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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
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<tb> de <SEP> base <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y203 <SEP> CeO2 <SEP> BaO
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<tb> Forme <SEP> du <SEP> cordon <SEP> de <SEP> soudure <SEP> CaO <SEP> W <SEP> ThO2 <SEP> Y293 <SEP> CEO2 <SEP> BaO
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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.