FR2531358A1 - Procede de soudage a l'arc sous athmosphere gazeuse protectrice, et melange gazeux utilisable dans la mise en oeuvre de ce procede - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN PROCEDE DE SOUDAGE A L'ARC SOUS ATMOSPHERE GAZEUSE PROTECTRICE, DANS LEQUEL ON UTILISE UN GAZ PROTECTEUR SE COMPOSANT D'UN MELANGE D'ARGON, D'HELIUM, DE GAZ CARBONIQUE ET D'OXYGENE, AINSI QU'UN COURANT D'ELECTRODE AYANT UNE INTENSITE COMPRISE ENTRE 100 ET 1100 AMPERES DE FACON A FORMER EN BOUT D'ELECTRODE DES GLOBULES METALLIQUES AYANT UNE DIMENSION AU MOINS EGALE AU DIAMETRE D'ELECTRODE ET A UNE CADENCE DE 400 A 1200 GLOBULES PAR SECONDE. APPLICATION AU SOUDAGE DE TOLES D'ACIERS FAIBLEMENT ALLIES ET INOXYDABLES JUSQU'A DES EPAISSEURS DE 13MM SANS PREPARATION DES BORDS.

Description

La présente invention se rapporte au domaine du soudage à l'arc et elle a

trait plus particulièrement à un procédé connu d'une façon générale sous la désignation " soudage Mi G", c'est-à-dire un procédé de soudage à l'arc avec électrode consommable sous atmosphère gazeuse protec- trice. Le soudage Mi G est le procédé suivant lequel la chaleur nécessaire au soudage est engendrée par un courant électrique passant entre une électrode consommable et une pièce espacée L'électrode est consommée à mesure qu'elle est amenée de façon continue dans la zone de soudure et elle devient la matière de reiwlissage quisemélange ou s'allie avec la matière du substrat pour former un joint soudé Le bain

de fusion, c'est-à-dire la matière fondue, est protégé -

contre une contamination par une atmosphère gazeuse protec-

trice composée d'un courant de gaz enveloppant l'électrode

et le bain de soudure.

La présente invention-se rapporte à une combinai-

son nouvelle de gaz de soudage, de diamètres d'électrode et de densités de courant qui permet d'obtenir un joint de soudure amélioré, qui est formé avec une vitesse de dépôt de soudure bien supérieure à celle des procédés de soudage Mi G connus Comme cela sera mis en évidence dans la suite, le procédé de soudage sous atmosphère gazeuse selon l'invention permet de produire: une meilleure géométrie de soudure; des

dépôts de soudure exempts de soufre; des propriétés physi-

ques fortement améliorées des joints soudés par comparaison

aui mélanges gazeux de protection classiques; et une péné-

tration suffisante pour produire 100 % de soudures correcte-

ment fondues dans des tôles ayant des épaisseurs jusqu'à 12,7 mm avec un cordon sur l'un ou l'autre côté d'un joint bord-à-bcrd et aucune préparation poussée des tôles Le procédé selon l'invention est applicable en particulier au soudage d'aciers doux à faible teneur en carbone, d'aciers à teneur en carbone moyenne et élevée, d'aciers de haute résistance faiblement alliés et il est également applicable à l'acier inoxydable, au cuivre et à différents alliages en

donnant d'excellents résultats.

D'une façon générale, il existe trois types de

procédés de soudage Mi G qui sont différenciés par les carac-

téristiques de l'arc et par la manière dont le métal est

transféré de l'électrode consommable sur la pièce.

Le premier de ces procédés de transfert de métal fait intervenir ce qu'on appelle un " arc de pulvérisation ",

qui assure un transfert du métal de l'extrémité de l'élec-

trode vers la pièce ou le bain de fusion sous forme d'un jet ou d'une série de petites gouttelettes fondues Le transfert par arc de pulvérisation se produit pour ce qu'on a considéré jusqu'à maintenant comme des densités de courant relativement élevées mais ne dépassant Paj généralement 000 ampères/ centimètre carré de section d'électrode et pour une vitesse de dépôt de soudure de 54 à 135 grammes/ minute Typiquement, les diamètres de fils-électrodes varient de 7,6 à 1,6 mm pour des tensions allant de 15 à 36 volts Le transfert s'effectue normalement dans de l'argon ou du gaz

richke en argon.

Le procédé suivant correspond à ce qu'on appelle

un " transfert globulaire ", suivant lequel un globule rela-

tivement gros se forme à l'extrémité de l'électrode et tombe sur la pièce quand la force de gravité devient supérieure à la tension superficielle de la goutte fondue Lorsque le globule est transféré au travers de l'arc, il est soumis à des forces dans l'arc et il prend une forme irrégulière en étant soumis à un mouvement de rotation Cela provoque parfois une nouvelle liaison du globule avec l'électrode et avec le

substrat et il s'établit un court-circuit qui éteint momen-

tanément l'arc Un transfert globulaire se produit pour des

densités de courant plus faibles que pour l'arc de pulvérisa-

tion et on peut utiliser une diversité de gaz de protection.

Le troisième procédé est appelé " transfert en

court-circuit " et il est applicable en particulier au souda-

ge de sections minces à cause de la chaleur de transfert relativement faible Dans le transfert en court-circuit, un

globule de métal liquide se forme à l'extrémité de l'électro-

de et s'allonge graduellement en progressant vers la pièce

jusqu'à ce qu'il établisse un contact créant un court-circuit.

Le transfert de métal s'effectue à nouveau par gravité et par tension superficielle Lorsque le pont globulaire établi entre l'électrode et la pièce est rompu par une force de pincement, l'arc est interrompu et ensuite il est rétabli et le cycle recommence Normalement ce type de transfert se produit dans un gaz carbonique, un mélange de gaz carbonique ou d'argon ou des gaz de protection à base d'hélium Lorsqu' on fait intervenir de hautes densités de courant et des tensions normales d'arc, le transfert de métal obtenu par ce

procédé est bien plus violent et il provoque des éclaboussu-

res du métal de soudure de sorte qu'on obtient une soudure

qui n'est pas satisfaisante en aspect et en géométrie.

Les caractéristiques de transfert de métal des trois procédés peuvent être résumées comme suit Procédés Transfert de matière 1 Arc de pulvérisation Gouttelettes extrêmement (arc long) petites pas de court- circuitage

2 Globulaire Grosses gouttes -

(arc long) court -circuitage aléatoire possible

3 Court-circuit petites gouttelettes -

arc court) court-circuitage On va maintenant décrire les gaz de protection

utilisés.

L'argon et l'hélium sont utilisés le plus fré-

quemment pour le soudage à l'arc sous atmosphère protectrice gazeuse de matériaux non ferreux Ils sont complètement inertes Bien que les deux gaz soient également inertes, ils diffèrent par leurs autres propriétés Ces différences se retrouvent dans le transfert du métal dans l'arc, dans les

pénétrations dans le joint de fusion, dans la forme de sou-

dure, dans l'affouillement'et dans d'autres variables de la soudure.

L'hélium a une conductibilité thermique supé-

rieure à celle de l'argon Pour des valeurs données de la longueur d'arc et du courant, la tension d'arc est plus élevée avec l'hélium qu'avec l'argon En conséquence plus de

chaleur est produite pour un courant donné avec une protec-

tion par hélium qu'avec une protection par argon Cela rend

l'hélium préférable pour le soudage de métaux épais, notam-

ment ceux qui ont une haute conductibilité thermique comme les alliages d'aluminium et de cuivre Inversement l'argon est préférable pour le soudage de sections minces de métal et pour des métaux de faible conductibilité thermique, du

fait qu'il produit moins de chaleur Cela est particulière-

ment vrai pour un soudage autre que dans la position à plat.

Les caractéristiques de renforcement et de péné-

tration des soudures diffèrent lors d'une protection par argon ou par hélium ou par un mélange des deux gaz Des

soudures réalisées avec de l'hélium présentent un renforce-

ment plus large que des soudures réalisées avec de l'argon.

