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" Procède et Appareil de soudure à l'arc "
L'invention concerne la soudure à l'arc en atmosphère gazeuse,et plus particulièrement un procédé et un dispositif de cette nature pour exécuter des soudures intermittentes la- oalisées, par exemple un groupe de soudures espacées ou par points réunissant deux tôles métalliques superposées ou face à face.
Dans la soudure à l'arc en atmosphère gazeuse telle qu'elle est généralement pratiquée, on maintient une électrode inoom- bustible en mouvement continu suivant la ligne de soudure pour produire une liaison continue ou une soudure par rapprochement, réunissant deux plaques ou feuilles métalliques. Pour exécuter ces joints soudés, l'extrémité de la tuyère qui amène le gaz inerte à la zône protégée de la soudure et à l'électrode, doit ttre maintenue en permanence à une certaine distance de
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l'ouvrage pour ménager un jeu suffisant pendant le mouvement de la tuyère et de l'électrode le long de la ligne de soudure.
De mime. étant donné que la continuité de la ligne de soudure est indispensable, aucun moyen n'est prévu pour produire la répé tition de l'admission et de coupure des courante de gaz et de soudure.
Il convient, dans certaines opérations de fabrication, de réunir d'une manière permanente et économique des pièces métalliques, telles que des tôles d'aluminium, d'acier inoxy- dable, et autres, face à face ou à recouvrement, par des sou- dures localisées ou par points, qui se distinguent des soudures par rapprochement ou par lignes continues des bords de ces pièces.
Le procédé, suivant l'invention, d'exécution d'une soudure à l'arc, intermittente ou par points, des métaux, consiste à diriger une électrode métallique, en principe incombustible vers une zône localisée du métal, à maintenir autour de cette électrode et au-dessus de cette zône localisée une zone d'un gaz inerte monoatomique, à faire jaillir un arc entre cette électrode et une portion centrale de ladite zône localisée, à maintenir cet arc jusqu'à ce que cette portion centrale fonde, et à maintenir l'électrode et la zône de gaz immobiles par rapport à la zône localisée pendant que l'arc jaillit.
L'invention a aussi pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, et qui comporte des moyens pour diriger vers le métal une électrode métallique en principe non combustible, des moyens pour avancer une tuyère en contact avec le métal de façon à entourer une zône concentrique à l'électrode, tout en écartant l'électrode du métal, des moyens pour amener un courant de gaz à la tuyère afin de remplir l'en* paoe entre l'électrode et la zône, et des moyens pour faire jaillir automatiquement un arc entre l'électrode et cette zône, à un instant déterminé après que le débit de gaz a été ouvert.
Le principal but de l'invention est de réaliser un procédé
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et un appareil, pour utiliser une électrode incombustible et un courant de gaz inerte de proteotion de façon à exécuter rapidement et économiquement des soudures localisées ou par points, réunissant des pièces métalliques superposées ou se recouvrant, en particulier des tôles d'acier inoxydable, de magnésium, d'aluminium, et autres.
D'autres buts importants de l'invention sont la réalisation d'un procédé et d'un appareil à souder par points, dans lesquels on utilise économiques ment un gaz inerte pour protéger à la fois la zône de soudure et l'électrode incombustible voisine, tandis que oelle-ci reste.immobile à chaque point de soudure pendant la durée d'exécution de la soudure, un appareil dont la tuyère pour localiser le courant de gaz inerte qu'elle fournit est utilisée pour appliquer une pression oontre l'ouvrage, de façon à contribuer à déterminer la position de l'électrode par rapport au point de soudure, et un appareil dans lequel le jet de gaz et le courant électrique de soudure sont commandés de façon à être périodiquement et rapidement établis et coupée aux points de soudure espacés,
en synchronisme et automatiquement, ou sous l'action des manipulations nécessaires imprimées à l'appareil, pour produire rapidement une succession de points de soudure, de résistance uniforme, entre les tôles métalliques superposées.
