Procédé de soudage à l'arc et torche de soudage pour la mise en aeuvre de ce procédé Cette invention a pour objet un procédé de sou dage à l'arc électrique et une torche de soudage pour la mise en aeuvre de ce procédé.
Au cours, des premiers essais de soudage avec du fil d'aluminium de 1,6 mm, il a été reconnu qu'un arc protégé par de l'argon et obtenu sous une tension inférieure à 20 V et avec un courant de 120 à 140 ampères, produisait un notable crachement et donnait lieu à des résultats insatisfaisants. Plus ré cemment, on a découvert que le soudage à l'arc pro tégé par du gaz est mieux exécuté avec un écoule ment laminaire du gaz de protection, tel qu'il avait été autrefois proposé pour l'emploi avec des élec trodes en métal réfractaire. Toutefois, avec des élec trodes fusibles, l'écoulement non turbulent était en général limité aux connexions à polarité inverse (électrode positive).
En outre, l'obtention d'un cou rant non turbulent nécessitait des tuyères anormale ment longues entraînant des difficultés de manu tention.
Plus récemment, on a proposé de former l'arc avec une électrode dont l'extrémité est placée en ar rière de la sortie de la tuyère. Le passage de sortie présente une section transversale fortement réduite, avec pour résultat le resserrement de l'arc par les parois du passage quand il passe à travers ce pas sage avec le courant gazeux. Bien qu'on obtienne ainsi la formation d'un arc hautement stabilisé, que l'électrode soit alimentée avec un courant alternatif ou avec un courant continu de l'une ou l'autre pola rité, la possibilité d'une érosion rapide de la tuyère et la nécessité d'un refroidissement sérieux constituent néanmoins de sérieux problèmes.
On a trouvé maintenant qu'un arc formé exté rieurement à la tuyère peut être efficacement res serré et stabilisé en utilisant le courant gazeux annu laire lui-même comme milieu de resserrement et sans éviter la turbulence.
Le procédé de soudage à l'arc faisant l'objet de la présente invention, dans lequel on forme un arc électrique entre une électrode de métal fusible et une pièce à souder, extérieurement à une tuyère d'où l'électrode fait saillie et à travers laquelle passe un courant de gaz de protection qui entoure la partie extrême de l'électrode et l'arc, est caractérisé en ce qu'on produit un resserrement de l'arc dans le cou rant de gaz annulaire en faisant sortir le gaz de la tuyère dans des conditions d'écoulement turbulent à une vitesse supérieure à 3 m/s.
L'invention a également pour objet une torche de soudage à l'arc pour la mise en couvre du procédé précité, comprenant une tuyère à gaz munie d'un tube de guidage conducteur de courant, disposé coaxiale- ment de manière à diriger une électrode à travers l'ouverture de la tuyère vers la pièce à souder, ladite torche étant caractérisée par le fait que le tube de guidage s'étend dans une partie terminale cylindrique étranglée de la tuyère,
formant ainsi un espace annu laire par lequel le gaz s'écoule à une vitesse supé rieure à 3 m/s afin qu'un arc formé entre l'électrode et la pièce à souder soit resserré et stabilisé.
Un avantage inattendu d'un tel procédé est que l'arc devient stable de façon inusitée et qu'une excel lente protection de soudage est obtenue. De plus, un transfert de métal dit par pulvérisation peut être ob tenu avec des fils d'aluminium à des tensions aussi basses que 18,5 V, lorsque l'on utilise un courant de 195 amp et une connexion à polarité inverse (élec trode positive). Normalement, le transfert par pulvé risation à un tel niveau de courant ne pourrait pas être obtenu avec des tensions d'arc inférieures à 22 V. Des résultats améliorés sont aussi obtenus en utili sant des connexions à polarité directe (électrode né gative).
Divers gaz peuvent être utilisés selon le genre et le type de matières en présence.
