CH656821A5

CH656821A5 - Procede de soudage electrique.

Info

Publication number: CH656821A5
Application number: CH4171/83A
Authority: CH
Inventors: John Garnet Church
Original assignee: Performance Process Int Ppi
Priority date: 1982-08-03
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1986-07-31
Also published as: BE897430A; SE454854C; GB2124531A; CA1189152A; DE3328272A1; IT1159461B; GB2124531B; FR2531358B1; DE3328272C2; US4463243A; NL8302725A; SE454854B; IT8367805A0; GB8320769D0; MX168124B; JPH0317590B2; SE8304232D0; JPS5945084A; SE8304232L; FR2531358A1

Description

La présente invention concerne une combinaison unique de gaz de soudage, de diamètres d'électrodes et de densités de courants permettant d'obtenir comme résultat un joint soudé amélioré qui se forme à une vitesse de soudage sensiblement supérieure à celle obtenue par les procédés de soudage GMA connus.

En générai trois types de procédés de soudage GMA sont connus cl se différencient par leurs caractéristiques d'arc et la manière suivant laquelle le métal est transféré de l'électrode consumablc à la pièce à usiner ou souder.

Le premier de ces procédés de transfert de métal est connu sous le nom de procédé à l'arc d'alomisation, dans lequel le métal est transféré de l'extrémité de l'électrode à la pièce à souder ou bain en fusion dans un courant ou une série de gouttelettes en fusion. Le transfert à l'arc d'alomisation a lieu avec des densités de courants qui ont été considérées jusqu'à présent comme étant relativement élevées mais ne dépassant pas en général 20000 A/cm2 (surface de l'éleclrodc) et avec un taux de dépôt de soudure de 54 à 136 g/min. D'une manière caractéristique, les diamètres des fils d'électrode varient de 0,75 à 1,5 mm avec des tensions variant entre 15 et 36 volts. Le transfert se fait en général dans de l'argon ou un gaz riche en argon.

Le procédé suivant est connu sous le nom de procédé par transfert globulaire, dans lequel un globule relativement important se forme à l'extrémité de l'électrode et tombe sur la pièce à souder lorsque la force de gravité dépasse la tension superficielle de la goulle en fusion. En même temps que le globule est transféré en travers de l'arc, il est soumis à des forces dans l'arc cl prend une forme irrégulière et un mouvement de rotation. Cela est parfois la raison pour laquelle le globule se relie ou se connecte de nouveau à l'électrode et au substrat, provoquant un court-circuit qui éteint momentanément l'arc. Le transfert globulaire se fait à des densités de courants plus faibles qu'avec ie transfert à l'arc d'alomisation et peut avoir lieu avec des gaz de protection variés.

Le troisième procédé est connu sous le nom de procédé de transfert par court-circuit, lequel, à cause de la chaleur de transfert relativement faible, est particulièrement utile pour souder des sections minces. Dans le transfert par court-circuit, un globule de métal liquide se forme à l'extrémité de l'électrode et s'allonge progressivement en se déplaçant vers la pièce à souder jusqu'à faire contact et créer un court-circuit. Le transfert de métal se fait de nouveau par gravité et tension superficielle. Lorsque le pont globulaire entre l'électrode et la pièce à souder est cassé par une force de compression, l'arc est interrompu, après quoi l'arc est renouvelé et le cycle recommence. Normalement, ce type de transfert a lieu dans du gaz carbonique, de l'argon/gaz carbonique ou des gaz de protection à base d'hélium. Si on utilise des densités élevées de courants et des tensions normales de l'are, le transfert de métal par ce procédé est beaucoup plus violent, cc qui provoque un crachement du matériau d'apport tel que la soudure obtenue est insatisfaisante en ce qui concerne son aspect et sa géométrie.

Les caractéristiques de transfert de métal des trois procédés peuvent être résumées de la maniere suivante;

Procédés

Transfert de matériau

1. Arc d'alomisation (arc long)

2. Globule (arc long)

3. Court-circuit (arc court)

Gouttelettes très petites, pas de court-circuit Grosses gouttes,

court-circuit éventuel possible Petites gouttelettes, court-circuit

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L'argon et l'hélium sont utilisés le plus fréquemment pour le soudage à l'arc 'de métal au gaz de matériaux non ferreux. Ils sont totalement inertes. Bien que les deux gaz soient également inertes, ils sont différents par d'autres propriétés. Ces différences sont réfléchies dans le transfert de métal au niveau de l'arc, des pénétrations du joint par fusion, de la forme de la soudure, du caniveau et autres variables de soudage.

L'hélium possède une conductibilité thermique supérieure à celle de l'argon. Pour une longueur et un courant d'arc donnés, la tension de l'arc est supérieure avec l'hélium qu'avec une protection à l'argon. En conséquence, davantage de chaleur est produite à une intensité de courant donnée avec une protection ou un écran d'hélium qu'avec de l'argon. II est donc préférable d'utiliser de l'hélium pour souder des métaux épais, spécialement ceux ayant une conduclivilè thermique élevée, tels que les alliages d'aluminium et de cuivre. Inversement, il est préférable d'utiliser l'argon pour le soudage de sections plus légères el des métaux ayant une conductivité thermique plus faible, parce qu'il produit une quantité inférieure de chaleur. Cela est particulièrement vrai lorsque l'on soude dans des positions autres que dans la position à piai.

Les configurations de renforcement el de pénétration de la soudure diffèrent avec une protection à l'argon et à l'hélium ou des mélanges des deux. Des soudures effectuées avec l'hélium ont un renforcement plus large que les soudures effectuées avec l'argon. Les soudures effectuées avec l'argon pénètrent plus profondément au centre qu'aux bords. L'hélium a été ajouté à l'argon pour augmenter la pénétration du joint tout en conservant les caractéristiques avantageuses de transfert de métal de l'argon. La forme et la pénétration du cordon de soudage sont considérablement influencées par les caractéristiques de transfert du métal. Le transfert à l'arc d'alomisation tend à produire une pénétration relativement profonde le long de la ligne centrale des soudures et une pénétration relativement peu profonde au niveau des bords à cause de l'effel du jet de plasma. Les transferts globulaires et par court-circuit tendent à produire une pénétration plus large et moins profonde. En règle générale, le transfert par are d'alomisation esl obtenu plus facilement dans l'argon que dans l'hélium.

Bien que les gaz inertes purs soient souvent essentiels ou préférables pour souder certains métaux non ferreux, ils ne présentent pas toujours les caractéristiques les plus satisfaisantes pour souder des métaux ferreux. En utilisant une pvoteelion à l'argon pur, le métal a tendance à s'écarter de la ligne de fusion ou à ne pas s'écouler vers celte ligne de fusion ou pied de la soudure dans des aciers au carbone el la plupart des aciers faiblement alliés. En outre, le transfert de métal est irrégulier et perlé.

L'addition d'un gaz réactif tel que l'oxygène ou le gaz carbonique à l'argon stabilise l'arc cl favorise le transfert de métal en minimisant les perles de soudure. En même temps, une telle addition change la forme de la section de la soudure et favorise le mouillage et l'écoulement du métal de soudage le long des bords de la soudure dans des aciers au carbone el des aciers faiblement alliés. Le gaz réactif réduit également ou élimine le caniveau. Ce changement de section, à savoir une réduction du doigt central de pénétration,

réduit la porosité.

