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La présente invention est relative au soudage à l'arc aveo protec- tion par du gaz, Plus particulièrement, elle est relative au soudage à l'arc avec protection effectuée au moyen de plusieurs courants de gaz.
Le soudage à l'arc avec protection au moyen de gaz inerte, tant avec électrodes consommables qu'avec électrodes non consommables ,est un pro- cédé de soudage important et intéressant et il est devenu pratiquement in- dispensable pour beaucoup d'applications. Du fait de ses avantages, ce procé- dé est très utilisé bien qu'il utilise, pour la protection de l'arc, un gaz inerte relativement coûteux.
L'un des buts dell'invention est d'apporter aux procédés et à l'ap- pareillage de soudage avec mise en oeuvre de plusieurs courants de gaz pro- tecteurs un perfectionnement tendant à réaliser des économies dans le coût du gaz protecteur, et à obtenir à la fois les caractéristiques d'arc propres à une certaine atmosphère gazeuse, et les caractéristiques de formation d'é- cran gazeux propres à un autre type d'atmosphère.
Un autre but de l'invention est de réaliser un procédé nouveau pour la formation d'un courant de gaz multiple entourant un arc de soudage. dans lequel un courant extérieur, annulaire, de gaz protecteur isole de l'at- mosphère environnante un courant de gaz intérieur qui exerce une action favorable sur l'arc. L'invention vise également un nouveau type de tuyère ré- alisant l'écoulement laminaire de plusieurs courants de gaz inertes autour d'un arc de soudage .
Un autre but de l'invention est de réaliser, pour le soudage des métaux, en particulier des métaux ferreux, au moyen de l'arc électrique pro- tégé par du gaz, un procédé et un appareil perfectionnés dans lesquels l'arc de soudure présente les caractéristiques d'un arc protégé par de l'argon, par de l'hélium, ou par un mélange de ces deux gaz, bien que le gaz protec- teur soit composé en majeure partie d'anhydride carbonique.
Un autre but est de réaliser, en particulier pour le soudage des alliages de cuivre au moyen de l'arc électrique protégé par du gaz, un procé- dé et un appareillage procurant un arc de soudure ayant les caractéristiques de l'arc protégé par de l'argon et/ou de l'hélium, mais avec un gaz protec- teur composé surtout d'azote.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront également de la descriotion ci-dessous et du dessin annexé. De manière générale, l'in- vention est relative à des perfectionnements au soudage à l'arc avec plu-' sieurs courants de gaz protecteurs coopérant de manière à donner une nouvelle protection composite ayant des propriétés avantageuses et un prix de revient réduit.
- La figure 1 représente l'ensemble d'un appareillage pour la mi- se en oeuvre de l'invention.
- La figure 2 représente, partiellement en coupe et à plus grande échelle, la partie inférieure de la tête de soudage que l'on voit sur la fi- gure 1.
- La figure 3 représente, semblablement lapartie supérieure de la tête de soudage que l'on voit sur la figure 1.
- La figure 4 est une vue en plan de la tête de soudage de la figu- re 1 à la même échelle que les coupes des figures 2 et 3.
- La figure 5 est une vue partielle en élévation de la tête de soudage, avec coupe partielle suivant la ligne 5-5 de la figure 4.
- La figure 6 est une coupe de la tête de soudage suivant la ligne 6-6 de la figure 5.
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- La figure 7 représente schématiquement la circulation des cou rants de gaz de protection selon l'invention.
Dans le procédé de soudage à l'arc de métaux avec protection par du gaz, du type décrit au brevet belge n 493,266 une électrode nue et con- tinue descend au sein d'un gaz inerte de protection vers un arc de soudage.
On a constaté que le succès de ce procédé dépend, en partie, de la formation et du maintien d'une protection convenable au moyen de gaz. Le gaz inerte doit arriver dans la région de l'arc sous forme d'un courant non turbulent.
La présence de turbulences entraîne de l'air qui nuit aux caractéristiques électriques de l'arc et aux caractéristiques de transfert du métal au tra- vers de l'arc. Elle provoque en outre la formation d'oxydes et de nitrures et donne de la porosité dans le métal soudé. Par suite, les courants de gaz protecteurs doivent être sensiblement non turbulents et ils doivent avoir une épaisseur et une rigidité suffisantes pour conserver leurs caractéristi- ques d'écoulement pendant un temps, ou une distance appréciable après être sortis de la tuyère.