Des soudures réalisées avec de l'argon-donnent lieu à une pénétration plus forte au centre que sur les bords On a ajouté de l'hélium à l'argon pour augmenter la pénétration

dans le joint tout en conservant la caractéristique avan-

tageuse de transfert de métal de l'argon La forme du cordon

et la pénétration sont fortement influencées par les carac-

téristiques de transfert du métal Un transfert par arc de

pulvér-imtion a tendance à produire une pénétration relative-

ment profonde le long de la ligne centrale de soudure et une pénétration relativement faible sur les bords à cause de l'effet de jet de plasma Un transfert globulaire et un transfert par court-circuitage ont tendance à produire une pénétration plus large et moins profonde En règle générale,

un transfert par arc de pulvérisation est obtenu plus commo-

dément dans l'argon que dans l'hélium -

Bien que des gaz inertes purs soient souvent essentiels ou préférables pour le soudage de certains métaux

non ferreux, ils ne permettent pas toujours d'obtenir la -

caractéristique opérationnelle la plus satisfaisante pour le soudage de métaux ferreux Lors d'une protection par argon

pur, le métal a tendance à s'écarter, ou à ne pas se rappro-

cher de la ligne de fusion ou de la base de la soudure dans

des aciers au carbone et dans la plupart des aciers faible-

ment alliés En outre le transfert du métal s'effectue de façon erratique et dispersée L'utilisation d'hélium ou de mélanges d'argon et d'hélium ne permet pas d'améliorer la situation De même, lors du soudage de métaux ferreux plus fortement alliés avec une protection par un gaz inerte pur, le transfert du métal s'effectue de façon erratique et dispersée. L'addition d'un gaz réactif tel que l'oxygène ou le gaz carbonique àl'argon stabilise l'arc et favorise le transfert favorable du métal en réduisant au minimum la dispersion En même temps, une telle addition modifie le profil de section droite de la soudure et favorise le mouillage et le fluage du métal de soudure le long des bords

de la soudure dans des aciers au carbone et faiblement alliés.

Le gaz réactif réduit également ou élimine les affouillements.

Ce changement de section droite, c'est-à-dire une réduction

de la pénétration centrale, diminue la porosité.

Les gaz utilisés pour la protection lors d'un transfert de métal par court-circuitage diffèrent souvent de

ceux utilies pour la protection avec transfert globulaire.

Par exemple des mélanges d'argon et de gaz carbonique sont fréquemment utilisés pour la protection d'acier lors d'un transfert par courtcircuitage mais ils sont rarement, sinon jamais utilisés avec un transfert globulaire De l'argon ou

des mélanges d'argon et d'hélium sont utilisés pour la pro-

tection de la plupart des métaux non ferreux Des gaz réactifs ou des mélanges-de gaz inertes et réactifs sont

utilisés dans la soudure d'aciers.

Les gaz polyatomiques ou " haute-tension " sont utilisés plus fréquemment dans des mélanges de protection

intervenant dans un soudage avec transfert par court-circui-

tage que dans un soudage avec transfert globulaire de manière

à augmenter la chaleur introduite et à améliorer le mouillage.

Le pourcentage du gaz réactif doit être limité de façon à

contrôler des réactions gaz-métal qui seraient métailurgi-

quement perturbatrices Des mélanges d'argon et de gaz-

carbonique donnent satisfaction pour la protection d'aciers inoxydables mais ils augmentent la teneur en carbone du métal de soudure et réduisent la résistance à la corrosions, notamment pour des soudures à passes multiples On a utilisé un mélange de protection peu actif se composant de 90 % d'hélium, de 7,5 % d'argon et de 2,5 % de gaz carbonique pour obtenir une bonne résistance à la corrosion et une oxydation réduite de la soudure Dans ce mélange de protec- tion; l'hélium et le gaz carbonique augmentent tous deux

la chaleur introduite pour un courant donné Le gaz carboni-

que améliore également la stabilité de l'arc Il en résulte qu'on obtient un meilleur mouillage et une meilleure forme

de la soudure.

Comme autre exemple de l'influence de mélanges gazeux de protection, dans le procédé de transfert globulaire utilisant du gaz carbonique pour la protection, le transfert est caractérisé par des globules plus gros ( habituellement du double ? que le diamètre d'électrode mais le transfert des

gouttelettes s'effectue de façon erratique et non-axiale.

-Lorsqu'on ajoute de l'argon au gaz de protection, le gaz

carbonique enrichi en argon réduit les dimensions des goutte-

lettes à une valeur inférieure au diamètre du fil et ils sont transférés coaxialement par rapport à l'électrode La

gravité, opérant en combinaison avec des forces électromagné-

tiques, assure le transfert de la matière projetée Si on augmente l'addition d'argon, les dimensions des gouttelettes continuent à réduire jusqu'à ce que le processus de transfert par arc de pulvérisation se produise avec une absence de courts-circuits. Dans un article qui est paru dans le numéro de Janvier Février 1975 de la revue " Metalworking Management", John Church, l'inventeur, décrit le principe du procédé de soudage Plasmig qu'il a mis au point en 1971 Dans l'article, Mr Church décrit le procédé Plasmig qui utilise un mélange de trois gaz constitués par l'argon, le gaz-carbonique et l'oxygène et il suggère la possibilité d'ajouter d'autres gaz-tels que l'hélium ou l'hydrogène qui cependant, à sa connaissance, n'ont pas été mélangés au moment o il a écrit son article Avant le procédé Plasmig de Mr Church, on n'a pas utilisé industriellement des mélanges de trois gaz pour souder de l'acier Cet inventeur a mis au point un mélange de quatre gaz qui a permis d'obtenir des résultats nettement améliorés Par sa découverte, l'inventeur a fait grandement progresser le domaine du soudage en ce qui concerne la

qualité de soudure et les vitesses de soudage tout en rédui-

sant simultanément les frais de soudage. Le brevet des Etats Unis d'Amérique no 3 139 506 de Wolf et al concerne le soudage à l'arc et revendique un mélange gazeux de protection contenant de 20 à 70 % en volume de C 2 z de 1 à 15 % d'O 2 et le reste d'Ar Dans la dernière partie de leur brevet, Wolf et al suggèrent qu'on puisse utiliser de l'hélium ou un mélange d'hélium et d'argon à la place d'argon dans leur mélange gazeux de protection Le brevet ne précise rien en ce qui concerne les pourcentages de mélange d'hélium et d'argon et en conséquence aucunes gamme critique n'est établie,Il est également à noter que Wolf et al revendiquent des plages de pourcentages en volume de C O O et-d'O 2 qui sont bien supérieures à celles utilisées

par l'inventeur.

L'invention a pour but d'augmenter sensiblement

les vitesses de dépôt de soudure tout en améliorant la-

qualité et l'aspect désirés pour les soudures La présente invention permet d'obtenir ce résultat désiré avec un nouveau procédé de soudage à l'arc avec électrode consommable sous atmosphère gazeuse protectrice (Mi G) qui fait intervenir des densités de courant, des tensions et des diamètres d'électrodes bien supérieurs, combinés avec un nouveau gaz de soudage qui produit un plasma de soudage nouveau ayant une stabilité grandement améliorée Tout en améliorant les propriétés physiques du joint soudé, ce nouveau procédé permet également d'obtenir des vitesses de dépôt de soudure

de l'ordre du double-de celles du procédé à arc de pulvérisa-

tion classique.