L'invention est décrite ci-après en détail en référence aux dessins annexés, à titre d'exemple seulement sur lesquels
La figure 1 est une coupe verticale d'un appareil ou pistolet à souder pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention.
La figure 2 est une coupe transversale suivant la ligne 2 - 2 de la figure 1.
La figure 3 est une coupe transversale suivant la ligne 3 . 3 de la figure 1.
La figure 4 est une ooupe verticale d'une variante d'exé- cution du pistolet à souder.
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La figure 5 est une ooupe transversale suivant la ligne 5 - 5 de la figure 4.
La figure 6 est un schéma des connexions du oirouit provoquant les passages du jet de gaz inerte et du oourant électrique de soudure, à cadence déterminée, ce schéma s'appli- quant aux deux formes de réalisation du pistolet.
Pour souder les métaux suivant l'invention, on dirige une électrode vers une zône localisée du métal; une sone
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autour annulaire de gaz est produite de l'électrode et se prolonge au-dessus de la zone localisée; un aro jaillit entre l'électrode et la zône et il est maintenu jusqu'à ce que la portion centrale de la zone fonde. L'électrode et la zone annulaire de gaz sont maintenues immobiles par rapport à la zône looalisée pendant la durée d'exécution de la soudure.
On n'emploie, dans la procédé suivant l'invention, qu'une seule électrode qui, de préférence, est une électrode en prinoipe non oombustible faite dtun métal réfraotaire, tel que le tungstène ou molybdène. On n'emploie pas de métal d'apport et aucun flux n'est requis , et la soudure par points est formée uniquement par la fusion et l'adhérence du métal des pièces juxtaposées à souder. Le gaz est de préférence un gaz inerte, par exemple un gaz rare monoatomique, tel que l'argon ou l'hélium ou des mâlanges de ces gaz, ou avec d'autres gaz.
Pour souder des tôles métalliques superposées, on fait jaillir l'arc protégé par le gaz entre l'électrode et une zône localisée sur au moins la plus voisine des tôles super- posées, la chaleur de soudure se transmet par conduction dans la zône localisée opposée de la tôle inférieure, on interrompt le passage de l'arc et du jet de gaz, lorsque les portions opposées se sont soudées, on fait avancer l'éleotrode et la tuyère combinée avec elle pour localiser l'atmosphère gazeuse, jusqu'à une autre zône localisée espacée latéralement de la première, et on répète l'opération pour exécuter une autre soudure à la seconde zône localisée.
De préférence, le gaz
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s'écoule le long de l'électrode et sort par une tuyère dans laquelle le courant électrique ne passe pas et qui entoure l'électrode. L'extrémité antérieure de la -tuyère se trouve dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'électrode, ce qui permet de presser l'extrémité antérieure de la tuyère au contact de la surface d'une tôle métallique plane en plusieurs points, ou en tous les points entourant la zone localisée.
L'électrode est espacée de la surface du métal et elle est maintenue dans une position stable perpendiculairement à la surface, et l'arc jaillit à travers le gaz entre la pointe de l'électrode et le métal. Le jet de gaz et le courant de soudure sont établis et interrompus à une cadence déterminée.
Sur les dessins, les tôles supérieure et inférieure U et W sont superposées avec leurs faces opposées en contact.
Un trou Z peut être percé dans la tôle supérieure U à un diamètre à peu près égal à l'épaisseur de la tôle. L'arc jaillit entre la tôle supérieure U et la pointe de l'électrode E.
Une tuyère N dirige le jet de gaz inerte le long de l'électro- de E, et sur l'arc et la zône de soudure.
L'électrode E et la tuyère N sont supportées par un bâti ou pistolet qui comporte un corps cylindrique B avec poignée D en forme de crosse de pistolet, qui le rende plus facile à diriger et à manoeuvrer. Un porte-électrode E est monté dans le corps cylindrique B ; il reçoit l'électrode E et comporte un passage annulaire pour diriger le gaz inerte le long de l'électrode.
