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