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PERFECTIONNEMENTS AUX ELECTRODES POUR LA SOUDURE ELECTRIQUE-- L'invention est relative à des électrodes métalliques pour la soudure. On sait que ce type de soudure résulte de l'établissement d'un arc entre la pièce à souder et une baguette métallique qui constitue l'électrode.
Au cours de la soudure, l'électrode est fondue ou vaporisée et le métal qui en émane se dépose et soude les pièces. On poursuit donc l'alimen- tation de l'électrode de manière à la diriger vers la soudure, le mouvement étant effectué à la main ou automatiquement, de façon à maintenir la longueur d'arc à peu près constante.
En associant certains matériaux à cette électrode, assimilable alors à une sorte de mèche, on améliore beaucoup les qualités du métal de sou-
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dage. La matière d'enrobage de cette électrode constitue un flux fusible.
Les électrodes fabriquées suivant l'invention sont de ce dernier type. Elles ont pour avantage de donner des soudures résistantes et uniformes en même temps que d'accélérer l'opération de soudage proprement dite. Le métal fourni par l'électrode est exceptionnellement fluide lors de son dépôt; il permet d'obtenir des surfaces planes et parfaitement lisses. A cet effet, l'en robage non seulement facilite l'opération de soudage, mais il se dépose sur la soudure, en formant une scorie liquide, du*on peut séparer facilement après refroidissement et sans qu'il en reste en inclusion dans le métal d'apport.
On peut ainsi déposer plusieurs couches de ce métal et réaliser des soudures de grande épaisseur.
Les électrodes peuvent être manipulées ou courbées sans que l'en- robage puisse en être séparé. Cet enrobage résiste également à la chaleur dé- gagée par l'arc en arrière de la partie active proprement dite. Il constitue donc @n enduit protecteur, qui reste légèrement en saillie par rapport à la pointe métallique sur laquelle est amorcé l'arc.
Un autre avantage de l'invention est que les soudures obtenues possèdent une résistance élevée à la traction et conviennent ainsi aux réci- pients soumis à la pression et autres appareils similaires.
On comprendra bien la structure de cette électrode en se repor- tant à la figure dans laquelle 1 désigne l'électrode métallique proprement dite, 2, 3,4 et 5 correspondant aux divers revêtements successifs dont l'en- semble constitue l'enrobage.
Une première composition appropriée à la couche 3 est la suivante bioxyde de titane .................... 0 à 1 en poids talc .................................. 0 à 1 feldspath ............................. 1 " silicate de soude liquide poida sensiblement égal au total des poids des éléments précédents.
Les produits solides sont utilisés de préférence sous forme pul- vérulente; une fois mélangés au silicate de soude, ils donnent une pôte que l'on peut diluer avec de l'eau, si cela est nécessaire, jusqu'à ce qu'on ob- tienne la consistance qui convient à la bonne adhérence à la baguette et au revêtement cellulosique extérieure 2. De préférence, on emploie un feldspath potassique, et le flux est appliqué sur une électrode non obtenue par tréfi- lage, ni décapée, mais nettoyée par voie mécaniqua : ce n'est pas strictement indispensable, mais donne de meilleurs résultats. Le silicate de soude sert
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de liant; on peut en faire varier le taux entre des limites assez larges sans affecter notablement l'opération de soudure ni les caractéristiques du métal déposé.
Il est commode d'employer une solution de silicate de soude à 41 B.
(densité environ 1,36) renfermant en poids 8 à 9 % Na2O et 28 à 29 % SiO2.
Le revêtement est effectué'\!! de la manière suivante: on enduit la baguette d'une couche 3 de la pâte ci-dessus, par exemple en immergeant cette baguette dans un bain qui possède cette composition. On règle l'épaisseur de revêtement en obligeant la baguette à traverser un calibre ad hoc ,non repré- sente. Le revêtement cellulosique extérieur 2 est, de préférence, une tresse de coton, formant gaine autour du premier revêtement. On immerge alors l'élec- trode dans un second bain de la même pâte qu'on oblige à pénétrer par frotte- ment dans les ressauts et interstices de la tresse.
