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UNION CARBIDE AND CARBON CORPORATION, résidant à N E W Y 0 R K .
ELECTRODE EN METAL REFRACTAIRE POUR SOUDURE OU COUPAGE A L'ARC SOUS PROTECTION DE GAZ INERTE.
La présente invention concerne une électrode perfectionnée non consumable en métal réfractaire pour la soudure et le coupage à l'arc sous protection d'une couche de gaz inerte, argon, hélium ou un mélange quelconque d'argon et d'héliumo
Bien que des auxiliaires aient déjà été utilisés dans des électrodes consumables et non-consumables, les électrodes en tungstène frit- té contenant de l'oxyde de thorium ne sont employées que depuis peu pour ces procédés de soudure. On préfère généralement les électrodes contenant 1 à 2% d'oxyde de thorium.
Les avantages obtenus en ajoutant de petites quantités d'oxy- de de thorium au tungstène sont (1) meilleure résistance à la contamination par le métal fondu, (2) fonctionnement plus stable de l'arc pour un faible courant de soudure, (3) amorçage plus facile de l'arc pour une tension re- lativement peu élevée, (4) fonctionnement de l'électrode à basse tempéra- ture et (5) contamination moindre de la pièce par de petites particules de l'électrode. Le principal avantage serait une augmentation de la durée de vie de l'électrode de dix fois environ, avantage qu'on attribue à sa meilleure résistance à la contamination par le métal fondu. On peut consi- dérer comme inconvénient le danger résultant de la présence de thorium ou de son oxyde dans les vapeurs qui se dégagent de la zone de soudure.
Le but de la présente invention est de fournir une électrode en métal réfractaire contenant un auxiliaire qui améliore de façon consi- dérable le rendement de la soudure aux points de vue perte par contamina- tion, tension d'amorçage en circuit ouvert et perte à la formation de l'arc, mime par rapport à l'oxyde de thorium.
Suivant l'invention, ce but est atteint en fournissant pour la soudure ou coupage à l'arc sous une couche protectrice de gaz inerte,
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une électrode en métal réfractaire composée de tungstène contenant en dis- persion de 1 à 6%, de préférence 2%, d'oxyde d'yttrium. Les concentrés de terre d'yttrium donnent de très bons résultats dans cette application.
La position relative des électrodes en tungstène pur et conte- nant 1% d'oxyde de thorium et 99% de tungstène, existant dans le commerce, est comparée ci-dessous avec celle d'électrodes expérimentales de l'inven- tion contenant de l'oxyde d'yttrium. Les meilleurs résultats sont indiqués dans la première colonne du tableau, les résultats devenant de moins en moins bons dans les colonnes suivantes.
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<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Perte <SEP> par <SEP> contamination <SEP> Y203 <SEP> ThO2 <SEP> W
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> d'amorçage <SEP> en <SEP> circuit <SEP> ouvert <SEP> Y203 <SEP> ThO02 <SEP> W
<tb>
<tb>
<tb> Perte <SEP> à <SEP> la <SEP> formation <SEP> de <SEP> l'arc <SEP> Y203 <SEP> ThO2 <SEP> W
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> de <SEP> service <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y203
<tb>
<tb>
<tb> Surface <SEP> fondue <SEP> du <SEP> métal <SEP> de <SEP> base <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y2O3
<tb>
<tb>
<tb> Forme <SEP> de <SEP> la <SEP> masse <SEP> de <SEP> soudure <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y203
<tb>
Dans le tableau ci-dessous, qui indique les concentrations en auxiliaires, le reste de l'électrode est, bien entendu, du tungstène.
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<tb>
Electrode <SEP> du <SEP> Electrode
<tb>
<tb> commerce <SEP> expérimentale
<tb>
<tb>
<tb> 100% <SEP> X <SEP> 1% <SEP> ThO2 <SEP> 2% <SEP> Y203 <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Densité, <SEP> g/cm3 <SEP> 18,9 <SEP> 18,9 <SEP> 15,7
<tb>
<tb>
<tb> Perte <SEP> par <SEP> contamination, <SEP> mg. <SEP> 460 <SEP> 92 <SEP> 39
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> d'amorçage <SEP> en <SEP> circuit
<tb>
<tb> ouvert <SEP> > <SEP> 56 <SEP> 38 <SEP> 26
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Perte <SEP> à <SEP> la <SEP> formation <SEP> de <SEP> l'arc,
<tb>
<tb>
<tb> mg.
