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La présente invention concerne la soudure à l'arc avec métal d'ap- port sous protection de gaz, plus spécialement avec une densité de courant relativement élevée sous la protection d'un gaz inerte.
Le gaz généralement utilisé en soudure sous protection de gaz, est l'argon ou l'hélium. Toutefois on a récemment trouvé intéressant pour la soudure d'acier au carbone par ce procédé, d'utiliser de l'argon conte- nant un peu d'oxygène, par exemple de 2 à 5% d'oxygène. On a aussi propo- sé d'utiliser un mélange d'hélium et d'argon comme gaz de protection, quand on soude avec une électrode en métal réfractaire non consumable, par exem- ple une électrode en tungstène ou en tungstène thorié. Mais il est impos- sible de prédire si une telle proposition conviendrait pour la soudure avec une électrode en métal fusible.
Dans une étude de recherche portant sur divers gaz et mélanges de gaz de protection pour la soudure à densité de courant élevée d'acier au carbone et d'acier inoxydable, il a été découvert qu'on obtient des perfec- tionnements entièrement inattendus au point de vue stabilité de l'arc et forme du cordon de soudure, avec un gaz de protection consistant en un mé- lange d'hélium, d'argon et d'oxygène.
La présente invention procure donc un procédé de soudure à l'arc sous protection de gaz avec une électrode en métal fusible, caractérisé en ce que la zone de soudure est protégée par un courant gazeux consistant en un mélange de 40 à 83% d'hélium, de 1 à 5% d'oxygène, et d'argon pour le reste.
Pour souder de l'acier au carbone avec du courant continu à polarité inverse, un gaz de protection, composé d'un mélange de 67% d'hélium, 31,5 % d'argon et 1,5% d'oxygène, donne un arc calme, sans crachements, déposant un cordon de soudure bien lisse. Le gaz de protection le plus indiqué comprend 60% d'hélium, 39% d'argon et 1% d'oxygène, quoique des résultats satisfaisants soient obtenus quand le gaz de protection se compose de 1 à 3% d'oxygène, de 40 à 70 % d'hélium, et d'argon pour le reste.
En das de soudure d'acier!au carbone avec du courant continu à polarité directe, le gaz de protection doit être relativement sec et contenir de 3 à 5% d'oxygène techniquement pur, 70 % d'hélium techniquement pur, et de l'argon techniquement pur pour'le reste.
Des essais de soudure ont été faits pour des cordons de soudure en une seule passe sur des plaques d'acier au carbone épaisses d'un quart de pouce (6,36 mm), avec une électrode consistant en fil de soudure courant d'un seizième de pouce (1,59 mm) de diamètre contenant 0,12% de carbone, ' 1,0 à 1,2 % de manganèse, 0,25% de silice, 0,35% de chrome, pas plus de 0,015 % de soufre, le reste étant du fer .
On a utilisé, pour la protection de la zone de soudure, divers mélanges gazeux hélium-argon-oxygène contenant 1,3 et 5% d'oxygène. Des essais ont aussi été faits avec de l'argon, de l'hélium, 5% d'oxygène - 95% d'hélium, et 5% d'oxygène - 95% d'argon, par souci de comparaisons.
Des cordons de soudure ont été réalisés à la vitesse de 25 et de 50 Pouces(43,5 et 127 cm) par minute, avec du courant continu à polarité inverse, et à la vitesse de 25 pouces (63,5 cm) par minute avec du courant continu à polarité directe. La vitesse de 25 pouces (63,5 cm) a été choisie parce qu'elle représente le maximum praticable pour obtenir de bonnes soudures sur des plaques d'acier épaisses d'un quart de pouce (6,36 mm) avec de l'argon pur,et qu'elle représente aussi à peu près le maximum pour la soudure à la main. Quoique le courant d'arc ait été constant en substance (350 ampères) pour une vitesse et une polarité de soudure données, certaines variations de la tension d'arc ont été notées. On a choisi la tension
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donnant le meilleur fonctionnement avec chaque mélange de gaz de protection.
Les cordons de soudure d'essai devaient avoir une pénétration un peu supérieure à la moitié de l'épaisseur de la plaque, soit 0,125 pouce (3,18 mm), et un rapport largeur-hauteur de quatre ou davantage. Une dilution convenable est 50% ou davantage. La dilution est le rapport entre surface de métal de base fondu et surface fondue totale dans la section transversale du cordon. Ces conditions s'appliquent à une soudure en deux passes, assemblage à plat.