On a trouvé, suivant la présente invention que l'on peut projeter ainsi des courants annulaires et concentriques de gaz de pro- tection à partir d'une tuyère de forme adéquate,à des pressions et des vites- ses appropriées, de telle manière que ces courants conservent leurs identités respectives pendant un temps suffisant pour leur permettre d'agir à la fois ensemble et séparément pour donner des résultats nouveaux et intéressants dans le soudage à l'arc avec protection par du gaz.
Selon l'invention, un courant de faible diamètre d'un gaz inerte monoatomique, tel que de l'argon,dé. l'hélium, ou un mélange de ces deux gaz est projeté à faible vitesse par une tuyère intérrieure de manière à former, au- tour de l'arc, une atmosphère dans laquelle est maintenu l'arc de soudage jaillissant entre une électrode et une pièce à souder. Ce courant de gaz intérieur, qui contribue à entretenir l'arc, a intentionnellement un faible diamètre et une faible vitesse de sorte qu'il est incapable par lui-même de protéger parfaitement et complètement l'arc et le métal du soudage. Par sui- te, on n'utilise, que le minimum de ce gaz inerte. Cette protection intérieu- re ne conviendrait pas, à elle seule pour donner unê bonne soudure, car elle n'a pas une rigidité et une épaisseur suffisantes.
Si ce courant était proje- té dans de l'air libre, ses caractéristiques de non turbulence se détério- . reraient prématurément en provoquant un entraînement d'air qui endommagerait la soudure. Toutefois, on projette, suivant l'invention un deuxième courant de gaz extérieur, consistant en un gaz meilleur marché, par exemple de l'an- hydride carbonique, autour de ce courant intérieur plus mince, de manière à le protéger de 11-air ambiant. Le courant extérieur entoure étroitement le courant central et lui conserve ses caractéristiques de--noyé turbulence pen- dant un temps ou un parcours suffisant pour permettre à ce courant de gaz intérieur, de faible diamètre, de donner effectivement à l'arc l'atmosphère de protection voulue.
On donne au courant intérieur une vitesse suffisam- ment grande par rapport à celle du courant extérieur pour que, lorsque ce comant érieur vient frapper une plaque plate perpendiculaire à l'axe de ce cou- rant, le gaz s'étale dans toutes les directions (ainsi qu'on peut l'obser- ver par des essais donnant des traces de fumée en l'absence de l'arc) pour former une pellicule de gaz inerte qui s'écoule doucement sur la soudure et sur la surface environnante de la plaque.
Lorsque les vitesses d'écoule- ment des deux courants sont convenablement réglées, le gaz protecteur exté- rieur s'étale au-dessus de la pellicule de gaz formée par e courant de gaz inté- rieur et dans les conditions optima, le gaz extérieur est séparé, de la sur- face de la plaque par une pellicule de courant de gaz intérieur, comme cela est représenté schématiquement sur la figure 7. De plus, et comme on le voit également sur cette figure 7, la tuyère extérieure par laquelle le courant de gaz extérieur est projeté, entoure complètement l'ouverture de sortie de la tuyère intérieure, au-delà de laquelle elle s'étend.
En conséquence,
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les courants de gaz, extérieur et intérieur, forment une seule colonne, pré- sentant un noyau intérieur entouré d'un anneau extérieur.
En conséquence, le soudage effectué suivantle brevet précité peut se faire avec un débit beaucoup plus faible de gaz de protection inerte, monoatomique, lorsqu'un courant extérieur auxiliaire de gaz est projeté au- tour d'un courant central de manière à le limiter et à conserver ses carac- téristiques d'écoulement. Ce courant de gaz extérieur peut être fait de gaz relativement peu coûteux et, par suite, on peut sensiblement réduire le prix de revient de la soudure effectuée d'après le brevet précité. En pratique, il est parfois difficile d'empêcher un certain mélange des deux courants de gaz. Toutefois, il est toujours possible d'empêcher à peu près complète- ment le mélange des courants de gaz dans la région de l'arc, avant que ces courants viennent frapper la surface de l'ouvrage.
De plus, si les deux gaz sont convenablement choisis l'un par rapport à l'autre et par rapport au métal à souder, , on peut tolérer un certain mélange qui peut, même,dans certains cas, être avantageux, Par exemple, on a constaté que l'anhydride carbonique est un gaz excellent pour former le courant de protection annulai- re autour d'un noyau intérieur d'argon, en particulier pour le soudage de métaux ferreux avec une électrode consommable d'apte coh viect pour retenir et isoler un noyau intérieur d'argon, en particulier pour le soudage du cuivre.
