EP2707169A1 - Soudage mig/mag des aciers inoxydables avec arc rotatif et mélange gazeux ar/he/co2 - Google Patents

Soudage mig/mag des aciers inoxydables avec arc rotatif et mélange gazeux ar/he/co2

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Publication number
EP2707169A1
EP2707169A1 EP12722448.3A EP12722448A EP2707169A1 EP 2707169 A1 EP2707169 A1 EP 2707169A1 EP 12722448 A EP12722448 A EP 12722448A EP 2707169 A1 EP2707169 A1 EP 2707169A1
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EP
European Patent Office
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helium
welding
arc
gaseous mixture
argon
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12722448.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Laurent Biskup
Jean-Pierre Planckaert
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
Publication of EP2707169A1 publication Critical patent/EP2707169A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
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    • B23K35/383—Selection of media, e.g. special atmospheres for surrounding the working area mainly containing noble gases or nitrogen
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    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B23K2103/05—Stainless steel

Definitions

  • the invention relates to a method of MIG / MAG type electric arc welding using a fuse and gas protection wire formed of a ternary gas mixture formed of argon, helium and of carbon dioxide (C0 2 ) for welding one or more stainless steel parts, in particular parts whose ends overlap each other.
  • the overlapping assemblies combine two sheets or profiles whose ends overlap each other or, said otherwise, rest on one another, as is the case in particular in assemblies known as "clapboard” or the assemblies in configuration of the type edges soys.
  • the assemblies of metal parts in waisted edge configuration are found in particular in the components of pressurized devices such as hot water tank, fire extinguisher, compressor, refrigerant, gas cylinder LPG type ...
  • such an assembly generally comprises two pieces with hollow cylindrical ends, one of which is nested in the other so that the internal surface of one of the pieces comes to overlap, over several millimeters, the outer surface of the other piece at their circular ends.
  • the EN 13445-4: 2002 standard defines the manufacturing tolerances for neutral fiber alignment, surface alignment, roundness deviations, straightness deviations, profile irregularities and local thinning of such joints.
  • the weld obtained on this type of overlap assembly in particular on the seamed assemblies, that is to say with overlapping or partially overlapping edges as illustrated in FIG. 3, must have a fairly wide profile. to properly cover the outside of the seal and have sufficient penetration to melt the lower edge of the upper edge.
  • Document EP-A-2078580 has proposed to weld seamed assemblies using a rotary arc MIG / MAG welding process and using a gas mixture consisting of 8 to 12% helium, from 2.5 to 3.5 % oxygen and argon for the rest (% by volume).
  • this method has the drawbacks of leading to insufficient arc constriction and the result is welds whose penetration profile is not always the desired one.
  • US-A-4,749,841 has proposed a method for welding MIG / MAG type stainless steel parts using a protective gas consisting of 16 to 25% helium, 1 to 4% C0 2 and argon for the rest.
  • this method uses a pulsed type of metal transfer regime which is not suitable for welding parts whose ends overlap each other, especially because of the bend morphology, too bulging, and penetration profiles obtained.
  • the problem is to propose a process of efficient arc welding of stainless steel to obtain good penetration and good welding quality, including good weld bead morphology and not or as few as possible of projections during welding, particularly overlapping stainless steel assemblies, particularly those of skewed or flanged type, and at low energy level.
  • the solution of the invention is then a method of electric arc welding of the type
  • MIG / MAG with implementation of a fuse wire and gaseous protection formed of a ternary gas mixture consisting of 19 to 21% helium, 0.8 to 1.2% C0 2 and argon for the rest (% by volume) to weld one or more steel parts characterized in that the arc is rotatable, the fusible filler wire is melted by the arc so as to obtain a metal transfer by rotating liquid vein, and the welded parts comprise overlapping ends; other, in particular with a blink or with a wise edge.
  • the liquid metal vein i.e. molten is rotated.
  • the liquid metal vein is formed by fusing the fusible filler wire within the electric arc.
  • the welding process of the invention may comprise one or more of the following characteristics (% by volume):
  • the gaseous mixture contains at least 19.5% helium, preferably at least
  • the gaseous mixture contains at most 20.5% of helium, preferably at most 20.3% of helium, advantageously at most 20.1% of helium.
  • the gaseous mixture contains at least 0.9% of CO 2 , preferably at least 0.95% of CO 2 .
  • the gaseous mixture contains at most 1, 10% of C0 2 , preferably at most 1, 05% of
  • the gaseous mixture contains 19.95 to 20.05% helium, 0.98 to 1.02% CO 2 and argon for the remainder.
  • the gaseous mixture consists of 20% helium, 1% CO 2 and 79% argon.
  • the gaseous mixture is pre-conditioned in a gas tank, in particular in gas cylinders.
  • the gas mixture is produced in situ by means of a gas mixer for mixing argon, helium and oxygen in the desired volume proportions.
  • the welded parts comprise cylindrical ends overlapping each other.
  • the welded parts are components of a pressurized device such as hot water tank, fire extinguisher, compressor, refrigerant or LP gas cylinder.
  • the welding voltage is between 29.5V and 35V.
  • the welding intensity is between 245 A and 300 A.
  • the welding wire is of the ER 308L Si type.
  • Vfil thread feeding speed
  • the welding speed is at most 5 m / min, typically between 0.8 m / min and 2 m / min.
