, for example a generator, so as to give an arc between these electrodes at high intensity. Electrode 205 is preferably a rod of an alloy of tungsten and thorium, while electrode 206 is preferably a tubular copper nozzle having an outlet passage 208 which is aligned with the tube. electrode 205.
The nozzle has an annular water cooling passage 209 around this orifice, so that the annular electrode is substantially non-consumable in service. A gas, such as ar gon, at a pressure of up to about 2 atm. arrives at the chamber 210 of the nozzle 206 between the electrodes, so that the arc is forced back into the orifice 208 by the gas passing through it.
The gas is ionized by the arc in this orifice, it is forced back through the orifice and it exits in the form of a column 211, very hot and similar to a jet, which retains this shape for a certain distance after exiting. through the orifice. In operation, the jet 211 arrives on a part 212 which, as seen in FIG. 16 is not in the electrical circuit.
The maximum cross section of passage 208 is less than the cross section of a natural high pressure arc for the same amount of current, so that passage 208 narrows the arc. The length of the passage 208 between its smallest cross section and the outlet does not exceed six times the smallest dimension of this passage. The flow of gas entering it forces the arc into passage 208 and causes a column like a jet of heated gas to exit at the other end of the passage. The annular electrode is preferably of a high melting point material, such as tungsten, while it is the cathode which is of such a metal when reverse polarity direct current or alternating current is used.
The variant shown schematically in FIG. 17 also uses a gas 213 such as argon which is preferably caused to flow annularly around an electrode 205 and then into a nozzle 214 having an elongated narrowing passage 215. The electrode 205 is a rod whose tip 216 forming the foot of the arc is arranged in the axis of the neighboring nozzle 214.
The other electrode 217 is annular with an orifice 218 placed in the axis of the nozzle 214, on the side opposite to the electrode 205. The electrodes 205 and 217 are connected to a source of electrical energy by conductors 219 and 219. '. The arc is thus drawn through the nozzle 214 by the electric field existing between the electrodes 205 and 217. The resulting column 220, similar to a jet of hot ionized gas exits through the end or green of the nozzle 214 then through the hole 218 in the heat.
In the variant of FIG. 18, the conductor 221 is connected to the electrode 205 and the conductor 222 to the nozzle 214, to the annular part 218 and to a part 223 forming an electrode, by means of adjustable impedances such as resistors R1, R2 and R3 respectively.
In this case, the current from nozzle 214 to electrode 205 serves to produce a pilot arc and proper adjustment of the resistors causes all or part of the column of the arc 224 to pass through port 218 and goes to room 223. This provides a simple adjustment of the amount of heat supplied to the room. In each case, the orifices through which the arc passes laterally narrow the arc 224.
The nozzle and the annular piece can be of any suitable material, such as copper or tungsten, and they can be cooled by water. However, they can be made of any other heat-conducting solid material and they can be cooled anyway.
As seen in fig. 19, the torch T4 comprises a cylindrical casing 226 on the lower end of which a bowl 228 is mounted. The bowl is electrically isolated from the casing by an annular piece 230 made of an insulating material and it comprises an internal annular passage. laughter 232 by which a refrigerant liquid such as water can be circulated between an inlet 234 and an outlet 236.
The cuvette 228 has a cylindrical-walled port 238 which is aligned with the axis of a pencil-shaped cathode 240, made of conductive refractory material, for example an alloy of tungsten and thorium. The cathode 240 is held in place in an annular body 242 of the torch, to which the shell 226 is attached.
The end 244, forming the foot of the arc, of the cathode 240 is located in the axis of a nozzle 246 having a central bore 248 whose cylindrical wall surrounds the end of this cathode 240 at a distance. leaving between them an annular passage 250 for the flow of a suitable gas, argon in this case, arriving inside the casing 226.
The nozzle 246 has an annular flange 252 at its lower end, which is screwed into the lower end of the casing 226, the seal being provided by a silicone rubber gasket 251, placed between the upper edge of this flange. and a shoulder 254 of the envelope.
The body of the nozzle is at a distance from the inner wall of the casing so as to form between them an annular chamber 256 allowing a refrigerant liquid such as water to circulate therein, which enters this chamber through an inlet. 258 and comes out 260 through the wall of the casing. The top of the chamber 256 is closed by a ring 262 placed between the nozzle and the casing.
