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UNION CARBIDE AND CQRRON CORPORATION, résidant à N E W YORK.
ELECTRODE NON CONSUMABLE POUR LA SOUDURE A L'ARC.
La présente invention concerne une électrode perfectionnée non con- sumable en métal réfractaire pour la soudure à l'arc sous une couche protec- trice de gaz inerte, argon, hélium, ou un mélange approprié d'argon et d'hé- lium.
Les électrodes en tungstène contiennent souvent une petite quan- tité (1% 2%) de thorium comme auxiliaire pour améliorer certaines carac- téristiques de soudure comme les pertes par contamination,la tension d'amor- çage en circuit ouvert et les pertes à la formation de l'arc relativement aux électrodes en tungstène de pureté commerciale. Toutefois, ces derniè- res donnent de meilleurs résultats aux points de vue tension de service, sur- face de base fondue et forme du cordon de soudure, que les électrodes en tungstène thorié.
Les principaux avantages obtenus en ajoutant de petites quantités d'oxyde de thorium au tungstène sont (1) meilleure résistance-de l'élecrode à la contamination par le métal fondu soudé, (2) arc plus stable pour un cou- rant de soudure relativement faible, (3) formation plus facile de l'arc pour une tension relativement faible, (4) utilisation de l'électrode à basse tem- pérature et (5) moindre contamination de la pièce par de petites particules de l'électrode. Le principal avantage attribué à cette addition est une élé- vation de la durée de vie de l'électrode de 10 fois environ, ce qui est pro- bablement dû à la meilleure résistance à la contamination par le métal fondu.
Par contre, la présence de thorium ou de son oxyde dans les vapeurs provenant de la zone de soudure peuvent constituer un danger pour la santé des ouvriers.
Le but principal de l'invention est de fournir pour la soudure à l'arc sous couche protectrice d'un gaz inerte une électrode principalement
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composée de tungstène et contenant une proportion relativement faible de plusieurs auxiliaires qui, en combinaison, donnent à l'électrode des ca- ractéristiques de soudure étonnamment supérieures si on les compare à celles d'une électrode contenant un seul auxiliaire quelconque, y compris l'oxyde de thorium déjà connu.
Suivant l'invention, on atteint ce but en fournissant pour la sou- dure à l'arc sous couche protectrice de gaz inerte une électrode en métal réfractaire composée de tungstène dans lequel est dispersée une quantité to- tale de 2 à 10% d'au moins deux des composés suivants : oxyde de baryum, oxy- de de calcium, oxyde de cérium et oxyde d'yttrium. Ces derniers composés peuvent être ajoutés à la poudre de tungstène au cours de la fabrication des électrodes pour que le produit final contienne de 0,5 à 3% de chacun des auxi- liaires. L'ordre d'efficacité de ces auxiliaires, établi en laboratoire est le suivant : oxyde de calcium, oxyde d'yttrium, oxyde de cérium et oxyde de baryum.
Pour les essais, les auxiliaires ont été introduits dans les élec- trodes à raison de 2 % en poids, à l'exception de l'oxyde de baryum pour le- quel on a choisi une concentration de 1%, le reste étant du tungstène.
Les essais de laboratoire les plus significatifs sont sans doute : (1) degré de contamination de l'électrode par contact avec le métal fondu, (2) tension minimum en circuit ouvert pour un amorçage certain de l'arc en utilisant un courant à haute fréquence (3) perte de poids d'électrode par amor- çages répétés de l'arc, (4) tension de service de l'arc, (5) capacité de fu- sion du métal de base et (6) forme du cordon de soudure.
La perte de poids de l'électrode par formation d'un alliage à point de fusion peu élevé due à un contact accidentel avec le métal fondu constitue vraisemblablement un des facteurs les plus importants qui détermine la durée de vie de l'électrode, particulièrement en cas de soudure à la main. Pour cette raison, on a effectué des mesures afin de déterminer la capacité de ré- sistance de diverses électrodes à la contamination par l'acier inoxydable fon- du. Pour ces mesures, on maintient un arc de 200 ampères sur une anode en acier inoxydable pendant 2 minutes; l'électrode est alors plongée dans le mé- tal fondu de l'anode quatre fois de suite (l'arc se reformant entre les immer- sions) et finalement utilisée pendant 2 minutes encore pour que les impuretés de l'électrode puissent se consumer.
Pendant tout -Le procédé, la vitesse d'é- coulement de l'argon est 25 pieds/cubes (707 litres) par heure.
