Procédé de soudure à l'arc sous protection de gaz et appareil pour sa mise en ouvre La présente invention a pour objet un procédé de soudure à l'arc sous protection de gaz, dans le quel on forme un arc pilote pour faire démarrer et pour faciliter l'opération de soudure, et un appareil pour sa mise en ouvre.
Les arcs pilotes utilisés dans la soudure à l'arc sous protection de gaz sont généralement du type à haute fréquence et sont établis entre l'électrode de la torche de soudure et la pièce à souder pour amor cer un passage pour le courant de soudure ou pour stabiliser l'arc de soudure. On a proposé récemment une modification de ce procédé consistant à établir un arc pilote entre une électrode centrale de la torche de soudure et une électrode auxiliaire adjacente, iso lée de cette électrode centrale, par exemple une partie de la paroi d'une tuyère à gaz métallique, électrique ment isolée, entourant l'électrode centrale.
Dans ce cas, le gaz passant à travers l'arc pilote à haute fré quence emporte avec lui un nombre d'ions suffisant pour constituer le trajet conducteur nécessaire entre l'électrode centrale et la pièce à souder.
Dans l'emploi fait jusqu'ici d'un arc pilote, on a admis généralement que la tuyère à gaz, quand elle constitue une électrode pour l'arc pilote, doit être électriquement isolée de la pièce à souder, au moins par un intervalle d'air. On a trouvé cependant que cela n'est pas nécessaire quand l'arc pilote est ali menté par un courant continu ou alternatif à basse fréquence. On a décrit (Cobine, Gaseous Conduc- tors , McGraw Hill, New York, 1941, pp. 290 et 326) un tel arc pilote dit arc à haute pression , capable de transmettre un courant de plusieurs am pères et de se maintenir dans un gaz à une pression de plus de 1/20 d'atmosphère.
Dans ces conditions, la tuyère à gaz n'a pas besoin d'être isolée de la pièce à souder et, en fait, elle peut être délibérément amenée en contact physique direct et en contact élec trique avec la pièce sans extinction de l'arc pilote ni autre effet désavantageux. On a trouvé aussi que cet arc pilote peut remplir la fonction extrêmement utile de préchauffer ou de postchauffer la pièce.
Le procédé faisant l'objet de l'invention pour la soudure à l'arc sous protection de gaz, dans lequel on forme un arc pilote à haute pression entre une électrode réfractaire disposée axialement dans une tuyère à gaz et une partie conductrice de ladite tuyère qui est électriquement isolée de ladite élec trode, de manière que lorsque l'électrode et la pièce à souder sont connectées aux bornes d'une source de courant de soudure, un arc de soudure soit établi à travers un trajet conducteur formé entre l'électrode et la pièce par ledit arc pilote,
est caractérisé en ce qu'on transfère l'arc pilote directement sur la pièce à souder en amenant au moins une partie de la face extrême de ladite partie conductrice de la tuyère en contact avec la pièce, celle-ci étant placée plus près de l'électrode que la paroi interne de la tuyère, et en ce qu'on établit la connexion à ladite source de courant de soudure après que l'arc pilote a été ainsi transféré.
Ce procédé est avantageux, par exemple, pour souder ensemble par points trois feuilles d'acier ino xydable mince constituant la surface portante d'un avion supersonique, la profondeur maxima admise pour les cratères étant égale à 0,076 mm. Des résis tances au cisaillement élevées et constantes sont évi- demment demandées à de telles soudures par points. A moins d'utiliser un support qui complique beau coup la fabrication, il est nécessaire, pour obtenir la résistance au cisaillement requise, de permettre à la soudure de la couche inférieure de s'étendre appro ximativement de 0,25 mm au-dessous de la feuille inférieure.
Cependant, un tel degré de pénétration entraîne un cratère indésirable d'une profondeur su périeure à 0,076 mm. En outre, un métal d'apport pour rattraper la perte due à la formation de cratères est alors nécessaire.