The cathode 240 is electrically connected to the negative terminal of a current source S by a wire 264. In the case of direct current, the positive of this source S is electrically connected by a conductor 266 to the bowl 228 and to the 'Envelope 226 by a conductor in parallel 268 containing a resistor 270. The bowl is shaped so as to form an internal chamber 272 comprising a lateral entry 274 allowing the arrival of a gas.
A torch such as that of FIG. 19, with a 3.2mm diameter tungsten cathode 240, argon flow at 141.5 at 16981 / hr, 10 amps current flowing through the pilot arc circuit containing resistor 270 and a current of 300 amperes passing through the main circuit of the arc at 40 volts. ; a very hot gas jet E is thus obtained. This jet has the appearance of an oxyacetylene flame, but it can have a temperature 3 to 6 times higher and can be easily adjusted up to a length of 254 mm.
This E jet melts sapphire and zirconium oxide and is useful for heating, brazing or soldering or as a source of high intensity light.
The T4 torch can also be used for chemical reactions by introducing a second gas into chamber 272. This torch is remarkable because the arc can be adjusted by modifying the current, the composition of the gas, the speed. flow and the orifices so as to give a jet E which is hot enough to melt the tungsten.
In addition to the above mentioned applications, this torch can be effectively used for neck, pierce, cut, score, gouge and etch a workpiece simply by applying the hot gas jet to the workpiece and moving them one by one. report to each other to the extent necessary. In the case where a piece of metal is notched, for example, the hot gas jet is applied obliquely on the surface to be removed,
so as to melt and drive metal from the surface. In the case of a cut, the jet is used so as to make a size in the part by gradually melting and expelling the molten metal following the desired course, as in the case of an operation with an oxyacetylene torch.
A weld metal deposit is preferably carried out by directing the jet against an electrode formed by a fusible wire. The jet throws the molten metal supplied by the wire onto the workpiece, which is further heated by the jet to the desired temperature, as required for penetration. The surface of the structure receiving the molten metal can also, if it is electrically conductive, be linked to the power source and additionally be heated by an auxiliary arc.
Fig. 20 shows a torch 301 containing a rod 302 forming an electrode and a nozzle 303 cooled by water and having an orifice 304 in which an electric arc 305 is formed, directed on the end of a metal wire 306 to be melted. The wire 306 which is an electrode of the main arc advances continuously in the region of the arc by passing through a gun 307 under the action of a current apparatus for advancing the wire 308. A power source Electrical 309 is connected between the electrode 302 and the consumable wire by conductors 310 and 311 respectively. This power source 309 can provide direct or alternating current.
In the drawing, there is shown a direct current source, connected so as to give a negative polarity to the electrode of the heat. If desired, a pilot arc can be maintained between electrode 302 and the orifice wall by connecting nozzle 303 to source 309 through an appropriate impedance, such as resistor 312. In addition, when the pulverized material 313 is deposited on a conductive part, it is possible to establish another circuit 314 going to the part 315. This arrangement with a separate power source 316 has been shown in broken lines.
Electrode 302 is of the non-consumable type and may be an ordinary tungsten rod or a copper electrode internally cooled with water. The first type is suitable for direct current of any polarity and for alternating current. The water-cooled type is mainly suitable for direct current of reverse polarity (positive torch electrode) and can be used with more active gases than in the case of tungsten.
The material to be sprayed is conveniently supplied in the form of a wire or strip, so that it can be continuously fed into the arc and, of course, it must be electrically conductive when it constitutes one of the main electrodes of the arc, which is preferable. Aluminum, stainless steel, ordinary steel or other metals such as copper or its alloys can be used for this. In addition, other materials or fluxes can be conveniently added, as a coating on the wire or contained in the wire which is then tubular.
In this way, wear resistant materials such as carbides can be provided.