L'électrode E est maintenue en place par un mandrin ou dispositif de serrage G monté à l'extrémité antérieure du porte-électrode H et construit de façon à ménager des oanaux de passage du gaz inerte de l'intérieur du porte-électrode H à l'intérieur de la tuyère N. une détente T est montée au voisinage du point de jonction de la poignée D et du corps cylindrique B et aotionne un interrupteur K, qui admet le courant électrique au méoa-
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nisme représenté schématiquement sur la figure 6, pour établir dans un ordre de succession déterminé le jet de gaz inerte et le courant de soudure.
Lorsque le pistolet a été placé dans une position telle que la tuyère N s'applique oontre la tôle supérieure, on appuie sur la détente T pour actionner 1'interrupteur K et établir le jet de gaz de protection, après quoi, le circuit du courant de soudure se ferme automatiquement, de façon à faire jaillir l'arc.
Le pistolet de l'appareil des figures 1, 2 et 3, comporte une enveloppe 10 en une matière électriquement et thermiquement isolante, qui peut être découpée dans une matière plastique isolante appropriée en fibres imprégnées ou moulées, et qui se composé généralement de deux coquilles réunies dans le sens longitudinal, en formant ainsi le corps cylindrique B et la poignée D.
Le corps cylindrique B est doublé intérieurement par un tube métallique 12 et le porte-électrode K oomporte un tube métallique 14, concentrique à l'intérieur du tabe 12 et formant un canal de passage du gaz. Le tube intérieur 12 est soudé sur le bord extérieur d'un manchon 15 et le -tube à gaz est soudé sur le bord intérieur de oe manchon pour former entre eux une chemise annulaire J de circulation d'eau de re- froidissement.
Le dispositif de serrage ou mandrin G comprend un bouchon creux, fileté, 17, vissé dans le manchon 15 qui forme l'extrémité extérieure du porte-électrode H, et fendu dans le sens longitudinal pour former des mâchoires coniques de serrage de l'électrode E dans sa position de réglage. L'électrode E passe dans le trou central du bouchon 17, son extrémité antérieure se prolonge à l'extérieur dans la tuyère N et son extrémité postérieure se prolonge à l'intérieur dans le trou du porte-électrode. Les fentes entre les mâchoires coniques du bouchon 17 forment des canaux de passage du gaz inerte du
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trou du porte-électrode H et du tube 14, à l'intérieur de la tuyère N.
La tuyère N comporte une buse conique 20, intérieure, en matière céramique non conductrice de l'électricité et de la chaleur, vissée dans le manchon 15 et une chemise d'eau, métal- ligne extérieure 21, vissée dans le corps cylindrique B, et s'ajustant sur la pièce 20 qu'elle enveloppe. L'extrémité antérieure ou en coutact avec la pièce de la chemise d'eau 21 se trouve de préférence dans un plan perpendiculaire à l'axe de l'électrode E et elle est pourvue d'évents ou encoches 18 permettant au gaz de protection de s'éohapper lentement et d'empêcher ainsi la pression du gaz d'augmenter dans la tuyère et de refouler le métal liquide de la soudure à travers les deux tôles en cours de soudage.
L'extrémité postérieure de la chemise d'eau J du corps cylindrique est fermée par une pièce métallique rapportée 22, soudée sur les tubes respectifs 12 et 14, et percée d'un canal 23, communiquant avec un tuyau souple 24 d'arrivée du gaz inerte, logé dans la poignée D, par un raccord 65 et aveo ltin.' térieur du tube à gaz 14, d'où le gaz passe par les fentes dans le bouchon fendu et arrive à l'intérieur de la buse conique 20.
L'eau de refroidissement arrive par un tuyau souple 25, relié à un tube mé tallique 26, soudé sur le côte du tube-enveloppe 12. L'extrémité antérieure du tube métallique 26 est relié par un tuyau flexible 27 avec un raccord d'entrée 28 de la chemise d'eau 21 de la tuyère. Un raccord de sortie 29 est relié par un tuyau flexible 30 avec un raccord 31 aboutissant à la chemise de refroidissement J du corps cylindrique. Un raccord de sortie 32, qui est fixé à l'extrémité d'un tuyau flexible d'échappement 33, est soudé sur l'extrémité posté- rieur. de la chemise d'eau du corps cylindrique.