Le procédé conforme à l'invention possède les caractéristiques désirées à la fois du procédé de transfert

par arc de pulvérisation ( grand nombre de globules par-

seconde) et du procédé de transfert globulaire ( globules

de grandes dimensions) sans aucun phénomène de court-

circuitage En d'autres termes, le procédé permet d'obtenir les globules grossis comme dans le procédé de transfert globulaire ainsi que le courant stable de globule du procédé de transfert par arc de pulvérisation La vitesse élevée de dépôt est inattendue puiscqe le transfert globulaire ( grosses gouttes) de la matière d'électrode était associé jusqutà maintenant avec un soudage sous une faible densité

de courant En outre on obtient un détachement coaxial effi-

cace des globules par opposition au détachement décalé latéralement qui est obtenu avec les mélanges gazeux de protection de type connu On estime que le détachement axial des globules contribue à éviter les effets de dispersion dans le procédé conforme à l'invention Un aspect plus important

du nouveau procédé consiste dans l'efficacité de stabilisa-

tion de la dimension et de la forme du plasma et dans la création d'un mélange gazeux de soudage qui facilite l'obtention de ce résultat et qui permet d'utiliser de plus hautes densités de courant et de plus grandes dimensions d'électrodes. Un procédé de soudage qui fait intervenir un court-circuitage régulier ou intermittent entre l'électrode et la pièce ralentit ou diminue inévitablement la vitesse de dépôt de soudure à cause de l'interruption du passage du courant, et par conséquent la vitesse de transfert du métal entre-l'électrode et la pièce Le dépôt de la matière de soudure et la qualité du joint soudé sont en relation directe avec la quantité de métal transféré à partir de l'électrode, avec la condition de préchauffage du joint de pièce, et avec la possibilité de maintenir le courant de métal transféré

fondu dans le joint soudé.

En d'autres termes, bien qu'on sache que de hautes densités de courant et des tensions élevées augmentent

le transfert du métal d'électrode,d'autres conditions détermi-

nent la possibilité de maintien du métal transféré sur la pièce en vue de créer un joint soudé désiré et normalement,

on a maintenu les densités de courant à des valeurs infé-

rieures à 20 000 ampères/cm 2 dans les processus de dépôt

les plus rapides utilisés par le passé.

Dans le procédé de soudage conforme à l'inven-

tion, il se produit un courant de matière d'électrode -

fondue s'écoulant librement et sans effet de court-circuitage, comme dans le transfert par arc de pulvérisation, cet effet étant combiné avec des dimensions de globules se produisant normalement dans le procédé de transfert globulaire, afin d'obtenir une augmentation sensible du volume de la matière d'électrode transférée dans la soudure En même temps, le nouveau mélange gazeux de soudage et sa zone de plasma nouvelle et contrôlée permettent de conserver ce volume

augmenté du courant de métal dans le joint soudé, en amélio-

rant la qualité du joint et la pénétration par un préchauffa-

ge fortement amélioré du substrat, Le nouveau mélange gazeux de soudage qui est utilisé dans la présente invention se compose essentiellement de 3 à 10 % en volume de gaz carbonique, de 0,1 à 1 % en volume d'oxygène et le reste d'hélium et d'argon dans une proportion de 0,5 à 3,5 parties en volume d'argon pour chaque

partie en volume d'hélium.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la

description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en

référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une vue schématique d'un système de soudage

Mi G,-c'est-à-dire de soudage à l'arc avec électrode consomma-

ble sous atmosphère gazeuse protectrice, la figure 2 est une vue d'un joint soudé théorique obtenu par le procédé conforme à l'invention 2 la figure 3 donne des représentations schématiques de trois types fondamentaux de processus de transfert Mi G, la figure 4 est une vue schématique du système de soudage sous atmosphère gazeuse protectrice correspondant à la présente invention, les figures 5 à 13 sont des vues de joints soudés formés avec différents gaz de protection, par comparaison au gaz

de soudage conforme à l'invention -

les figures 14 à 16 sont des représentations de clichés tirés d'un film photographique à grande vitesse mettant en évidence le plasma engendré en utilisant un gaz de protection se composant de 85 % d'argon et de 15 % de gaz carbonique, les figures 17 à 19 sont des représentations de clichés tirés d'un film photographique à grande vitesse mettant en

évidence le plasma engendré en utilisant un gaz de protec-

tion contenant 100 % de gaz carbonique, et les figures 20 à 22 sont des représentations de clichés tirés d'un film photographique à grande vitesse mettant en évidence le plasma engendré en utilisant un mélange gazeux

de soudage conforme à 11 invention.

On a donné sur la fig I une représentation schématique d'un système typique de soudage Mi G Une bobine

alimente en fil de soudage 12 un dispositif 14 de distri-

bution de fil qui pousse ce dernier au travers d'un conduit flexible 16 aboutissant à un porte-électrode ou pistolet de soudage 18 Une source de courant 20 applique du courant au fil de soudage et comporte des commandes normales de tension

et d'intensité o Un réservoir 22 de gaz de protection alimen-

te en gaz un dispositif de commande d'écoulement 24 qui

assure à son tour la fourniture du gaz au pistolet de souda-

ge 18 par l'intermédiaire d'un conduit 16.

Un joint soudé du type pouvant être obtenu d'une façon générale avec la présente invention a été représenté schématiquement sur la fig 2 et fait intervenir une tôle horizontale 26, une tôle verticale 28 et de la matière de soudure 30 Les désignations suivantes s'appliquent au joint soudé de la fig 2: A Epaisseur théorique B Branche verticale Cc Branche horizontale D Racine de soudure E Sommet de soudure F Face de soudure G Racine de joint Le procédé de soudage conforme à l'invention est conçu pour produire des branches B et C de longueurs comparables et une face F ayant un profil plat à légèrement convexe Typiquement, avec les procédés connus faisant intervenir une haute densité de courant et une grande il vitesse de dép 8 t, on obtient souvent des branches ayant des dimensions considérablement inégales, la branche la plus longue étant placée sur la surface horizontale et la branche la plus courte sur la surface verticale En outre, les profils des faces de soudure ne sont pas corrects du fait que le sommet de la soudure ne rejoint souvent pas uniformément les t 8 les et qu'il se produit fréquemment un affouillement dans la tôle verticale dans la zone avoisinant le sommet E. -La figure 3 donne des représentations schématiques des procédés typiques de transfert par arc de pulvérisation

(A), globulaire (B) et avec court-circuitage (C) En considé-

rant d'abord le transfert par arc de pulvérisation (A), une électrode 32 est verticalement espacée du substrat ou de la pièce 34 et elle forme une série de petites gouttelettes distinctes 36 qui s'écoulent dans l'arc vers le bain de métal de soudure 38 Dans le cas du transfert globulaire

(B), un gros globule 40 se forme à l'extrémité de l'électro-

de 42 et, lorsque la force de gravité s'exerçant sur le globule dépasse la tension superficielle entre l'électrode et le globule, ce dernier tombe dans le bain de métal de soudure 44 Dans le cas du transfert par court-circuitage (C), la pointe de l'électrode 46 fond et forme une goutte 48 qui s'allonge sous l'effet de la gravité jusqu'à ce qu'elle entre en contact avec le bain de métal de soudure 50 en créant un court- circuit suivi par une interruption du pont établi entre la goutte et l'électrode, ce qui provoque un réamorçage de l'arc et un recommencement du cycle de

formation de goutte.

Cependant du fait quele processus avec arc de

pulvérisation se déroule sous des densités de courant rela-

tivement élevées, ne dépassant cependant pas normalement 000 ampères/cm 2, il est possible d'obtenir avec ce processus une vitesse de dépôt relativement grande, par exemple de 54 à 135 g/min Les transferts globulaire et par court-circuitage se produisent avec des densités de

courant plus faibles et avec des vitesses de dépôt égale-

ment plus faibles.

La figure 4 est une vue schématique d'une partie d'un pistolet de soudage désigné dans son ensemble par 60, cette figure mettant en évidence le processus de transfert de métal correspondant à la présente invention La buse 62 du pistolet de soudage entoure coaxialement un embout 64 par l'intermédiaire duquel le fil ou électrode de soudage 66 est introduit Du courant fourni par la source est appliqué à

l'électrode 66 dans l'embout 64 et l'électrode est préchauf-

fée sur la distance P entre l'extrémité de l'embout et l'extrémité de la buse Un gaz de protection 66 s'écoule dans la buse 62 et entoure l'électrode et le bain de métal de soudure 7 C dans la pièce 72 L'arc de soudage a été

indiqué en 73.

Le courant d'électrode fait monter le niveau d'énergie du gaz de soudage suffisamment pour ioniser au moins la couche intérieure afin de créer un jet de plasma 74 autour de l'électrode entre la buse et la pièce et de

façon à envelopper le bain de métal de soudure 70.