A suitable gas arrives at the torch in the annular space between the electrode 302 and the axial passage 317 of the nozzle 303, going to the orifice 304. The gas can be one of the well known protective gases (argon, helium, hydrogen, etc.) used in welding, including active gases such as chlorosilanes, if desired. <U> You can easily </U> add <U> a </U> paz p @ roteçteu, additional r <U> using </U> a <U> 'a </U> cau @ outer <U> shovel 318 </U>,
surrounding the nozzle or by performing the entire operation in a closed chamber. An arrangement with two generators, as shown, worked as follows: the current source 309 producing the arc between the torch and the wire gave a direct current with direct polarity of 195 amperes, the gas which circulated was of argon at a rate of 2831 / hr, passing through a 3.2 mm orifice 304; 1.6mm 306 stainless steel wire came in at 381 cm / min and the <B> 311 </B> wire was measured at 285 amps.
The current flowing through wire 314 going to the baseplate was 90 amps direct polarity direct current. Part 315 was a cold rolled steel sheet 6.4 mm thick, moving horizontally at a rate of 25.4 cm / min. It was not necessary to subject the plate to special preparation.
The device had the spacings below the torch nozzle to the wire 6.4 mm <B>; </B> position back from the electrode 4.8 mm, which gives 11.2 mm for the total length of the 'bow ; wire to sheet 3.14 cm.
The cross section of the deposit exhibited very low penetration. A strong layer 327 about 5.1 mm thick was formed, firmly fixed on the sheet 315 with a penetration therein of less than 0.8 mm. It was not possible to separate the deposited bead from the steel sheet.
Aluminum, stainless steel and carbon steel wires were also fed into the torch, as shown in the drawing, without the circuit 314 going from the auxiliary source to the sheet. Direct currents of 120 to 200 amps were applied between the torch and the wire, with 283 to 1115 l / hr of argon passing through a 3.2 mm orifice, giving a jet of metal from the molten wire. At appropriate distances, the sprayed metal particles were securely attached to solid surfaces, eg brick, cold rolled steel and aluminum.
A small distance from the wire to the work of about 6.4 to 12.7 mm allowed holes to be drilled in the base material, including the brick. Projected into space, the spray went horizontally to more than 3 meters. This shows that the coating can be done in any position. The arc circuits can be adjusted to achieve any degree of base metal fusion. The dilution of the welded metal is thus regulated.
This dilution is of prime importance in the welding of metals such as cast iron, aluminum and certain special steels. A steel wire was welded to a 6.4 mm thick mild steel sheet with a V-edge inclined at 601. Examination of a section of the chemically etched weld showed that there was almost no penetration of the welded metal into the base plate.
The torch of FIG. 21 comprises a body B having a bore, the lower end of which is threaded so as to receive an electrode holder H. A sleeve C, disposed inside the electrode holder H, bears against a stop on the top of the body B and the electrode holder has a tapered lower inner surface so as to tighten the sleeve C when the electrode holder H is screwed into the body B.
An insulating ring I is screwed on the outside of the bottom of the body B and a nozzle N is screwed on the outside of this ring I.
In body B, there is an inlet 410 for the protective gas, opening into an annular chamber between the head of the sleeve and the top of the electrode holder H, the gas descending inside the support H , on the outside of the socket, after which it goes through slots of the socket in the bottom of the holder. Body B also has an inlet 412 for cooling water, from which passages, not shown, go to an annular groove 414 of the torch body.
The welding current inlet wire passes through the flexible water outlet pipe in the usual manner.
The electrode holder H comprises an upper tubular part 416 having substantially the length of the sleeve, an intermediate part 418 forming a collar situated lower than the underside of the body B and larger than the bore of the latter, and a boss 420 placed below the collar 418.
Longitudinal grooves, formed in the tubular part 416 and in the collar 418, communicate the groove 414 of the body with the space located under the body B.
The nozzle N comprises an upper outer sleeve 424 which is screwed onto the insulating ring I and descends below the latter, surrounding the collar 418 so as to constitute a water jacket 426. Below this jacket, the The nozzle has a thick-walled portion 428 having a central bore having a large diameter at the top and a smaller diameter at the bottom, and in which is housed a refractory ceramic insulating lining 430.
The gasket 430 has an upper edge 432 surrounding the boss 420 of the electrode holder and a lower part 434, forming a sleeve, having substantially the same internal diameter as the bore 420 and in alignment with the latter.
