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La présente invention concerne la soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte et, en particulier, la soudure d'alliages ferreux et non ferreux inoxydables à l'aide d'une électrode non consumable alimentée de courant continu ou alternatif.
Au début de la technique de la soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte,on a utilisé l'argon et l'hélium comme gaz de protection. L'argon était considéré comme int.éressant à plus d'un titre, mais surtout à cause de son lent débit. L'hélium était considéré comme intéressant, principalement à cause de la tension plus élevée de l'arc, ce qui donnait de meilleures conditions de soudage, surtout une vitesse de soudure plus élevée et une plus forte pénétration de la soudure dans le cas du soudage de pièces
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en acier inoxydable d'une épaisseur allant jusqu'à 4,8 mm par exem ple.
Des efforts considérables ont été tentés afin que l'argon puisse permettre une plus grande vitesse de soudage et une plus forte pénétration sans augmenter le débit. Dans de nombreuses applications, par exemple la soudure continue de tuyaux et canali- sations,il est intéressant d'avoir des vitesses de soudure élevées Pour pouvoir augmenter la vitesse de soudure, il faut utiliser une atmosphère de protection donnant une tension d'arc relativement élevée et, par'conséquente un apport de chaleur relativement impor- tant. Comme, parmi tous les gaz de protection d'arc connus, l'hydro- gène donne la tension d'arc la plus élevée, il est intéressant d'utiliser de l'hydrogène pur ou un mélange d'hydrogène et d'un gaz inerte.
Le fait d'ajouter de l'hydrogène à l'argon a permis d'ob- tenir des tensions d'arc plus élevées et, comme cela avait été expérimenté avec L'hélium, on a obtenu de meilleures conditions de soudage, Par exemple, des sections transversales de soudures, réali- sées avec de l'argon pur comme gaz de protection montrent de sérieux affouillements, tandis que les affouillements sont inexistants dans le cas de soudures réalisées avec un mélange argon et hydrogène com- me gaz de protection.
Un autre avantage consistait en ce que le débit du gaz de protection pouvait être anormalement lent tout en assurant une protection satisfaisante de la soudure* A l'effet d'obtenir un mélange gazeux de protection supé- rieur à l'hélium au point de vue de la qualité de la soudure à l'arc de nombreux essais ont été effectués avec un mélange composé de 35% d'hydrogène' et 65$ d'argon. Pratiquement tous les efforts tentés pour utiliser ce mélange de 35% d'hydrogène et 65% d'argon ont été voués à l'échec à cause de la porosité macroscopique de la soudure obtenue. ll a été proposé toutefois de limiter le pourcentage d'hydrogène dans l'argon à 10% ou moins, ce qui pourrait réduire la porosité à un degré négligeable.
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L'apparition de cette porosité au cours de la soudure d'acier inoxydable sous la protection.de mélanges dargon et d'hydrogène semble due à ce que- l'hydrogène brûle. dans le mélange gazeux et produit de l'humidité par la réaction 2H2 + O2 @ 2H2OL L'humidité ainsi produite' se condense partout dans un rayon de- quelques centimètres autour de l'arc.., Une partie d l'humidité' est emprisonnée dans la masse de soudure et produit des pores de forme particulière- par l'un ou l'autre phénomène peut-être par échappement de vapeur.
Cette' théorie est conforme à la réalité' pour les deux raisons suivantes. Premièrement. tous les pores sont de même forme.
Les trous ne sont pas ronds comme on pourrait s'y attendre normalement si un gaz, dissous dans une masse de soudure,. était éjecté au moment où le métal se solidifie, mais ces trous semblent être le résultat d'explosions bien nettes. Deuxièmement, tous les moyens raisonnables utilises pour enlever l'humidité de la masse de. soudure ont donné lieu à des soudures satisfaisantes sans aucune porosité.