Au cours de ce second passage dans le tain, il est préférable d'utiliser encore une filière ou un dispositif équivalent, qui enlève l'excès de pâte et règle son épaisseur à peu près à égalité avec celle de la gaine. Tout ce processus assure la Bégu- larité d'épaisseur du revêtement et les caractéristiques de l'arc, pendant le soudage, se maintiennent plus constantes. L'aspect de l'électrode est alors plus ou moins analogue à la région 4 de la figure. Finalement, on applique une poudre 5 sur l'extérieur, de manière à assécher la surface et à empêcher que l'électrode puisse adhérer aux pièces qui viennent en contact avec elle.
La composition du revêtement minéral peut varier entre des li- mites étendues. Si on emploie le feldspath et le silicate de soude seuls, le fonctionnement est tout à fait satisfaisant, mais, une fois fondue, la scorie tend à se rassembler sous forme globulaire, ou circulaire, produisant ainsi des dépressions à la surface du métal de soudure. Ces dépressions se terminent souvent, à leur partie inférieure, par des sortes de piqures ou craquelures, qui limitent la résistance mécanique. Le bioxyde de titane et le talc rendent la scorie plus fluide, et lui permettent de s'étaler à la surface de la soudu- re, assurant une meilleure protection du métal et laissant une surface lisse après que la scorie a été enlevée.
Une composition reconnue excellente pour l'enrobage est constituée par : bioxyde de titane ....................... 1 partie en poids
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talc 0...... #........... o ............. 0.1 il 11 feldspath ............................... 1 il " " silicate de soude liquide ............... 3 " " "
Il peut être avantageux d'ajouter à ces éléments des substances @
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métalliques qui, à haute température, possèdent une affinité particulière pour l'oxygène et l'azote et contribuent ainsi à protéger le métal fondu au bout de l'électrode et sur la soudure. On peut ainsi ajouter de l'aluminium, du zinc, du vanadium, du titane, du silicium, du manganèse, etc....
Le taux limite d'addition de ces ingrédients est déterminé par leur affinité plus ou moins grande pour le métal de soudure. Ainsi, on devra limiter l'addition d'a- luminiug ou de zinc à un taux très faible, car leur présence dans la soudure serait nuisible, tandis qu'on peut mettre des quantités plus grandes de vana- dium, de silicium ou de titane, et davantage encore de manganèse, suivant les caractéristiques désirées pour la soudure.
Une variante de la formule ci-dessus, avec addition métallique, est la suivante : ferro-manganèse ......................... 10 talc .................................... 10 feldspath ............................... 30 silicate de soude liquide ............... 24
On utilise encore ,de préférence, les ingrédients ci-dessus sous forme pulvérulente leur mélange donne une pâte dont on ajuste la consistance avec la quantité d'eau reconnue nécessaire. Cet enduit adhère à la baguette et à la matière cellulosique. Généralement, on ajoute deux à six parties d'eau en poids.
Comme précédemment, on retrouve les couches 3 et 4 du flux, la gaine cellulosique 2, qui sert d'armature, et facultativement, l'électrode peut être séchée par l'action d'une poudre 5 renfermant 10 en poids de talc et 30 de feldspath. La surface do la baguette présente encore l'aspect repré- senté en 5.
La poudre de séchage utilisée sur les revêtements à base de sili- cate de soude peut aussi être constituée par du bicarbonate de soude, pu par son mélange avec les constituante solides pulvérulente de la pâte. Par exem- ple, on emploiera un mélange à poids égaux de bioxyde de titane, de talc, de feldspath et de bicarbonate de soude. L'action de ce dernier corps est de pro- voquer la coagulation superficielle du silicate.
La tresse utilisée au recouvrement des électrodes, conformément à l'invention, constitue l'armature souple du flux minéral, tant que l'élec- trode ne brûla past elle disparaît par combustion au cours de l'emploi. L'é- paisseur du revêtement est commandée par celle de cette tresse, donc uniforme.