Puisqu'un gaz ionisé-ou un plasma ne suit pas les lois connues de la physique et de la thermodynamique, on a fait intervenir un "quatrième état de la matière ", c'est-à-dire un état solide, un état liquide, un état gazeux et du plasma Le plasma présente deux avantages principaux par rapport à des gaz ordinaires dans des buts de chauffage: température plus élevée et meilleure transmission de la chaleur à d'autres objets Il est évident que, dans le soudage, il est très souhaitable de chauffer le métal de soudure rapidement, ce qui peut être grandement facilité par certains plasmas La présente invention a également permis de se rendre compte qu'un plasma contrôlé ou stabilisé

facilite grandement le préchauffage du substrat, en amélio-

rant ainsi la pénétration de la soudure.

Lors de la création d'un plasma, les atomes de gaz sont dissociés en ions et en électrons libres faisant monter les particules de gaz chargées à de très hautes températures, par exemple de 6 000 à 20 0000 C Lorsque ces particules de gaz fortement chauffées se déplacent au travers de l'arc, les particules de plasma chargées cèdent leur chaleur de façon à fondre l'électrode et à préchauffer le substrat et ensuite les particules de gaz refroidies se recombinent pour former la structure moléculaire du ou des

gaz initiaux.

Bien qu'on estime qu'un certain plasma est créé avec la plupart des gaz de protection utilisés dans le soudage à l'arc, chacun desdits gaz ou mélanges de gaz présente un plasma unique ayant des caractéristiques électriques et physiques distinctes En commun, la chaleur du plasma, comme indiqué par exemple en 74 sur la fig 4, se combine avec la chaleur engendrée par l'arc d'électrode pour produire une chaleur totale disponible pour la fusion de l'électrode Cependant il apparaît qu'on ne s'est pas rendu compte par le passé de l'importance du contrôle ou de la stabilisation de la forme et de la dimension ddit plasma comme moyen d'amélioration de la qualité de la soudure et de la vitesse de dépôt de soudure On précisera dans la

suite les particularités du plasma de la présente invention.

Il rentre dans le cadre de la présente invention qu'il est nécessaire de commander le potentiel électrique entre l'arc de soudage et le plasma pour obtenir un transfert contrôlé et coaxial des particules ou gouttes d'électrode fondue vers la pièce sans qu'il se produise un soufflage ou une dispersion de la matière de soudure et sans un affouillement de la pièce tout en permettant simultanément le transfert de quantités accrues de la matière d'électrode

vers le joint de soudure.

Un courant existe 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 la fusion de l'électrode et le préchauffage de la pièce Le potentiel de plasma ae la différence entre la tension d'arc et latension de plasma Si la différence de potentiel est relativement grande, comme c'est le cas pour le plasma produit dans le procédé typique à arc de pulvérisation faisant intervenir une protection gazeuse par de l'argon ou par un gaz riche en argon, la force du plasma a tendance à éjecter ou à souffler le dépôt du métal de soudure pour de hautes densités de courant, ce qui nécessite une diminution du courant et ce qui se traduit par conséquent par une réduction des vitesses de dépôt, en vue de maintenir un

joint soudé satisfaisant.

Dans le procédé de soudage selon l'invention, on crée un nouveau jet ou écran de plasma dans lequel le potentiel de plasma ( c'est-à-dire la différence entre les tensions d'arc et de plasma)est inférieur à celui se produisant dans des procédés connus à arc de pulvérisation, ce qui permet d'adopter des densités de courant supérieures

et d'améliorer grandement le transfert de la matière d'élec-

trode vers le joint de soudure sans qu'il se produise une

éjection ou une dispersion du dépôt de soudure.

Par le passé, dans les procédés de soudage Mi G,

il n'a pas été généralement d'une pratique courante d'utili-

ser des électrodes ayant des diamètres supérieurs à 116 mm du fait des limitations concernant la quantité de courant pouvant être utilisé touz en maintenant encore la forme désirée du joint de soudure Par le passé, on a limité te courant dans la plage de 100 à 400 ampères, ou on a adopté

des densités de courant n'excédant pas 20 000 ampères/cmn 2.

Dans la présente invention, le nouveau gaz de soudage permet d'utiliser le courant dans des gammes allant jusqu'à 1100 ampères, avec des densités de courant allant jusqu'à 70 000 ampères/cm 2 et des électrodes dont les diamètres vont jusqu'à 4 mm En même temps, le mélange permet à des fils de plus petit diamètre de conduire des densités de courant plus fortes, par exemple un fil de

0,7 5 mm peut conduire une densité de courant de 60 000 ampè-

res/cm 2 par comparaison à une valeur normale de'20 000 ampè-

res/cm 2 Le débit de gaz de soudage est de l'ordre de

1 000 à 2 000 1/h.

Pour créer le plasma nouveau conforme à l 'inven-

tion, on fait intervenir un gaz de soudage constitué par un mélange d'argon, d'hélium, d'oxygène et de gaz carbonique dans les gammes de mélange suivantes: Argon 40 à 70 % Hélium 25 à 60 % Gaz carbonique 3 à 10 % Oxygène 0,1 à 1 % Comme cela sera précisé dans la suite, on modifie les mélanges gazeux spécifiques ainsi que les valeurs des tensions et des intensités du courant en fonction des métaux ou des alliages métalliques à souder et des dimensions désirées pour la soudure. On va d'abord considérer les aciers doux et

faiblement alliés.

Comme indiqué ci-dessus, les plus grandes vites-

ses de dépôt de soudure ont été atteintes par le passé avec le procédé de transfert par arc de pulvérisation En fonction

de la pénétration de soudure dés'irée, ce procédé fait-norma-

lement intervenir un gaz de protection composé d'argon et de gaz carbonique ou bien seulement d'argon et d'oxygène Des joints soudés réalisés avec de tels gaz de protection, par comparaison au mélange de soudage conforme à l'invention, sont mis en évidence sur les figures 5 à 13 Pour effectuer une comparaison raisonnable, des conditions de soudage fondamentalement identiques ont été établies, les variables principales étant le gaz ou le mélange gazeux de protection utilisé Dans les essais comparatifs, on a utilisé des tôles d'acier doux à faible teneur en carbone d'une épaisseur de mm, ces tôles désignées par 82 et 84 étant disposées horizontalement et verticalement de façon à former un joint en T On a utilisé comme électrodes de soudage des fils

d'acier E 70 56 et E 70 57 de 1,3 mm de diamètre Les élec-

trodes utilisées ont été revêtues de cuivre ou non et elles n'ont pas provoqué de différence dans les résultats de soudage Un premier critère de qualité d'une soudure est la profondeur de pénétration de la soudure, mesurée entre la racine du joint soudé G et la racine de la soudure D Les

comparaisons concernant la pénétration de soudure sont indi-

quées sur les figures 5 à 7.

En considérant d'abord la fig 5, on voit qu'on a représenté un joint soudé avec arc de pulvérisation, en utilisant ce qui a été considéré auparavant comme un mélange gazeux protecteur très efficace formé de 85 % d'argon et de % de gaz carbonique La pénétration de soudure, désignée par x, a fourni une mesure de 2,5 mm dans la tôle verticale depuis la racine du joint soudé G jusqu'à la racine de la soudure D. Les paramètres et les résultats de soudage obtenus pour le joint soudé représenté sur la fig 5 sont les suivants Gaz protecteur 85 % argon / 15 % gaz carbonique

Vitesse d'avance de fil 1360 cm/min.

Vitesse de fusion 8,5 kg/h Intensité du courant 410 ampères Tension 33 volts

Vitesse de soudage 50 cm/min.

On-sait que l'utilisation d'une protection à

base de gaz carbonique améliore la pénétration de soudure.

En correspondance, la figure 6 représente un joint soudé réalisé en utilisant un gaz protecteur formé de 100 %O de gaz carbonique Dans ce cas, la pénétration de soudure y est augmentée jusqu'à 3,4 mm

Les paramètres et résultats de soudage correspon-

dant au joint soudé représenté sur la fig 6 sont les suivants Gaz protecteur 100 % gaz carbonique Vitesse de fil de soudage 1230 cm/min Vitesse de fusion 8,1 kg/h Intensité de-courant 350 ampères Tension 33 volts

Vitesse de soudage 50 cm/min.