Il est exact que 1* hydrogène se dissout facilement dans de l'acier inoxydable en fusion et qu'il se libère en laissant des pores quand le métal se solidifie. Cette absorption d'hydrogène se produit, dans le cas de la soudure à l'arc d'acier inoxydable sous la protection de mélanges d'argon et d'hydrogène,, quand les masses de soudure sont importantes, par exemple quand on soude des pièce d'une épaisseur d'un quart de- pouce (6,4 mm) ou quand on repasse plusieurs fois sur une même soudure. Dans ces cas, l'absorption directe d'hydrogène est un fait non négligeable, mais la porosité résultante est de forme ronde comme prévu.
Cette dissolution d'hydro gène dans le métal ne fait pas partie du présent problème qui consiste à éviter les porosités dues à de l'humidité dans la soudure à l'arc sous.protection gazeuse de plaques d'acier inoxydable d'épaisseurs allant jusqu'à 4,8 mm, les soudures se faisant en une seule passe.
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Suivant la présente invention, un procédé de soudure a l'arc de tôles ferreuses ou non ferreuses inoxydables d'une épaisseur allant jusqu'à 4,8 mm dans lequel un arc établi entre une électrode et la pièce à souder est protégé à l'aide d'un mélange gazeux composé d'un gaz monoatomique inerte et de plus de 10% d'hydrogène, est caractérisé en ce que la porosité de la soudure dans son état final est évitée en s'opposant à l'absorption, par la masse de soudure de vapeur d'eau obtenue par combinaison de l'hydrogène contenu dans le gaz de protection et d'oxygène présent dans l'atmosphère ou présent à titre d'impureté dans le gaz de protection.
Un procédé permettant d'éviter ces porosités consiste à souder à des vitesses suffisamment lentes pour que les bulles de gaz puissent atteindre la surface de la masse de soudure avant la solidification.
Le préchauffage du métal support au-dessus de 200 F. (93 C) environ est un moyen très efficace pour empêcher la condensation de l'eau. En déviant l'arc dans le sens de l'avancement, on réduit aussi la tendance à la formation de pores* On peut faire dévier l'arc comme précité en inclinant le porte-électrode ou en utilisant des champs magnétiques de déviation de l'arc. La soudure avec un arc court est un autre moyen efficace de réduire la porosité, mais un arc court est difficile à maintenir et cela exige une augmentation de courant afin de.garder un certain apport de chaleur, puisque raccourcir l'arc signifie réduire sa tension.
Un autre procédé très efficace consiste à utiliser un espacement entre les pièces à souder Ce dernier procédé est très intéressant dans le cas de la soudure continue de tuyaux et de canalisations. La pointe de l'électrode d'où l'arc jaillit est placée directement au-dessus de la fente près du sommet de l'angle formé par les bords des pièces quand celles-ci se rejoignent. De cette manière, la vapeur d'eau se dégage à travers la fente avant de pouvoir être emprisonnée dans la soudure. On peut ainsi obtenir des soudures saines sans aucune
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porosité aune vitesse de 152,4 cm par minute et plus.
Parmi les dessins annexés:
La figure 1 est une représentation schématique d'une installation suivant l'invention du type à cordon de soudure sur plaque.
La figure 2 est une vue semblable d'une variante du type à cordon de soudure entre pièces écartées.
La figure 3 est un graphique tension d'arc-hydrogène d'addition donnant des courbes de tension d'arc pour le cas hélium plus hydrogène et le cas argon plus hydrogène*
La figure 4 est une vue partielle en plan d'une installa- tion pour la soudure de tubes à lèvres légèrement écartées, et
Là figure 5 est une vue semblable d'une variante utilisant le préchauffage.
Comme la figure 1 le montre, un porte-électrode 10, pour la soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte, comprenant une électrode 12 refroidie à l'eau et un ajutage 14 pour le gaz, est placé au-dessus de la pièce à souder 16, une plaque métallique par exemple, afin de souder cette, dernière au moyen d'un arc 18 protégé par un courant gazeux 20 contenant de l'hydrogène. Le mélange gazeux est amené au porte-électrode par une conduite 22 reliée à une source d'alimentation convenable 24.L'arc est produit par une source de courant de soudure 26 reliée par des conducteurs isolés 28 et 30 respectivement au porte-électrode et à la pièce à souder.