Des gaz de protection utilisés avec le transfert de métal par court-circuit diffèrent souvent des gaz de protection avec le transfert par goutte. Par exemple, les mélanges argon/gaz carbonique sont fréquemment utilisés pour proléger l'acier avec le procédé de transfert parcourt-circuit, mais sont rarement utilisés, voire jamais, avec un transfert par goutte. L'argon ou des mélanges argon/hélium sont utilisés pour la prolection de la plupart des métaux non ferreux. Des gaz réactifs ou des mélanges de gaz inertes cl réactifs sont utilisés pour la soudure d'aciers.

Les gaz polyatomiques ou «de haute tension» sont utilisés davantage dans des mélanges de protection avec soudage par court-circuit plutôt que dans un soudage par transfert par goutte pour augmenter l'apport de chaleur et améliorer le mouillage. Le pourcentage de gaz réactif doit être limité pour contrôler les réactions gaz-métal qui sont vnêtallurgiquement nuisibles. Les mélanges argon/gaz carbonique ont des performances satisfaisantes pour souder des aciers inox, mais augmentent la teneur en carbone du métal de soudage et réduisent la résistance à la corrosion, en particulier dans s des soudures à passes multiples. Un mélange de protection moins actif de 90% d'hélium, 7,5% d'argon et 2,5% de gaz carbonique a été utilisé pour obtenir une résistance adéquate à la corrosion et réduire l'oxydation de la soudure. Dans ce mélange de protection, l'hélium et le gaz carbonique augmentent tous deux l'apport de io chaleur pour une intensité de courant donnée. Le gaz carbonique améliore également la stabilité de l'are. On obtient un meilleur mouillage et une meilleure forme de la soudure.

Comme autre exemple de l'effet des mélanges gazeux de protection, dans le procédé de transfert globulaire utilisant le gaz carboni-15 que comme protection, le transfert est caractérisé par des globules plus grands (généralement de dimension deux fois plus grande) que le diamètre de l'électrode, mais le transfert par gouttelette est irrégulier et non axial. Lorsque l'argon est ajouté à la protection gazeuse, le gaz carbonique riche en argon diminue la dimension des gouttelet-20 tes qui deviennent plus petites que le diamètre du fil métallique et elles sont transférées coaxialement avec l'électrode. Il en résulte des forces de gravitation combinées à des forces électromagnétiques dans le transfert de matériau projeté. Avec des quantités supplémentaires d'argon, la dimension des gouttelettes continue de se réduire 25 jusqu'à ce que le procédé de transfert par arc d'alomisation ait lieu en l'absence de courts-circuits.

Dans un article paru dans la publication «Metal-working Management», de janvier-février 1975, l'auteur John Church décrit le procédé de soudage Plasmig qu'il a développé en 1971. Dans cet 30 article, John Church décrivait le procédé Plasmig qui utilisait le mélange à trois gaz d'argon, gaz carbonique et oxygène, et suggérait la possibilité d'ajouter d'autres gaz tels que l'hélium ou l'hydrogène qui, néanmoins, n'avaient pas été combinés, à sa connaissance, au moment de la publication de son article. Avanl le procédé Plasmig 35 de John Church, des mélanges à trois gaz n'avaient pas été utilisés commercialement pour souder l'acier. Il inventa par la suite son mélange à quatre gaz proportionné de manière unique avec les résultats étonnamment améliorés qui s'ensuivirent. Grâce à sa découverte, il a fait progresser considérablement la technique du soudage 40 en ce qui concerne la qualité des soudures et les vitesses de soudage, réduisant parallèlement les coûts de soudage.

La demande de brevet U.S. N" 3.139.506 de WolllVr al. concerne le soudage à l'arc lumineux revendiquant un mélange de gaz protecteur ayant une composition de 20-70% en volume de C02, 1-15% de 45 O,, le reste étant de l'argon. Dans la dernière phrase de leur demande, Wölfl"er al. suggère que l'hélium ou un mélange d'hélium el d'argon peut être utilisé à la place de l'argon dans leur mélange de gaz protecteur. Cette demande de brevet ne fait pas état des pourcentages de mélange d'hélium et d'argon et, par conséquent, elle 5o n'établit aucune plage critique. Il est également à noter que Wolff et al. donnent des proportions de volume pour C02 et Oz dépassant de loin celles utilisées par la présente invention.

Le but de la présente invention est d'augmenter sensiblement les vitesses de dépôts de soudure tout en améliorant la qualité et l'aspect 55 de la soudure. La présente invention permet d'obtenir ce résultat à l'aide d'un nouveau système de soudage de métal au gaz à l'arc électrique qui comprend des densités de courants, des tensions de courants et des diamètres d'électrodes sensiblement supérieurs et combinés à un gaz unique de soudage qui produit un plasma unique de 60 soudage ayant une stabilité considérablement améliorée. Tout en améliorant les propriétés physiques du joint de soudure, ce nouveau procédé permet d'obtenir des vitesses de dépôts de soudure deux fois supérieures à celles du procédé traditionnel à l'arc d'atomisation ou de projection. A cet effet, le procédé selon l'invention est défini par 65 la revendication 1.

Le procédé de la présente invention possède les caractéristiques désirées des deux procédés à l'arc d'atomisation ou de projection (grandes quantités de globules par seconde) et de transfert globulaire

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(globules de taille importante) sans aucun phénomène de court-circuilage. En d'autres termes, le procédé permet d'obtenir les gros globules comme ceux du procédé par transfert globulaire avec le flux ou courant consistant de globules du procédé à l'arc de projection. La vitesse élevée de dépôt est surprenante étant donné que le transfert globulaire (grosses perles) de matériau de l'électrode a été jusqu'à présent associé avec un soudage avec une faible densité de courant. En outre, une libération coaxiale consistante des globules est obtenue par opposition à la libération décalée latéralement obtenue avec des mélanges gazeux de protection du type antérieur. On pense que la libération axiale des globules contribue à l'absence d'éclaboussure dans le procédé de la présente invention. Un aspect plus important du nouveau procédé consiste à reconnaître l'importance de la stabilisation de la dimension et de la forme du plasma et de la création d'un mélange gazeux de soudage, facilitant l'obtention de ce résultat et permettant l'utilisation de densités de courants plus élevées et des électrodes de dimensions plus grandes.

Un procédé de soudage qui comprend un court-circuitage régulier ou intermittent entre l'électrode el la pièce à souder ralentit ou réduit inévitablement la vitesse de dépôt de soudure à cause de l'interruption du passage de courant cl, par conséquent, la vitesse de transfert de métal de l'élcctrodc à la pièce à souder. Le dépôt du matériau de soudure et la qualité du joint de la soudure sont en rapport direct avec la quantité de métal transférée de l'électrode, l'état de préchaulTcmcnl du joint de la pièce à souder, cl la capacité à contenir le courant ou coulée de métal en fusion transféré dans le joint de la soudure. En d'autres termes, alors que l'on sait que des densités et des tensions de courants élevées augmentent le transfert de métal de l'élcctrodc, d'autres conditions déterminent la capacité à retenir ce métal transféré sur la pièce à souder dans le but de former un bon joint de soudure, et ont généralement maintenu les densités de courants de l'ordre de 20000 A/cm2 pour les procédés de dépôt jusqu'à présent les plus rapides.