Parmi les avantages de l'utilisation d'un métal d'apport sous forme d'un mince ruban plutôt que sous forme d'un fil froid ou d'un dépôt de poudre métallique sur le joint, par exemple, on peut citer la reproductibilité précise avec un minimum de contrôle et la facilité à éliminer l'excès de métal restant sur la pièce, particulièrement en utilisant l'arc pilote comme moyen de postchauffage, ce qui peut facile ment être réalisé avec le procédé défini ci-dessus.
Le procédé, dans lequel la mise en marche se fait par arc pilote à haute pression, est supérieur aux procédés utilisant un arc pilote à haute fréquence pour plusieurs raisons. Avec une mise en marche par arc pilote à haute tension, il ne se produit pas de radiation à haute fréquence, ce qui donne une plus grande sécurité de fonctionnement et conduit -à une torche moins compliquée par le fait qu'il n'est pas nécessaire de se protéger contre des fuites internes ou des arcs à haute fréquence entre les parties adja centes de l'appareil.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution de l'appareil pour la mise en aeuvre du procédé selon l'invention et un schéma explicatif.
La fig. 1 en est une vue partielle en perspective. Les fig. 2 et 3 sont, respectivement, une vue en plan et une vue par-dessous des pièces soudées représentées à la fig. 1.
La fig. 4 représente le schéma explicatif.
La fig. 5 est une coupe partielle d'un organe re présenté à la fig. 1.
L'appareil représenté à la fig. 1 comprend une torche 10 pour la soudure à arc sous protection de gaz inerte, comportant une électrode 12 en tungstène thorié connectée par un conducteur 14 à la borne négative (-) d'une source 16 de courant continu. La borne positive (-I-) de cette source est connectée d'une part à une pièce à souder 18 par un conduc teur 20 et un interrupteur 22, et, d'autre part, à une tuyère à gaz 24 en métal, par un conducteur 26 et une résistance 28.
Un gaz de protection inerte 30, de l'argon, par exemple, est envoyé dans la tuyère 24 et s'écoule à l'extérieur de celle-ci en un courant annulaire autour de l'extrémité de l'électrode 12 d'où jaillit l'arc et sur la surface adjacente de la pièce 18. Dans les opérations de soudure par points, dans lesquelles la tuyère touche les pièces à souder pour exercer une pression sur elles, il est avantageux d'aléser, comme indiqué en 31, 33 (fig. 5) la partie interne de l'extrémité de la tuyère 24.
On constitue ainsi un épaulement dont le diamètre est inférieur à celui de l'orifice de sortie de la tuyère ; on empêche ainsi que la formation répétée de l'arc entre l'élec trode 12 et la tuyère 24 produise une certaine érosion de la surface interne de la tuyère près, de sa face ex trême. L'arc pilote est ainsi obligé de se former entre l'électrode et un point de la tuyère éloigné de sa face extrême. Ainsi, une surface plate 35 est main tenue sur la face extrême annulaire de la tuyère, ce qui permet d'appliquer une pression sur les pièces à souder également distribuée sur cette face extrême.
La paroi de la tuyère présente des lumières laté rales 37 de sortie du gaz à travers lesquelles le gaz s'échappe quand l'extrémité de la tuyère est mise en contact avec les pièces à souder, comme on le verra plus loin.
Un ruban d'apport 32 est placé sur la ligne cen trale des points de soudure envisagés. Un gabarit de position 34, en matière isolante, est centré sur le ruban 32 et maintenu en place. Un arc pilote étant maintenu entre l'électrode 12 et la tuyère 24, la tor che 10 est abaissée de manière à pénétrer dans un trou 36 ménagé dans le gabarit 34, de manière que des encoches 38 ménagées dans la face extrême de la tuyère s'adaptent sur le ruban 32. Les encoches 38 sont pratiquées dans la tuyère 24 de manière que le reste du bord de la tuyère repose bien d'aplomb et uniformément sur la surface de la pièce 18.