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L'enrobage de la tresse par des matières minérales empêche celle- ci de brûler en arrière de la partie active. De plus, l'enrobage étant moins combustible que l'électrode, vient en saillie par rapport à la pointe de l'âme métallique. Cette disposition, coexistant avec l'atmosphère neutre produite par la combustion de la partie protectrice en coton, empêche le métal déposé de s'oxyder pendant son transport de l'électrode sur la soudure. Enfin, le flux fondu s'étalant sur la soudure, la protège au cours de son refroidissement.
Une fois solidifié, le flux se rompt spontanément et peut être facilement en- levé, car il n'adhère pas.
La flux élève aussi la chuta de tension à travers l'arc, par com- paraison avec les électrodes nues. La tension varie en effet entre 25 volts pour un arc court et une intensité relativement petite, et 35 à 40 volts pour un arc plus long et une densité de courant plus forte. La puissance totale dépensée dans l'arc étant égale au produit de la tension par l'intensité, ces caractéristiques de l'arc correspondent à un dégagement de chaleur plus élevé pour une intensité donnée.
Il en résulte que l'électrode fond plus vite, que la pénétration du métal d'apport dans les pièces à souder est meilleure, que le métal coulé est plus chaud, donc plus fluide, et en définitive la soudure se trouve plus uniforme, plus homogène, sa surface est plus lisse, en même temps que l'on peut accroître considérablement la vitesse de soudage.
Quand le ferro-manganèse est utilisé comme constituant du flux, on le choisit, de préférence avec un taux réduit de carbone, soit en général moins de 1,5 %.
Il est préférable d'utiliser un revêtement relativement épais du flux dans la constitution des électrodes pour soudage. Par exemple, une baguet te de 6,3 mm. de diamètre aura un revêtement épais d'environ 1,2 mm. Le dessin indique , à 1'échelle, les proportions relatives moyennes entre les différents diamètres. On doit toutefois comprendre que le revêtement n'est pas impérieu- semant égal à l'épaisseur donnée ci-dessus et que, suivant les applications par exemple, on peut le rendre à volonté plus mince ou plus épais, l'épaisseur ne constituant pas une des caractéristiques revendiquées par l'invention.
La tresse aura une épaisseur voisine de 1 à 1,25 mm. dans le cas cité plus haut. On utilisera des revêtements plus épais, lorsqu'on désire accroître la tension à travers l'arc et la fluidité du métal de soudure, ce qui arrive souvent.
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Dans le cas où l'on adopte la dernière formule ci-dessus, la flux fondu est très visqueux, mais par refroidissement il devient fragile et souvent se sépare spontanément de la soudure, abandonnant celle-ci à l'état brillant et non oxydé. On peut d'ailleurs enlever ce flux immédiatement après soudage, en grattant légèrement la soudure avec une brosse métallique.
Les électrodes décrites ci-dessus peuvent être connectées indif- féremment au polo négatif (polarité usuelle), ou au pôle positif (polarité in- verse) de la source de courant' En général, avec les densités de courant éle- vées, lorsqu'on désire accroître la vitesse de soudage, il est préférable d'utiliser la polarité inverse. Avec la polarité usuelle, les densités de courant élevées peuvent être un inconvénient, tandis qu'avec la polarité inve> se, plus l'intensité est grande et plus l'opération devient facile. Si l'on tient par conséquent à connecter l'électrode au pôle négatif, on gardera de basses densités de courant. De cette manière, on conserve les avantages de résistance et de ténacité de la soudure, mais on réduit en proportion la vi- tesse de soudage.
Quand l'électrode est connectée au pôle positif et qu'on utilise de grandes densités de courant, le métal d'apport est très fluidet il est alois préférable de disposer la partie à souder en position horizontale, préalable- ment à la soudure. En cas de soudures verticales ou surplombantes, on devra donc prendre l'autre polarité et utiliser des intensités de courant plus,fai- bles. Dans ces conditions,il conviant d'employer un flux plus mince que dans le cas de la soudure en position horizontale. En effet, un revêtement épata provoque la surchauffe du métal qui devient très fluide et ne peut rester en place dans le cas d'une soudure verticale ou surplombante.