Dans le procédé de soudage de la présente invention, on obtient un courant ou coulée de trajectoire libre et sans court-circuit d'un matériau d'électrode en fusion, comme dans le transfert à l'arc d'atomisation ou de projection, combiné avec des dimensions de globules normalement associées au procédé de transfert globulaire pour produire un volume de transfert sensiblement accru de matériau d'électrode de soudage. En même lemps, le mélange de gaz de soudage el son champ de plasma commandé et unique permettent de contenir ce volume accru de la coulée de métal dans le joint de soudure, améliorent la pénétration et la qualité du joint par un pré-chauffcment considérablement amélioré du substrat.

Le présent procédé de soudage produit: une meilleure géométrie de soudure; des dépôts de soudure exempts de soufre; des propriétés physiques améliorées des joints soudés par rapport aux mélanges classiques de gaz de protection; et une pénétration suffisante pour produire 100% de soudure de bonne fusion dans des plaques ayant une épaisseur pouvant atteindre jusqu'à 13 mm avec un cordon de soudage de chaque côté d'un raccord à bride lisse sans aucune préparation poussée des plaques. Le présent procédé est particulièrement utile dans le soudage d'aciers doux à faible teneur en carbone, d'aciers ayant une teneur en carbone moyenne et élevée, d'aciers de résistance élevée, faiblement alliés, et peut également s'appliquera l'acier inox, au cuivre et à divers alliages avec des résultats excellents.

Le mélange gazeux unique de soudage utilisé selon l'invention consiste essentiellement de 3% à 10% en volume de gaz carbonique, de 0,1 % à I % en volume d'oxygène, de 25% à 60% d'hélium el de 40% à 70% d'argon.

L'invention sera mieux comprise après lecture de la description détaillée donnée à titre d'exemple et des dessins l'illustrant.

La figure 1 est une vue schématique d'une installation de soudage à l'arc de métal au gaz;

la figure 2 est une vue d'un joint de soudure théorique obtenu par la présente invention;

la figure 3 représente des présentations schématiques de trois types de base de procédés de transfert à l'arc de métal au gaz;

la figure 4 est une vue schématique du procédé de soudage au gaz mis en œuvre suivant la présente invention;

les figures 5-13 sont des vues de joints de soudure formés avec différents gaz de protection en comparaison au gaz de soudage de la présente invention;

les figures 14-16 sont des représentations d'images d'un film photographique à haute vitesse illustrant le plasma développé en utilisant un gaz de protection consistant en 85% d'argon et 15% de gaz carbonique;

les figures 17-19 sont des représentations d'images d'un film photographique à haute vitesse illustrant le plasma développé en utilisant un gaz de protection consistant en 100% de gaz carbonique; el les figures 20-22 sont des représentations d'images d'un film photographique à haute vitesse illustrant le plasma développé en utilisant le mélange gazeux de soudage selon la présente invention.

Une représentation schématique d'une installation de soudage à l'arc de métal au gaz caractéristique est illustrée dans la figure 1. Une bobine 10 fournit du fil métallique de soudage 12 à un dispositif d'alimentation de fil métallique 14 qui pousse le fil métallique au travers d'un conduit flexible 16, et ce dernier se termine en un support d'électrode ou pistolet de soudage 18. Une alimentation de courant électrique 20 fournit du courant au fil métallique de soudage et comprend des commandes de tension et d'ampèrage normaux. Un réservoir de gaz de protection 22 envoie du gaz à un dispositif de commande d'écoulement 24 qui, à son tour, envoie le gaz au conduit 16 et au pistolet de soudage 18.

Un joint de soudage schématique du type obtenu généralement avec la présente invention csl illustré dans la figure 2 et comprend une plaque horizontale 26, une plaque verticale 28. el du matériau de soudure 30. Les désignations suivantes s'appliquent au joint de soudure de la figure 2:

A. Gorge théorique

B. Jambe verticale

C. Jambe horizontale

D. Racine de la soudure

E. Talon de la soudure

F. Face de la soudure

G. Racine du joint

Le procédé de soudure de la présente invention est conçu pour produire des jambes B et C de longueurs comparables et une face F plate à légèrement convexe. Avec les procédés connus jusqu'à présent avec une densité élevée de courant et une vitesse élevée de dépôt, l'on obtient d'une manière caractéristique des jambes de dimensions très inégales, la jambe la plus longue se trouvant sur la surface horizontale et la jambe la plus courte se trouvant sur la surface verticale. En outre, les profils de la face de soudure ne sont pas consistants, souvent le talon de la soudure ne fusionne pas de façon régulière et lisse dans des plaques, cl il y a fréquemment formation de caniveau de la plaque verticale autour du talon E.

La figure 3 illustre des présentations schématiques des procédés connus de transfert à l'arc par atomisalion ou projection (A), de transfert globulaire (B) et de transfert par courl-cireuit (C). En référence tout d'abord au procédé de transfert à l'arc par projection (A), une électrode 32 est verticalement espacée du substrat ou pièce à souder 34 et comprend une série de goulleletlcs séparées 36 qui s'écoulent dans le flux de l'arc vers le matériau en fusion de soudure 38. Dans le procédé de transfert globulaire (B), un gros globule 40 se forme à l'extrémité de l'électrode 42 et, lorsque la traction gravitationnelle sur le globule dépasse la tension superficielle entre l'électrode et le globule, ce dernier tombe vers le matériau en fusion de soudure 44. Dans le procédé de transfert par court-circuit (C), la pointe de l'électrode 46 fond el forme une perle 48 qui s'allonge par gravité jusqu'à être en contact avec le matériau de fusion de soudure 50, créant un court-circuit suivi de la cassure du pont entre la perle

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et l'électrode, ce qui a pour effet de rétablir l'arc, et le cycle de formation de perles recommence.

Dans la mesure où le procédé à l'arc par projection ou alomisa-tion a lieu avec des densités de courants relativement élevées ne dépassant pas cependant en général 20 000 ampères/cm2, ce procédé possède une vitesse de dépôt relativement élevée, c'est-à-dire de l'ordre de 50 à 140 g/min. Les transferts globulaire et par court-circuit ont lieu avec des densités de courants inférieures et des vitesses de dépôts plus lentes.

La figure 4 est une vue schématique d'une extrémité d'un pistolet de soudage 60, et illustre le procédé de transfert de métal de la présente invention. La buse du pistolet de soudage 62 entoure coaxiale-ment la pointe 64 au travers de laquelle le fil métallique ou électrode de soudage 66 est amené. Le courant provenant de la source d'alimentation électrique est amené sur l'électrode 66 au niveau de la pointe 64 et l'électrode est préchauffée sur la distance P entre l'extrémité de la pointe et l'extrémité de la buse. Du gaz de protection 68 s'écoule au travers de la buse 62 et entoure l'électrode et le matériau en fusion 70 dans la pièce à usiner ou à souder 72. L'arc de soudage est indiqué en 73.