The sleeve 426 is closed by a compressible liner 436, mounted on an annular shoulder of the top of the thick part 428 and this liner 436 extends inwardly over the top of the edge 432. The liner 436 is compressed against the bottom. collar 418 when sleeve 424 is screwed onto insulating ring I.
The portion 428 is provided with a support 438 having a bore in alignment with those of the boss 420 and the ceramic sleeve 430. This bore of the support 438 is widened to receive a removable part 440, electrically conductive. . This part 440 comprises a tubular upper part and a conical lower part ending in a head 442.
In the thick-walled part 428 are drilled passages 444 starting from the liner 426, and the support 438 contains passages 446 which correspond with the passages 444 when the support 438 is attached to the thick-walled part 428, for example at using a silver solder. These passages 446 communicate with a sleeve 448 formed between the conical part of the part 440 and the inside of the bore of the support 438.
A nut 450 for retaining the part 440 is screwed onto the outside of the support 438. This com nut carries a folded edge coming to be placed under the head 442. The bore of the support 438 has a groove in which a ring fits. The seal 451 through which passes 3a tubular upper part of the part 440 when the latter enters the bore. A gasket 452 is compressed against the underside of the support 438 by the head 442 when the nut 450 is tightened.
The outer edge of the nut is provided with a ring 454 of insulating material to prevent an arc from there to the workpiece.
A current input ring 456 of a conductive material is clamped between the sleeve 424 and the insulating ring I and carries a connecting rod for connecting a conductor 458 therein for a high frequency starting current. Thanks to the ceramic lining 430, the parts. 424 and 428 are isolated from the electrode holder H and a pilot arc is established between the part 440 and the tip of the electrode E, the main arc being established between the electrode E and the part.
Alternatively, the conductor connected to workpiece 440 may "be connected to a main arc circuit not including the workpiece, the work arc being established between electrode E and workpiece 440. Although, under these conditions, the arc passes through the narrow passage of the part 440 under the action of the force of the gas current alone, however, a characteristic jet of high thermal intensity is formed.
The exterior of the nozzle N is covered with a rubber sheath 460: flexible which covers the ba gue 456 and which can be lifted by rolling it to access the nut 450 to replace the part 440.
For cutting, drilling, gouging or scoring work, it has been found to be particularly advantageous to use a gas stream containing at least 1% hydrogen.
If desired, the workpiece can be in the arc circuit and the hot gas jet can advance relative to the workpiece to gradually melt the metal and make a notch in it along a path. longed for. Hydrogen has the advantage of significantly reducing the formation of dross, improving the quality of the surfaces thus cut and also increasing the efficiency and speed of the cutting operation.
In addition, metal removal can be thermochemically facilitated by causing a separate stream of fluid containing adjuvant powder to flow into the stream at the location most effective for this purpose. Likewise, residual dross can be removed by applying a jet of a suitable auxiliary fluid, flame or arc against such dross while it is still in a molten state.
As seen in fig. 22, a gas arrives under pressure from a source 510 through a supply pipe 511 containing a valve 512 and a pressure regulator 514 and passes through a pipe 515 going to the torch 516. Hydrogen also arrives from 'a source 510' to line 515 through a pipe 517 containing a valve 518 and a pressure regulator <B> 519. </B> The torch 516 is similar to the cutting torch already described and produces a jet of hot gas 509 at high speed. This jet 509 is applied to the part 520, for example a sheet, connected to one side of the power source 521, such as a generator, by a wire 522.
The other side of the source 521 is connected to the torch electrode by a wire 523. The torch 516 is carried by a self-propelled carriage 524, at regulated speed, running on a track 525 in the direction of the cut to be made. , parallel above the sheet.
In operation, the jet 509 comes out of the torch 516 and the carriage circulates in the desired direction so that this jet cuts the sheet, as shown in FIG. 22.
To obtain good quality cuts with the arc torch cutting process, it is essential to add hydrogen to the protective atmosphere. Adding 1% hydrogen to argon or helium improves the quality of the cut walls compared to what is normally obtained using only argon or helium. The improvement in quality increases until about 35 () / o hydrogen has been added to the argon.