De nombreux avantages, tels que protection de soudage améliorée, plus grande pénétration et réduc tion de la porosité, sont obtenus avec le procédé selon l'invention. Ces avantages peuvent être obtenus aussi bien avec une alimentation du type à potentiel constant qu'avec une alimentation du type à caracté ristique voltampère tombante habituelle. L'instabi lité de l'arc, le manque de pénétration de la soudure et la porosité excessive de la soudure ont été des défauts courants. de la soudure à l'arc avec électrode fusible sous la protection d'un gaz, sous. tension d'ali mentation constante, particulièrement sur l'alumi nium.
De même, lorsque l'on soude avec des fils d'aluminium de petit diamètre, c'est-à-dire d'un dia mètre inférieur à 1,6 mm, le jaillissement d'arcs dans le bout du tube conducteur fait fondre le fil près. du bout, interrompant ainsi l'alimentation du fil. Dans, le passé, de nombreux dispositifs à contacts électriques spéciaux ont été essayés dans l'espoir de résoudre de tels problèmes ; les résultats ne furent que partielle ment satisfaisants. La présente invention permet de surmonter de façon inattendue de telles difficultés.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de la torche de soudage selon l'invention.
La fig. 1 est une vue schématique illustrant une mise en aeuvre du procédé selon l'invention.
La fig. 2 est une vue partielle en coupe trans versale verticale de ladite forme d'exécution.
Comme le montre la fig. 1, la tête d'une torche 2 comprend une tuyère ayant une partie terminale 1 étranglée et dans laquelle s'étend l'extrémité d'un tube 3 conducteur de courant. Avec une telle dispo sition, un espace annulaire 4 relativement petit est aménagé pour permettre au gaz protégeant l'arc de s'écouler. On travaille de préférence avec de courtes distances entre l'extrémité de la- tuyère et la pièce à souder.
Des tuyères ayant des passages de sortie A de 9,5 mm et 11,1 mm ont été utilisées avec succès. Les extrémités de tubes conducteurs de 6,4 mm de dia mètre extérieur se sont montrées satisfaisantes. Des retraits B compris entre zéro et 6,4 mm ont été satis faisants avec de petites tuyères, mais comme prévu, en raison de la perte de vitesse à la sortie de la tuyère, des retraits supérieurs à 6,4 mm donnèrent lieu à une diminution, aussi bien de la stabilité de l'arc que de l'efficacité de la protection de l'arc de soudage.
De courtes distances C tuyère-pièce à sou- der sont désirables, avec un maximum de 12,7 mm pour obtenir les meilleurs résultats. Des. débits d'ar gon de plus de 0,85 m3/h ont été utilisés pour pro duire une vitesse de sortie supérieure à 3 m/s. Un haut degré de concentricité de la tuyère avec l'extré mité du tube conducteur est désirable. D'excellents résultats peuvent être obtenus avec des angles D du tube conducteur avec l'axe de la tuyère, fig. 1, coin-. pris entre zéro et 10 degrés. Auparavant, plus de 10 degrés étaient nécessaires pour obtenir une bonne protection, spécialement pour la soudure de l'alu minium.
Comme le montre la fig. 2, dans la torche de soudage 10 un fil d'électrode de métal nu 11 est ali menté à travers l'extrémité d'un tube conducteur 12 en contact électrique avec ce fil et centré dans une tuyère à gaz 13, de façon à laisser un orifice à gaz annulaire 14. Un arc de soudage est amorcé entre le bout du fil 1.1 et une pièce à usiner, alors que le gaz s'écoule à une vitesse supérieure à trois mètres par seconde à travers l'orifice 14, protégeant, enserrant et stabilisant ainsi l'arc tandis que le fil est alimenté vers la pièce à souder.
Le courant gazeux est amené à l'arc avec une force suffisante pour projeter le métal fondu axialement depuis le bout de l'électrode de fil jusqu'à la pièce à usiner, sous forme d'une pulvérisation de fines gouttelettes discontinues de métal fondu dans la protection de gaz.
La soudure de l'aluminium à l'arc électrique avec une électrode fusible sous la protection d'un gaz, sous une tension constante, devient de plus en plus populaire. Toutefois, les résultats avec une tension constante ont été autrefois quelque peu décevants, particulièrement sur l'aluminium, à cause de l'instabilité de l'arc. Avec des fils de petits dia mètres, le problème s'aggrave encore à cause d'arcs se produisant dans l'extrémité du tube conducteur et qui provoquent l'interruption de l'alimentation du fil.