<SEP> -5 <SEP> 0 <SEP> +1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tension <SEP> de <SEP> service <SEP> 8,5 <SEP> 8,2 <SEP> 7,4
<tb>
<tb>
<tb> Surface <SEP> du <SEP> cordon <SEP> fondu,
<tb>
<tb> pouces <SEP> carrés <SEP> 10-3 <SEP> 5, <SEP> 6 <SEP> 4,6 <SEP> 4,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Surface <SEP> du <SEP> cordon <SEP> fondu
<tb>
<tb>
<tb> mm.2 <SEP> 3,61 <SEP> 2,97
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Largeur <SEP> à <SEP> la <SEP> partie <SEP> supérieure
<tb>
<tb> de <SEP> la <SEP> masse <SEP> de <SEP> soudure, <SEP> pouces <SEP> 0,12 <SEP> 0,11 <SEP> 0,12
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Largeur <SEP> à <SEP> la <SEP> partie <SEP> supérieure <SEP> 3,0 <SEP> 2,8 <SEP> 3,0
<tb>
<tb> de <SEP> la <SEP> masse <SEP> de <SEP> soudure, <SEP> mm.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
Largeur <SEP> à <SEP> la <SEP> base <SEP> de <SEP> la <SEP> masse <SEP> 0,10 <SEP> 0,07 <SEP> 0, <SEP> 05 <SEP>
<tb>
<tb> de <SEP> soudure, <SEP> pouces
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Largeur <SEP> à <SEP> la <SEP> base <SEP> de <SEP> la <SEP> masse
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> soudure, <SEP> mm. <SEP> 2,5 <SEP> 1,8 <SEP> 1,3
<tb>
Les matières utilisées pour fabriquer les électrodes expéri- mentales sont la poudre de tungstène ayant une granulométrie d'au moins 1 micron et un concentré de terre d'yttrium. Ce concentré de terre d'yttrium contient principalement de l'oxyde d'yttrium avec certains oxydes des grou- pes de l'yttrium, du gadolinium, de l'ytterbium et de l'erbium.
Des mélanges de tungstène et du composé chimique approprié, par exemple du concentré de terre d'yttrium, fournissant l'oxyde métallique voulu, sont utilisés pour préparer des lingots ayant approximativement 3/4 x 3/4 x 18 pouces (2 x 2 x 45 cm) par des procédés connus de métallurgie des poudres, c'est-à-dire mise en forme sous pression. Ces lingots sont
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frittés à 2000 C ou à une température plus élevée en faisant passer un cou- rant électrique dans leur masse, puis étirés ou estampés aux dimensions finales
Le pistolet utilisé pour les essais de soudure comprend un col- lier aminci et meulé pour laisser passer le gaz protecteur, et partielle- ment fendu longitudinalement pour serrer les électrodes.
La longueur dé- nudée de l'électrode correspond approximativement à 1 pouce (2,5 cm) en- dessous du point de contact. Une rondelle soudée à l'extrémité du collier améliore la protection de l'électrode en modifiant le trajet d'écoulement du gaz protecteuro Un tube en pyrex de 9/16 de pouce (14 mm) de diamètre intérieur est cimenté dans une rainure annulaire de la base en cuivre pour former une cuvette transparente faciliant l'observation visuelle du bout de l'électrode pendant le fonctionnement.
Tension d'amorçage.
La tension d'amorçage caractérisant une électrode dans des conditions d'amorçage données est un facteur important parce qu'elle cons- titue une mesure de l'emprunt en circuit ouvert à la source de courant de soudure. Les électrodes qui s'amorcent avec une tension en circuit ouvert relativement faible permettent d'établir presqu'instantanément un arc stable réduisant ainsi la main d'oeuvre et la dépense de matière par- ticulièrement dans la soudure à la machine.