Le métal déposé au cours du soudage par l'électrode enrobée au ferro-manganèse est pratiquement exempt d'inclusions de gaz ou de scories. La densité moyenne du métal sur soudures effectuées par trois opérateurs diffé- rents, a été observée voisine de 7,84. La charge de rupture par traction sur ce métal d'apport était en moyenne de 45,5 kg:cm2, et l'allongement obtenu sur une éprouvette de 50 mm. variait de 25 à 33%.
Les soudures métalliques obtenues dans ces essais ont satisfait aux règles de construction admises par la Société américaine des Ingénieurs Mécaniciens, dans le cas des chaudières à vapeur telles qu'on les exécutait en 1931./
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Les échantillons soumis à des essais de traction sur éprouvettes à section réduite, comme spécifié dans les règles rappelées ci-dessus, se sont tous cassés en dehors des soudures. Dans tous les cas, les échantillons ont pu être courbés à 1800 et très souvent aplatis sans présenter de fissures dans la partie courbée.
Les soudures de cette qualité sont toutes considérées comme satisfaisant aux exigences de la Société Américaine des Ingénieurs Mécaniciens en vue de la construction des chaudières et autres récipients destinés à être chauffés, tout en subissant la pression.
En utilisant l'enrobage au ferro-manganèse (formule donnée plus haut et une électrode suivant analyse : carbone .............................. 0,17 % manganèse ............................ 0,54 % soufre ............................... 0,013 phosphore 0,025 silicium trace fer ....................... complément à 100 on a obtenu, pour le métal de la soudure, la composition suivante :
carbone .............................. 0,04 manganèse ............................ 0,73 % soufre ............................... 0,034 % phosphore ............................ 0,020 silicium ............................. 0,42 % fer ....................... complément à 100
Les électrodes pour la soudure fabriquées suivant l'invention peuvent être préparées, soit en faibles longueurs et avec une extrémité dénu- dée pour l'emploi à la main, soit en grandes longueurs pour l'utilisation dans les machiner soudage automatiques ou semi-automatiques.
Lorsqu'on fait le soudage à la main, la partie dénudée de l'électrode est insérée dans un porte électrode et le soudage est effectué par un opérateur qui alimente en métal, en dirigeant celui-ci vers la partie à souder au prorata de ce qui a été consommé dans l'arc. Dans la soudure automatique, la progression de l'é- lectrode est effectuée par un mécanisme qui maintient automatiquement la chute de tension du courant à travers l'arc. Dans les machines automatiques de ce type, le courant est amené à l'électrode au moyen d'Incisions pratiquées dans son revêtement, ou bien une partie de ce revêtement est supprimée et l'ali- mentation se produit successivement tout le long de la partie dénudée.
Bien qu'on puisse utiliser seuls les enrobages indiqués ci-dessus comme flux, on obtient les meilleurs résultats en les armant avec la matière cellulosique. Il est plus commode d'employer cellu-ci sous forme de tissus;
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celui-ci peut être tissé à même l'élestrode, ou appliqué sur celle-ci sous forme d'une bande indéfinie, d'une gaze que l'on enroule en hélice, ou encore sous forme d'une gaine, etc.... Les poudres desséchantes mentionnées ci-dessus ont pour objet principal de rendre le procédé de fabrication plus rapide et ne constituent pas un élément nécessaire de l'invention. Les proportions mu- tuelles des constituants indiqués peuvent varier légèrement autour des propor- tions mentionnées, sans cesser d'être revendiquées toi.
En augmentant le taux de manganèse dans le flux, on élève la ré- sistance à la traction de la soudure, mais on en diminue sa ductibilité. O@ obtient des effets inverses en réduisant le taux de manganèse. L'addition du talc accroît la fluidité de la scorie et on peut obtenir une scorie encore plus fluide en augmentant la quantité de talc au-dessus de ce qui est indiqué dans la formula.
Enfin, l'invention n'est pas limitée à l'application externe du revêtement : on peut également disposer le flux à l'intérieur de l'électro- de, comme unesorte de mèche; ou bien dans des rainures ou des trous disposés à la surface de celle-ci.