On peut utiliser une tuyère 13 présentant un ori fice de petit diamètre, de 9,5 mm environ de dia mètre intérieur, conjointement avec une extrémité de tube conducteur de diamètre extérieur de 6,4 mm placé à fleur du bout de la tuyère. Avec une telle disposition, une amélioration énorme dans l'opération de soudage a été réalisée. La longueur d'arc est cons tante tout au long de la soudure ;les valeurs moyen nes de tension et de courant d'arc sont pratiquement constantes; la protection de la soudure est excellente; la porosité de la soudure est réduite ou éliminée et un jaillissement d'arc dans l'extrémité du tube con ducteur est pratiquement éliminé, même avec un fil électrode<B>de</B> petit diamètre et une tension d'alimen tation constante.
Nombreux sont les autres avantages obtenus par ce procédé, y compris une plus grande pénétration de la soudure et un courant de transition plus bas lorsqu'on emploie du courant continu avec connexions à polârité inverse (électrode positive) ou à polarité directe (électrode négative).
Des soudures sur plaques d'aluminium pur de 15,9 mm d'épaisseur faites en utilisant une torche du type décrit avec fil d'aluminium de 2,4 mm de dia mètre, un courant continu de soudage de 300 ampè res, une connexion à polarité inverse (électrode posi tive), un arc de 24,5 V, une vitesse de soudage de 28 cm/min et un jet d'argon de 1,43 ms/h montrent qu'en procédant comme décrit, les surfaces de sou dure sont plus propres et qu'il n'y a pas de dépôts noirs sur le métal de base.
De rapides contrôles ont été faits en utilisant des fils en matière autre que l'aluminium, par exemple des fils en acier, acier inoxydable, bronze silicié. Ega- lement d'autres gaz que l'argon ont été essayés, par exemple des mélanges d'oxygène et d'argon, de l'hé lium, des mélanges d'argon et d'hélium, du gaz car bonique. Aussi bien la connexion à polarité inverse (électrode positive) que la connexion à polarité di recte (électrode négative) furent utilisées et dans cha que cas, une réelle amélioration dans la stabilité de l'arc et la qualité de soudure ont été obtenues sur celles normalement obtenues avec le soudage à l'arc avec une électrode fusible sous la protection. d'un gaz.
L'intérêt pratique d'un resserrement de l'arc exté rieurement à la tuyère est d'aspect multiple. L'intérêt primordial est la stabilisation de l'arc. Ceci joint à une grande pénétration et une excellente protection permet la production de soudures continues relative ment longues, sans défauts. Par exemple, jusqu'ici le soudage d'une couture longue de 1,5 mètre dans de l'aluminium de 3,2 mm d'épaisseur pour des chau dières n'était pas satisfaisant, étant donné que de graves fluctuations occasionnelles d'arc interrom paient la pénétration de la soudure et donnaient lieu à des défauts. Le procédé décrit résout un tel pro blème. De plus, la plus grande pénétration réduit et, dans certains cas, élimine le besoin de réparations. sur le dos de la couture.
Alors que ces avantages s'appli quent directement au soudage de l'aluminium sous tension d'alimentation constante, des gains ont été également réalisés avec d'autre types d'énergie élec trique et d'autres métaux.
L'expression courant de transition utilisée plus haut signifie l'intensité du courant au-dessous de laquelle le transfert du métal a lieu sous forme de globules visibles de métal fondu et au-dessus de la quelle le transfert se produit sous forme d'une pul vérisation de fines gouttelettes. La valeur numéri que de cette intensité dépend à la fois de la section transversale de l'électrode et de la vitesse du courant gazeux au-delà de l'extrémité fondante de l'électrode.
On peut coordonner le courant de l'arc et la vi tesse du gaz de manière que l'arc produise une oscil- lation sonique d'une fréquence comprise entre 360 et 12 000 Hz.
Arc welding process and welding torch for implementing this process This invention relates to an electric arc welding process and a welding torch for implementing this process.