La figure 7 représente le joint soudé réalisé en utilisant le mélange gazeux le plus avantageux conforme à l'invention pour des aciers doux et faiblement alliés Dans

ce cas, la pénétration de soudure z est de 5,4 mm Les para-

mètres et les résultats de soudage correspondant au joint soudé de la fig 7 sont les suivants: Gaz protecteur 65,0 % argon 26,5 % hélium 8,0 % gaz carbonique 0,5 % oxygène Vitesse d'avance de fil 1575 cm/min Vitesse de fusion 9,9 kg/h Intensité de courant 400 ampè res Tension 37,5 volts

Vitesse de soudage 79 cm/min.

On a trouvé que, en faisant varier chacun des gaz individuels du mélange immédiatement au-dessus de la gamme de plus ou moins 5 % des valeurs les plus avantageuses,

on obtenait pratiquement les mêmes résultats fortement amé-

liorés. En comparant les résultats des procédés de soudage des figures 5 et 6, c'est-à-dire les résultats du procédé de soudage par arc de pulvérisation, avec ceux du procédé de soudage conforme à l'invention, figure 7, on remarque la pénétration de soudure obtenue avec le procédé conforme à l'invention est supérieure de 216 % à celle de la fig 5 et est supérieure de 159 % à celle de la fig 6 La vitesse de soudage et par conséquent la vitesse de dépôt obtenue avec les procédés des figures 5 et 6 ont été toutes deux de 50 cm/min par comparaison à la valeur de 79 cm/min obtenue avec le procédé conforme à l'invention En d'autres termes, la vitesse de dépôt de soudure du procédé conforme à l'invention est supérieure de 160 % à celle de procédés comparables de soudage avec arc de pulvérisation en utilisant

des valeurs comparables d'intensité et de tension.

En-conséquence, le procédé de soudage conforme à l'invention permet d'obtenir une meilleure pénétration de soudure et de plus grandes vitesses de dépôt que ce qui était possible par le passé avec les procédés connus à arc de pulvérisation. Un autre critère pour mesurer la qualité d'un joint soudé consiste à comparer la dureté,( Rockwell B) du

métal de soudure avec-celle du substrat ou de la pièce Théo-

riquement, un joint soudé serait meilleur si la dureté du métal déposé et celle du substrat ou de la pièce autour du joint soudé étaient les mêmes Cependant par le passé, on a admis que le métal déposé est normalement plus dur que celui

de la pièce.

Cependant, lors de la mesure de la dureté du métal déposé et de celle de la pièce en accord avec le procédé de soudage par arc de pulvérisation des figures 5 et 6 et le procédé conforme à l'invention de la fiaure 7, on voit que la dureté du métal déposé par le procédé conforme à

l'invention est essentiellement égale à celle de la pièce.

Ces résultats sont mis en évidence sur les figures 8 à 10.

Sur les figures 8 à 10, les chiffres indiqués sur les dessins donnent les valeurs de dureté Rochqell ( en utilisant un poids de 101 kg) prises en différents points de

la pièce autour du joint et sur le métal déposé.

La figure 8 correspond au joint soudé de la fig 5, en utilisant le gaz protecteur contenant 85 % d'argon et 15 % de gaz carbonique Dans ce cas, la dureté de la pièce autour du joint soudé varie de 66 à 72 unités et la dureté

du métal déposé est approximativement de 96 unités En consé-

quence le métal de soudure est de 146 % à 134 % plus dur que

la pièce.

La figure 9 correspond au joint soudé de la fig 6, réalisé en utilisant le gaz protecteur contenant % de gaz carbonique Dans ce cas la dureté de la pièce autour du joint varie d'environ 65 à 67 unités et la dureté du métal de soudure est approximativement de 88 unités En conséquence, le métal de soudure est de 135 % à 131 % plus

dur que la pièce.

La figure 10 correspond au joint soudé de la fig 7, réalisé en utilisant le gaz protecteur faisant l'objet de l'invention Dans ce cas, la dureté de la pièce autour du joint soudé varie de 86 à 87 unités et la' dureté du métal de soudure est approximativement de 86 unités En

conséquence, la dureté du métal de soudure est essentielle-

ment égale à celle de la pièce.

Dans un autre contrôle de la qualité d'un joint soudé, il est très avantageux que la résistance à la traction de la pièce et celle du métal de soudure soient

aussi égales que possible Des valeurs de comparaison des-

* dites résistances à la traction ont été indiquées sur les figures 11 à 13 Les chiffres indiqués sur les figures Il à 13 représentent une résistance à la traction, mesurée en

kg/mm 2.

La figure 11 correspond au joint soudé de la fig 5, réalisé en utilisant le gaz de protection contenant % d'argon et 15 % de gaz carbonique Dans ce cas la résistance à la traction de la pièce varie approximativement de 43 à 47 unités tandis que celle du métal de soudure est approximativement de 75 unités En conséquence la résistance à la traction du métal de soudure est supérieure d'environ

172 % à celle de la pièce.

La figure 12 correspond au joint soudé de la fig 6, réalisé en utilisant un gaz protecteur formé de % de gaz carbonique Dans ce cas la résistance à la traction de la pièce est approxirmativement de 43 unités et celle du métal de soudure de 64 unités En consequence, la résistance à la traction du métal de soudure est supérieure

d'environ 149 % à celle de la pièce.

La figure 13 correspond au joint soudé de la fig, 7, réalisé en utilisant le gaz protecteur faisant l'objet de l'invention Dans ce cas, la résistance, la traction de la pièce et celle du métal de soudure sont

approximativement égales à 61 unités.

Un autre essai industriel normalisé est appelé

l'essai de résilience de Charpy Cet essai détermine l'apti-

tude d'une soudure à résister à un choc prédéterminé à une température donnée A titre de comparaison, on se réfèrera au document " Pocket Welding Guide " établi par Hobart Brothers Company et édité en 1979 A la page 74, on donne des résultats d'essai de Charpy pour une matière d'électrode AWS E 7 OS-6 et, lors de l'utilisation d'un gaz protecteur constitué par du CO 2, on indique pour un fil de 1,12 mm de diamètre une résilience de 2,97 m kg à une température de -28 C Des essais comparables, effectués par un organisme de contrôle indépendant en utilisant une matière d'électrode constituée par du E 70 S-6 et en utilisant un mélange gazeux de protection d'acier doux et d'acier faiblement allié conforme à l'invention, à une température de -28 C, ont donné les résultats suivants en utilisant cinq échantillons d'essai: Echantillon Résilience, m kg

1 16,2

2 11,5

3 14

4 10,2

11,2

Comme cela est classique, les valeurs maximale ( 16,2 m kg) et minimale ( 10,2 m kg) ont été rejetées et on

a obtenu une résilience moyenne d'environ 12,15 m kg, c'est-

à-dire une valeur trois à quatre fois supérieure à celles

indiquées dans le Guide Hobart.

Dans une tentative pour déterminer la raison pour laquelle on obtient de façon inattendue les très bons

résultats d'essai de résilience, le même organisme de contrô-

le a effectue différents examens additionnels des soudures, y compris une photomicrographie d'une empreinte au soufre qui a indiqué sur la soudure était virtuellement exempte de soufre On en a par conséquent conclu que les résultats de résilience fortement améliorés étaient imputables à la condition de propreté ou d'exclusion de soufre de la soudure obtenue par le procédé et le mélange gazeux conformes à la présente invention Avec le procédé selon l'invention, le bain de métal de soudure est porté à une température plus élevée et il est soumis à une pulsation ou à un bombardement,

à une fréquence inhabituellement élevée, par les gros globu-

les du métal d'électrode, ce qui contribue à épurer ou à

nettoyer le joint soudé.