Quand la torche 10 s'approche de la pièce à sou der 18, qui n'est pas encore connectée à la source de courant, l'arc pilote continue à jaillir entre l'électrode 12 et la tuyère 24 jusqu'à ce que cette dernière tou che la pièce 18. A ce moment, comme la distance de l'électrode au ruban est légèrement inférieure à la distance de l'électrode à la tuyère, et comme la pièce, par le fait qu'elle vient en contact avec la tuyère, est au même potentiel que cette dernière, l'arc pilote, sous l'influence du jet de gaz, saute directement sur la pièce qui devient ainsi une électrode.
L'interrup teur 22 est ensuite fermé pour appliquer le courant de soudure total ; ce courant suit le même trajet que l'arc pilote qui, à ce moment, jaillit entre l'électrode et la pièce, et fond la portion du ruban d'apport cor respondante et la portion sous-jacente des pièces pour former une flaque de soudure.
Quand le cycle de soudure est achevé et qu'un dispositif de temporisation ouvre l'interrupteur 22, la soudure est terminée, mais l'arc pilote continue à jaillir entre le point de soudure 40 ainsi formé et l'électrode 12. En même temps, la chaleur produite par l'arc pilote assure la séparation complète du ru ban 32 et du point de soudure 40. Quand la torche 10 est soulevée au-dessus de la pièce 18, l'arc pilote s'établit à nouveau entre l'électrode 12 et la tuyère 24 jouant le rôle d'une électrode, car la pièce 18 ne présente plus de connexion électrique avec le circuit de soudure.
On peut voir ainsi que la tuyère métalli que 24 placée directement contre la pièce 18 agit comme un interrupteur pour amener la pièce à sou der au même potentiel électrique que la tuyère et que l'arc pilote se déplace alternativement entre deux positions limites. La source de courant 16 est une source à courant continu d'un type connu en sou dure, et la résistance 28 sert à limiter le courant dans l'arc pilote.
La mise en marche par arc pilote à haute pres sion offre un certain nombre d'avantages supplémen taires par rapport à la mise en marche par arc pilote à haute fréquence pour la soudure sous protec tion de gaz inerte aussi bien par points que par lignes. Ces avantages sont les suivants: 1. Par suite de la présence de l'arc pilote à haute pression, l'électrode est maintenue à une tempé rature constante, donnant des soudures par points plus uniformes.
En outre, dans le cas d'une ins tallation mécanisée dans laquelle on n'utilise pas de dispositif de commande de tension de l'arc qui règle la position de l'électrode de telle façon que l'espace traversé par l'arc reste constant, i1 y a beaucoup moins de danger que l'électrode s'accroisse par le dépôt de métal projeté qui con duit à un raccourcissement de la longueur de l'arc au cours du procédé.
2. Il n'existe pas de choc électrique lors de l'emploi d'un arc pilote à haute pression, à l'encontre de ce qui se produit avec les procédés à haute fré quence sous fortes tensions.
3. On ne rencontre pratiquement aucune limitation dans la longueur du câble pour la torche. Avec un procédé à haute fréquence, les limites du câble pour la torche sont déterminées par l'affaiblisse ment par capacité de la tension haute fréquence par unité de longueur du câble. En d'autres mots, si le câble présente une longueur suffisante, la tension haute fréquence n'arrive plus à l'extrémité de la torche.
4. Dans la plupart des cas, on peut utiliser des tuyères métalliques, tandis qu'avec la haute fré quence, particulièrement pour certaines opéra tions de soudure manuelles, il faut utiliser des tuyères en céramique.
Les fig. 2 et 3 montrent une série de points de soudure obtenus par le procédé décrit. Il faut noter à la fig. 2, qui montre le ruban 32 dont une partie a été éliminée et les points de soudure 40 meulés de niveau, qu'une légère creusure est encore visible. Cependant, l'examen d'un échantillon soudé réel montre que les irrégularités dans la surface du métal autour des points soudés sont si légères qu'elles peu vent être à peine détectées en passant le doigt sur la surface meulée de la pièce.
Il faut remarquer aussi que si le chauffage postérieur à la soudure est suffi sant, dans la plupart des cas, pour fondre le ruban et dégager le point de soudure, il ne reste qu'une très petite quantité de métal joignant le ruban au point de soudure, même sans ce chauffage. .