Le courant de l'électrode fait monter le niveau d'énergie du gaz de soudage suffisamment pour ioniser au moins la couche interne et créer un jet de plasma 74 autour de l'électrode entre la buse et la pièce à souder et entourant le matériau en fusion de soudage 70.

Etant donné que le gaz ionisé ou plasma ne suit pas les lois connues de la physique et de la thermodynamique, on l'a appelé «quatrième état de la matière», après les matières solide, liquide et gazeuse. Le plasma possède deux avantages essentiels par rapport au gaz ordinaire à des fins d'échauffement : meilleur transfert de chaleur et température plus élevée vers d'autres objets. 11 est évident que dans le soudage il est hautement souhaitable de chauffer le matériau d'apport rapidement, ce qui peut être considérablement facilité par certains plasmas. On a également appris par la présente invention qu'un pasma contrôlé ou stabilisé facilite énormément le prééchauffement du substrat, améliorant ainsi la pénétration de la soudure.

En créant un plasma, les atomes de gaz sont dissociés en ions et en électrons libres faisant monter les températures des particules gazeuses chargées jusqu'à atteindre de très hautes températures, par exemple de 6600" C jusqu'à 22 200'' C. Lorsque de telles particules gazeuses chauffées à de très hautes températures sont transférées de part et d'autre de l'arc, les particules de plasma chargées libèrent leur chaleur et font fondre l'électrode et préchauffent le substrat, après quoi les particules gazeuses refroidies se recombinent pour former la structure moléculaire du ou des gaz initiaux.

Alors que l'on sait qu'un certain plasma se forme avec la plupart des gaz de protection utilisés dans le soudage à l'arc, chaque gaz ou chaque mélange de gaz possède un plasma unique avec des caractéristiques physiques et électriques distinctes. D'une manière générale, la chaleur du plasma (par exemple 74 de la figure 4) se combine à la chaleur générée par l'arc de l'électrode pour produire une chaleur totale disponible pour fondre l'électrode. Cependant, il semble que l'on n'a jamais reconnu jusqu'à présent l'importance du contrôle et de la stabilisation de la forme et des dimensions d'un tel plasma en tant que moyen d'amélioration de la qualité de la soudure et de la vitesse de dépôt de la soudure. En conséquence, davantage en sera dit concernant le plasma du procédé de la présente invention.

Un autre point important est le fait qu'il est nécessaire de commander le potentiel électrique entre l'arc de soudage et le plasma de manière à obtenir un transfert contrôlé et coaxial des particules ou perles de l'électrode en fusion vers la pièce à souder sans éclabous-sure de matériau d'apport et sans formation de brèche ou caniveau de la pièce à souder tout en permettant le transfert de plus grandes quantités de matériau d'apport et d'électrode vers le joint de soudure.

Du courant est présent à la fois dans l'arc de soudage et dans le plasma entourant l'électrode. Ces courants se combinent pour produire la chaleur totale disponible pour fondre l'électrode et préchauffer la pièce à souder. Le potentiel du plasma est la différence entre la tension de l'arc et la tension du plasma. Si la différence du potentiel est relativement grande, comme c'est le cas avec le plasma produit dans le procédé caractéristique de l'arc par projection avec 5 un gaz de protection d'argon ou riche en argon, la force du plasma a tendance à emporter ou souffler le dépôt de métal de soudure à des densités élevées de courants, ce qui nécessite la réduction de l'intensité du courant, réduisant par conséquent les vitesses de dépôt, de manière à obtenir un joint de soudure satisfaisant.

io Dans le procédé de soudage de la présente invention, un jet ou anneau de plasma unique est créé, dans lequel le potentiel du plasma (la différence entre la tension de l'arc et la tension du plasma) est inférieur au potentiel du plasma des procédés connus à l'arc par projection, ce qui permet d'utiliser des densités de courants supérieures 15 permettant d'accroître considérablement les transferts de matériau d'apport de l'électrode vers le joint de soudure sans emporter ou éclabousser le dépôt de soudure.

Jusqu'à présent, dans le soudage GMA, il n'était pas pratique d'utiliser des électrodes ayant des diamètres supérieurs à 1,6 mm à 20 cause des limites imposées sur la quantité de courant qui peut être utilisée tout en conservant la formation désirée du joint de soudure. Ce courant a été limité jusqu'à présent dans une plage de 100 à 400 ampères ou à des densités de courants n'excédant pas 20000 A/cm2.

-5 Dans la présente invention, le gaz de soudage unique permet d'utiliser un courant allant jusqu'à 1100 ampères, des densités de courants allant jusqu'à 70000 A/cm2 et des électrodes ayant un diamètre jusqu'à 4 mm. En même temps, le mélange permet d'utiliser des fils métalliques ayant de plus petits diamètres pour acheminer 30 des densités de courants plus élevées. Par exemple des fils métalliques de 0,75 mm peuvent porter 56000 A/cm2 par rapport aux 18 600 A/cm2 usuels. Le débit de gaz de soudage est de l'ordre de 1 à 2 mJ par heure.

Le mélange de gaz de soudage de l'invention est un mélange 35 d'argon, d'hélium, d'oxygène et de gaz carbonique dans les proportions de mélange suivantes:

Argon 40% à 70%

Hélium 25% à 60%

Gaz carbonique 3% à 10%

i° Oxygène 0,1% à 1%

Comme cela est établi ci-après, des mélanges gazeux spécifiques ainsi que des ampérages et des niveaux de tension varient en fonction des métaux ou des alliages métalliques soudés et en fonction de kl dimension du soudage désiré.

45 Comme cela a été mentionné, les vitesses de dépôts de soudure les plus élevées ont été atteintes jusqu'à présent avec le procédé de transfert à l'arc de projection ou atomisation. En fonction de la pénétration de soudure désignée, le procédé a utilisé généralement un gaz de protection consistant en de l'argon et du gaz carbonique ou 50 de l'argon et de l'oxygcne seulement. Des joints de soudure obtenus avec de tels gaz de protection comparés au mélange gazeux de soudage de la présente invention sont illustrés dans les figures 5-13. De manière à effectuer une comparaison raisonnable, des conditions de soudage fondamentalement identiques ont été établies, la variante 55 essentielle étant le gaz ou le mélange gazeux de protection utilisé. Les tests comparatifs ont porté sur des plaques d'acier doux, de faible teneur en carbone, d'une épaisseur de 20 mm 82 et 84, l'une placée horizontalement et l'autre verticalement pour former un joint en T. Les électrodes de soudage utilisées étaient du fil d'acier E 70 S6 60 et E 70 S7 de 1,32 mm de diamètre. Les électrodes utilisées étaient enrobées de cuivre ou ne comportaient pas d'enrobage et n'ont apporté aucune différence dans les résultats du soudage. Un premier critère de qualité d'une soudure est la profondeur de pénétration de la soudure depuis la racine du joint de soudure G jusqu'à la racine 65 de la soudure D. Les comparaisons de pénétration de soudure sont illustrées dans les figures 5-7.

En référence tout d'abord à la figure 5, un joint de soudure à l'arc par projection ou atomisation est illustré en utilisant ce qui a

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été considéré jusqu'à présent comme un mélange gazeux de protection des plus efficaces et consistant en 85% d'argon et en 15% de gaz carbonique. La pénétration de soudure désignée en x mesure 2,5 mm dans la plaque verticale depuis la racine du joint de soudure G jusqu'à la racine de la soudure D.