  • FIG. 1 schematizes the influence of the type of transfer on the morphology of the cord
  • FIG. 2 schematizes a rotating liquid vein
  • FIG. 3 shows a schematic assembly smes edges.
  • the end of the filler wire takes the form of an elongated cone.
  • the transfer of the molten metal from the wire to the solder bath occurs as fine droplets of molten metal whose diameter is smaller than that of the wire and which are projected at high speed in the axis of the wire.
  • the arc is 4 to 6 mm long. This metal transfer provides a stable arc and few projections. It allows strong penetrations ie at least 5 mm, and large volumes of deposited metal, that is to say at least 15 m / min speed f ⁇ l. It is suitable for welding parts with thicknesses of the order of 5 mm and more. However, the volume and fluidity of the bath make it mainly used in flat welding.
  • the short-circuit transfer does not allow welding at high current, while an increase in the intensity of welding causes a globular transfer generating significant adherent projections and such a large completion time.
  • Forced arc or short-arc transfer allows, with arc energy normally in the globular range, to maintain a short-circuit transfer. This speed increases the welding speeds and produces only fine projections limiting the completion time.
  • the forced short circuit is obtained with transistorized welding stations whose waveforms make it possible to maintain a regular short circuit.
  • the pulsed regime was developed to overcome the drawbacks of the globular regime which by its unstable transfer mode and its projecting character, did not allow to increase the productivity under acceptable welding conditions.
  • the pulsed current is welded by selecting the pulsation parameters such that there is, for each of the pulses, an axial spray type transfer with a single drop per tap.
  • the regime is here forced, that is to say that one imposes the form of the current by carefully choosing the parameters of the pulsation so that the result is convincing.
  • the pulse frequencies range from 50 to 300 Hz depending on the feed speed of the wire. This requires generators, for example transistors, for which we can impose the shape of the current as a function of time.
  • the transfer depends on the wire speed and the voltage. If the wire speed is sufficiently high, the transfer changes from unstable to axial spraying, then to a rotating liquid vein, increasing the tension. The shape of the bead then results from the applied transfer. Thus, the morphologies of cords obtained with the various transfer modes mentioned above are illustrated in FIG.
  • the globular regime results in a lenticular penetration with the presence of large adherent projections.
  • the unstable regime is characterized by a curved cord, not wet, with a slightly sharp penetration for low wire speeds.
  • the pointed shape is accentuated with the rise of the wire speed.
  • the pulsed regime allows to have various types of cord morphologies thanks to the large range of adjustments offered by its waveforms.
  • the requirement to greatly increase the frequency of current draws as well as the peak intensity leads to a behavior very close to the spray. This transfer is reflected at the cord by a geometry very close to that provided by a spray transfer smooth current, and a more pronounced penetration to the root of the cord.
  • the axial spray regime leads to a penetration in the form of a thermowell all the more pronounced as the wire speed is high.
  • the anchorage is good.
  • the rotating liquid vein or VLT generates penetrations of dish-shaped flat-bottomed cord.
  • the preferred mode of transfer is the transfer of rotating liquid vein type or VLT.
  • VLT transfer for very high welding energies, that is to say at least 40 V for 450 A, and under the effect of the electromagnetic forces in the presence, the formation of a liquid vein exhibiting a rotational movement.
  • This VLT regime requires the implementation of a high voltage-current pair, ie greater than 40 V and 450 A, delivered by one (or more) power generator whose power envelope covers this energy range, being It is common to find generators which do not deliver more than 400 A, and a wire speed of between 20 and 40 m / min depending on the diameter of the filler used. free end part of at least 25 mm. To do this, a double speed reel is usually used, namely speeds of up to 50 m / min, which makes it possible, in a first conventional wire speed regime, to ensure the smooth running of the start-up and start-up phases. stop, and in a second regime, to allow the transition to the high rate of deposition which requires high wire speeds.
  • the welding nozzle delivering the wire and the gas shield must be particularly well cooled by water circulation.
  • gaseous protection applied during MIG / MAG welding in the VLT regime is particularly important because it conditions the obtaining of welding cords of more or less good quality, especially when the parts are made of stainless steel.
  • the inventors of the present invention have sought to better understand the interest and influence of different gases in the composition of a gaseous mixture serving as a shielding gas so as to attempt to improve the MIG / MAG welding process with low energy level rotating liquid vein transfer, ie less than 325A and 40 V.
  • helium is used for its greater thermal conductivity. Indeed, it can be considered that for any position along the axis between the wire and the part to be welded, a large part of the electrical energy supplied by the source is contained in the enthalpy of the plasma, since part of the shielding gas is ionized to form the electric arc, namely: IV ⁇ p A h A v A A
  • V is the potential difference between the electrode and the projection along the axis of the wire on the part to be welded
  • PA is the average density of the plasma
  • - VA is the average speed of the plasma
  • - A is the surface of the arc.
  • a second effect is that the reduced area of the arc produces a higher current density and therefore higher magnetic forces.
  • argon the role of argon is to facilitate the priming of the arc since it ionizes easily.
  • the oxygen and the CO 2 have a stabilizing effect on the arc but also for the surface-active aspect which will make it possible to obtain a liquid vein at the end of the consumable wire which will have a greater fluidity and which will be more easily set in motion by magnetic forces.