Un câble électrique 34, qui est soudé sur le raccord d'échappement 32, passe dans le tuyau flexible d'échappement
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33 et amène le courant électrique par l'eau et la chemise J du corps cylindrique au dispositif de serrage G et, de là, à l'é- leotrode E. Le câble 34 est connecté à toute source de courant électrique de soudure appropriée et l'interrupteur K est connecté par des fils 36 à une minuterie 37, figure 6. Pour rendre l'appareil plus facile à manier, le tuyau d'arrivée du gaz 24, les tuyaux souples de l'eau de refroidissement 25 et 33, le câble conducteur du courant de soudure 34 et les fils 36 de l'interrupteur K passent tous par la paroi du fond de la poigné e D.
Comme montré par la figure 6, la minuterie 37, qui est montée en série avec l'interrupteur X, sert à commander l'arrivée de l'argon ou autre gaz inerte et comporte un relais temporisé avec contacts 38 normalement fermés et contacts .39 normaternent ouverte, Les contacts 38 sont connectés en série avec la bobine d'une soupape à solénoïde 40 intercalée dans le tuyau 24 d'arrivée de l'argon. Les contacts 39 sont connectés en série avec la bobine d'un relais 41 de démarrage de soudure dont un jeu de contacts 42, normalement ouverts, est connecté en série avec l'enroulement primaire d'un transformateur de soudure 43, et un autre jeu de contacts normalement ouverts 44 est connec- tée en série avec un élément de démarrage à haute fréquence R.
Le circuit de soudure partant de l'enroulement secondaire du transformateur de soudure 43 passe par l'électrode E, l'ouvrage U W, l'élément de démarrage à haute fréquence R et la bobine d'un relais 45 du courant de soudure. Ce relais 45 comporte des contacts normalement ouverts 46, connectés en série aveo la bobine d'une minuterie de soudure 47, qui comprend un relais retardé avec contacts 48 normalement fermés et contacts 49 normalement ouverte, Un interrupteur 50 est connecté en pare:.. lèle avec les contacts de soudure 48 et forme avec eux un circuit en parallèle qui est connecté en série entre les contacts 39 de la minuterie réglant l'arrivée de l'argon et le relais 41 de démarrage de la soudure.
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L'interrupteur K est normalement ouvert et lorsqu'il est ferma par la détente T il exalte le solénoïde de la soupape 40 par les contacts normalement fermée 38 de la minuterie 37 règlant l'arrivée de l'argon, pour admettre le gaz inerte dans le tuyau 24.
Au bout d'un intervalle de temps suffisant pour que le courant d'argon remplisse la tuyère N et protège la zône de soudure, la minuterie 37 ferme les contacts 39 par l'intermédiaire des contacts fermés 48 de la minuterie de soudure 47, excitent le relais 41, pour fermer les contacts 42 de l'enrou- 1ment primaire du transformateur 43, qui induit le courant de soudure. Le circuit du courant de soudure passe par l'élément de démarrage à haute fréquence R qui fait jaillir l'arc et permet au courant de soudure de passer dans l'électrode E et dans les tôles U et W. Entre temps, l'argon continue à envelopper la pointe de l'électrode E et à protéger l'arc, ainsi que la zône
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ohauffée de la t8le U.
Le courant de soudure en passant excite le relais 45, pour fermer les contacts 46 et à faire passer le courant dans la minuterie 47, qui règle la durée de la soudure. Au bout de cet intervalle de temps, les contacts 48 du relais 47 s'ouvrent en faisant retomber le relais 41 dont les contacts 42 s'ouvrent, en coupant le oourant dans le transformateur de soudure 43 et en coupant le courant de soudure.