During the first tests of welding with aluminum wire of 1.6 mm, it was recognized that an arc protected by argon and obtained at a voltage of less than 20 V and with a current of 120 to 140 amps, produced noticeable spitting and gave unsatisfactory results. More recently, it has been found that gas shielded arc welding is best performed with laminar shielding gas flow, as was previously proposed for use with metal electrodes. refractory. However, with fusible electrodes, the non-turbulent flow was generally limited to the reverse polarity (positive electrode) connections.
In addition, obtaining a non-turbulent current required abnormally long nozzles causing handling difficulties.
More recently, it has been proposed to form the arc with an electrode, the end of which is placed behind the outlet of the nozzle. The outlet passage has a greatly reduced cross section, resulting in the arc narrowing by the walls of the passage as it passes through this pitch with the gas stream. Although the formation of a highly stabilized arc is thus achieved, whether the electrode is supplied with an alternating current or with a direct current of either polarity, the possibility of rapid erosion of the arc. nozzle and the need for serious cooling are serious problems, however.
It has now been found that an arc formed outside the nozzle can be effectively clamped and stabilized using the annular gas stream itself as a constricting medium and without avoiding turbulence.
The arc welding process forming the object of the present invention, in which an electric arc is formed between a fusible metal electrode and a workpiece, externally to a nozzle from which the electrode protrudes and at through which passes a current of shielding gas which surrounds the end part of the electrode and the arc, is characterized in that a constriction of the arc is produced in the annular gas stream by causing the gas to exit the nozzle under turbulent flow conditions at a speed greater than 3 m / s.
The subject of the invention is also an arc welding torch for implementing the aforementioned method, comprising a gas nozzle provided with a current conducting guide tube, arranged coaxially so as to direct an electrode. through the opening of the nozzle towards the workpiece, said torch being characterized by the fact that the guide tube extends in a constricted cylindrical end part of the nozzle,
thus forming an annular space through which the gas flows at a speed greater than 3 m / s so that an arc formed between the electrode and the part to be welded is tightened and stabilized.
An unexpected advantage of such a process is that the arc becomes unusually stable and excellent welding protection is obtained. In addition, so-called sputtering metal transfer can be achieved with aluminum wires at voltages as low as 18.5 V, when 195 amps are used and a reverse polarity connection (electrode positive). Normally, spray transfer at such a current level could not be obtained with arc voltages below 22 V. Improved results are also obtained by using direct polarity connections (negative electrode).
Various gases can be used depending on the kind and type of materials present.
Numerous advantages, such as improved weld protection, greater penetration and reduction in porosity, are obtained with the process according to the invention. These advantages can be obtained both with a power supply of the constant potential type and with a power supply of the type with usual falling volt-ampere characteristic. Arc instability, lack of weld penetration and excessive weld porosity have been common faults. arc welding with fusible electrode under the protection of a gas, under. constant supply voltage, especially on aluminum.
Likewise, when welding with aluminum wires of small diameter, that is to say with a diameter of less than 1.6 mm, the bursting of arcs in the end of the conductive tube melts the wire near. end, thus interrupting the wire feed. In the past, many special electrical contact devices have been tried in the hope of solving such problems; the results were only partially satisfactory. The present invention unexpectedly overcomes such difficulties.
The appended drawing represents, by way of example, an embodiment of the welding torch according to the invention.
Fig. 1 is a schematic view illustrating an implementation of the method according to the invention.
Fig. 2 is a partial view in vertical cross section of said embodiment.
As shown in fig. 1, the head of a torch 2 comprises a nozzle having a choked end portion 1 and in which the end of a current conducting tube 3 extends. With such an arrangement, a relatively small annular space 4 is provided to allow the gas protecting the arc to flow. Preferably, work is carried out with short distances between the end of the nozzle and the workpiece.
Nozzles having 9.5 mm and 11.1 mm A outlet passages have been used successfully. The ends of conductive tubes of 6.4 mm outside diameter have been found to be satisfactory. Setbacks B between zero and 6.4 mm were satisfactory with small nozzles, but as expected, due to the loss of speed at the nozzle outlet, setbacks greater than 6.4 mm gave rise to decrease, both in arc stability and in the effectiveness of protection of the welding arc.