  • a first test of arc welding on stainless steel was carried out to observe the behavior of the arc with an oxidizing gas mixture of the following composition (% by volume): 87% Ar + 10% He + 3% 0 2 .
  • the method implemented is a MAG robotized welding process with fuse wire feed with Arcmate 120i robot from the FANUC company, DIGI @ WAVE 500 generator, DVR 500 type reel and PROMIG 441 W torch from Air Liquide Welding.
  • the welding is operated in full sheet on a piece of stainless steel X2CrNil8 9 having a thickness of 4 mm.
  • composition of the wire acting as filler metal is of the stainless steel type G 19 9L Si (ER 308L Si) and 1 mm in diameter.
  • the axis of the torch forms an angle of about 45 ° with the surface of the room.
  • the first mixture tested therefore leads to results that are not acceptable at the industrial level.
  • Test B the parameters are generally the same as in Test A, except for the adoption of the following parameters:
  • the results obtained show, as before, a high projection rate and a strong oxidation of the bead.
  • the VLT transfer is stable but the arc height is still too important.
  • the cord has a relatively good compactness but too low penetration.
  • the second mixture tested also leads to results that are not acceptable at the industrial level and with or without straggling argon.
  • Test C is analogous to Test B, except for the implementation of slightly different welding parameters, namely:
  • Tests A to C confirm that the use of an oxygen-based gas mixture is not suitable for welding stainless steel.
  • the oxygen has been replaced by carbon dioxide (C0 2 ).
  • the gas tested then has the following composition: 81% Ar + 18% He + 1% C0 2 .
  • test D In view of the results of test D, additional tests were carried out under the same conditions as Test D but with varying contents of C0 2 .
  • the gases tested contain 0.5 to 3% C0 2 , 20% helium and argon for the remainder, as given in the following Table B.
  • the appearance of the bead deteriorates progressively with increasing C0 2 content.
  • the best results are obtained for C0 2 contents of less than 1.5%, preferably of the order of 1%.
  • the mixture that gave the best results is the mixture of the following composition: 20% He + 1% C0 2 + 79% Ar, in particular because of the excellent wetting to which it leads and oxidation well. less important of the cord compared to the same mixture but with oxygen instead of C0 2 .
  • the MIG / MAG welding process according to the invention is well suited for welding assemblies in soy edges, including water heater balloons, extinguisher bodies, tanks. .., stainless steel parts but also angle welding of any stainless steel construction based on thin beams, typically less than 5 mm, for example truck trailers that work only fatigue and for which the depth of root penetration is not the main criterion.
  • gaseous mixture considered obviously allows efficient spray transfer. It thus allows to be polyvalent if the root penetration is sought.

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Abstract

L'invention porte sur un procédé de soudage à l'arc électrique de type MIG/MAG avec mise en œuvre d'un fil d'apport fusible et protection gazeuse formée d'un mélange gazeux ternaire constitué de 19 à 21 % d'hélium, de 0,8 à 1,2 % de C02 et d'argon pour le reste (% en volume) pour souder une ou plusieurs pièces en acier inoxydable. Selon l'invention, l'arc est rotatif, le fil d'apport fusible est fondu par l'arc de manière à obtenir un transfert de métal par veine liquide tournante, et les pièces soudées comprennent des extrémités se chevauchant l'une l'autre.

Description

Soudage MIG/MAG des aciers inoxydables avec arc rotatif et mélange gazeux
Ar/He/C02
L'invention porte sur un procédé de soudage à l'arc électrique de type MIG/MAG avec mise en œuvre d'un fil d'apport fusible et protection gazeuse formée d'un mélange gazeux ternaire formé d'argon, d'hélium et de dioxyde de carbone (C02) pour souder une ou plusieurs pièces en acier inoxydable, notamment des pièces dont les extrémités se chevauchent l'une l'autre.
Les assemblages à recouvrement réunissent deux tôles ou profilés dont les extrémités se chevauchent l'une l'autre ou, dit autrement, reposent l'une sur l'autre, comme c'est le cas notamment dans les assemblages dits « à clin » ou les assemblages en configuration de type bords soyés.
Les assemblages de pièces métalliques en configuration de type bords soyés, communément appelés assemblages à bords soyés, se retrouvent notamment dans les éléments constitutifs d'appareils sous pression de type ballon d'eau chaude, extincteur, compresseur, appareil réfrigérant, bouteille de gaz de type GPL...
Comme illustré en Figure 3, un tel assemblage comprend en général deux pièces à creuses extrémités cylindriques dont l'une est emboîtée dans l'autre de manière à ce que la surface interne de l'une des pièces vienne chevaucher, sur plusieurs millimètres, la surface externe de l'autre pièce au niveau de leurs extrémités circulaires.
La norme EN 13445-4:2002 définit précisément les tolérances de fabrication concernant l'alignement des fibres neutres, l'alignement des surfaces, les écarts de circularité, les écarts de rectitude, les irrégularités de profil et les amincissements locaux de tels assemblages.
Schématiquement, la soudure obtenue sur ce type d'assemblage à recouvrement, en particulier sur les assemblages à bords soyés, c'est-à-dire avec bords qui se recouvrent ou chevauchent partiellement comme illustré en Figure 3, doit présenter un profil assez large pour bien recouvrir l'extérieur du joint et avoir une pénétration suffisante pour fondre l'arrête inférieure du bord supérieur.