Une comparaison a été établie entre des électrodes en tungstène de pureté commerciale de 3/32 de pouce (2,4 mm) de diamètre et des électrodes en tungstène thoriéo
Des essais préliminaires ont indiqué des conditions d'espérien- ces qui mettent en relief non seulement des différences de tension d'amor- çage, mais permettent également d'obtenir des résultats possédant une re- productibilité satisfaisanteo Ces conditions sont (1) un bout d'électrode hémisphérique, (2) une longueur de l'arc froid de 0,050 pouce (1,3 mm), (3) un arc établi de 80 ampères courant continu, polarité simple, (4) une vi-. tesse d'écoulement d'argon de 15 pieds cubes (424 litres) par heure, et une pièce ou anode en acier inoxydable relativement massive.
On utilise un groupe moteur-génératrice comme source de courant de soudure, une exci- tation par champ externe étant employée pour étendre la gamme des tensions en circuit ouvert au-dessous de 40 volts. L'amorçage de l'arc est effec- tué par le courant fourni par un stabilisateur à haute fréquence. La ten- sion d'amorçage dans ces conditions est la tension minimum en circuit ou- vert pour laquelle on obtient un amorçage certain et instantané dans au moins neuf essais sur dix essais consécutifs.
Dans le tableau ci-dessous, deux chiffres sont indiqués pour la tension d'amorçage parce que les électrodes expérimentales ont été sou- mises à des essais de perte à l'amorçage au cours desquels l'état du bout de l'électrode a été modifié par la formation d'arcs successifs.
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<tb>
Electrode <SEP> Avant <SEP> les <SEP> essais <SEP> Après <SEP> les
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> perte <SEP> essais <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> perte
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 100% <SEP> W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> > <SEP> 56 <SEP> 56
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1% <SEP> Tho-W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 38 <SEP> 28
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2% <SEP> Y203-W <SEP> 26 <SEP> 28
<tb>
Perte des électrodes à l'amorçage
La perte de poids d'une électrode pendant l'amorçage par un courant à haute fréquence a son importance en soudure par points et en soudure répétée à la machine de petites pièces ou de courts cordons. Les caractéristiques de perte à l'amorçage ont été établies en déterminant le changement de poids produit par 100 amorçages successifs.
On a cons- truit un appareil dans lequel des cames entraînées par un moteur agissent sur des contacts permettant l'exécution automatique d'un cycle d'opérations
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de 16,5 secondes se déroulant comme suit : (1) le courant de la distribu- tion est fourni à un générateur de soudure ayant une tension en circuit ou- vert d'environ 70 volts, (2) le courant de la distribution est fourni à un stabilisateur à haute fréquence pendant 0,5 seconde environ, le courant de sortie pontant l'espace de l'arc et établissant un arc de 110 ampères courant continu polarité simple, protégé par un courant d'argon et (3) interruption de l'alimentation du générateur après fonctionnement de l'arc pendant 1,5 seconde environ.
Une courte durée de fonctionnement de l'arc a été choisie pour réduire la contribution de ce fonctionnement seul au changement de poids et on a utilisé une période de cycle importante relati- vement à la durée de fonctionnement de l'arc pour assurer un intervalle raisonnable pour le refroidissement de la pièce afin d'éviter les problè- mes provenant de la formation de loupes. La longueur de l'arc n'est pas modifiée manuellement au cours de l'essai après un premier réglage de cet- te longueur à 0,050 pouce (1,3 mm). On a utilisé une anode en acier inoxy- dable avec un courant d'arc de 110 ampères courant continu polarité simple.
La vitesse d'écoulement de l'argon est 20 pieds cubes (566 litres) par heu- re.
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<tb>
Electrode <SEP> Changement <SEP> de <SEP> poids <SEP> après <SEP> 100
<tb>
<tb> amorçages.
<tb>
Essai <SEP> 1 <SEP> Essai <SEP> 2 <SEP> Moyenne
<tb>
EMI4.2
mi. IM90 M99
EMI4.3
<tb> W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> -12,9 <SEP> -15,9 <SEP> -14,4
<tb>
<tb> 1% <SEP> ThO2-W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 0 <SEP> +0,1 <SEP> 0
<tb>
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2SÊÏ203=W ¯ 0, 5 +l, 5 +1,0
On voit dans ce tableau que les nouvelles électrodes sont supérieures aux électrodes en tungstène du commerce au point de vue perte à l'amorçage. On a cité, dans des recherches sur les arcs protégés par une couche d'argon entre électrodes, des cas de transport de métal de l'a- node à la cathode. Ce phénomène pourrait expliquer l'augmentation de poids observée. Mais dans ce cas, les électrodes contenant du Y 0 devraient être légèrement recouvertes d'acier inoxydable.