Sur la figure 1, on voit la pièce 20 à souder. On a représenté une tête de soudage 21, supportée de toute manière courante à la distance voulue de la pièce. Un chariot à moteur 22 assure le déplacement relatif entre la pièce et la tête . L'appareil de soudage représenté est, de manière généra- le, du type décrit dans le brevet précité. Il comporte une bobine portant une couronne du fil formant l'électrode et des moyens pour tirer ce fil et l'amener, par la tête de soudage, jusqu'à la zone de soudage où jaillit 1' arc. Le dévidoir 23 est monté sur un châssis 24, contenant un moteur d'amenée du fil avec son appillage auxiliaire,désigné dans son ensemble par 25.
Le fil est tiré de la bobine 23 par le mécanisme d'amenée du fil 25 et il est amené dans une gaine flexible 26, jusqu'à la tête de soudage 21 Le cou- rant de soudage est amené d'une génératrice 27 par le câble 28, à la tête 21. Un fil de terre 29, allant de la pièce 20 à la génératrice 27, referme le circuit de soudage. les gaz protecteurs viennent de bouteilles à gaz comprimé 31 et 32, en passant par les appareils habituels de réglage et de contrôle de la pression et du débit, pour arriver à la tête 21 par les tu- bes 33 et 34. On peut refroidir la tête 21 en y faisantpasser de l'eau qui y arrive par un tube 35 et en sort par un tube 36.
Les figures 2 à 6 représentent plus en détail la construction de la tête de soudage. Cette tête comporte essentiellement un tube 37 de con- tact de courant de soudage, relié électriquement , par les parties métalli- ques internes de la tête, au câble de soudage 28. Le fil électrode W, arri vant à la tête par la gaine 26, descend dans la tête contenant le tube de contact 37. Le courant de soudage arrive au fil par le tibe 37. L'arc est établi entre le bout du fil W et la pièce 20.
La tête de soudage comporte des cylindres concentriques 38 et 39 constituants deux passages annulaires, concentriques 40 et 41 pour le gaz; ces cylindres entourent le système 42 de guide-fil et de tube de contact, Un gaz de protection arrive de la bouteille 31, par le tuyau souple 33, dans le passage annulaire 41. Un autre gaz arrive de la bouteille 32, par le tuyau souple 34, dans le passage annulaire 40. Ces conduits annulaires 40 et 41 présentent des passages relativement longs et sans obstruction, jusqu'à leurs orifices de sortie respectifs.
Des diffuseurs 46 et 47 placés respectivement dans les deux conduits annulaires contribuent à réaliser l'écoulement non turbulent des courants de gaz dansas conduits et à maintenir l'ensemble
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concentrique.. De l'eau de refroidissement circule sur toute la longueur du guide-fil, dans des passages 48 et 49 la tuyère à gaz extérieure est refroi- die séparément par une circulation d'eau dans le passage annulaire 50.
On a trouvé qu'il était avantageux, selon la présente invention, de rétreindre les extrémités formant tuyères des deux cylindres extérieur et intérieur, comme cela est indiqué nettement sur le dessin. Cette réduction; progressive et calibrée, de la section transversale de passage du courant de gaz augmente la vitesse d'écoulement sans nuire aux caractéristiques de non turbulence, ce qui permet de projeter le gaz avec ces caractéristiques à une distance considérable, malgré que le débit volumétrique soit relati- vement faible.
De même, du fait qu'il est nécessaire pratiquement de disposer un assez grand nombre de pièces concentriquement les unes aux autres dans un système à double tuyère, l'utilisation de tuyères rectilignes, non rétrein- tes, ferait que la tuyère extérieure, en particulier, serait de diamètre re- lativement grand dans sa partie terminale. En disposant le bout inférieur du cylindre intérieur en amont de celui du cylindre extérieur, il se produit un effet supplémentaire de contraction de la veine gazeuse intérieure, ce qui augmente encore sa raideur, malgré"le débit relativement faible, et sans troubler les caractéristiques d'écoulement laminaire des deux courants de gaz.
En disposant le bout du cylindre intérieur en amont de celui du cylindre extérieur ,l'égalisation de pression entre les deux courants de gaz et l'atmosphère se fait en deux stades, ce qui réduit encore les possi- bilités de formation de turbulences dans les courants.