Les paramétres de soudage et les résultats pour le joint de soudure illustré dans la figure 5 sont les suivants:

Gaz de protection

85% d'argon/15% de gaz carbonique

Vitesse d'alimentation du fil

13,6 m/min

Vitesse de séparation par fusion

8,6 kg/il

Intensité du courant

410 ampères

Tension

33 volts

Vitesse de soudage

0,5 m/min

On sait que l'utilisation d'un écran de gaz carbonique améliore la pénétration de la soudure. En conséquence, la figure 6 illustre un joint de soudure utilisant un gaz de protection à 100% de gaz carbonique. Dans ce cas, la pénétration de la soudure y est augmentée pour atteindre 3,4 mm.

Les paramétres de soudage et les résultats pour le joint de soudure illustré dans la figure 6 sont les suivants:

Gaz de protection

100% de gaz carbonique

Vitesse d'alimentation du fil

12,3 m/min

Vitesse de séparation par fusion

8,2 kg/h

Intensité du courant

350 ampères

Tension

33 volts

Vitesse de soudage

0,5 m/min

La figure 7 illustre le joint de soudure utilisant le mélange gazeux de soudage le plus préférable de la présente invention pour des aciers doux et à alliage pauvre. Dans cc cas, la pénétration de la soudure z est de 5,4 mm. Les paramétres de soudage cl les résultats pour le joint de soudure de la figure 7 sont les suivants:

Gaz de protection

65,0% d'argon; 26,0% d'hélium; 8,0% de gaz carbonique; 0,5% d'oxygène;

Vitesse d'alimentation du fil

16 m/min

Vitesse de séparation par fusion

10 kg/h

Intensité du courant

400 ampères

Tension

37,5 volts

Vitesse de soudage

0,8 m/min

On a trouvé que si on fait varier individuellement chacun des gaz du mélange mentionnés immédiatement ci-dcssus de l'ordre de plus ou moins 5% des valeurs les plus préférables ou avantageuses, l'on obtient des résultats considérablement améliorés.

En comparant les résultais des procédés de soudage des figures 5 et 6. par des procédés classiques à l'arc par projection, avec ceux du procédé de soudage de la présente invention, de la figure 7, on peut remarquer que: la pénétration de soudure du présent procédé est 216% meilleure que celle de la figure 5 et 159% meilleure que celle de la figure 6. La vitesse de soudage et donc la vitesse de dépôt des procédés des figures 5 et 6 étaient toutes les deux de 50 cm/min par rapport aux 80 cm/min de la présente invention. En d'autres termes, la vitesse de dépôt de soudure de la présente invention est 160% plus rapide que la vitesse des procédés comparables à l'arc par projection utilisant des intensités de courants et des tensions de courants comparables.

Ainsi, le procédé de soudage de la présente invention permet d'obtenir une pénétration de soudure et des vitesses de dépôts de soudure supérieures à celles obtenues avec les procédés connus à l'arc par projection.

Un autre critère de la mesure de la qualité d'un joint de soudure consiste à comparer la dureté (Rockwell B) du matériau d'apport de soudure avec celle du substrat ou de la pièce à souder. L'idéal, pour obtenir le meilleur joint de soudure, serait que la dureté du matériau d'apport de soudure déposé et que la dureté du substrat ou de la pièce à usiner autour du joint de soudure soient les mêmes. Cependant, on a accepté jusqu'à présent que le matériau d'apport déposé soit normalement plus dur que la pièce à souder.

Cependant, en mesurant la dureté des matériaux d'apport déposés et la dureté des pièces à souder avec les procédés de soudage à l'arc par atomisation ou projection des figures 5 el 6 et en les comparant avec celles du procédé de la présente invention de la figure 7, on remarque que la dureté du matériau d'apport déposé du présent procédé est sensiblement la même que celle de la pièce à souder. Ces résultats sont illustrés dans les figures 8-10.

Dans les figures 8-10, les chiffres qui sont indiqués sur les dessins illustrés représentent les chi (1res de dureté Rockwell (en utilisant un poids de 102 kg), valeurs mesurées en divers points sur la pièce à souder autour du joint de soudure cl sur le matériau d'apport déposé.

La figure 8 correspond au joint de soudure de la ligure 5 en utilisant le gaz de protection de 85% d'argon cl de 15% de gaz carbonique. Dans ce cas, la dureté de la pièce à souder autour du joint de soudure varie de 66 à 72 et la dureté du matériau d'apport déposé est approximativement de 96. Ainsi, le matériau d'apport est de 146% à 134% plus dur que la pièce à souder.

La figure 9 correspond au joint de soudure de la figure 6 en utilisant le gaz de protection à 100% de gaz carbonique. Ici, la dureté de la pièce à souder autour du joint varie de 65 à 67 approximativement, et la dureté du matériau d'apport est approximativement de 88. Ainsi, le matériau d'apport est de 135% à 131 % plus dur que la pièce à souder.

La figure 10 correspond au joint de soudure de la figure 7 en utilisant le gaz du procédé de soudage de la présente invention. Dans cc cas, la durelé de la pièce à souder autour du joint de soudure varie de 86 à 87 et la dureté du matériau d'apport est approximativement de 86. Ainsi, la dureté du matériau d'apport est sensiblement la même que celle de la pièce à souder.

Un autre lesi de qualité d'un joint soudé porte sur la résistance à la traction de la pièce à souder et la résistance à la traction du matériau d'apport déposé, que l'on souhaite aussi voisines que possible. Ces comparaisons de résistances à la traction sont illustrées dans les ligures 11-13. Les chiffres indiqués dans les ligures 11-13 représentent la résistance à la traction mesurée kg,mm2.

La figure 11 correspond au joint de soudure de la figure 5 en utilisant le gaz de protection de 85% d'argon et de 15% de gaz carbonique. Ici, la résistance à la traction de la pièce à souder varie de 43 à 47 approximativement, tandis que celle du matériau d'apport est de 75 approximativement. Ainsi, la résistance à la traction du matériau d'apport est d'environ 172% supérieure à celle de la pièce à souder.

La figure 12 correspond au joint de soudure de la figure 6 en utilisant un gaz de protection de 100% de gaz carbonique. Ici, la résistance à la traction de la pièce à souder est d'environ 43 et celle du matériau d'apport de 64. Ainsi, la résistance à la traction du matériau d'apport est d'environ 149% supérieure à celle de la pièce à souder.

La figure 13 correspond au joint de soudure de la figure 7 en utilisant le gaz du procédé de soudage de la présente invention. Dans cc cas, la résistance à la traelion de la pièce à souder cl celle du matériau d'apport sont approximativement égales à 61.