De plus, il est rappelé qu'en fonction du procédé de soudage, après chaque passe, le laitier qui s'est formé pendant la passe précédente doit être éliminé, la surface nettoyée et les défauts de surface enlevés pour obtenir la qualité de soudure souhaitée.
Le document EP-A-2078580 a proposé de souder des assemblages à bords soyés par procédé de soudage MIG/MAG avec arc rotatif et en utilisant un mélange gazeux constitué de 8 à 12 % d'hélium, de 2,5 à 3,5 % d'oxygène et d'argon pour le reste (% en volume). Toutefois, ce procédé présente les inconvénients de conduire à une constriction d'arc insuffisante et il s'ensuit des soudures dont le profil de pénétration n'est pas toujours celui recherché.
De plus, le mélange proposé par EP-A-2078580 impose d'employer une tension un peu plus élevée pour s'affranchir à 100% des courts-circuits extrêmement brefs mais intenses.
Or, souder des aciers inoxydables, en particulier des pièces dont les extrémités se chevauchent l'une l'autre, pose un certain nombre de problèmes spécifiques.
Ainsi, avec un gaz contenant de 10 à 20 %He, de 2 à 3 % 02 et de l'argon pour le reste, la zone de transition entre le transfert « spray » et le transfert veine liquide tournante est plus étendue. En effet, il a été montré qu'à même niveau d'énergie, la partie fondue du fil est plus longue en acier inox qu'en acier carbone. Par conséquent, il est nécessaire de monter plus haut en tension pour éviter les courts-circuits brefs et intenses qui se traduisent pour le produit final par d'importantes projections.
Par ailleurs, avec un gaz contenant de 10 ou 20 % He, 3 % 02 et de l'argon pour le reste, l'aspect de surface des cordons obtenus sur acier inoxydable présente une trop forte oxydation pour être compatible avec un usage industriel.
Enfin, les hauts niveaux de tension requis pour se placer en régime de veine liquide tournante exempte de courts-circuits provoquent des détachements de segments de fil fondus hors du bain de soudage. La pièce ainsi soudée présente alors des projections adhérentes qui sont, là encore, incompatibles avec la qualité recherchée.
Le document US-A-4,749,841 a proposé un procédé de soudage de pièces en acier inoxydable de type MIG/MAG utilisant un gaz de protection constitué de 16 à 25 % d'hélium, de 1 à 4 % de C02 et d'argon pour le reste.
Toutefois, ce procédé utilise un régime de transfert de métal de type puisé qui n'est pas adapté au soudage des pièces dont les extrémités se chevauchent l'une l'autre, notamment en raison de la morphologie de cordon, trop bombé, et des profils de pénétration obtenus.
Partant de là, le problème qui se pose est de proposer un procédé de soudage à l'arc efficace de l'acier inoxydable permettant d'obtenir une bonne pénétration et une bonne qualité de soudage, notamment une bonne morphologie de cordon de soudure et pas ou un nombre aussi réduit que possible de projections lors du soudage, en particulier des assemblages en acier inoxydable se chevauchant, en particulier ceux de type à bords soyés ou à clin, et ce, à niveau d'énergie bas.
La solution de l'invention est alors un procédé de soudage à l'arc électrique de type
MIG/MAG avec mise en œuvre d'un fil d'apport fusible et protection gazeuse formée d'un mélange gazeux ternaire constitué de 19 à 21 % d'hélium, de 0,8 à 1,2 % de C02 et d'argon pour le reste (% en volume) pour souder une ou plusieurs pièces en acier inoxydable, caractérisé en ce que l'arc est rotatif, le fil d'apport fusible est fondu par l'arc de manière à obtenir un transfert de métal par veine liquide tournante, et les pièces soudées comprennent des extrémités se chevauchant l'une l'autre, en particulier à clin ou à bords soyés.
Plus précisément, la veine de métal liquide, i.e. en fusion est animée d'un mouvement rotatif. La veine de métal liquide est formée par fusion du fil d'apport fusible au sein de l'arc électrique.
Selon le cas, le procédé de soudage de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes (% en volume) :
- le mélange gazeux contient au moins 19,5% d'hélium, de préférence au moins
19,8% d'hélium, de préférence encore au moins 19,9% d'hélium.
- le mélange gazeux contient au plus 20,5% d'hélium, de préférence au plus 20,3% d'hélium, avantageusement au plus 20, 1% d'hélium.
- le mélange gazeux contient au moins 0,9% de C02, de préférence au moins 0,95%> de C02.
- le mélange gazeux contient au plus 1 , 10% de C02, de préférence au plus 1 ,05% de
C02.
- le mélange gazeux contient de 19,95 à 20,05 % d'hélium, de 0,98 à 1 ,02% de C02 et de l'argon pour le reste.
- le mélange gazeux est constitué de 20% d'hélium, de 1% de C02 et de 79% d'argon.
- le mélange gazeux est pré-conditionné en réservoir de gaz, notamment en bouteilles de gaz.
- le mélange gazeux est réalisé in-situ au moyen d'un mélangeur de gaz servant à mélanger l'argon, l'hélium et l'oxygène dans les proportions volumiques désirées.