Une installation pour la commande automatique de la soudure par points est représentée schématique ment à la fig. 4. Cette installation comprend un cir cuit de départ 42, cinq circuits de temporisation 43-47, un circuit 49 de commande du gaz et une presse 48. Le circuit de départ 42 est agencé pour, lors de la fermeture d'un interrupteur, exciter un con tacteur primaire de mise en marche de la source de courant continu 16, la puissance étant fournie par des lignes 50 connectées directement à la source 16. Simultanément, le circuit de départ 42 actionne le circuit 49 de commande du gaz, de manière qu'au moins 85 litres/h de gaz de protection soient fournis pour l'arc pilote dans la tuyère.
L'arc pilote est alors formé entre les extrémités de l'électrode 12 et de la tuyère 24. L'appareil de soudure est ainsi prêt pour la soudure. L'excitation du circuit de départ 42 assure, en outre, le fonctionnement d'une minuterie 43 de préécoulement qui, après un temps déterminé, actionne le circuit 49 de commande du gaz de ma nière à augmenter l'écoulement du gaz jusqu'au débit nécessaire à la soudure.
Le circuit de temporisation 44 commande la presse 48 et peut faire débuter l'opération de pres sage simultanément à la mise en action de la minu terie 43, ou avant ou après cette mise en action. Quand la presse 48 a pressé la tuyère 24 contre la pièce à souder pendant un temps déterminé, le circuit 44 excite le circuit de temporisation 45 qui règle le temps de soudure. A son tour, le circuit 45 ferme l'interrupteur de soudure 22, de sorte que le circuit de soudure est fermé et que l'arc de soudure jaillit sur la pièce 18.
A l'achèvement du cycle de soudure, le circuit 45 ouvre l'interrupteur 22 et, simultanément, excite le circuit de temporisation 46 qui commande la durée pendant laquelle la tuyère est pressée contre la pièce après que l'opération de soudure principale s'est achevée. Quand le circuit 46 est coupé, il actionne la presse de manière que la tuyère s'éloigne de la pièce à souder.
Le circuit de temporisation 47, de postécoule- ment, peut être actionné simultanément avec le cir cuit 46 ou un peu plus tard. Lors de l'achèvement du cycle de postécoulement, le circuit 47 actionne le circuit 49 de commande du gaz de manière que l'écoulement gazeux soit réduit.de la quantité néces saire à la soudure à la quantité nécessaire pour maintenir l'arc pilote seulement.
Dans certains cas, les cycles de soudure peuvent se succéder suffisamment rapidement pour qu'il n'y ait qu'un faible avantage à réduire l'écoulement ga zeux pendant les parties sans soudure du cycle com plet. Dans ce cas, les circuits de préécoulement et de postécoulement peuvent être supprimés. Le tableau I concerne un procédé de soudure automatique sans emploi de ruban d'apport.
EMI0004.0000
Tableau <SEP> I
<tb> Courant <SEP> de
<tb> l'arc <SEP> principal <SEP> . <SEP> . <SEP> 160 <SEP> amp., <SEP> courant <SEP> continu,
<tb> électrode <SEP> négative
<tb> Temps <SEP> de <SEP> soudure <SEP> . <SEP> . <SEP> 110 <SEP> cycles
<tb> (1 <SEP> cycle <SEP> = <SEP> 1/60 <SEP> sec.)
<tb> Longueur <SEP> de
<tb> l'arc <SEP> principal <SEP> . <SEP> . <SEP> 1,8 <SEP> mm
<tb> Tension <SEP> de <SEP> la <SEP> source <SEP> 70-80 <SEP> volts <SEP> (circuit <SEP> ouvert)
<tb> Courant
<tb> de <SEP> l'arc <SEP> pilote <SEP> . <SEP> . <SEP> 10 <SEP> amp., <SEP> courant <SEP> continu,
<tb> électrode <SEP> négative
<tb> Temps <SEP> de
<tb> fonctionnement
<tb> de <SEP> l'arc <SEP> pilote <SEP> . <SEP> . <SEP> fonctionne <SEP> constamment
<tb> Gaz <SEP> ............