Un autre test standard industriel est connu sous le nom de test d'impact de Charpy. Le test détermine la capacité d'une soudure de supporter un impact déterminé à une température donnée. A des fins de comparaison, on s'est référé au guide de poche de soudage (Pocket Welding Guide) produit par Hobarl Brothers Company et édité en 1979. En référence à la page 74, les résultats du test de

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7

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Charpy pour un matériau d'électrode AWS E70S-6 et en utilisant un gaz de protection C02 indiquent à — 29 C un impact de 3 kg/m pour un fil de 1,14 mm de diamètre. Effectués par une organisation indépendante, des tests comparables utilisant un matériau d'électrode E70S-6 et le mélange gazeux de la présente invention de soudage d'aciers doux et faiblement alliés à —29 C donnent les résultats suivants en utilisant cinq échantillons d'essai:

Echantillon

Impact en kg/m

1

16,8

2

11,9

3

14,6

4

10,5

5

11,6

Comme l'on procède habituellement, le résultat élevé (16,8) et le résultat minimum (10,5) ont été éliminés, ce qui a donné un impact moyen d'environ 12,6 kg/in c'est-à-dire trois à quatre fois supérieur à celui indiqué dans le Guide I Iobart.

Dans un effort pour déterminer la raison des résultats des tests d'impact étonnamment supérieurs, la même organisation a effectué des analyses supplémentaires de la soudure et comprenant une microphotographie d'une épreuve au soufre qui a indiqué que la soudure était pratiquement exempte de soufre. On a donc pu conclure que les résultats d'impact considérablement améliorés étaient dus à l'état de propreté ou d'absence de soufre de la soudure obtenue par le procédé et le mélange gazeux de la présente invention. Avec le procédé selon l'invention, le chaudron ou bain de fusion de soudage est porté à une température plus élevée et bombardé à une cadence ou vitesse exceptionnellement élevée par les gros globules de l'électrode pour aider à purifier ou nettoyer le joint de soudure.

On peut avancer la théorie suivante et dire que l'étroite correspondance des duretés et des résistances à la traction du matériau d'apport de soudure et du joint de soudure, que la meilleure pénétration et les résistances à l'impact considérablement améliorées de la soudure obtenues par la présente invention sont dues au mélange ou alliage considérablement amélioré des matériaux d'apport et du substrat, résultant de températures .sensiblement plus élevées et du préchauflage du substrat obtenus avec le présent procédé. On peut également penser que de tels résultats sont dus au bombardement rapide du joint de soudure par de grandes quantités de gros globules en fusion et également à l'absence de soufre dans la soudure.

Ainsi, il est clair que le procédé de soudage de la présente invention permet d'obtenir un joint de soudure sensiblement meilleur en ce qui concerne la résistance à l'impact de la soudure, la pénétration de la soudure, la vitesse de dépôt de la soudure, ainsi que la correspondance entre le matériau d'apport déposé et le matériau de la pièce à souder en ce qui concerne la dureté et la résistance à la traction.

Une autre catégorie importante d'aciers dont les résultats de soudage sont considérablement améliorés par la présente invention est la catégorie comprenant les aciers trempés faiblement alliés. Le mélange gazeux de soudage le plus préféré pour cette catégorie est le suivant:

Face A

Face B

1) 9,5

1) 14,4

2) 11,3

2) 14,1

3) 14,3

3) 13,7

4) 13,0

4) 8,7

5) 14,4

5) 8,9

Argon Hélium

Gaz carbonique Oxvgène

44,00% 52,00% 3,82% 0,18%

En utilisant le mélange gazeux de soudage indiqué ci-dessus pour souder bout à bout une paire de sections d'une épaisseur de 14,6 cm en acier trempé faiblement allié, on a effectué des tests d'impact de Charpy à 51 C sur cinq sections de 10 mm prises de chacune des parties supérieure (face A) et inférieure (face B) du joint de soudure et les résultats suivants ont été obtenus en kg/m:

En éliminant de nouveau les résultats maximum et minimum, les io valeurs moyennes d'impact sont de 12,9 kg/m pour la face A et 12,0 kg/m pour la face B. Ces résultats sont environ deux fois supérieurs aux normes les plus élevées de résistance à l'impact établi pour le soudage de tels matériaux.

Pour l'acier inox, le mélange gazeux de soudage le plus préférais ble du déposant est le suivant:

Argon 41,66%

Hélium 55,00%

Gaz carbonique 3,20%

Oxygène 0,14%

20

Avant la présente invention, on n'avait porté que peu d'attention sur le caractère, c'est-à-dire la forme, la taille cl la consistance du plasma formé pendant le soudage GMA. C'est le caractère unique du plasma qui a facilité le soudage amélioré obtenu par la présente 25 invention. Jusqu'à présent, des gaz ont été sélectionnés dans le but de protéger le joint de soudure contre la contamination (voir demande de brevet U.S. 3.496.323 de Lesnewich et al.), dans le but de varier la pénétration de soudure (voir demande de brevet U.S. 3.139.506 de Wolff et cil.) et de stabiliser l'are (voir demande de 30 brevet U.S. 2.916.601 de Lesnewich), tous étant d'importants exposés sur le soudage. Cependant, tout plasma gazeux de protection créé n'a présenté qu'un caractère fortuit dans ces exposés ou traités mentionnés ci-dessus. Comme cela sera illustré et décrit ultérieurement en utilisant des mélanges gazeux déjà connus et des mé-35 langes gazeux préférés, les plasmas résultants ont été irréguliers ou incontrôlés quant à la forme, et ont même disparu parfois pendant le procédé de soudage.

On a découvert l'aspect critique du contrôle et de la stabilisation du plasma de manière à améliorer à la fois la qualité de la soudure et 4i) les vitesses de dépôts de la soudure. Ainsi, le but essentiel de la présente invention est de contrôler la forme, la taille el la consistance du plasma qui entoure l'électrode et le matériau en fusion de soudure ou joint de soudure. En ajustant la forme et la dimension du plasma et, en outre, en confinant étroitement le plasma sur l'élec-45 trode et la région de soudure, la chaleur du plasma est concentrée de manière à faire fondre rapidement le matériau de l'électrode et également préchauffer la région de soudure dans le but d'améliorer la pénétration de la soudure, la vitesse de dépôt de la soudure et la qualité de la soudure.

50 De manière à démontrer son caractère unique, une série de films cinématographiques à haute vitesse (4000 images par seconde) ont été faits pour comparer le plasma du procédé de la présente invention avec les plasmas de deux autres gaz de protection très estimés. D'une manière spécifique, les deux autres gaz de protection étaient: 55 I ) le mélange de 85% d'argon et de 15% de gaz carbonique, et 2) 100% de gaz carbonique. Les vitesses de dépôt de la soudure el les qualités de la soudure en utilisant ces gaz de protection ont été comparées et décrites en référence aux figures 5-13.

Etant donné qu'il est difficile de reproduire des images de tels 60 films à haute vitesse dans des dessins de brevet d'invention, des représentations ou illustrations d'images comparatives sont présentées dans les figures 14-22. Chacune des figures 14-22 représente une photographie prise à I/4000e de seconde.

Dans le cas du plasma généré par addition d'argon pendant un 65 procédé de soudage à l'arc, et comme cela est illustré clairement dans les études des images à haute vitesse, la forme, les dimensions et, ce qui est plus important, le sens du plasma gazeux de protection changent de manière continue dans une certaine mesure pendant le

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8

cycle de soudage. En d'autres termes, alors que le plasma illustré en 74 de la figure 4 est une représentation instantanée, à un autre instant les proportions du plasma vont varier. Cependant, comme on peut le voir en comparant les ligures 14 à 22, les plasmas de divers gaz de protection ont surtout des caractéristiques physiques et électriques différentes qui se traduisent par des caractéristiques de soudage considérablement différentes.