En mime temps, les contacts 49 de la minuterie de soudure 47, qui sont montés en parallèle avec les contacts 46 du relais 45 du courant de soudure, se ferment en réarmant la minuterie pour le cycle suivant. L'argon continue à s'écouler jusqu'à ce que les contacts 38 de sa minuterie 37 s'ouvrent, en faisant cesser l'excitation du solénoïde de la soupape 40, qui interrompt l'écoulement du gaz dans le tuyau 24. Lorsque l'opérateur relâche la détente T, l'interrupteur K s'ouvre automatiquement coupe le passage du courant dans la minuterie 37 de réglage de l'argon, et réarme automatiquement cette minuterie pour le cycle suivant.
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L'interrupteur 50 peut servir à interrompre à la main le passage du oourant dans la minuterie de soudure 47 et, dans ce cas, la durée de la soudure dépend du temps pendant lequel l'opérateur maintient l'interrupteur X fermé en appuyant sur la détente T. L'écoulement d'argon est réglé automatiquement quelle que soit la position de l'interrupteur 50.
Dans la variante d'exécution de l'appareil à souder des figures 4 et 5, l'électrode E' avance dans la tuyère N', de façon à localiser la soudure, après quoi, il est ramené en arrière, la tuyère est pressée au contact du métal et l'écoulement de gaz et le courant de soudure sont établis en synchronisme avec la pression exercée par la tuyère sur l'ouvrage.
Un manchon S qui peut coulisser dans le sens longitudinal dans la corps cylindrique B', porte à son extrémité antérieure la tuyère N' en une matière réfractaire et non conductrice de l'électricité et, à son extrémité postérieure, un dispositif qui attaque l'interrupteur K'. Le porte-électrode H' coulisse dans le sens longitudinal dans son manohon S.
La détente T' fait avanoer le porte-électrode H' qui, par le mandrin G' qu'il porte, pousse la pointe de l'électrode E' au.delà de l'extrémité antérieure de la tuyère N'. Dans cette position avanoée, la pointe de l'électrode fonctionne comme chercheur pour looaliser le point où la soudure doit être ef. feotuée, puis l'opérateur relâche la détente T' et l'éleotrode revient automatiquement dans sa position de soudure.
Le manchon S oomprend un tube métallique qui ne prolonge au-delà de l'extrémité antérieure du corps cylindrique B', et il est fileté pour recevoir la buse de tuyère N' pourvue d'encoches d'échappement 51. Un ressort à boudin de compression 52 entoure le manohon S entre l'extrémité postérieure de la tuyère N' et l'extrémité antérieure du corps oylindrique, de façon à pousser, en avant, le manchon S et la tuyère qu'il porte, en dehors. Le ressort 52 est enfermé dans une enveloppe tubulaire 54, électriquement isolante, qui se visse dans l'extrémité ex-
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térieure du corps cylindrique B' et dans laquelle peut coulisser la tuyère N'.
L'extrémité postérieure du manchon S est fermée par un disque 53, qui vient en contact avec la paroi de l'extémité intérieure 55 du corps cylindrique B', en formant ainsi une butée qui empêche la tuyère N' de pénétrer trop loin en arrière dans le pistolet. Le disque 53 vient également en contact avec un pistonnet 56, qu'il pousse et fait coulisser dans un trou 57 percé dans la paroi 55, ce pistonnet étant rappelé en avant vers le disque 53 par un ressort à boudin de compression 58, en contact avec le bottier de l'interrupteur K' et entourant son bouton de commande 59.
Le porte-électrode n'est un piston-plongeur métallique, coulissant dans le sens longitudinal dans le manchon S, ces doux organes comportant des évidements annulaires qui se correspondent de façon à former une chambre qui peut s'allonger dans le sens longitudinal et contient un ressort à boudin de compression 60, entourant le porte-électrode n'et le rappelant dans sa position de retrait. L'extrémité postérieure du porte- électrode H' reçoit le courant de soudure par un serre-câble 70 qui se visse dans un trou latéral du porte-électrode et forme la borne du conducteur Se*.