En théorie, l'étroite adaptation des duretés et des résistances à la traction du métal de soudure et du joint

soudé, l'amélioration de la pénétration et la forte augmen-

tation des résiliences qui sont obtenues grâce à l'invention

pour la soudure sont imputables au mélange ou alliage grande-

ment amélioré du métal de soudure et du métal de substrat

sous l'effet des échauffements nettement supérieurs, notam-

ment le préchauffage du substrat, qu'il est possible d'obte-

nir grâce au procédé conforme à l'invention On estime égale-

ment que de tels résultats sont imputables au bombardement rapide du joint soudé par de grandes quantités de globules de matière fondue de dimensions agrandies et également au fait

que la soudure est exempte de soufre.

On voit par conséquent que le procédé de soudage conforme à l'invention permet d'obtenir un joint soudé qui est bien meilleur en ce qui cohcerne la résilience, la péné- tration de la soudure, la vitesse de dépôt du métal soudé ainsi que l'adaptation des duretés et des résistances à la

traction du métal de soudure et du métal de la pièce.

On va maintenant considérer une autre catégorie importante d'aciers, à savoir les aciers faiblement alliés, trempés et revenus, dont les résultats de soudage sont grandement améliorés grâce à l'invention Pour ces aciers, le mélange gazeux de protection le plus avantageux est le suivant: Argon 44,00 % Hélium 52,00 % Gaz carbonique 3,82 % Oxygène O,18 % En utilisant le mélange gazeux de protection précité pour souder bord à bord deux tôles formées d'un acier faiblement allié, trempé et revenu et d'une épaisseur de 145 mm, on a effectué les essais de résilience de Charpy à une température de -47 'C sur cinq échantillons de 10 mm prélevés dans chacune des parties supérieure (côté A) et inférieure { côté B) du joint soudé et on a obtenu les résultats suivants: Côté A Côté B 1 9,2 m kg 1 13,9 m kg 2 10,9 m kg 2 13,7 m kg 3 13,8 m kg 3 13,6 m kg 4 13,5 m kg 4 8,9 m kg 13,9 m kg 5 9 m kg En éliminant à nouveau les valeurs maximale et minimale, on a trouvé comme valeurs moyennes de résilience 12,40 m kg pour le côté A et 11,60 m kg pour le côté B Ces résultats ont été approximativement deux fois meilleurs que les valeurs normalisées les plus élevées jamais établies

pour la résilience de soudures formées de tels matériaux.

On va maintenant considérer l'acier inoxydable.

Pour l'acier inoxydable, le mélange gazeux de protection le plus avantageux conformément à la présente invention est le suivant: Argon 41, 66 % Hélium 55,00 % Gaz carbonique 3,20 % Oxygène 0,14 % En ce qui concerne le plasma, antérieurement à la présente invention, peu sinon aucune attention n'a été accordée aux caractéristiques, par exemple la forme, les dimensions et la consistance, du plasma fermé au cours du soudage Mi G C'est la nouveauté du plasma selon l'invention qui a facilité l'amélioration du soudage réalisé par le procédé conforme à l'invention Dans le passé, on avait sélectionné des gaz principalement en vue de protéger le joint soudé contre une contamination ( cf brevet US 3 496 323), en vue de faire varier la pénétration de soudure

( cf brevet US 3 139 506),et en vue d'assurer la stabilisa-

tion de l'arc ( cf brevet US 2 916 601), toutes ces consi-

dérations étant importantes pour le soudage Cependant, un plasma de gaz de protection, lorsqu'il est engendré, a une influence sur les considérations précitées Comme cela sera mis en évidence dans la suite, lors de l'utilisation des mélanges gazeux connus, les plasmas résultants ont été irréguliers ou non contrôlés en ce qui concerne la forme et, à certains moments, ils ont même disparu pendant le processus

de soudage.

L'inventeur a découvert l'effet essentiel du contrôle et de la stabilisation du plasma en vue d'améliorer à la fois la qualité de la soudure et la vitesse de dépôt

de soudure En conséquence l'objectif principal de la-présen-

te invention consiste dans le contrôle de la forme, des

dimensions et de la consistance du plasma qui entoure l'élec-

trode et le bain de métal de soudure ou le joint de soudure.

En contrôlant la forme et les dimensions du plasma, et en

outre en maintenant étroitement le plasma autour de l'élec-

trode et la zone de soudure, la chaleur du plasma est concen-

trée de manière à provoquer à la fois une fusion rapide de la matière d'électrode et un préchauffage de la zone de soudure en améliorant ainsi la pénétration de soudure, la vitesse de dépôt du métal de soudure et la qualité de la soudure. Pour démontrer cete efficacité, on a pris une série de films cinématographiques rapides ( 4000 clichés par

seconde) de manière à comparer le plasma conforme à l'inven-

tion avec ceux de deux autres gains de protection pris en

considération Spécifiquement, ces deux autres gaz de protec-

tion ont été ( 1) un mélange de 85 % d'argon et de 15-% de gaz carbonique et ( 2) 100 % de gaz carbonique Les vitesses de dépôt de soudure et les qualités de soudure obtenues en utilisant ces gaz de protection ont été comparées et décrites

en référence aux figures 5 à 13.

Puisqu'il est difficile de reproduire des clichés de tels films rapides dans des dessins de demandes de brevets, on a indiqué sur les figures 14 à 22 des représentations de clichés ou images de comparaison Chacune des figures 14 à

22 représente une photographie prise au 1/4000 seconde.

Dans le cas d'un plasma engendré par addition d'argon pendant un processus de soudage à l'arc, et comme le montrent clairement les études de films à grande vitesse, la forme, les dimensions et, ce qui est très important, la direction du plasma de gaz de protection changent de façon

continue à un certain degré pendant le cycle de soudage.

En d'autres termes, alors que le plasma indiqué en 74 sur la figure 4 est une représentation instantanée du plasma selon l'invention, à un autre instant les proportions du plasma varient Cependant, comme le montre une comparaison des figures 14 à 22, les plasmas de différents gaz de protection ont dans l'ensemble des caractéristiques physiques et

électriques différentes qui donnent lieu à des caractéristi-

ques de soudures très différentes.

Dans les études de films à grande vitesse repré-

sentées sur les figures 14 à 22, on a utilisé des électrodes de 1,2 mm de diamètre, des tensions variant entre 33 et

38 volts et des intensités variant entre 350 et 410 ampères.

Incidemment on a adopté pour les dimensions d'électrodes, des tensions et des intensités des maxima pratiquement utilisables avec des gaz de protection de comparaison, c'est-à-dire un mélange d'argon et de gaz carbonique et du gaz carbonique seul. Dans le premier film rapide, dont des clichés individuels sont indiqués sur les figures 14 à 16, on a utilisé un gaz de protection contenant 85 % d'argon et 15 % de gaz carbonique Dans ce cas, on a observé que le plasma 90 n'entourait pas étroitement l'électrode 92 au-dessus du bout 94 mais semblait au contraire commencer sur cette pointe et entourer -les fines gouttelettes de métal en fusion tombant du bout Il est à noter que les fines gouttelettes de métal fondu ont chacune des dimensions bien plus petites que le diamètre d'électrode Le plasma 90 entre en contact avec les tôles 96 et 98 formant le substrat et, comme indiqué

sur les figures 14 à 16, il s'élève d'une man -ière incontrô-

lée ou aléatoire depuis une largeur de base W, d'une dimen-

sion comnrise entre environ 5 et 10 mm en contournant le bain de soudure 100 et en arrivant à une hauteur générale h d'environ 10 mm A moins que la densité du courant ne soit

maintenue en dessots d'une valeur donnée, ne dépassant géné-

ralement pas 20 000 ampères/ cm 2, la nature erratique ou incontrôlée du plasma 90 a tendance à éjecter le métal en fusion du bain de soudure 100 La différence de potentiel entre l'arc et le plasma ne permet apparemment pas à ces deux éléments de combiner efficacement leurs énergies thermiques pour augmenter au maximum la fusion d'électrode et le préchauffage du substrat Le film montre également que les dimensions des gouttelettes 102 pa Iant de l'extrémité de l'électrode produisent un fin pulvérisat qui ne quitte pas l'électrode suivant un motif régulier Au contraire, les gouttelettes se séparent au hasard d'un-côté du bout de

l'électrode puis de l'autre Du fait de la nature incontrô-

lée du plasma 90 et du départ irrégulier des gouttelettes à partir de l'électrode, il est nécessaire de limiter la densité du courant pour réduire la tendance à l'éjection du

métal fondu à partir du bain de soudure.