Les résultats des essais de soudure avec courant continu à polarité inverse montrent clairement l'amélioration de la section transversale de cordon obtenue en ajoutant de l'hélium à l'argon, matérialisée par un plus grand rapport largeur-hauteur et une plus forte dilution. On a obtenu des sections transversales de cordon aussi satisfaisantes avec 5% d'oxygène - 95 % d'argon, et avec 5% d'oxygène - 95% d'hélium. Le mélange oxygènehélium n'a cependant pas donné satisfaction à cause des crachements excessifs et du peu de stabilité de l'arc. Même avec le mélange oxygène-argon, l'arc n'était pas aussi stable qu'avec le mélange ternaire. Des crachements d'arc se présentaient aussi avec des mélanges hélium-argon à 60% d'hélium et plus.
Des essais avec diverses proportions argon-hélium et une concentration en oxygène de 1,3 à 5% ont donné des rapports largeur-hauteur de cordon et des dilutions indiquant que la plupart de ces soudures présentaient des sections transversales satisfaisantes. Avec des mélanges de ce genre, l'arc était remarquablement stable, et peu de crachements ont été observés avec tout mélange hélium-argon-oxygène contenant 70 % d'hélium ou moins.
L'adjonction d'oxygène au mélange hélium-argon augmente la stabilité de l'arc et réduit le crachement. La surface de la soudure est beaucoup plus lisse et l'arc considérablement plus stable que pour des cordons de soudure comparables déposés sous la protection d'un mélange oxygène-argon. La stabilité d'arc et la souplesse de fonctionnement accrues font que l'utilisation de mélanges hélium-argon-oxygène est idéale dans le cas de soudures à la main avec une électrode fusible, là où les grandes vitesses de soudure ne sont pas nécessaires.
Les meilleurs mélanges de gaz de protection convenant dans des conditions stables de soudure avec électrode fusible, comprennent 1% d'oxygène, de 40 à 70% d'hélium et de l'argon. Par exemple, une soudure faite sous 1% d'oxygène - 70% d'hélium - 29 % d'argon se compara favorablement à une soudure faite, dans des conditions semblables, sous un mélange d'oxygène et d'argon. On obtient; aussi un arc stable et une surface de soudure lisse avec des compositions de gaz de protection contenant 3 et 5% d'oxygène. Avec des concentrations en oxygène plus élevées, les résultats sont moins satisfaisants à cause de la plus grande oxydation de la surface de la soudure. Les expériences montrent un accroissement de la pénétration et de la surface de métal fondu, quand la concentration en hélium du gaz de protection-augmente.
L'addition de 5% d'oxygène à de l'argon pur augmente la dilution, améliore la section transversale du cordon etaugmente la stabilité de l'arc. On n'obtient pas des améliorations semblables, en ajoutant 5% d'oxygène à de l'hélium pur. La stabilité de l'arc et les crachements restent constants et la dilution ne change pas. On obtient néanmoins une plus forte pénétration et un rapport largeur-hauteur de soudure plus grand.
Des soudures en bout utilisant la technique des deux passes ont été faites sur des plaques terminées en sifflets de 60 en double V et sur des plaques à bords droits. Comme par le passé, il a été constaté qu'il y a corrélation parfaite entre le comportement à la soudure dans la
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pratique et les résultats des essais de pliage. Les soudures ont été faites sur des plaques d'acier épaisses d'un quart de poucè (6,36,, mm), à une vi- tesse de 25 pouces (63,5 cm) à la minute, avec un fil de soudure d'un dia- mètre de 1/16 de pouce (1,59 mm) ayant la composition précitée. Pour les soudures à polarité inverse, le gaz de protection provenant d'une bonbon- ne de mélange contenant 53% d'hélium, 46% d'argon etl% d'oxygène.
Comme il était souhaitable d'avoir de plus fortes concentrations en oxygène avec la polarité directe, le mélange de gaz de protection utilisé dans ce cas était: 70% d'hélium, 25% d'argon et 5% d'oxygène.
