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.