- les pièces soudées comprennent des extrémités cylindriques se chevauchant l'une l'autre.
- les pièces soudées sont des éléments constitutifs d'un appareil sous pression de type ballon d'eau chaude, extincteur, compresseur, appareil réfrigérant ou bouteille de gaz de type GPL.
- la tension de soudage est comprise entre 29.5V et 35 V.
- l'intensité de soudage est comprise entre 245 A et 300 A.
- le fil de soudage est de type ER 308L Si.
- la vitesse de dévidage du fil (Vfil) est d'au plus 30 m/min, typiquement comprise entre 16 m/min et 20 m/min.
- la vitesse de soudage est d'au plus 5 m/min, typiquement comprise entre 0.8 m/min et 2 m/min. La présente invention va être expliquée plus en détail dans la description suivante faite en référence aux figures annexées parmi lesquelles :
- La Figure 1 schématise l'influence du type de transfert sur la morphologie du cordon,
- la Figure 2 schématise une veine liquide tournante, et
- la Figure 3 schématise un assemblage à bords soyés.
D'une manière générale, en soudage à l'arc MIG-MAG, il existe trois régimes de transfert principaux ou conventionnels, à savoir :
- le court-circuit. Ce régime est obtenu pour de faibles énergies d'arc, typiquement de 50 à 200 A et de 15 à 20 V. Une goutte de métal fondu se forme au bout du fil d'apport et grossit progressivement jusqu'à venir en contact avec le bain de métal en fusion, ce qui provoque un court-circuit. Le courant augmente alors rapidement faisant apparaître un pincement qui facilite le détachement de la goutte, puis l'arc se réamorce. Ce phénomène se répète à des fréquences de 50 à 200 Hz environ. Ce régime est dit "froid" et présente un arc court. Il est adapté au soudage des fines épaisseurs, à savoir moins de 3 mm, et permet de maîtriser le bain de fusion lors du soudage en position.
- la pulvérisation axiale. Pour les hautes énergies de soudage, c'est-à-dire d'au moins 28 V pour 280 A , et au-delà d'une certaine densité de courant, typiquement supérieure à 250 A/mm2 selon la nature du fil et le gaz de protection, l'extrémité du fil d'apport prend une forme de cône allongé. Le transfert du métal fondu depuis le fil vers le bain de soudure se produit sous forme de fines gouttelettes de métal fondu dont le diamètre est inférieur à celui du fil et qui sont projetées à grande vitesse dans l'axe du fïl. L'arc est long de 4 à 6 mm. Ce transfert de métal procure un arc stable et peu de projections. Il autorise de fortes pénétrations à savoir d'au moins 5 mm, et des volumes de métal déposé importants, c'est-à-dire au moins 15 m/min de vitesse fïl. Il est adapté au soudage de pièces ayant des épaisseurs de l'ordre de 5 mm et plus. Toutefois, le volume et la fluidité du bain font qu'il est principalement utilisé en soudage à plat.
- le régime globulaire. Pour des énergies de soudage comprises entre celles donnant les transferts par court-circuit et par pulvérisation axiale, c'est-à-dire typiquement entre 22 V pour 200 A et 28 V pour 280 A, les gouttes de métal se formant à l'extrémité du fïl d'apport ont une croissance lente. L'intensité du courant n'étant pas suffisante pour avoir un effet de pincement provoquant le détachement, la goutte devient grosse, c'est-à-dire de taille supérieure au diamètre du fïl considéré. Le transfert se fait soit par court-circuit, quand la goutte touche le bain, soit par détachement de la goutte sous l'effet de la pesanteur. La goutte suit alors une trajectoire qui n'est pas toujours dans l'axe de l'arc. Ce mode de transfert est instable, ne permet d'atteindre que de faibles pénétrations de soudage et engendre de nombreuses projections de gouttelettes métalliques. A ces trois régimes principaux, il faut ajouter trois régimes de transfert qui nécessitent des paramètres de soudage non conventionnels, à savoir :
- le régime arc court ou « short arc » forcé. Le transfert par court-circuit ne permet pas de souder à courant élevé, alors qu'une augmentation de l'intensité de soudage entraîne un transfert globulaire engendrant d'importantes projections adhérentes et un temps de parachèvement aussi important. Le transfert par court-circuit forcé ou arc-court forcé permet, avec une énergie d'arc normalement située dans le domaine globulaire, de maintenir un transfert par court-circuit. Ce régime permet d'accroître les vitesses de soudage et n'engendre que de fines projections limitant le temps de parachèvement. Le court-circuit forcé s'obtient avec des postes de soudage transistorisés dont les formes d'ondes permettent de maintenir un court-circuit régulier.
- le régime puisé. A l'origine, le régime puisé a été mis au point pour pallier aux inconvénients du régime globulaire qui de par son mode de transfert instable et son caractère projetant, ne permettait pas d'augmenter la productivité dans des conditions de soudage acceptables. En régime puisé, on soude en courant puisé en choisissant les paramètres de pulsation de telle sorte qu'il y ait, pour chacun des puises, un transfert de type pulvérisation axiale avec une seule goutte par puise. Le régime est ici forcé, c'est à dire que l'on impose la forme du courant en choisissant soigneusement les paramètres de la pulsation afin que le résultat soit probant. Typiquement, les fréquences de pulsation vont de 50 à 300 Hz suivant la vitesse d'avance du fil. Cela nécessite des générateurs, à transistors par exemple, pour lesquels on peut imposer la forme du courant en fonction du temps.