Above this percentage, the quality remains substantially constant provided that the flow rate of the gas arriving at the torch is increased in proportion to the change in the hydrogen concentration, since hydrogen is a very light gas. Also, to obtain good quality cuts using high hydrogen concentrations, it is good to use at least twice the flow rate of the gas used with lower hydrogen concentrations.
This increase in quality is apparent from FIGS. 23 and 24. FIG. 23 shows the wall of a section made from a 19 mm thick aluminum sheet having a raw, oxidized appearance, with a crust 527, which was cut using argon alone. Fig. 24 shows a sheet 528 made of the same material having a smooth shiny surface with sharp corners and no crust, the cut having been made with a mixture of 65% argon and 35% hydrogen.
The quality of the cup wall is most likely due to the fact that hydrogen is a reducing gas, thus preventing oxygen from coming into contact with the molten surface. Thus, the addition of 1 to 100 0 / o of hydrogen to the inert gas greatly improves the quality of the cut, the maximum of the quality being obtained by using about 35 0 / o of hydrogen.
Hydrogen also has the advantage of giving a relatively high voltage arc. This is because hydrogen has a high electrical resistance. In this process, it is good to have a high tension, especially in the cutting of thick sheets, in order to force the cutting jet to penetrate the entire thickness of the plate while at the same time giving a low cut. 'excellent quality. At the same time, the use of high voltages makes it possible to have lower amperages in order to obtain the necessary heat input. The arc voltage increases as the hydrogen content of the arc atmosphere increases.
The higher the hydrogen concentration, the higher the voltage. Also, at constant amperage, it is possible to cut the part at high speeds using hydrogen, since the heat input to the part increases in proportion to the voltage.
By adding 35 0 / o of hydrogen to an inert gas, a power source providing in circuit or green a voltage of 80 volts is satisfactory, while using 100 0 / o of hydrogen one needs a source of. at least 160 volts. The voltage required in an open circuit is directly proportional to the hydrogen content of the atmosphere.
If one does not have the necessary open circuit voltage, the arc cannot start since the current-voltage characteristic curve of the arc does not intersect the current-voltage characteristic curve of the power source.
The addition of hydrogen also has the advantage of avoiding the formation of a double arc, that is to say of two independent arcs through the nozzle. When this happens, the nozzle is damaged or destroyed. Since hydrogen has a very high electrical resistance, it forms an insulating layer between the emerging arc and the interior of the nozzle orifice. This insulating layer retards the tendency of the arc to jump from the tungsten or copper electrode onto the nozzle and beyond on the base plate.
The process also has the advantage of breaking the hydrogen molecule. This breaking phenomenon gives a high velocity to the gas particles, which removes molten metal and grime from the walls of the cup and improves heat transfer.
The lighter the gas used, the greater the speed that can be obtained. As a result, since monoatomic hydrogen is the lightest gas known, it gives an extremely high jet flow velocity with at the same time a high heat intensity which melts and removes the metal from the cup and mechanically cleans the walls of the cup.
The recommended atmospheres consist of a mixture of 80 0 / o argon and 20 0 / o hydrogen for hand cutting and 65 0 / o argon and 35 0 / o hydrogen for hand cutting. the machine. The use of these mixtures is based on an open circuit voltage limited to a maximum of 100 volts. The lower of these two hydrogen addition percentages is recommended to minimize the critical arc length, thereby allowing the operator to vary the arc length.
If an open circuit voltage of at least 160 volts is used, pure hydrogen can be used satisfactorily.
The example below shows the improvement in heat transfer to the room when hydrogen is added: in appreciable quantity to argon. An are torch was used as follows with a 3.2 mm diameter tungsten electrode 9.6 mm from the edge of a water-cooled copper nozzle having an opening of 3, 2 mm with a taper of 12o;
we used an argon flow of 0.28-0.57-1.14 and 1.70 m3 / hr respectively, with a direct current of 140, 260, 185 and 170 amperes at voltages varying from 30 to 50 volts, this flow passing through the nozzle and arriving on a cold sheet of copper 1.9 cm thick. This resulted in some discoloration and only occasional slight melting of the surface of the copper sheet.