Pendant l'opération, dans le cas d'une soudure du type cordon sur plaque, l'humidité, après s'être condensée'sur la plaque 16, s'évapore sous l'effet d'échauffement de l'arc 18 suffisamment en avant de la masse en fusion pour qu'il n'y ait pas de danger que de l'humidité soit emprisonnée. Des essais ont montré qu'avec cette technique, des soudures saines peuvent être obtenues avec un gaz de protection de l'arc se composant de 100% d'hydrogène. La soudure du type cordon sur plaque peut aussi être utilisée dans le cas de
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soudures traversant de part en part- Dans ce cas, la partie supe rieure de la soudure est massive et l'opération de soudage suit de près la technique de la soudure du type à cordon saillant.
Sur la figure 2 l'installation est semblable, sauf que le porte-électrode comprend une électrode 32 en tungstène et les plaques 16,16 à souder sont écartées l'une de l'autre de façon à disposer d'un espacement 34 par où l'humidité condensée et évaporée par la .chaleur de l'arc 36 peut s'échapper. On obtient très facile- ment des soudures saines avec cette technique que l'électrode soit en tungstène ou refroidie à l'eau.
Cette techique connaît évidemment des limitations en pratique mais, dans le cas=de la soudure continue de tuyaux permettant un écartement entre lèvres d'environ 3,8 mm à hauteur de l'arc, des soudures saines peuvent être obtenues avec un mélange gazeux de protection composé de 35% d'hydrogène et 65% d'argon La plupart des laminoirs à tubes connus permettent d'obtenir un tel écartaient entre lèvres du tuyau, quand l'épaisseur du métal est de 2,4 mm ou moins.
Avec les laminoirs existants, il n'est général pas possible de mainter.ir un écartèrent suffisant quand 1-'épaisseur de métal est supérieure à 2,4 mm tout en maintenant une pression de serrage suffisante pour éviter les affouillements ou les creux.
La figure 4 représente une partie d'un laminoir à tubes comprenant des galets de soudage 38 et de guidage 40 qui, en coopération avec des galets correspondants 42 et 44 disposés du côté opposé du tube 46 en formation, femment progressivement une fente 48 séparant les lèvres de la pièce 50 Dans ce cas, l'électrode de soudure 52 du porte- électrode est placée directement au-dessus de la fente, en un endroit- ou l'humidité condensée peut s'évaporer. 48a désigne le cordon de soudure Des soudures satisfaisantes de métaux d'épaisseurs allant jusquà 3,9 mm peuvent être réalisées ainsi sur des laminoirs à tubes continus, conformément à l'invention, avec un mélange gazeux composé de 20% d'hydrogène et 80% d'argon.
Comme la figure 5 le montre, l'humidité est évaporée:en Plaçant un porte-électrode de préchauffage 54 qui échauffe le
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métal dans le voisinage du joint en amont du porte-électrode 56 pour la soudure à l'arc sous la protection d'un gaz inerte. Dans ce cas, le porte-électrode 56 peut utiliser un mélange gazeux à pourcentage pratiquement quelconque d'hydrogène.
Ce préchauffage empêche l'humidité de se condenser sur la pièce à souder et constitue donc une solution idéale de la soudure sous la protection de mélanges d'argon et d'hydrogène sans formation de-pores.
Un mélange gazeux de protection composé de 15% d'hydrogène et 855 d'argon'peut être utilisé suivant l'invention dans un grand nombre.de cas sans aucun danger de formation de pores. En d'autres mots, la Demanderesse a découvert qu'un mélange de 15% d'hydrogène et 85% d'argon peut être utilisé de façon générale dans la soudure à l'arc d'acier inoxydable sous la protection d'un gaz. C'est ainsi que ce mélange de 15% .d'hydrogène et 85% d'argon peut être utilisé avec succès comme gaz de protection pour la soudure bout-à-bout très couramment utilisée dans l'industrie, sans nécessiter de préchauffage ni d'écartement des bords à souder.