La tension d'amorçage en circuit ouvert caractérisant une électro- de dans des conditions d'amorçage déterminées est un facteur important parce qu'elle détermine l'emprunt en circuit ouvert à la source de courant de sou- dage. Les électrodes dont l'amorçage ne demande qu'une tension relativement faible en circuit ouvert permettent d'établir un arc stable presqu'instantané- ment, réduisant ainsi la main d'oeuvre et l'utilisation de matière en parti- culier dans la soudure à la machine.
La perte de poids de l'électrode pendant l'amorçage sous une ten- sion à haute fréquence est importante en soudure par points et en soudure répétée à la machine de petites pièces ou de courts cordons. Les caractéris- tiques de perte à l'amorçage sont établies en déterminant le changement de poids entraîné par plusieurs amorçages successifs.
La tension de service est intéressante à connaître parce qu'elle est une mesure de l'énergie fournie à l'arc. Comme la plupart des comparai- sons de soudure sont faites sur la base d'un courant égal et comme dans la soudure à l'are sous une couche protectrice de gaz inerte avec une électro- de réfractaire, le rapport entre l'énergie transmise à la pièce et l'énergie fournie est presque constant pour des conditions très variables, la tension à l'arc est essentiellement une mesure directe de l'énergie transmise à la pièce. Par conséquent, pour de nombreuses applications, une tension d'arc élevée est désirable. D'autre part, il y a lieu d'éviter dans la soudure de pièces minces les brûlures et autres effets thermiques indésirables. Une façon de les éviter consiste à diminuer la puissance de l'arc en réduisant
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sa tension.
Plusieurs des auxiliaires de l'invention déterminent un abais- sement appréciable de cette tension .
Un autre procédé de réduction de la puissance de l'arc consiste à réduire le courant de l'arc; la mesure dans laquelle cette réduction peut être effectuée dépend de la limite inférieur-e du courant nécessaire pour un fonctionnement stable. Cette limite est à son tour une fonction de la com- position de l'électrode. On a montré qu'un fonctionnement stable de l'élec- trode peut être obtenu avec un courant plus faible en remplaçant les baguet- tes ordinaires en tungstène par des électrodes thoriées. Cette détermina- tion n'a pas été effectuée pour les électrodes de l'invention.
Cependant, comme on pense qu'une tension d'amorçage plus faible est une indication de la limite inférieure du courant nécessaire pour un fonctionnement stable, les électrodes qui ne demandent qu'une tension d'amorçage relativement faible doivent fonctionner de façon stable avec des courants d'arc relativement bas.
L'abaissement appréciable de la tension d'amorçage de l'arc obtenu avec des auxiliaires constitués par l'oxyde de baryum, l'oxyde de cérium et l'oxyde d'yttrium, peut être ainsi doublement avantageux.
On a exécuté des cordons de soudure pour comparer l'influence de la composition de l'électrode sur la pénétration et la quantité de métal fondu de la pièce. Ces cordons ont été formés à une vitesse de soudure de 40 pouces (100 cm par minute) sur de l'acier inoxydable de 0,055 pouce (1,4 mm) d'épaisseur avec un courant continu de 150 ampères à polarité simple.
La longueur de l'arc froid était de 0,050 pouce (1,3 mm) et la vitesse d'é- coulement de l'argon de 20 pieds cubes (566 litres) par heure.
La position relative des électrodes ordinaires en tungstène pur et des électrodes contenant 1% d'oxyde de thorium et 99% de tungstène est comparée dans des essais de laboratoire avec celle des électrodes expérimen- tales contenant les auxiliaires de l'invention. Les meilleures caractéris- tiques sont indiquées dans la première colonne du tableau, les caractéris- tiques allant en diminuant jusqu'à la sixième colonne.
EMI3.1
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1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
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<tb> Perte <SEP> par <SEP> contamination <SEP> BaO <SEP> Y203 <SEP> CaO <SEP> ThO2 <SEP> CeO2 <SEP> W
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<tb> Tension <SEP> d'amorçage <SEP> en <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> CaO <SEP> Th02 <SEP> BaO <SEP> W
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<tb> circuit <SEP> ouvert
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<tb> Perte <SEP> à <SEP> l'amorçage <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> ThO2 <SEP> CaO <SEP> BaO <SEP> W
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<tb> Tension <SEP> de <SEP> service <SEP> W <SEP> CaO <SEP> Th02 <SEP> Y293 <SEP> CeO2 <SEP> BaO
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<tb> Surface <SEP> fondue <SEP> du <SEP> métal
<tb>
<tb>
<tb> de <SEP> base <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> BaO
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<tb>
<tb>
<tb> Forme <SEP> du <SEP> cordon <SEP> de <SEP> soudure <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y293 <SEP> CEO2 <SEP> BaO
<tb>
Les électrodes en tungstène pour soudure à l'arc sous
couche protectrice d'un gaz inerte, contenant une combinaison d'au moins deux ou plus des quatre auxiliaires cités, avec ou sans une faible quantité d'oxy- de de thorium,donnent des résultats étonnamment supérieurs dans la soudu- re si on les compare à n'importe quelle électrode connue ne contenant qu'un auxiliaire.