- le transfert par veine liquide tournante (ou VLT). Aux très fortes énergies de soudage, c'est-à-dire environ 40 V pour 450 A, le transfert par pulvérisation axiale est soumis à des forces électromagnétiques importantes. Sous l'effet de ces forces, le métal liquide en transfert se met à tourner formant une veine liquide rotative. Donnant une productivité élevée, ce régime apparaît à des intensités de l'ordre de 500 A et des tensions de 45 à 50 V. La forme de pénétration arrondie est propice au remplissage de chanfrein et permet une bonne compacité.
Or, d'une façon générale, le transfert dépend de la vitesse de fil et de la tension. Si la vitesse de fil est suffisamment élevée, le transfert évolue d'instable à pulvérisation axiale, puis vers une veine liquide tournante, en augmentant la tension. La forme du cordon résulte alors du transfert appliqué. Ainsi, les morphologies de cordons obtenus avec les différents modes de transferts susmentionnés sont illustrées en Figure 1.
Comme on peut le voir sur la Figure 1, chaque transfert conduit à une forme de cordon particulière. Ainsi :
- le régime globulaire se traduit par une pénétration lenticulaire avec présence de grosses projections adhérentes. - le régime instable est caractérisé par un cordon bombé, non mouillé, avec une pénétration légèrement pointue pour les vitesses de fil basses. La forme pointue s'accentue avec l'élévation de la vitesse fil.
- le régime puisé permet d'avoir des types de morphologies de cordon variés grâce à la grande amplitude de réglages qu'offrent ses formes d'onde. Aux hautes vitesses-fil l'obligation d'augmenter fortement la fréquence des puises de courant ainsi que l'intensité pic conduit à un comportement très proche du spray. Ce transfert se traduit au niveau du cordon par une géométrie très proche de celle que procure un transfert spray en courant lisse, et une pénétration plus prononcée à la racine du cordon.
- le régime par pulvérisation axiale conduit à une pénétration en forme de doigt de gant d'autant plus prononcée que la vitesse fil est élevée. Le mouillage est bon.
- la veine liquide tournante ou VLT engendre des pénétrations de cordon à fond plat en forme de cuvette.
Dans le cadre de la présente invention, le mode de transfert préféré est le transfert de type veine liquide tournante ou VLT.
En transfert VLT, pour les énergies de soudage très élevées, c'est-à-dire d'au moins 40 V pour 450 A, et sous l'effet des forces électromagnétiques en présence, on observe la formation d'une veine liquide présentant un mouvement de rotation.
Ce régime VLT nécessite la mise en œuvre d'un couple tension-courant élevé, i.e. supérieure à 40 V et 450 A, délivrée par un (ou plusieurs) générateur de puissance dont l'enveloppe de puissance couvre cette plage d'énergie , étant donné que couramment on trouve des générateurs qui ne délivrent pas plus de 400 A, et d'une vitesse de fil comprise entre 20 et 40 m/mn en fonction du diamètre de fi d'apport utilisé, lequel fil doit en outre avoir toujours une partie terminale libre d'au moins 25 mm. Pour ce faire, on utilise habituellement un dévidoir à double vitesse, à savoir des vitesses pouvant atteindre 50 m/mn, qui permet, dans un premier régime à vitesse de fil conventionnelle, d'assurer le bon déroulement des phases de démarrage et d'arrêt, et dans un second régime, d'autoriser le passage au régime haut taux de dépôt qui nécessite des vitesses de fil élevées.
Par ailleurs, la buse de soudage délivrant le fil et la protection gazeuse doit être particulièrement bien refroidie par circulation d'eau.
Enfin, la protection gazeuse appliquée lors d'un soudage MIG/MAG en régime VLT, est particulièrement importante car elle conditionne l'obtention de cordons de soudage de plus ou moins bonne qualité, en particulier lorsque les pièces sont en acier inoxydable.
Exemples
Au vu de cela, les inventeurs de la présente invention ont cherché à mieux comprendre l'intérêt et l'influence de différents gaz entrant dans la composition de mélange gazeux servant de gaz de protection de manière à tenter d'améliorer le procédé de soudage MIG/MAG avec transfert par veine liquide tournante à niveau d'énergie bas, c'est- à-dire moins de 325A et de 40 V.
Ils se sont tout particulièrement intéressés à l'hélium, l'oxygène, le C02 et l'argon, et ont réalisés les essais comparatifs consignés ci-après.
En fait, l'hélium est employé pour sa plus grande conductivité thermique. En effet, on peut considérer que pour toute position le long de l'axe entre le fil et la pièce à souder, une grande partie de l'énergie électrique apportée par la source est contenue dans l'enthalpie du plasma étant donné qu'une partie du gaz de protection est ionisée pour former l'arc électrique, à savoir : IV ~ pAhAvAA
où :
- 1 est le courant de soudage,
- V est la différence de potentiel entre l'électrode et la projection suivant l'axe du fil sur la pièce à souder,
- PA est la densité moyenne du plasma,
- VA est la vitesse moyenne du plasma et
- A est la surface de l'arc.