Les seuls cas qui ont présenté des difficultés jusqu'ici sont les cas spéciaux où l'hydrogène est utilisé comme agent de soutien, où on repasse plusieurs fois sur la même soudure, et où il s'agit de souder des métaux dont les surfaces sont fortement oxydées.
On peut se demander pourquoi la Demanderesse juge qu'un pourcentage de 15% d'hydrogène dans l'argon est généralement admissible, alors que les recherches précédentes avaient montré qu'il fallait limiter le pourcentage d'hydrogène à 10% Il n'est pas possible de répondre entièrement à cette question mais cela pourrait être dû au fait que les gaz de protection disponibles sur le marché sont généralement, d'une pureté considérablement accrue comparativement à la qualité courante rencontrée il y a plusieurs années.
Les travaux de'la Demanderesse sur les mélanges argon et hydrogène montrent que, si l'azote n'est pas un facteur nuisible, de faibles traces d'oxygène ou d'humidité occluses peuvent provoquer de la porosité Les quantités d'oxygène et d'eau présentes dans l'argon
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de soudure doivent donc rester dans les limites imposées pour la pureté technique c'est-à-dire, un maximum de vingt parties par million d'oxygène et un maximum de 318 mlgra par mètre cube d'eau Il se peut aussi que l'utilisation d'argon comme agent de soutien contribue à la réussite des mélanges argon-hydrogène contenant plus de 10% d'hydrogène.
Avec des mélanges argon-hydrogène de si grande pureté, des résultats satisfaisants peuvent être obtenus dans la soudure à l'arc sous la protection d'un gaz de toutes les qualités d'acier inoxydable ainsi que des alliages inoxydables non ferreux.
Les résultats des essais effectuées avec des mélanges hélium-hydrogène sont inférieurs à ceux obtenus avec les mélanges argon-hydrogène- Quand on ajoute de l'hydrogène à l'hélium, lestensions d'arc sont plus élevées (voir figure 3); les conditions de soudure sont meilleures et on peut utiliser un débit de gaz plus lent.
Les résultats des essais faits avec des mélanges hydrogène-hélium sont, comme prévu, très semblables à ceux obtenus avec des mélanges argon-hydrogène. Quand on utilise de l'hélium, comme gaz principal, la différence la plus importante réside en ce qu'on peut ajouter des pourcentages d'hydrogène légèrement plus grands à l'hélium avant que la porosité devienne gênante, cornue le tableau suivant le montre:
TABLEAU I
EMI8.1
Cas d'aprIication ô recommandé % recommandé
EMI8.2
<tb>
<tb> d'hydrogène <SEP> à <SEP> d'hydrogène <SEP> à
<tb>
EMI8.3
ajouter à l'aron ajouter à 1* hélium
EMI8.4
<tb>
<tb> Soudure <SEP> Héliarc <SEP> en <SEP> général <SEP> 15 <SEP> 20
<tb> Soudure <SEP> des'tuyaux <SEP> en
<tb> général <SEP> 20 <SEP> 25
<tb> Soudure <SEP> de <SEP> tuyaux'à <SEP> paroi
<tb> de <SEP> 2,4 <SEP> mm <SEP> et <SEP> moins, <SEP> avec
<tb> espacement <SEP> déterminé <SEP> entre
<tb> lèvres <SEP> 35 <SEP> 45
<tb>
La seconde différence, dans le cas de l'hélium utilise comme gaz principal, réside en ce que le débit minimum n'est pas
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aussi lent que lorsqu'on utilise l'argon connue gaz principal;
ceci est démontré par les données du tableau suivant :
TABLEAU II
EMI9.1
<tb>
<tb> Débit <SEP> minimum
<tb> ¯Gaz¯ <SEP> litres/heure
<tb> Argon' <SEP> 425
<tb> Hélium <SEP> , <SEP> 850
<tb> Argon-hydrogène
<tb> 85-15 <SEP> 85
<tb> 65-35 <SEP> 85
<tb> Hélium-Hydrogène
<tb> 75-25 <SEP> 425
<tb> 65-35 <SEP> 425
<tb>
Le tableau III ci-après montre l'augmentation de la vitesse de soudure obtenue par l'utilisation d'hydrogène ou d'un mélange contenantde l'hydrogène. Par exemple, avec un courant de soudure de 160 ampères, la plus grande vitesse de soudure possible sans affouillement est de 102 cm par minute dans le cas d'argon seul, alors que cette vitesse est de 508 cm par minute quand.on utilise de l'hydrogène comme agent de protection avec environ la même intensité de courant de soudure.