L'allongement dans l'essai de pliage a montré une ductilité satisfaisante et aucune pcrosité n'a été décelée par les radiographies. La stabilité d'arc a été exceptionnellement bonne pendant les soudures et les cordons obtenus se sont avérés lisses et réguliers. La section transversale des soudures a montré une dilution satisiaisante, un bon rapport largeurhauteur du cordon et une forme générale convenable. '
Si toutes les soudures à polarité directe manquaient de pénétration, il a été constaté que l'utilisation de mélanges hélium-argon-oxygène contenant 5% d'oxygène donne des cordons ayant une dilution un peu plus forte et une plus grande pénétration, qu'en utilisant une protection à l'argon plus 5% d'oxygène.
Les cordons réalisés sous la protection d'héliumargon, d'hélium-oxygène, d'argon plus 5% d'oxygène et d'argon pur, ont une section transversale de forme peu satisfaisante, montrent une pénétration faible et indiquent un arc peu stable avec beaucoup de crachements.
D'autres renseignements ont été obtenus en filmant l'arc de soudure obtenu avec certains mélanges de gaz précités. Les films ont été pris à 10.000 images par seconde, les soudures étant faites sur une plaque d'acier épaisse d'un quart de poucê (6,36 mm), à une vitesse de 25 pouces (63,5 cm) par minute, avec un fil de soudure de 1/16 de pouce (1,59 mm) de diamètre, et du courant continu à polarité inverse. Les photographies montrent que l'arc est stable dans de l'argon pur, des mélanges argon-oxygène, et hélium-argon-oxygène, ce qui confirme les observations visuelles en rapport avec la formation de crachements. En outre, le dépôt de métal était beaucoup plus rapide dans les arc stables.
La forme de l'arc varie d'une forme sphérique ou cylindrique dans l'hélium et l'héliumoxygène, à une forme conique dans l'argon, l'oxygène-argon et l'héliumoxygène-argon. La surface estimée de couverture de la plaque de base par la zone d'arc intermédiaire augmente dans l'ordre suivant : hélium, hélium-oxygène, argon, oxygène-argon, hélium-argon-oxygène.
Le courant minimum donnant un arc stable, dans le cas d'une baguette de soudure et d'un gaz de protection donnés, est une donnée technique importante et peut être déterminé visuellement en voyant, pour quelle valeur de courant, des gouttelettes séparées apparaissent dans l'arc. A ce point, l'arc devient généralement instable. Des observations faites avec différentes combinaisons de gaz de protection, une baguette de 1/16 de pouce (1,59 mm) de diamètre, du courant continu à polarité inverse et un débit de gaz de 100 pieds cubes (2,83 mètres cubes) à l'heure, montrent qu'en ce qui concerne la réduction du courant minimum de fonctionnement stable, des mélanges argon-hélium-oxygène conviennent aussi bien qu'un gaz de protection comprenant de l'argon et 5% d'oxygène.
Le mélange de gaz de protection d'arc à l'oxygène-argon-hélium doit être, de préférence, relativement sec, ne contenant pas plus de 10 grains d'humidité par 1000 pieds cubes (2,3 mg. par mètre cube) et, de préférence, moins de 7 grains par 1000 pieds cubes (1,6 mg par mètre cube).
L'invention s'applique aussi bien à la soudure d'acier inoxydable.
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Par exemple, on a soudé des plaques d'acier inoxydable épaisses d'un quart de pouce (6,36 mm), avec des baguettes de soudure ayant un diamètre de 1/16 de pouce (1,59 mm) à une vitesse de 25 pouces (63,5 cm) par minute, en utilisant du courant continu à polarité inverse, avec desmélanges de gaz de protection comprenant 70% d'hélium, 1% d'oxygène et 29% d'argon,ou 83% d'hélium, 1% d'oxygène et 16% d'argon. Dans les deux cas, il n'y avait pas de crachement et on a obtenu une excellente surface.
D'autre part, des soudures faites sous la protection d'argon ou d'hélium-,seul, ou d'un mélange de 95 % d'argon et 5% d'oxygène, n'ont pas donné une-aussi bonne surface, et dans le cas de l'hélium utilisé seul, il y avait du crachement.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de soudure à l'arc sous la protection de gaz utilisant une électrode en métal fusible, caractérisé en ce que la zone de soudure est protégée par un courant de gaz consistant en un mélange de 40 à 83% d'hélium, de 1 à 5% d'oxygène et de l'argon pour le reste.
2. Gaz de protection pour l'exécution du procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le gaz consiste en un mélange de 40 à 83% d'hélium, de 1 à 5% d'oxygène et de l'argon pour le reste.