Pour comparer les vitesses de dépôt de métal de soudure, on a adopté pour le premier film ( 85 % d'argon / % de gaz carbonique) les paramètres suivants

Vitesse de fil = 13-50 cm/min.

Vitesse de fusion = 7,65 kg/h -

Vitesse de soudage = 48 cm/min.

Dans le second film rapide, dont des clichés individuels sont représentés sur les figures 17 à 19, on a

utilisé un gaz de protection formé de 100 % de gaz carbonique.

On a constaté à nouveau que ie plasma 104 n'entourait pas

l'électrode 106 bien au-dessus du bout 108 mais qu'au contrai-

re il s'étendait d'une façon générale entre le bout de l'élec-

trode et le bain de soudure 110 et qu'il avait-une largeur très étroite d'environ 2 à 3 mm-autour du bain de métal de soudure et une hauteur d'environ 2,5 mm Pendant ce processus de soudage, on a observé que le plasma semblait disparaître ou s'éteindre périodiquement Il est également à noter que la

quantité totale de plasma est assez faible Une courbe oscil-

lographique superposée au film confirme le comportement erra-

tique de l'arc sous l'effet du court-circuitage qui se produit à mesure que la goutte d'électrode 112 s'allonge pour toucher la pièce 114-116 et pour pénétrer dans le bain de métal de soudure En ce qui concerne le second film ( 100 % de gaz carbonique), on a adopté pour la détermination des vitesses de dépôt de soudure, les paramètres suivants:

Vitesse de fil = 1250 cm/min.

Vitesse de fusion = 7,3 kg/h.

Vitesse de soudage = 48 cm/min.

Dans le troisième film rapide, dont des clichés

individuels sont indiqués sur les figures 20 à 22, on a uti-

lisé un gaz de soudage conforme à l'invention qui est consti-

tué d'un mélange de 65 à 70 % d'argon, de 25 à 30 % d'hélium,

de 5 à 10 % de gaz carbonique et de 0,1 à 1 % d'oxygène.

Dans ce cas, il est à noter que le plasma 120 a dans l'ensem-

ble une forme divergente ou conique et s'étend depuis un point situé audessus du bout 122 de l'électrode 124 jusqu'à une base entourant le bain de soudure 126, en maintenant une largeur de base essentiellement constante d'environ 10 mm, pour une-hauteur de 7,5 à '12,5 mm Comme indiqué, bien que les dimensions et la forme du plasma 120 varient pendant le processus de soudage, il conserve d'une façon générale sa forme divergente ou conique et continue à envelopper étroite-

ment l'électrode et le bain de soudure.

Pour le troisième film réalisé en utilisant un mélange gazeux de protection d'acier doux conforme à la présente invention, on a-adopté, pour la détermination des vitesses de dépôt de soudure, les paramètres suivants

Vitesse de fil = 1625 cm/min.

Vitesse de fusion = 10,4-kg/h.

Vitesse de soudage = 90 cm/min.

Comme le montre le troisième film correspondant au procédé selon l'invention, conformément à ce qui est indiqué sur les figures 20 à 22, il se produit dans le

plasma une action de pulsation qui est associée à la forma-

tion des globules 128 qui, avant la séparation par rapport à l'électrode, ont des dimensions bien supérieures au diamètre d'électrode On a également noté que ces gros globules ont

été formés à la cadence de 800 par seconde.

A titre de comparaison, il est à noter que, dans un procédé typique de soudage avec arc court ou avec court-circuitage, des gouttes d'électrode fondue sont transférées ou pénètrent dans le bain de métal de soudure

à la cadence d'environ 90 gouttes ou globules par seconde.

il est également à noter que les globules fondus produits dans l'application du procédé conforme à l'invention pénètrent dans le bain de métal de soudure sans aucune tendance à provoquer une éjection de métal ou des éclaboussures On

estime que la persistance du plasma 120 complètement envelop-

pant et le préchauffage substantiel du substrat 130 132 contribuent dans des proportions importantes à la retenue des globules à l'intérieur du bain et permettent d'éviter des

éclaboussures.

Il est également à noter que les globules fondus 128 obtenus lors de l'application du procédé conforme à l'invention ont atteint au moins la valeur du diamètre

d'électrode ( 1,25 mm) et qu'ils ont eu en fait des dimen-

sions comprises entre 1,30 et 3 mm Les fines gouttelettes 102 obtenues lors de l'application du procédé de transfert par arc de pulvérisation, comme indiqué sur les figures 14 à 16, ont été trop petites pour faire l'objet d'une mesure pratique D'autre part, puisque les globules 112 des figures 17 à 19 ont été normalement transférés par court-circuitage, il n'a pas été possible de déterminer -avec précision leurs dimensions, bien qu'elles se rapprochent probablement de la

dimension diamétrale de l'électrode.

On estime que l'action de pulsation associée à la formation et au transfert de gros globules à la cadence élevée de 400 à 1200 globules par seconde vers le bain de métal de soudure contribue dans des proportions importantes

à améliorer la qualité de la soudure, comme décrit en réfé-

rence aux figures 5 à 13. Comme indiqué ci-dessus, en utilisant des dimensions d'électrode et des

densités de courant égales ou proches des maxima admissibles en pratique dans les procédés de soudage MAG, l'invention permet d'obtenir des vitesses de dépôt et des qualités de soudure bien améliorées Par exemple, comme indiqué ci-dessus en référence aux figures 5 à 13, lorsqu'on utilise des paramètres opératoires semblables à l'exception des gaz de protection, l'invention permet d'obtenir une vitesse de dépôt de soudure qui est supérieure de 160 % à celle des procédés connus de soudage, tout en

améliorant grandement la qualité du joint soudé.

Par utilisation de dimensions d'électrode et de densités de courant bien plus grandes que celles utilisées en pratique avec les gaz ou mélanges gazeux de protection connus, l'inventeur a obtenu une grande amélioration de la

qualité des Joints soudés et des vitesses de dépôt de sou-

dure Dans un autre exemple, l'inventeur a soudé des tôles d'acier doux en utilisant une électrode de 1,3 mm dé diamètre, avec les paramètres et résultats suivants Gaz de protection = 65,0 % argon 26,5 % hélium 8,0 % gaz carbonique 0,5 % oxygène

Vitesse de fil = 3250 cm/min.

Vitesse de fusion = 21 kg/h.

Densité de courant = 75 000 ampères/cm 2 Tension = 38 42 volts Dans le mélange gazeux de protection précité et dans tous les autres mélanges préférés, l'argon intervient en quantité comprise entre 0,5 et 3,5 parties en volume pour

chaque partie en volume d'hélium.

Un autre résultat nouveau obtenu avec le procédé conforme à l'invention consiste dans la possibilité de joindre par soudure à 100 % des tôles d'acier ayant des épaisseurs jusqu'à 12,5 mm Par exemple deux tôles d'acier alignées de 12,5 mm d'épaisseur sont placées bord contre bord et dans des positions alignées sans aucune préparation des bords jointifs; en utilisant un mélange gazeux de protection d'acier doux conforme à l'invention ayant la composition indiquée ci-dessus, on réalise un premier joint soudé ou cordon sur la longueur des bords jointifs d'un côté des tôles puis un second cordon est réalisé sur la

longueur des bords jointifs sur le côté opposé des tôles.