La détente T' est montée coulissante dans des glissières 75 de l'enveloppe 10, et elle est poussée en avant par un ressort de rappel 76. L'extrémité postérieure de la détente T' est en contact avec l'extrémité inférieure d'un levier 77 en forme de chape pour s'engager sur une oreille 78 en saillie sur le manchon S. Le levier 77 oseille sur l'oreille 78 autour d'un axe 79 et ses extrémités supérieures en forme de chape pénètrent de bas en haut dans un évidement 82 du porte-électrode H'. La paroi antérieure de l'évidement forme un épaulement 83 contre lequel s'applique l'extrémité en forme de chape du levier 77. Le manchon S comporte, à sa partie inférieure, une échancrure 84 laissant passer le levier 77, le raccord 65' et
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le conducteur SA*.
Pour utiliser le pistolet des figures 4 et 5, on le main. tient au-dessus des pièces à souder, la tuyère N' étant dirigée vers l'ouvrage, et on appuie sur la détente T'. Cette pression a pour effet de déprimer le ressort de rappel 76 de la détente et de faire tourner le levier 77 autour de son axe 79, en l'ame.. nant ainsi contre l'épaulement 83 et en faisant avancer le porte électrode H'. Le mouvement en avant du porte-électrode H' aveo le mandrin de serrage de l'électrode G', fait sortir l'électrode E' de la tuyère N'. L'électrode peut être aperçue dans cette position avancée et peut ainsi être utilisée comme cheroheur pour 'looaliser le point à souder.
On cesse alors d'appuyer sur la détente T' , tout en poussant le pistolet de haut en bas pour permettre au bord de la tuyère N' de venir en contact aveo la surface supérieure de la tôle supérieure à souder. En oessant d'appuyer sur la détente T', le ressort 60 rappelle à l'intérieur le porte-électrode H' jusqu'à ce qu'il vienne en contact avec le disque 53.
En appuyant davantage de haut en bas sur le pistolet, on comprime le ressort 52 et on fait revenir le manchon et le disque 53 en arrière, en faisant avanoer le poussoir 56 à l'encontre de la poussée du ressort 58, pour l'amener en contact aveo le bouton 59 et aotionner l'interrupteur K'.
Le procédé de soudure intermittente décrit ci-dessus s'ap- plique, non seulement aux autres métaux énumérés précédemment, mais encore, dans une mesure limitée, à la soudure par points de tles ou plaques d'acier doux, en particulier des tôles d'acier doux complètement désoxydées. Une autre application avantageuse oonsiste dans la soudure par points d'une tôle mince sur une plaque épaisse. :
La soudure par points d'une tôle mince en acier inoxydable sur une plaque épaisse d'acier doux n'exige aucune addition de métal d'apport et ne produit pas d'altération de l'inoxydabilité de la soudure, dans la surface découverte de la tôle en acier inoxydable, ainsi qu'il arrive dans la soudure
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par fusion et dép8t de métal d'apport. Le procédé de soudure à l'arc des métaux appliqué jusqu'à présent à la soudure des revêtements des récipients sous pression comporte un apport de métal qui forme un cordon qu'on doit enlever à la meule. On remédie à cette difficulté par le procédé de soudure intermittente suivant l'invention, qui ne comporte pas d'apport de métal.
Alors que la soudure par points d'une tôle sur une tôle on d'une tôle sur une plaque constitue peut-être l'application la plus importante du procédé et de l'appareil de soudure suivant l'invention, ce procédé et cet appareil permettent également d'exécuter la soudure d'un fer à U circulaire avec une cornière, ainsi que celle de nombreuses autres formes irrégulières. L'appa- reil et le procédé de soudure par points perfectionnés décrits ci-dessus permettent de se passer du contact, ou butée de support, dans lequel passe le courant et qui est couramment utilisé dans les installations ordinaires de soudure par points à résistance électrique.
La simplicité et la maniabilité du pistolet de sono, dure et du Procédé suivant l'invention permettent donc d'écouter d'une manière avantageuse les opérations de soudure à des endroits inaccessibles, dans une position quelconque, en particulier en l'air et dans les ateliers où l'on assemble et construit les pièces de grandes dimensions, telles que les wagons de chemins de fer, les automobiles et les avions.
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