Ces grandes vitesses de soudure sont possibles grâce à la tension élevée pouvant être utilisée dans une atmosphère contenant de l'hydrogène. Le tableau III montre aussi que, pour une longueur d'arc fixe, la tension est de 10 volts pour l'argon et de 32 volts pour l'hydrogène.
L'effet de l'addition d'hydrogène respectivement à l'argon et à l'hélium sur la tension de l'arc est donné par les courbes 58 et 60 de la figure 3 qui ont été obtenues avec une vitesse de soudure de 102 cm. par minute et dans le cas d'une tôle d'acier inoxydable d'une épaisseur de 1,6 mai. d'un courant continu de 120 ampères,d'une électrode négative et d'une longueur d'arc fixe de 1,9 mm., le débit étant de 1.132 litres/heure.
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TABLEAU III Vitesses de soudure maxima et coût proportionnel du gaz utilisé dans le cas de différentes atmosphères (dépôt en surface sur tôle d'acier inoxydable)
EMI10.1
<tb>
<tb> Vitesse <SEP> Courant <SEP> Tension <SEP> Coût
<tb> Atmosphère <SEP> cm/min <SEP> amps. <SEP> Volts <SEP> proportionnel
<tb> Argon <SEP> 102 <SEP> 160 <SEP> 10 <SEP> 1
<tb> Hélium <SEP> 152 <SEP> 175 <SEP> 16 <SEP> 0,67
<tb> 65% <SEP> A <SEP> - <SEP> 35% <SEP> H2 <SEP> 279 <SEP> 170 <SEP> 19 <SEP> 0,08
<tb> 65% <SEP> He <SEP> -35% <SEP> H2 <SEP> 305 <SEP> 140 <SEP> 20,5 <SEP> 0,17
<tb> Hydrogène <SEP> 508 <SEP> 140 <SEP> 32 <SEP> 0,03
<tb>
Un résultat supplémentaire inattendu a été obtenu quand on utilise de l'hydrogène en combinaison avec de l'argon, en ce que le débit de gaz requis peut être notablement réduit.
Comme le tableau II le montre, le débit requis pour l'argon est de 425 litres heure tandis que, si on utilise 65% d'argon et 35% d'hydrogène, le débit requis n'est plus que de 85 litres/heure. Un autre intérêt. des atmosphères contenant de l'hydrogène est indiqué dans la colonne (Coût proportionnel) du tableau III. Le coût d'utilisation d'un mélange de 65% d'argon et 35% d'hydrogène n'atteint environ que 8% du coût de l'argon et l'hydrogène pur n'atteint qu'environ 3% du coût de l'argon.
Comme l'addition d'hydrogène en toutes proportions augmente la tension représentée graphiquement sur la figure 3, l'addition de 1 à 100%.d'hydrogène à de l'argon ou de l'hélium a toujours un effet favorable sur la vitesse de soudure- En utilisant les techniques spéciales précitées, l'importance de la porosité peut être réglée à volonté pour n'importe quelle-addition d'hydrogène..
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.