Short distances C nozzle to workpiece are desirable, with a maximum of 12.7mm for best results. Of. Ar gon flow rates greater than 0.85 m3 / h were used to produce an outlet velocity greater than 3 m / s. A high degree of concentricity of the nozzle with the end of the conductive tube is desirable. Excellent results can be obtained with angles D of the conductive tube with the axis of the nozzle, fig. 1, coin-. taken between zero and 10 degrees. Previously, more than 10 degrees was required to obtain good protection, especially for welding aluminum.
As shown in fig. 2, in the welding torch 10 a bare metal electrode wire 11 is fed through the end of a conductive tube 12 in electrical contact with this wire and centered in a gas nozzle 13, so as to leave an annular gas port 14. A welding arc is initiated between the end of the wire 1.1 and a workpiece, while the gas flows at a speed greater than three meters per second through the port 14, protecting, thus enclosing and stabilizing the arc while the wire is fed to the workpiece.
The gas stream is arc driven with sufficient force to project the molten metal axially from the tip of the wire electrode to the workpiece, as a spray of fine, discontinuous droplets of molten metal into the workpiece. gas protection.
Welding aluminum in an electric arc with a fusible electrode under the protection of a gas, under constant voltage, is becoming more and more popular. However, results with constant voltage have been somewhat disappointing in the past, especially on aluminum, due to arc instability. With small diameter wires, the problem becomes even worse due to arcs occurring in the end of the conductive tube which cause the wire feed to be interrupted.
A nozzle 13 having a small diameter orifice of about 9.5 mm inner diameter can be used together with an end of conductive tube of 6.4 mm outer diameter placed flush with the end of the nozzle. With such an arrangement, a huge improvement in the welding operation has been achieved. The arc length is constant throughout the weld; the mean values of arc voltage and current are practically constant; the protection of the weld is excellent; weld porosity is reduced or eliminated and arc flash in the end of the conductor tube is virtually eliminated, even with a small diameter <B> </B> electrode wire and constant supply voltage .
There are many other advantages obtained by this process, including greater solder penetration and lower transition current when using direct current with reverse polarity (positive electrode) or forward polarity (negative electrode) connections. .
Welds on 15.9 mm thick pure aluminum plates made using a torch of the type described with 2.4 mm diameter aluminum wire, a welding current of 300 amps, a connection with reverse polarity (positive electrode), an arc of 24.5 V, a welding speed of 28 cm / min and an argon jet of 1.43 ms / h show that, by proceeding as described, the surfaces of hard pennies are cleaner and there are no black deposits on the base metal.
Quick checks were made using wires made of a material other than aluminum, for example wires made of steel, stainless steel or silicon bronze. Also gases other than argon have been tested, for example mixtures of oxygen and argon, helium, mixtures of argon and helium, carbon dioxide. Both the reverse polarity connection (positive electrode) and the direct polarity connection (negative electrode) were used and in each case a real improvement in arc stability and weld quality was obtained over those. normally obtained with arc welding with a fusible electrode under the shield. of a gas.
The practical interest of tightening the arc outside the nozzle is manifold. The primary interest is the stabilization of the arc. This together with high penetration and excellent protection allows the production of relatively long, flawless continuous welds. For example, heretofore welding a 1.5 meter long seam in 3.2mm thick aluminum for boilers has not been satisfactory, as occasional severe fluctuations in temperature. arc interrupted the penetration of the weld and gave rise to defects. The method described solves such a problem. Additionally, the greater penetration reduces and in some cases eliminates the need for repairs. on the back of the seam.
While these advantages apply directly to welding aluminum under constant supply voltage, gains have also been made with other types of electrical energy and other metals.
The expression transition current used above means the intensity of the current below which the transfer of the metal takes place in the form of visible globules of molten metal and above which the transfer takes place in the form of a spraying of fine droplets. The numerical value of this intensity depends both on the cross section of the electrode and on the speed of the gas flow past the melting end of the electrode.
The current of the arc can be coordinated with the velocity of the gas so that the arc produces a sonic oscillation at a frequency between 360 and 12,000 Hz.