<SEP> argon <SEP> (pureté <SEP> commerciale)
<tb> Ecoulement
<tb> du <SEP> gaz <SEP> à <SEP> travers
<tb> l'arc <SEP> pilote <SEP> .... <SEP> 85 <SEP> litres/h
<tb> Ecoulement <SEP> du <SEP> gaz
<tb> à <SEP> travers
<tb> l'arc <SEP> principal <SEP> . <SEP> . <SEP> 142-170 <SEP> litres/h
<tb> préécoulement <SEP> 10 <SEP> cycles
<tb> postécoulement <SEP> 10 <SEP> cycles
<tb> Electrode <SEP> ........ <SEP> 3,2 <SEP> mm <SEP> de <SEP> diamètre.
<tb> Tungstène <SEP> thorié <SEP> avec
<tb> extrémité <SEP> pointue
<tb> Tuyère <SEP> <B>..........</B> <SEP> 9,5 <SEP> mm <SEP> de <SEP> diamètre <SEP> interne;
<tb> cuivre
<tb> Pièces <SEP> -à <SEP> souder <SEP> <B>....</B> <SEP> 2 <SEP> feuilles <SEP> d'acier <SEP> au <SEP> carbone
<tb> 1,1 <SEP> mm <SEP> et <SEP> 1,6 <SEP> mm
<tb> Le <SEP> tableau <SEP> II <SEP> concerne <SEP> un <SEP> procédé <SEP> de <SEP> soudure
<tb> par <SEP> points <SEP> manuelle <SEP> à <SEP> l'aide <SEP> d'un <SEP> ruban <SEP> d'apport.
<tb> Tableau <SEP> II
<tb> Ruban <SEP> <B>..........</B> <SEP> 0,64 <SEP> mm <SEP> d'épaisseur, <SEP> acier
<tb> inoxydable, <SEP> 1,7 <SEP> à <SEP> 2,4 <SEP> mm
<tb> de <SEP> largeur
<tb> Electrode <SEP> ........ <SEP> 3,2 <SEP> mm <SEP> de <SEP> diamètre.
<tb> Tungstène <SEP> thorié, <SEP> extré mité <SEP> pointue
<tb> Courant
<tb> d'arc <SEP> principal.. <SEP> 150 <SEP> amp., <SEP> courant <SEP> continu,
<tb> électrode <SEP> négative
<tb> Longueur <SEP> de
<tb> l'arc <SEP> principal <SEP> .
<SEP> . <SEP> 1,5 <SEP> mm
<tb> Temps <SEP> de <SEP> soudure.. <SEP> 1,0 <SEP> sec
<tb> Tuyère <SEP> à <SEP> gaz
<tb> Temps <SEP> de <SEP> contact <SEP> 2 <SEP> sec <SEP> (approximativement)
<tb> Type <SEP> <B>........</B> <SEP> 9,5 <SEP> mm <SEP> de <SEP> diamètre <SEP> interne;
<tb> cuivre
<tb> Gaz <SEP> ............ <SEP> argon
<tb> Ecoulement <SEP> ...... <SEP> 283 <SEP> litres/h, <SEP> constant
<tb> Arc <SEP> pilote <SEP> <B>........</B> <SEP> 10 <SEP> amp., <SEP> courant <SEP> continu,
<tb> électrode <SEP> négative
<tb> opération <SEP> continue
EMI0004.0001
Pièces <SEP> à <SEP> souder <SEP> . <SEP> . <SEP> 3 <SEP> feuilles <SEP> d'acier <SEP> inoxydable
<tb> supérieure
<tb> 1,07 <SEP> mm <SEP> d'épaisseur
<tb> intermédiaire
<tb> 0,89 <SEP> mm <SEP> d'épaisseur
<tb> inférieure
<tb> 0,64 <SEP> mm <SEP> d'épaisseur