La densité de flux d'énergie est alors donnée par pAhAvA , donc une caractéristique matérielle essentielle du plasma est le produit ph ou pcp puisque : cp = dh/dT.
D'après l'équation ci-dessus, pour les mêmes valeurs de I et de V, une augmentation de la valeur de cp et donc de l'enthalpie h résulte en une surface d'arc A réduite et donc en un arc constricté.
Un deuxième effet est que la surface réduite de l'arc produit une densité de courant plus élevé et donc des forces magnétiques plus importantes.
On peut également noter qu'une plus grande vitesse VA produit une plus petite valeur de A et un arc constricté. Cet effet est appelé l'effet « pinch » thermique.
Par ailleurs, le rôle de l'argon est quant à lui de faciliter l'amorçage de l'arc puisqu'il s'ionise facilement.
En outre, l'oxygène et le C02 ont un effet stabilisant sur l'arc mais aussi pour l'aspect tensio-actif qui va permettre d'obtenir une veine liquide à l'extrémité du fil consommable qui présentera une plus grande fluidité et qui sera plus facilement mise en mouvement par les forces magnétiques.
En définitive, l'objectif visé était de réussir à obtenir, pendant le soudage MIG/MAG d'acier inoxydable, en particulier d'une configuration en bords soyés (Figure 3), un transfert VLT identique ou similaire à celui schématisé en Figure 2, à niveau d'énergie bas. Pour ce faire, ont été testées différentes compositions gazeuses ternaires, en particulier des mélanges ternaires Ar/He/02 et Ar/He/C02 comme détaillé dans les Essais ci-après. Essai A (essai comparatif)
Un premier essai de soudage à l'arc sur acier inoxydable a été effectué pour observer le comportement de l'arc avec un mélange gazeux oxydant de composition suivante (% en volume) : 87 % Ar + 10 % He + 3 % 02.
Le procédé mise en œuvre est un procédé de soudage MAG robotisé avec apport de fil fusible avec robot Arcmate 120i de la société FANUC, générateur DIGI@WAVE 500, dévidoir de type DVR 500 et torche PROMIG 441 W de Air Liquide Welding.
Le soudage est opéré en pleine tôle sur une pièce en acier inox X2CrNil8 9 ayant une épaisseur de 4 mm.
La composition du fil faisant office de métal d'apport est de type Inox G 19 9L Si (ER 308L Si) et 1 mm de diamètre.
Les autres paramètres de soudage sont les suivants :
- tension de soudage : 31 V
- intensité : 275 A
- distance tube-contact/pièce : 24 mm
- débit de gaz : 25 1/min
- vitesse de soudage (Vs) : 160 cm/min
-vitesse fil (Vf) : 20 m/min
- l'axe de la torche forme un angle d'environ 45° avec la surface de la pièce.
Les résultats obtenus avec ce mélange oxydant (3% 02) montrent que si un arc rotatif, c'est-à-dire une veine liquide tournante (VLT), s'établit, la hauteur d'arc est bien trop importante et il en résulte des projections importantes et adhérentes en périphérie du bain de soudure. De plus, on observe une forte oxydation du cordon.
Le premier mélange testé conduit donc à des résultats qui ne sont pas acceptables au plan industriel.
Essai B (essai comparatif)
Suite aux résultats obtenus lors de l'Essai A, d'autres essais de soudage de l'inox ont été effectués avec un second mélange gazeux contenant davantage d'hélium, à savoir un mélange gazeux de composition suivante : Ar + 20% He + 3% 02.
Durant l'Essai B, les paramètres sont globalement les mêmes que dans l'Essai A, à l'exception de l'adoption des paramètres suivants :
- Distance tube-contact / pièce : 25 mm.
- Vs : 60 cm/min - tension de soudage : 33,8 V
- intensité : 278 A
Les résultats obtenus montrent, comme précédemment, un taux de projection important et une forte oxydation du cordon. Le transfert VLT est stable mais la hauteur d'arc est encore trop importante. Le cordon présente une relativement bonne compacité mais une trop faible pénétration.
La mise en œuvre d'une injection d'un flux de gaz inerte (argon), c'est-à-dire un « traînard » d'argon, en arrière du bain de soudure n'engendre pas de différence notable.
Le deuxième mélange testé conduit donc, lui aussi, à des résultats qui ne sont pas acceptables au plan industriel et ce, avec ou sans traînard d'argon.
Essai C (essai comparatif)
L'Essai C est analogue à l'Essai B, à l'exception de la mise en œuvre de paramètres de soudage légèrement différents, à savoir :
- tension de soudage : 32,2V
- intensité : 249 A
- Vfil : 18 m/min
Les résultats obtenus montrent, comme précédemment, un taux de projection important dû à la force centrifuge exercée lors de la rotation de l'arc, et une forte oxydation du cordon. Le transfert VLT ne s'établit pas et l'arc est totalement instable.
Essai D (invention)
Les résultats des Essais A à C confirment que l'utilisation d'un mélange gazeux à base d'oxygène n'est pas adaptée au soudage de l'acier inoxydable.
Afin de vérifier que l'aspect très oxydé du cordon est causé par un caractère trop oxydant des mélanges gazeux testés (i.e. 3% en volume 02), d'autres cordons de soudure sont réalisés en réduisant le pouvoir oxydant du gaz employé afin de tenter d'améliorer l'aspect de surface du cordon et de diminuer la fluidité de la veine liquide.