Dans la préparation des électrodes, des mélanges de tungstènes et des auxiliaires appropriés, par exemple des concentrés de terre d'yttrium (pour former de l'oxyde d'yttrium) et de la poudre d'acétate de calcium (pour former de l'oxyde de calcium) sont utilisés pour préparer les lingots mesu- rant approximativement 3/4 x 3/4 x 18 pouces (2 x 2 x 45 cm) par des procé- dés connus de métallurgie des poudres, c'est-à-dire par mise en forme sous pression. Les lingots obtenus sont frittés à 2.000 G ou à une température supérieure en y faisant passer un courant électrique, puis étirés ou estampés à leur dimension définitive.
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UNION CARBIDE AND CQRRON CORPORATION, residing in N E W YORK.
NON-CONSUMABLE ELECTRODE FOR ARC WELDING.
The present invention relates to an improved non-consumable refractory metal electrode for arc welding under a protective layer of inert gas, argon, helium, or a suitable mixture of argon and helium.
Tungsten electrodes often contain a small amount (1% 2%) of thorium as an auxiliary to improve certain solder characteristics such as contamination losses, open circuit starting voltage and losses at start. arcing relative to commercial purity tungsten electrodes. However, the latter perform better in service voltage, molten base surface and weld bead shape than thoriated tungsten electrodes.
The main advantages obtained by adding small amounts of thorium oxide to tungsten are (1) better resistance of the electrode to contamination by the welded molten metal, (2) more stable arc for a relatively low weld current. low, (3) easier arc formation at relatively low voltage, (4) use of the electrode at low temperature, and (5) less contamination of the workpiece by small particles from the electrode. The main advantage attributed to this addition is an increase in electrode life of about 10 times, which is probably due to the better resistance to contamination by the molten metal.
On the other hand, the presence of thorium or its oxide in the vapors coming from the welding zone can constitute a danger for the health of the workers.
The main object of the invention is to provide for arc welding under protective layer of an inert gas an electrode mainly
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composed of tungsten and containing a relatively small proportion of several auxiliaries which, in combination, give the electrode surprisingly superior weld characteristics when compared to those of an electrode containing any single auxiliary, including the thorium oxide already known.
According to the invention, this object is achieved by providing for the arc welding under protective layer of inert gas a refractory metal electrode composed of tungsten in which is dispersed a total amount of 2 to 10% of. at least two of the following compounds: barium oxide, calcium oxide, cerium oxide and yttrium oxide. These latter compounds can be added to the tungsten powder during the manufacture of the electrodes so that the final product contains from 0.5 to 3% of each of the auxiliaries. The order of effectiveness of these auxiliaries, established in the laboratory, is as follows: calcium oxide, yttrium oxide, cerium oxide and barium oxide.
For the tests, the auxiliaries were introduced into the electrodes at a rate of 2% by weight, with the exception of barium oxide for which a concentration of 1% was chosen, the remainder being tungsten. .
The most significant laboratory tests are undoubtedly: (1) degree of contamination of the electrode by contact with molten metal, (2) minimum voltage in open circuit for a certain starting of the arc using a high current frequency (3) loss of electrode weight by repeated arcing, (4) operating voltage of the arc, (5) base metal melting capacity and (6) bead shape Welding.
The loss of electrode weight by formation of a low melting point alloy due to accidental contact with molten metal is probably one of the most important factors in determining electrode life, particularly in hand solder case. For this reason, measurements were made to determine the resistance ability of various electrodes to contamination by molten stainless steel. For these measurements, an arc of 200 amperes is maintained on a stainless steel anode for 2 minutes; the electrode is then immersed in the molten metal of the anode four times in a row (the arc reforming between the dips) and finally used for another 2 minutes so that the impurities in the electrode can be consumed .