On va donner ci-dessous un exemple d'une forme avantageuse de réa- lisation d'une tête de soudage de ce genre pour des fils électrodes allant jusqu'à. 3 mm de diamètre : -Diamètre extérieur de l'ensemble 42 de guide-fil refroidi par de±'eau et de tube de contact - 12,7 mm.
Diamétre intérieur du cylindre intérieur 38 - 19 mm -Diamètre extérieur du cylindre intérieur 38 - 22,2 mm -Diamètre intérieur du cylindre extérieur 39 - 31,7 mm -Angle de conicité du bout ou tuyère du cylindre extérieur 39-30 au total (angle de 15 avec l'axe du cylindre).
-Longueur de la partie conique du cylindre 39 (mesurée suivant l'axe)25,4 mm -Diamètre de l'orifice de sortie du cylindre extérieur - 19 mm.
-Angle de conicité de la buse du cylindre intérieur 38 - 30 au total (15 avec l'axe du cylindre).
-Longueur de la partie conique du cylindre 38 (mesurée suivant l'axe)6,3 mm.
-Diamètre de l'orifice de sortie du cylindre intérieur - 15 mm.
-Distance axiale de la face de sortie du cylindre extérieur à la face de sortie du cylindre intérieur - 15,8 mm, -Distance axiale de la face de sortie du cylindre extérieur à l'extrémité du système de guide-fil et de tube de contact - 6,3 mm
On a trouvé que l'invention était particulièrement intéressante et économique pour le soudage d'aciers au carbone et à faible teneur en élé- ments d'alliage. On a trouvé, par exemple, que l'on peut faire de bonnes soudures en utilisant une tête de soudage, telle que décrite ci-dessus, avec de l'argon comme courant de gaz centeal sous un débit de seulement 340 litres à l'heure. Pour le soudage d'aciers au carbone, d'aciers à faible teneur en éléments d'alliage et pour le soudage du 'nickel, on a constaté que C02 donnait toute satisfaction comme courant de gaz extérieur.
Il est lourd et un débit relativement faible de l'ordre de 1 m3 à l'heure retient convenable- ment le gaz de protection intérieur et empêche que ses caractéristiques d'é- coulement soient perturbées. Il est avantageux d'utiliser, pour la protection
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extérieure, un gaz lourd qui forme un bon écran protecteur. C02 ne réagit que peu avec l'acier et le contact de C02 avec le métal de soudure fondu ne présente pas d'inconvénient. Etant donné que l'on pense que CO2 se disso- cie en CO et 0 dans l'arc électrique, un léger mélange de C02 avec l'argon a pour effet d'ajouter à l'argon de petites quantités de O2 On a constaté que cela était avantageux pour le soudage de l'acier.
Avec un appareil tel que décrit, le soudage avec de l'argon et du C02, dans le cas de l'acier, procure les résultats avantageux donnés par le procédé du brevet précité, mais le coût du gaz de protection est fortement réduit. Avec des têtes de soudage de type classique, la consommation d'argon doit, pour certains tra- vaux, s'élever par exemple à 1,4 m3 à l'heure. Avec la présente invention, on peut obtenir les mêmes résultats en utilisant 0,34 m3 d'argon et 1,12 m3 de C02, de sorte que le coût total du gaz, par heure de soudage, est réduit d'environ deux tiers.
On a constaté que l'on peut obtenir de bons résultats avec une tê- te de soudage du type ci-dessus décrit avec les débits de gaz ci-après.
EMI5.1
<tb>
C02 <SEP> par <SEP> la <SEP> buse <SEP> extérieure <SEP> Argon <SEP> par <SEP> la <SEP> buse <SEP> intérieure
<tb>
<tb> 0,56 <SEP> m3/heure <SEP> 0,20 <SEP> m3/heure
<tb> 0,85 <SEP> " <SEP> 0,17 <SEP> à <SEP> 0,48 <SEP> m3/heure
<tb> 1,12 <SEP> " <SEP> 0,22 <SEP> à <SEP> 0,56 <SEP> "
<tb> 1,70 <SEP> " <SEP> 0,34 <SEP> à <SEP> 0,84 <SEP> "
<tb>
Dans chacun des exemples cités ci-dessus, la quantité d'argon la plus favora- ble était d'environ 1/3 de celle de C02, Pour l'appareil ci-dessus décrit, on a constaté également que l'on obtenait de bons résultats en ce qui con- cerne les caractéristiques électriques de l'arc dans l'argon et les carac- téristiques de transfert de métal dans l'arc à l'argon,avec une protection convenable de la soudure;
lorsque le rapport entre la vitesse du gaz dans la buse extérieur et la vitesse du gaz dans la buse inférieure était com- pris entre 0,75 et 2. On a également constaté que de bons 'résultats étaient obtenus lorsque le rapport du nombre de Reynolds pour l'écoulement de CO2 dans la buse extérieure avec celui de l'écoulement d'argon dans la buse inté- rieure, était inférieur( à 6. La vitesse d'écoulement du gaz intérieur doit être suffisante pour empêcher l'écoulement radial, vers l'intérieur, et par suite vers l'arc, d'une partie du gaz du courant extérieur, du fait de la rencontre des courants avec la pièce à souder.