Bien que 2-3 examens chi- miques qualitatifs ou spectroscopiques du bout de l'électrode n'aient pas été effectués, les autres essais n'ont mis en évidence aucune effet évi- dent qui pourrait être attribué à la présence d'acier inoxydable.
Tension de service.
La tension de service est intéressante parce qu'elle consti- tue une mesure de l'énergie fournie à l'are. Comme la plupart des compa- raisons en soudure sont faites sur la base d'un courant égal et comme dans la soudure à l'arc sous couche protectrice de gaz inerte avec une électro- de réfractaire, le rapport entre l'énergie transmise à la pièce et l'éner-
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gie fournie est presque constant pour des conditions très ,.griables.. la tension d'arc est essentiellement une mesure directe de l'énergie transmi- se à la pièce. Par conséquent, pour de nombreuses applications, il est désirable d'avoir une tension d'arc relativement élevée. D'autre part, il y a lieu d'éviter dans la soudure de matières minces les brûlures et autres effets thermiques indésirables.
Une façon de l'éviter est de ré- duire la puissance de l'arc en diminuant la tension de l'arc. Le tableau ci=dessous indique que les électrodes de l'invention assurent un abaisse- ment appréciable de la tension d'arc.
Une autre façon de réduire la puissance de l'arc consiste à réduire le courant d'arc. La mesure dans laquelle cette réduction peut être effectuée est déterminée par la limite inférieure du courant assurant un fonctionnnement stable. Celle-ci à son tour est fonction de la compo- sition de l'électrode. On a trouvé qu'un fonctionnement stable peut être obtenu avec un courant plus faible pour des électrodes en tungstène thorié que pour des baguettes ordinaires en tungstène. Cette détermination n'a
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pas été faite pour les électrodes expérimentales étudiées.
Cependant, comme on pense qu'une tension d'amorçage plus faible est une indication d'une limite inférieure de courant plus basse pour un fonctionnement sta- ble, on peut s'attendre à ce que les électrodes expérimentales ayant une tension d'amorçage plus basse fonctionnent de fagon stable à des courants d'arc relativement faibles. L'abaissement appréciable de la tension d'a- morçage obtenue avec l'oxyde d'yttrium comme auxiliaire peut être ainsi doublement avantageuse.
Toutes les électrodes expérimentales contenant des auxiliai- res fonctionnent sous la tension de l'électrode normale en tungstène pur ou sous une tension inférieure. Les mesures ont été effectuées avec un arc de 150 ampères courant continu polarité simple, protégé par une cou- che d'argon sur de l'acier inoxydable. La vitesse d'écoulement de l'argon est 20 pieds cubes (566 litres) par heure. Au moins cinq lectures ont été faites pour chaque réglage de la longueur, les moyennes étant indiquées dans le tableau ci-dessous. Ces chiffres comprennent la chute IR d'un bout à l'autre de l'électrode.
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<tb>
Electrode <SEP> Tension <SEP> de <SEP> service <SEP> pour <SEP> une <SEP> longueur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> d'arc <SEP> de
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 0,04 <SEP> pouce <SEP> (lion) <SEP> 0.16 <SEP> pouce <SEP> (4mm)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 8, <SEP> 4 <SEP> 10,7
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2% <SEP> Y203-W <SEP> 7,4 <SEP> 9,7
<tb>
Rendement de 1-'électrode sur l'acier inoxydable,
Des cordons de soudure ont été exécutés pour comparer l'in- fluence de la composition de l'électrode sur la pénétration et la quantité de métal de base fondu.
Ces cordons ont été exécutés à une vitesse de soudure de 40 pouces (100 cm) par minute sur de l'acier inoxydable de 09055 pouce (1,4 mm) d'épaisseur avec des arcs de 150 ampères courant con- tinu polarité simple. La longueur de l'arc froid est 0,050 pouce (1,3 mm) et la vitesse d'écoulement de l'argon 20 pieds cuves (566 litres) par heu- re. Les chiffres repris ci-dessous sont obtenus sur des sections trans- versales uniques. Le rapport existant entre la zone fondue et la tension de l'arc ressort de ces chiffres. La dernière colonne a été introduite pour fournir une comparaison approchée de la capacité de fusion du métal.