These tests were continued by adding hydrogen to the argon. It was found that the arc of the torch subjected to an open circuit voltage of 100 volts could only be ignited and then maintained if the arc was first established in argon mixed with at most a small amount. of hydrogen. It was then possible to increase the quantity of hydrogen up to 25 to 30 0 / o and to maintain the arc with the workpiece. From these tests it was concluded that pure hydrogen in such a torch may require a voltage of about 150 volts.
By increasing the hydrogen content, the melting depth of the copper was also increased. With a hydrogen content of 25 0 / o in argon with a total flow of 2.12 m3 / hr in the torch and with 200 amps and 78 volts DC, a groove 2.5 mm deep was made and 3.8mm wide in copper with a travel speed of 76.2cm / min. The removed metal was driven from the path by the high speed of the jet.
An arc torch was also used with as an electrode a tungsten rod 4.8 mm in diameter set back 8.0 mm in the passage of a water-cooled copper nozzle having 3.2 mm in diameter. diameter and 1.6 mm long, with 1.92 m3 / hr of a mixture comprising 40 0 / o of hydrogen and 60 0 / o of argon, a direct current of 165 amperes at 102 volts, to cut a stainless steel torus 2.54 cm thick at a speed of 59.7 cm / min.
Another arc torch was used containing an electrode made of a 3.2 mm diameter tungsten rod set back 6.4 mm from the end face of a water-cooled copper nozzle. and comprising a tungsten insert with a hole about 2.4 mm long and 2 mm in diameter, using 4.02 m3 / hr of hydrogen, a pressure of 1.09 kg / em2 at- above atmospheric pressure with a direct current of <B> 215 </B> amperes under 93 volts, going from the cathode constituted by the tungsten rod to the nozzle.
The hydrogen jet exiting the arc from the nozzle cut 2.54 cm thick aluminum at a rate of 63.5 cm / min, giving a superior straight-wall cut. The same torch as above, except that the insert constituting the tungsten nozzle had an orifice 6.4 cm long and 1.6 mm in diameter was used with 2.83 m3 / hr of hydrogen, a pressure of <B> 1.62 </B> kg / cm2 above atmospheric pressure and a direct current of 170 am pères under 84 volts, giving a jet of hydrogen which cut a sheet of stainless steel of 2,
54 cm thick at a rate of 15.2 cm / min. The cup had substantially square edges and the surfaces of the cup were remarkably smooth. The table below shows the machine cut speeds obtained for aluminum sheet of various thicknesses, with a power source having an open circuit voltage of 100 volts.
EMI0012.0017
Thickness <SEP> Speed <SEP> Amps <SEP> Volts <SEP> Speed <SEP> of the gas <SEP>
<tb> mm <SEP> cm / min <SEP> ms / hr
<tb> 6.4 <SEP> 762 <SEP> 320 <SEP> 70 <SEP> 1.41
<tb> 12.7 <SEP> 318 <SEP> 320 <SEP> 75 <SEP> 1.70
<tb> 19.0 <SEP> 190 <SEP> 320 <SEP> 77 <SEP> 1.98
<tb> 25.4 <SEP> 127 <SEP> 320 <SEP> 80 <SEP> 1.98 In all cases, the gas used was a mixture of 65 0 / o argon and 35 0 / o 'hydrogen.
The speed and quality of the hand cut will depend on the skill of the operator with an average speed of about 152 cm / min on a sheet of aluminum 1.27 cm thick. In the hand cut, a gas containing 20% of hydrogen and 80% of argon was used.
In the tests below, the arc torch cutting apparatus shown in FIG. 22. The difference in technique from cutting consisted only in tilting the heat from the right angle to a feed angle of about 450 with the surface of the work. The apparatus was thus used for gouging, notching, removing a joint and working the surface of a piece of metal. The depth obtained by notching or moving is controlled first of all by the speed of advance, the obliquity of the torch, the amperage and the speed of the gas flow.
An increase in the feed rate results in a decrease in the notch depth. An increase in amperage gives an increase in depth. The inclination of the torch and the speed of the gas determine the quality as well as the depth of the cut. The width of the notch is mainly determined by the shape of the hole. In the above work, only round holes were used. However, elliptical or slit-shaped orifices may be advantageous in some cases.