Bien entendu, la forme exacte de la buse ci-dessus décrite n'est pas la seule pouvant être utilisée. par exemple, on a constaté, dans le sou- dage d'angles intérieurs, qu'il était avantageux de modifier un peu la forme de la tuyère du cylindre extérieur. Dans un cas, on l'a faite plus longue et allant en se rétrécissant vers le bas jusqu'à un orifice de 12,7 mm, avec de bons résultats, Dans un autre cas, on a donné à cette buse une section transversale ovale à son orifice. Alors que l'application de l'invention au
EMI5.2
soudage d'aciers au carbone '-e'6-'.--d.âoieis à faiblè-' e- " 1<- neur en éléments d'alliage, avec CO2 et l'argon comme gaz protecteurs, a été des plus avantageuse, on peut appliquer les mêmes principes pour le sou- dage d'autres métaux ou pour le soudage des mêmes métaux avec d'autres gaz.
Par exemple, on peut facilement souder de l'acier avec de l'hélium comme gaz protecteur intérieur et CO2 à l'extérieur.De même, évidemment, on peut utiliser des mélanges d'hélium et d'argon ou des'mélanges d'un gaz inerte avec de petites proportions de gaz actifs, comme gaz protecteur intérieur.
On peut également souder du nickel avec un gaz inerte de protection intérieu- re et CO2 comme gaz extérieur. Pour le soudage de cuivre et d'alliages à forte teneur en cuivre, on peut utiliser un gaz inerte pour la protection intérieure et de l'azote, qui est relativement inerte vis-à-vis du cuivre,
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comme gaz, de protection extérieur.
Bien que l'on ait décrit l'invention dans son application à la soudure à l'arc à électrode consommable protégée par un gaz inerte, ces principes sont également appliables dans le cas de la soudure à 'l'arc à électrode non consommable protégée par un gaz inerte.
Quoique l'on ait décrit seulement certaines formes de réalisations particulières de l'invention dans le cas de la soudure à l'arc avec plusieurs courants de gaz de protection, il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux formes particulières décrites et qu'elle peut encore comporter d'autres formes de mise en oeuvre du même principe.
- REVENDICATIONS -
1 Perfectionnement aux procédés de soudage à l'arc dans lesquels un arc jaillissant entre une électrode et une pièce à souder est maintenu dans un courant de gaz consistant essentiellement en un gaz monoatomique, le perfectionnement consistant à entourer ce courant de gaz par un deuxième courant d'un gaz lourd polyatomique qui ne réagit sensiblement pas sur le bain de soudure eteet relativement peu coûteux par rapport au gaz monoato- mique, ce gaz polyatomique ayant, de préférence, une densité sensiblement égale ou supérieure à celle dell'air ambiant,
2 Formes de mise en peuvre du perfectionnement suivant la reven- dication 1, caractérisées par les points suivants séparément ou en toutes combinaisons. a) On constitue le courant intérieur par de l'argon, et le courant extérieur par de l'anhydride carbonique.
b) Pour le soudage du cuivre et de ses alliages, on entoure un cou- rant d'argon par un courant extérieur d'azote. c) On maintient l'écoulement d'au moins un des deux courants de gaz en régime non turbulent. d) On maintient le 'débit du courant intérieur à une valeur suffi- sante pour former autour de l'arc une gaine l'isolant du courant de gaz exter- ne. e) On maintient entre la vitesse du courant externe et celle du courant interne un rapport compris entre 0,75 et 2. f) On manitient entrelle nombre de Reynolds pour l'écoulement du courant externe, à la sortie de la buse, et celui du courant intérieur, un rapport inférieur à 6. g) On régle le débit volumétrique du courant extérieur à une valeur environ triple de celle du courant intérieur.
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