Une section droite du joint soudé révèle que le premier et le second cordon se sont rejoints en établissant une soudure à 100 % A la connaissance de l'inventeur, une telle soudure à 100 % dans des tôles d'acier de 12,5 mm d'épaisseur n'a été réalisée par aucun des procédés de soudage Mi G. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et représentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de

l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1 Procédé de soudage à l'arc électrique sous atmosphère gazeuse protectrice du type utilisé avec un pistolet de soudage comportant un embout de réception d'électrode consommable, une buse coaxiale audit embout et espacée radialement de celui-ci pour former un passage annulaire de gaz, ledit procédé consistant à faire avancer l'électrode de soudage vers un joint à souder, à faire passer

un courant dans l'électrode pour créer une arc électrique -

entre l'extrémité de l'électrode et le joint, ledit courant fondant la partie extrême de ladite électrode pour provoquer un transfert de la matière fondue de l'électrode vers le joint et en remplissage de ce joint, et à faire passer un gaz au travers de la buse vers un plasma d'arc établi entre

ladite électrode et ledit joint de soudure, procédé caracté-

risé en ce qu'on utilise (a) une électrode consommable ayant un diamètre compris entre 0,75 et 4,10 mm, (b) un courant d'une intensité co-mprise entre 100 et 1100 ampères passant dans ladite électrode, et

(c) un mélange gazeux de protection se composant essentielle-

ment de ( 1) 40 à 70 % d'argon ( 2) 25 à 60 % d'hélium ( 3) 3 à 10 % de gaz carbonique

( 4) 0,10 à 1 % d'oxygène.

2 Procédé de soudaae à l'arc électrique sous atmosphère gazeuse protectrice du type utilisé avec un

pistolet de soudage comportant un embout de réception d'élec-

trode consommable, une buse coaxiale audit embout et espacée radialement de celui-ci pour former un passage annulaire de' gaz, ledit procédé consistant à faire avancer l'électrode de soudage vers un joint à souder, à faire passer un courant

dans l'électrode pour créer un arc électrique entre l'extré-

mité de l'électrode et le joint, ledit courant fondant la partie extrême de ladite électrode pour provoquer un transfert

de la matière fondue de l'électrode vers le joint et en rem-

plissage de ce joint, et à faire passer un gaz au travers de la buse vers un plasma d'arc établi entre ladite électrode et ledit joint de soudure, procédé caractérisé en ce qu'on utilise:

(a) un mélange gazeux de protection se composant essentiel-

lement de: (l} 40 à 70 %d'argon ( 2) 25 O 60 % d'hélium ( 3) 3 à 10 % de gaz carbonique ( 4) 0,10 à 1 % d'oxygène, et (b) un courant d'une grandeur permettant-de former sur le bout de l'électrode des globules fondus à la cadence

de 400 'à 1200 globules par seconde.

3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits globules ont une dimension diamétrale au moins

égale au diamètre de ladite électrode.

4 Procédé de soudage à l'arc électrique d'aciers

doux et faiblement alliés, ledit procédé étant du type utili-

sé avec un pistolet de soudage comportant un embout de récep-

tion d'électrode consommable, une buse coaxiale audit embout et espacée radialement de celui-ci pour former un passage annulaire de gaz, ledit procédé consistant à faire avancer l'électrode de soudage vers un joint à souder, à faire

passer un courant dans l'électrode pour créer un arc électri-

que entre l'extrémité de l'électrode et le joint, ledit courant fondant la partie extrême de ladite électrode pour provoquer un transfert de la matière fondue de-l'électrode vers le joint et en remplissage de ce joint, et à faire passer un gaz au travers de la buse vers un plasma d'arc établi entre ladite électrode et ledit joint de soudure, procédé caractérisé en ce qu'on utilise

(a) un mélange gazeux de protection se composant essen-

tiellement de: ( 1) 65,0 % d'argon ( 2) 26,5 % d'hélium ( 3) 8,0 % de gaz carbonique ( 4) 0,5 % d'oxygène (b) un courant d'une grandeur permettant de former-sur le bout de l'électrode des globules fondus à la cadence

de 400 à 1200 globules par seconde.

Procédé de soudage selon la revendication 4,

caractérisé en ce que lesdits globules ont une dimension-

diamétrale au moins égale au diamètre de ladite électrode.

6 Procédé de soudage à l'arc électrique d'aciers faiblement alliés, trempés et revenus, ledit procédé étant du type utilisé avec un pistolet de soudage comportant un

embout de réception d'électrode consommable, une buse coaxia-

le audit embout et espacée radialement de celui-ci pour former un passage annulaire de gaz, ledit procédé consistant à faire avancer l'électrode de soudage vers un joint à souder, à faire passer un courant dans l'électrode pour créer un arc électrique entre l'extrémité de l'électrode et le joint, ledit courant fondant la partie extrême de ladite électrode vers le joint et en remplissage de ce joint, et à faire passer un gaz au travers de la buse vers un plasma

d'arc établi entre ladite électrode et ledit joint de soudu-

re, procédé caractérisé en ce qu'on utilise:

(a) un mélange gazeux de protection se composant essentielle-

ment de: ( 1) 44,00 % d'argon ( 2) 52,00 % d'hélium ( 3) 3,82 % de gaz carbonique ( 4) 0,18 % d'oxygène (b) un courant d'une grandeur permettant de former sur le bout de l'électrode'des globules fondus à la cadence de

400 à 1200 globules par seconde.

7 Procédé de sondage selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits globules ont une dimension

diamétrale au moins égale au diamètre de ladite électrode.

8 Procédé de soudage à l'arc électrique d'acier inoxydable, ledit procédé étant du type utilisé avec un

pistolet de soudage comportant un embout de réception d'élec-

trode consommable, une buse coaxiale audit embout et espacée radialement de celui-ci pour former un passage annulaire de gaz, ledit procédé consistant à faire avancer l'électrode de soudage vers un joint à souder, à faire passer un courant

dans l'électrode pour créer un arc électrique entre l'extré-

mité de l'électrode et le joint, ledit courant fondant la partie extrême de ladite électrode pour provoquer un transfert de la matière fondue de l'électrode vers le joint et en remplissage de ce joint, et à faire passer un gaz au travers de la buse vers un plasma d'arc établi entre ladite électrode et ledit joint de soudure, procédé carac- térisé en ce qu'on utilise:

(a) un mélange gazeux de protection se composant essentiel-

lement de: ( 1) 41,66 % d'argon ( 2) 55,00 % d'hélium ( 3) 3,20 % de gaz carbonique ( 4)0,14 % d'oxygène (b) un courant d'une grandeur permettant de former sur le bout de l'électrode des globules fondus à la cadence de

400 à 1200 globules par seconde.

9 Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits globules ont une dimension

diamétrale au moins égale au diamètre de ladite électrode.

Mélange gazeux utilisable avec un procédé de soudage à l'arc électrique, caractérisé en ce qu'il se compose essentiellement de (a) 40 à 70 % d'argon (b) 25 à 60 % d'hélium (c) 3 à 10 % de gaz carbonique (d) 0,10 à 1 % d'oxygène 11 Mélange gazeux utilisable dans le soudage à

l'arc électrique d'aciers doux et faiblement alliés, carac-

térisé en ce qu'il se compose essentiellement de (a) 65,0 % d'argon (b) 26,5 % d'hélium (c) 8,0 % de gaz carbonique (d) 0,5 % d'oxygè ne 12 Mélange gazeux utilisable dans le soudage à l'arc électrique d'aciers faiblement alliés, trempés et revenus, caractérisé en ce qu'il se compose essentiellement de: (a) 44,00 % d'argon (b) 52,00 % d'hélium (c) 3,82 % de gaz carbonique 0,18 % d'oxygène 13 Mélange gazeux utilisable dans le soudage à l'arc électrique d'aciers inoxydables, caractérisé en ce qu'il se compose essentiellement de: (a) 41,66 % d'argon (b) 55,00 % d'hélium (c) 3,20 % de gaz carbonique (d) 0,14 % d'oxygène 14 Mélange gazeux de soudage, caractérisé en ce qu'il se compose essentiellement de 3 à 10 % en volume de gaz carbonique, de 0,1 à 1 % en volume d'oxygène et le reste d'hélium et d'argon dans une proportion de 0,5 à 3,5 parties

en volume d'argon pour chaque partie en volume d-'hélium.

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