Different gases can be used in this process in combination with hydrogen, for example argon, helium, nitrogen, oxygen and different mixtures of these gases. The best quality grooves were obtained with a mixture of 35% hydrogen and 65% argon. The gas velocity was kept constant at 1.98 m3 / hr with a pressure of 1.41 kg / cm2 above atmospheric pressure. Most likely, higher speeds and deeper notches could have been obtained using higher pressures and higher gas velocities.
The operation can be carried out by hand or mechanically, obtaining the same quality. In addition, the process gives satisfactory results on cold or hot materials, the use of hot materials requiring a greater speed of advance. Since this is a fusion-producing process, you can score any metal. The feed rate depends on the melting point and the thermal conductivity of the metal to be treated.
Notches can be made in a single pass, or in several, with the same ease. You can use several torches if you want to have large notches. Auxiliary gas jets were used to facilitate metal removal from the notches. These gases can be air, oxygen, nitrogen, hydrogen, argon or helium, depending on the desired quality. The table below gives several examples of notches that can be obtained, the gas velocity being 1.98 m 3 / hr and the torch being inclined at 50,) on the horizontal. The part was aluminum with a thickness of 6.4 mm.
The dimensions of the notches varied between a width of 3.2 mm and a depth of 0.5 mm for the highest speeds (notches Nos. 7 and 8) and a width of 7.9 mm by a depth of 4.8 mm for the slowest speed (notch No 9).
EMI0013.0000
Current <SEP> Voltage <SEP> Speed
<tb> Notch <SEP> Na <SEP> (amp.) <SEP> (volts) <SEP> (../min)
<tb> 1 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 267
<tb> 2 <SEP> 150 <SEP> 63 <SEP> 330
<tb> 3 <SEP> 145 <SEP> 63 <SEP> 368
<tb> 4 <SEP> 140 <SEP> 63 <SEP> 457
<tb> 5 <SEP> 140 <SEP> 63 <SEP> 508
<tb> 6 <SEP> 140 <SEP> 60 <SEP> 572
<tb> 7 <SEP> 130 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 8 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 737
<tb> 9 <SEP> 120 <SEP> 70 <SEP> 216 Drilling holes is a different operation. It involves the use of a fixed torch instead of being mobile. The shape of the hole is primarily controlled by the shape of the hole.
You can drill a sheet of the same thickness as the one you can cut. The amperage, gas velocity and diameter of the orifice must be such that a complete cut of the sheet is obtained. The diameter of the drilled hole is controlled by the size and shape of the hole.
In addition to hydrogen, the following gases can be used for the drilling operation: argon, helium, nitrogen and all mixtures of these gases. However, mixtures of argon and hydrogen give the best results.
The table below gives several examples of holes drilled under the conditions indicated using a gas velocity of 1.98 m3 / hr.
EMI0013.0008
Sheet <SEP> Diameter <SEP> of the <SEP> hole
Aluminum <tb> <SEP> Voltage <SEP> Amperage <SEP> in <SEP> high <SEP> in <SEP> low
<tb> (mm) <SEP> (mm) <SEP> (mm)
<tb> 25 <SEP> 240 <SEP> - <SEP> 16 <SEP> 4.8
<tb> 19 <SEP> 260 <SEP> 70 <SEP> 9.5 <SEP> 6.4
<tb> 19 <SEP> 220 <SEP> 70 <SEP> 9.5 <SEP> 19 <SEP> 200 <SEP> 70 <SEP> 9.5 <SEP> 3.2
<tb> 19 <SEP> 340 <SEP> 70 <SEP> 12 <SEP> 6.4
<tb> 13 <SEP> 180 <SEP> - <SEP> 9.5 <SEP> 3.2
<tb> 13. <SEP> 150 <SEP> - <SEP> 9.5 <SEP> 3.2
<tb> 13 <SEP> 120 <SEP> - <SEP> 9.5 <SEP> 6.4 <SEP> 100 <SEP> - <SEP> 8.0 <SEP> 4.8
<tb> 6.4 <SEP> 80 <SEP> - <SEP> 8.0 <SEP> 3.2