Dans les études des films à haute vitesse illustrés dans ics figures 14-22, les dimensions de l'électrode étaient de 1,3 mm, les tensions étaient de l'ordre de 33 à 38 volts et les intensités du courant de l'ordre de 350 à 410 ampères. Par ailleurs, la dimension de l'électrode, les tensions et les intensités du courant étaient généralement les maximums utilisables pratiquement avec les gaz comparatifs de protection, c'est-à-dire le mélange argon/gaz carbonique et le gaz carbonique seul.

Dans le premier film cinématographique à haute vitesse, dont des images individuelles sont illustrées dans les figures 14-16, le gaz de protection comprenait 85% d'argon et 15% de gaz carbonique.

Dans ce cas, on a observé que le plasma 90 n'entoure pas étroitement l'électrode 92 au-dessus de la pointe 94, mais semble plutôt commencer au niveau de la pointe et engloutit les fines gouttelettes en fusion tombant de la pointe. 11 est à noter que les fines gouttelettes en fusion sont toutes sensiblement plus petites que le diamètre de l'électrode. Le plasma 90 entre en collision avec les plaques du substrat 96 et 98 et, comme on le voit dans les figures 14-16, monte suivant une configuration incontrôlée ou au hasard à partir d'une largeur de base d'environ 0,5 à 1 cm autour du matériau en fusion de soudage 100 et s'étend sur une hauteur h d'environ l cm. Si la densité du courant n'est pas maintenue en dessous d'une valeur donnée, n'excédant pas en général 20 000 A/cm2, la nature irrégu-lière et incontrôlée du plasma 90 tend à enlever le métal en fusion du matériau en fusion de soudure 100. La différence de potentiel entre l'arc de l'électrode et le plasma ne permet pas apparemment de combiner effectivement leurs énergies calorifiques pour maximiser les effets de fusion de l'électrode et de prééchauffement du substrat. Le film montre également que la taille des gouttelettes 102 provenant de l'extrémité de l'électrode donne comme résultat une fine atomisation qui ne quitte pas l'électrode dans une configuration régulière. Au contraire, les gouttelettes se séparent au hasard d'un côté de la pointe de l'électrode puis de l'autre. A cause de la nature incontrôlée du plasma 90 et de la façon irrégulière avec laquelle les gouttelettes se séparent de l'électrode, il est nécessaire de limiter la densité du courant pour réduire la tendance du métal en fusion à laver le matériau en fusion de soudage.

A des fins de comparaison de vitesses de dépôts de soudure, les paramètres du premier film (85% d'argon/15% de gaz carbonique) sont les suivants:

Vitesse d'alimentation du fil métallique 13,7 m/min

Vitesse de séparation par fusion 7,7 kg/h

Vitesse de soudage 0,48 m/min

Dans le second film d'images à haute vitesse dont des images individuelles sont illustrées dans les figures 17-19, le gaz de protection consiste en 100% de gaz carbonique. De nouveau, le plasma 104 n'entoure pas beaucoup l'électrode 106 au-dessus de la pointe 108 mais, au contraire, il s'étend de manière générale entre la pointe et le matériau de fusion de soudure 110, et il possède une largeur très petite d'environ 0,2 à 0,3 cm autour du matériau en fusion de soudure et une hauteur d'environ 0,25 cm. Pendant ce procédé de soudage, on a observé que le plasma apparaissait périodiquement pour disparaître. Il est également à noter que le plasma tout entier est très petit. Une trace oscillographique superposée sur le film confirme l'attitude erratique ou intermittente de l'arc à cause du court-circuit qui a lieu lorsque la goutte ou perle d'électrode 112 s'allonge pour toucher la pièce à souder 114-116 et entre dans le matériau en fusion de soudure.

Les paramètres des vitesses de dépôts de soudage du second film (100% de gaz carbonique) sont les suivants:

Vitesse d'alimentation du fil métallique 12,7 m/min

Vitesse de séparation par fusion 7,26 kg/h

Vitesse de soudage 0,48 m/min

Dans le troisième film cinématographique à haute vitesse, dont des images individuelles sont illustrées dans les figures 20-22, le gaz de soudage est conslilué du mélange selon l'invention, à savoir 65-70% d'argon, 25-35% d'hélium, 5-10% de gaz carbonique et 0,1-1% d'oxygène. Dans cc cas, il est à noter que le plasma 120 possède une forme générale divergente ou conique cl s'étend depuis le dessus de la poinlc 122 de l'électrode 124 jusqu'à une base entourant le matériau en fusion de soudure 126 et garde une largeur de base sensiblement constante d'environ 1 cm, avec une hauteur comprise entre 0,76 et 1,27 cm. Comme cela a été noté alors que la dimension et la forme du plasma 120 fluctuent pendant le procédé de soudage, il garde en général sa forme divergente ou conique et conserve une relation d'environnement étroit par rapport à l'électrode et au matériau en fusion de soudure.

Les paramètres des vitesses de dépôts de soudage du troisième film utilisant un mélange gazeux de protection, supra, pour les aciers doux, soni les suivants:

Vitesse d'alimentation du fil métallique 16,5 m/min

Vitesse de séparation par fusion 10,44 kg/h

Vitesse de soudage 0,91 m/min

Comme on le voit dans le troisième film illustré dans les figures 20-22, il existe une action pulsatoire qui a lieu dans le plasma associée avec la formation des globules 128 qui, avant de se séparer de l'électrode, sont légèrement à sensiblement plus grands que le diamètre de l'électrode. On a également mesuré que de tels grands globules se formaient à la vitesse de 800 par seconde. A des lins de comparaison, il est à noler que dans un procédé caractéristique à l'arc par court-circuit, des perles en fusion de l'électrode sont transférées ou entrent dans le matériau en fusion de soudure à la vitesse ou cadence d'environ 90 perles ou globules par seconde. On a également observé que les globules en fusion du procédé selon l'invention entrent dans le bain en fusion sans aucune tendance à éclabousser ou laver. On peut penser que la persistance à enveloppement étroit 120 el le prééchauffement sensible du substrat 130-132 contribuent d'une manière importante à la rétention des globules dans la masse liquide et à éviter les éclaboussures.

Il est également à noler que les globules en fusion 128 avaient au moins la dimension du diamètre de l'électrode (1,3 mm) el mesuraient en réalité de 1,4 à 3,2 mm. Les fines gouttelettes 102 du transfert à l'arc par atomisation illustrées dans les figures 14-16 étaient trop petites pour en effectuer une mesure. D'autre part, étant donné que les globules 112 des figures 17-19 étaient transférées normalement par court-circuit, il n'était pas possible de déterminer de manière précise leurs dimensions bien qu'elles aient approché probablement la dimension du diamètre de l'électrode.