Pour ce faire, l'oxygène a été remplacé par du dioxyde de carbone (C02). Le gaz testé a alors la composition suivante : 81% Ar + 18% He + 1% C02.
Les conditions de soudage sont analogues à celles des essais précédents (fil inox, tôle...) mis à part les paramètres mis en œuvre qui sont donnés dans le Tableau A suivant.
Tableau A
Vf (m/min) 1 (A) U(V) Vs Dtp (mm) Angle*
(cm/min) (°) 21.4 300 38.5 80 25 5
* Angle d'inclinaison de la torche par rapport à la verticale, en soudage on parle de position « pousser à 5° ».
Les cordons obtenus présentent les caractéristiques suivantes:
- largeur de cordon : 15,3 mm
- pénétration : 1 ,9 mm
- surépaisseur : 2,1 mm
- surface totale 42,1 mm2
- surface pénétrée : 31 ,5 mm2
- angle de mouillage : 155,3°
Ces résultats montrent que le gaz testé est parfaitement compatible avec les critères recherchés pour l'utilisation de la VLT en soudage des aciers inoxydables.
En effet, l'aspect du cordon est bon, le taux de projection est faible et l'oxydation de surface a été considérablement réduite.
Essai E (invention)
Au vu des résultats de l'essai D, des essais complémentaires ont été réalisés dans les mêmes conditions que l'Essai D mais avec des teneurs variables de C02.
Les gaz testés contiennent de 0,5 à 3% de C02, 20% d'hélium et de l'argon pour le reste, comme donné dans le Tableau B suivant.
Tableau B
Après examen des macrographies obtenues, on constate qu'au-delà de 2% en C02, un régime spray apparaît conduisant à un résultat non acceptable.
Les projections (voisinage et sur tôle) sont très limitées jusqu'à environ 1,5% en C02 mais deviennent très importantes et totalement inacceptables dès 2,5% de C02.
L'aspect du cordon se détériore progressivement avec l'augmentation de la teneur en C02. Les meilleurs résultats sont obtenus pour des teneurs en C02 inférieures à 1,5%, de préférence de l'ordre de 1%. Dans tous les cas, le mélange ayant donné les meilleurs résultats est le mélange de composition suivante : 20% He + 1% C02 + 79% Ar, en particulier du fait de l'excellent mouillage auquel il conduit et d'une oxydation bien moins important du cordon par rapport au même mélange mais avec de l'oxygène en lieu et place du C02.
II est à noter que ces résultats ont été validés lors d'essais complémentaires opérés sur un assemblage en en bords soyés, à savoir deux viroles en acier inoxydable soudées l'une à l'autre, comme illustré sur la Figure 3.
Au final, ces essais permettent de conclure qu'un mélange formé d'environ 20% d'hélium, d'environ 1% de C02 et d'argon pour le reste est parfaitement adapté à un soudage MAG avec veine liquide tournante, c'est-à-dire à l'arc rotatif, des aciers inoxydables, en particulier des assemblages à recouvrement tels les assemblages à bords soyés et les assemblages à clin.
Le procédé de soudage MIG/MAG selon l'invention est bien adapté au soudage des assemblages en bords soyés, notamment les ballons de chauffe-eau, les corps d'extincteurs, les cuves. .. , de pièces en acier inoxydable mais aussi au soudage en angle de toute construction en inox basée sur des poutrelles de faible épaisseur, typiquement inférieure à 5 mm, par exemple les remorques de camion qui ne travaillent qu'en fatigue et pour lesquelles la profondeur de pénétration en racine n'est pas le critère principal.
Toutefois le mélange gazeux considéré autorise évidemment un transfert spray efficace. Il permet donc d'être polyvalent si la pénétration en racine est recherchée.

Claims

Revendications
1. Procédé de soudage à l'arc électrique de type MIG/MAG avec mise en œuvre d'un fil d'apport fusible et protection gazeuse formée d'un mélange gazeux ternaire constitué de 19 à 21 % d'hélium, de 0,8 à 1 ,2 % de C02 et d'argon pour le reste (% en volume) pour souder une ou plusieurs pièces en acier inoxydable, caractérisé en ce que l'arc est rotatif, le fil d'apport fusible est fondu par l'arc de manière à obtenir un transfert de métal par veine liquide tournante, et les pièces soudées comprennent des extrémités se chevauchant l'une l'autre.
2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient au moins 19,5% d'hélium, de préférence au moins 19,8% d'hélium, de préférence encore au moins 19,9% d'hélium. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient au plus 20,5% d'hélium, de préférence au plus 20,
3% d'hélium.
4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient au moins 0,9% de C02, de préférence au moins 0,95%> de C02.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient au plus 1 ,10% de C02, de préférence au plus 1,05% de C02.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux contient de 17,95 à 18,05 % d'hélium, de 0,98 à 1 ,02% de C02 et de l'argon pour le reste.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le mélange gazeux est constitué de 20% d'hélium, de 1% de C02 et de 79% d'argon.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces soudées comprennent des extrémités cylindriques se chevauchant l'une l'autre.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les pièces soudées sont des éléments constitutifs d'un appareil sous pression de type ballon d'eau chaude, extincteur, compresseur, appareil réfrigérant ou bouteille de gaz.
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