Throughout the process the flow rate of the argon is 25 cubic feet (707 liters) per hour.
The open circuit starting voltage characterizing an electrode under specified starting conditions is an important factor because it determines the open circuit borrowing from the welding current source. Electrodes whose ignition requires only a relatively low open circuit voltage allow a stable arc to be established almost instantaneously, thus reducing labor and the use of material especially in welding. machine.
Electrode weight loss during high frequency voltage firing is important in spot welding and repeated machine welding of small parts or short beads. Boot loss characteristics are established by determining the change in weight caused by several successive primeings.
The operating voltage is interesting to know because it is a measure of the energy supplied to the arc. As most weld comparisons are made on the basis of equal current and as in welding are under a protective layer of inert gas with an electro- refractory, the ratio of the energy transmitted to the workpiece and the energy supplied is almost constant for widely varying conditions, the arc voltage is essentially a direct measure of the energy transmitted to the workpiece. Therefore, for many applications, a high arc voltage is desirable. On the other hand, in the welding of thin parts, burns and other undesirable thermal effects must be avoided. One way to avoid them is to decrease the power of the arc by reducing
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his tension.
Several of the auxiliaries of the invention cause an appreciable reduction in this voltage.
Another method of reducing arc power is to reduce the arc current; the extent to which this reduction can be effected depends on the lower limit of the current required for stable operation. This limit is in turn a function of the composition of the electrode. It has been shown that stable operation of the electrode can be obtained with a lower current by replacing ordinary tungsten rods with thoriated electrodes. This determination was not made for the electrodes of the invention.
However, since it is believed that a lower starting voltage is an indication of the lower limit of the current required for stable operation, electrodes which only require a relatively low starting voltage should operate stably with high voltages. relatively low arc currents.
The appreciable lowering of the arc initiation voltage obtained with auxiliaries constituted by barium oxide, cerium oxide and yttrium oxide can thus be doubly advantageous.
Weld beads were made to compare the influence of the electrode composition on the penetration and amount of molten metal in the part. These beads were formed at a weld rate of 40 inches (100 cm per minute) on 0.055 inch (1.4 mm) thick stainless steel with 150 amps direct current at single polarity.
The length of the cold arc was 0.050 inches (1.3 mm) and the flow rate of the argon was 20 cubic feet (566 liters) per hour.
The relative position of ordinary pure tungsten electrodes and electrodes containing 1% thorium oxide and 99% tungsten is compared in laboratory tests with that of experimental electrodes containing the auxiliaries of the invention. The best characteristics are shown in the first column of the table, with the characteristics decreasing up to the sixth column.
EMI3.1
<tb>
1 <SEP> 2 <SEP> 3 <SEP> 4 <SEP> 5 <SEP> 6
<tb>
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<tb> Loss <SEP> by <SEP> contamination <SEP> BaO <SEP> Y203 <SEP> CaO <SEP> ThO2 <SEP> CeO2 <SEP> W
<tb>
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<tb> Starting voltage <SEP> <SEP> in <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> CaO <SEP> Th02 <SEP> BaO <SEP> W
<tb>
<tb> circuit <SEP> open
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<tb> Loss <SEP> at <SEP> priming <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> ThO2 <SEP> CaO <SEP> BaO <SEP> W
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<tb> Voltage <SEP> of <SEP> service <SEP> W <SEP> CaO <SEP> Th02 <SEP> Y293 <SEP> CeO2 <SEP> BaO
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<tb> Melted <SEP> surface <SEP> of the <SEP> metal
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<tb> of <SEP> base <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> BaO
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<tb>
<tb>
<tb> Shape <SEP> of <SEP> bead <SEP> of <SEP> weld <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y293 <SEP> CEO2 <SEP> BaO
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Tungsten electrodes for arc welding under
protective layer of an inert gas, containing a combination of at least two or more of the four aids mentioned, with or without a small amount of thorium oxide, give surprisingly superior results in welding if they are used. compares to any known electrode containing only one auxiliary.
In the preparation of electrodes, mixtures of tungsten and suitable auxiliaries, for example yttrium earth concentrates (to form yttrium oxide) and calcium acetate powder (to form yttrium calcium oxide) are used to prepare ingots measuring approximately 3/4 x 3/4 x 18 inches (2 x 2 x 45 cm) by known methods of powder metallurgy, i.e. by shaping under pressure. The ingots obtained are sintered at 2,000 G or at a higher temperature by passing an electric current through them, then drawn or stamped to their final dimension.