On peut croire que l'action de pulsion, associée à la formation et au transfert d'après l'invention, de grands globules à un taux élevé de 400-1200 globules par seconde dans la masse en fusion contribue d'une manière importante à la qualité améliorée de la soudure, comme cela a été décrit en référence aux figures 5-13. Comme cela a été énoncé auparavant, en utilisant des dimensions d'électrode cl des densités de courants égales ou voisines des maximums utilisables en pratique avec des procédés de soudage GMA à vitesse élevée de dépôt, l'invention a apporté des améliorations sensibles aux qualités de la soudure et aux vitesses de dépôts de la soudure. Par exemple, et comme on l'a remarqué au préalable en référence aux figures 5-13, en utilisant des paramètres de travail identiques, à l'exception des gaz de protection, l'invention permet d'obtenir une vitesse de dépôt de soudure 160% plus élevée qu'avec les procédés de soudage de l'art antérieur, avec une qualité du joint de la soudure bien meilleure.

5

in

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9

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En utilisant des dimensions d'électrodes et des densités de courants sensiblement plus grandes que celles utilisées avec des gaz ou des mélanges gazeux de protection connus jusqu'à présent, le procédé selon l'invention a amélioré considérablement la qualité du joint de soudure et les vitesses de dépôts de la soudure. Avec un autre exemple, on a soudé des plaques d'acier doux en utilisant une électrode d'un diamètre de 1,3 mm avec les paramètres et résultats suivants:

Gaz de protection

65,0% d'argon

26,5% d'hélium

8,0% de gaz carbonique

0,5% d'oxygène

Vitesse d'alimentation du fil

33 m/min

Vitesse de séparation par fusion

21,25 kg/h

Densité du courant

70000 A/cm2

Tension

38-42

Dans les mélanges gazeux de soudage ci-dessus et autres mélanges gazeux préférés, l'argon est présent en une quantité de 0,5 à 3,5 parties en volume pour 1 partie en volume d'hélium.

Un autre résultat unique obtenu avec le procédé de la présente 5 invention est la capacité d'obtenir une soudure à 100% joignant des plaques d'acier ayant une épaisseur jusqu'à 1,25 cm. Par exemple, une paire de plaques d'acier alignées de 1,25 cm sont placées en bout à bout et en positions alignées sans aucune préparation antérieure des bords en bout à bout; en utilisant le mélange gazeux de soudage io d'acier doux de la présente invention, un premier joint ou cordon de soudage est effectué suivant la longueur des bords en bout à bout d'un côté des plaques, puis un second cordon de soudage est effectué sur la longueur des bords en bout à bout sur la face opposée des plaques. Une coupe au travers du joint soudé révèle que le premier 15 et le second cordon de soudage ont fusionné pour donner une soudure à 100%. Une telle soudure à 100% avec des plaques d'acier d'une épaisseur de 1,25 cm n'a pas été obtenue avec un procédé à l'arc de métal au gaz.

R

9 feuilles dessins

Claims

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REVENDICATIONS

1. Procédé de soudage électrique au gaz utilisé avec un pistolet de soudage ayant une pointe réceptrice d'une électrode consumablc, une buse coaxialc avec cette pointe et espacée radiatemelit par rapport à la pointe pour former un passage annulaire de gaz, ce procédé consistant à amener l'électrode de soudage vers une surface en métal à souder, à faire passer un courant au travers de l'électrode pour créer un arc électrique entre l'extrémité de cette électrode et la surface métallique, ce courant faisant fondre la partie extrême de l'électrode dans le but de transferer du matériau d'électrode en fusion vers la surface à souder et à faire passer du gaz au travers de la buse vers un plasma d'arc entre l'électrode et la surface à souder, caractérisé en ce que l'on utilise une électrode consumablc ayant un diamètre de 0,75 à 4 mm; en cc que l'on fait passer un courant d'intensité de 100 à 1100 ampères et en ce que le mélange gazeux de soudage consiste en argon de 40°,;. à 70%, cil hélium de 25% à 60%, en gaz carbonique de 3% à 10% et en oxygène de 0,10% à I %.
2. Procédé de soudage selon la revendication 1. caractérisé en cc que le courant a une intensité telle qu'il forme des globules en fusion à la pointe de l'électrode, à une vitesse de 400 à 1200 globules par seconde.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les globules ont un diamètre au moins aussi grand que le diamètre de ladite électrode.
4. Procédé pour souder l'acier doux et l'acier faiblement allié selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le mélange gazeux de soudage consiste en argon jusqu'à 65,0%, en hélium jusqu'à 26,5%. en gaz carbonique jusqu'à 8,0% et en oxygène jusqu'à 0,5%.
5. Procédé pour souder de l'acier faiblement allié, trempé et recuit selon la revendication 2 ou 3. caractérisé en cc que le mélange gazeux de soudage consiste en argon jusqu'à 44,0%, en hélium jusqu'à 52%. en gaz carbonique jusqu'à 3,82% et en oxygène jusqu'à 0,18%.
6. Procédé pour le soudage de l'acier inox selon la revendication 2 ou 3. caractérisé en ce que le mélange gazeux de soudage consiste en argon jusqu'à 41.66%. en hélium jusqu'à 55,0%, en gaz carbonique jusqu'à 3,20% et en oxygène jusqu'à 0,14%.
7. Mélange gazeux pour la mise en œuvre d'un soudage à l'arc électrique selon l'une des revendications I à 3, ce mélange consistant en argon de 40% à 70%, en hélium de 25% à 60%, en gaz carbonique de 3% à 10% cl en oxygène de 0,10% à 1%.
S. Mélange gazeux selon la revendication 7, utilisé dans le soudage d'acier doux et d'acier faiblement allié, caractérisé en ce que ie mélange consiste en argon jusqu'à 65,0%, en hélium jusqu'à 26,5%. en gaz carbonique jusqu'à 8,0% et en oxygène jusqu'à 0,5%.
9. Mélange gazeux selon la revendication 7, utilisé dans le soudage à l'arc électrique d'aciers faiblement alliés, trempés et recuits, caractérisé en cc que le mélange consiste en argon jusqu'à 44,0%, en hélium jusqu'à 52,00%, en gaz carbonique jusqu'à 3,82% et en oxygène jusqu'à 0,18%.
10. Mélange gazeux selon la revendication 7, utilisé dans le soudage à d'aciers inox, caractérisé en ce que le mélange consiste en argon jusqu'à 41.66%, en hélium jusqu'à 55,00%, en gaz carbonique jusqu'à 3,20% et en oxygène jusqu'à 0,14%.
11. Mélange gazeux de soudage selon la revendication 7, caractérisé en cc qu'il comprend de 3% à 10% en volume de gaz carbonique, de 0,1 à 1 % en volume d'oxygène, le reste étant de l'hélium et de l'argon dans une proportion de 0.5 à 3,5 parties en volume d'argon pour 1 partie en volume d'hélium.

Le soudage GMA est un procédé dans lequel la chaleur de soudage est générée par un courant électrique passant entre une électrode consumablc et une pièce espacée, à usiner, ou à souder. L'électrode se consume au fur et à mesure qu'elle avance de manière continue vers la zone de soudure cl devient le matériau d'apport qui se mélange ou s'allie avec le matériau du substrat pour former un joint soudé. Le matériau en fusion de soudage est protégé contre les contaminations par un écran gazeux consistant en un courant de gaz entourant l'électrode et le matériau en fusion de soudage.