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<tb>
Electrode <SEP> Tension <SEP> d'arc <SEP> Cordon <SEP> Rapport <SEP> entre
<tb>
<tb>
<tb> moyenne <SEP> la <SEP> surface <SEP> fondue
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Obser- <SEP> Calcu- <SEP> Largeur <SEP> Largeur <SEP> Surface <SEP> et <SEP> la <SEP> tension
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> vée <SEP> lée.
<SEP> à <SEP> la <SEP> par-a <SEP> la <SEP> de <SEP> mé- <SEP> d'arc
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tie <SEP> supé- <SEP> base <SEP> tal <SEP> fon-
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> rieure <SEP> du <SEP> @
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (pouces) <SEP> (pouces) <SEP> (pocaro) <SEP> (p.c.x <SEP> 10-4* <SEP> par <SEP>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> volt)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> W <SEP> 8,8 <SEP> 8,5 <SEP> 0,118 <SEP> 0, <SEP> 098 <SEP> 0,0056 <SEP> 6,4
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2% <SEP> Y2O3-W <SEP> 7,5 <SEP> 7, <SEP> 5 <SEP> 0,124 <SEP> 0, <SEP> 054 <SEP> 0,0045 <SEP> 6,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> (mm) <SEP> (mm) <SEP> (mm2) <SEP> (mm2 <SEP> par <SEP> volt)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> W <SEP> 8,8 <SEP> 8,5 <SEP> 3,0 <SEP> 2,5 <SEP> 3,6 <SEP> 0,41
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2% <SEP> Y203-W <SEP> 7,
5 <SEP> 7,5 <SEP> 3,1 <SEP> 1,3 <SEP> 2, <SEP> 6 <SEP> 0,39
<tb>
Pertepar contamination.
La perte de poids de l'électrode par foramtion d'alliages à bas point de fusion à la suite d'un contact accidentel avec le métal fondu peut constituer un des facteurs les plus importants déterminant la durée de vie de l'électrode, en particulier dans la soudure manuelleo Pour cette raison, des mesures ont été effectuées pour déterminer la capactié de résistance de diverses électrodes à la contamination par
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l'acier inoxydable fondu. On a maintenu un arc de 200 ampères sur une anode en acier inoxydable pendant 2 minutes. L'électrode a été ensuite plongée dans la zone fondue de l'anode quatre fois de suite (l'arc se ré- tablissant de lui-même entre les immersions) et finalement mise en service pendant 2 minutes encore pour consumer les impuretés de l'électrode .
Pendant tout ce processus, la vitesse d'écoulement de l'argon est 25 pieds cubes (707 litres) par heure.
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<tb>
Matière <SEP> de <SEP> l'électrode <SEP> Perte <SEP> mesurée <SEP> (Mg)
<tb>
<tb> W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 460
<tb>
<tb> 1% <SEP> ThO-W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 92
<tb>
<tb> 1% <SEP> ThO-W <SEP> (qualité <SEP> du <SEP> commerce) <SEP> 77
<tb>
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bzz Y20341 39
Bien que du tungstène contenant 2% de Y203 ait donné de bons résultats comme matière pour les électrodes de l'invention, on notera qu'une proportion quelconque appropriée de Y2O3 peut être utilisée, de 1 à 6% par exemple. D'autre part, l'auxiliaire peut être incorporé au métal réfrac- taire de la façon habituelle adoptée pour l'adjonction d'un auxiliaire quelconque en cours de fabrication des électrodes.
Il faudra prendre soin dans ce cas d'ajouter un excès suffisant relativement à la proportion fi- nale désirée pour compenser les pertes éventuelles aux cours des phases de fabrication suivantes, telles que chauffage; estampage, étirage, etc.
L'invention peut convenir aussi bien pour le coupage que pour la soudure par le procédé sous couche protectrice de gaz inerte.
REVENDICATIONS.
1. Electrode en métal réfractaire pour soudure ou coupage à l'arc sous protection d'une couche de gaz inerte, caractérisée en ce qu'elle est composée de tungstène contenant en dispersion 1 à 6 %; de préférence 2%, d'oxyde d'yttrium.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.