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Fil de soudure pour souder à l'arc électrique de l'acier en lithosphère de gaz protectrice.
L'invention concerne des fils ou baguettes de soudure . pour souder automatiquement ou semi-automatiquement de,l'acier à l'arc électrique dans une atmosphère de gaz protectrice constituée par de l'anhydride carbonique.ou par un gaz inerte et en particulier par de 7,'argon éventuellement en mélange avec l'oxygène ou par des mélanges de ces gaz. Des exemples de mélanges gazeux connus sont 95% C02 + 5% O2, 95% A et 5% O2, 80% A + 15% CO2 + 5% O2 et 89% A + 6% CO2 + 5% 0 , Les gaz protecteurs doivent évidem-, ment être aussi exempts que possible d'hydrogène et d'azote et de leurs composés qui ont,comme on le sait, un effet défavorable sur la qualité de la soudure.
Les réactions dans le métal fondu formant de l'oxyde
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de carbone,qui est à l'origine de la porosité de la soudure,peuvent être empêchées, comme on le sait à l'aide d'un fil de soudure en acier ayant une faible teneur en carbone normale, de moins de 0,15 %, et , comprenant,outre du manganèse, au moins un élément désoxydant et en particulier du silicium et de plus par exemple, du titane, de l'aluminium, etc.
Lorsqu' on utilise pour souder de l'acier en atmosphè' re de gaz protectrice, des fils de soudure en acier ayant une teneur en silicium d'environ 0,5 à 2% et une teneur en man- ganàse d'environ 1 à 3%, on obtient des soudures ayant de bonnes propriétés mécaniques. Toutefois la résistance au choc sur éprou vette entaillée aux basses températures laisse alors en général à désirer.
Pour obtenir une soudure ayant unè composition suf- fisamment adaptée à celle du métal de la pièce ou une soudure ayant des propriétés particulières,on peut utiliser un fil de soudure ayant une certaine teneur en autres onstituants d'alliage, par exemple en silicium ,en manganèse, en chrome, en nickel, en molybdène, etc., étant entendu que pour le choix des quantités des constituants d'alliage, il faut tenir compte d'une combustion partielle pendant le soudage.
En outre, on sait déjà que pour le soudage de l'acier à l'air, on peut utiliser un fil de soudure tubulaire rempli régulièrement sur toute sa longueur d'un mélange pulvérulent de substances désoxydantes et stabilisant l'arc qui forment un laitier, et éventuellement de poudres métalliques. Les métaux désoxy- dants et les métaux d'alliage peuvent être compris également en tout ou partie dans le métal de l'enveloppe comme constituants d'alliage,
Comme on le sait, .du fil de soudure de ce genre peut être obtenu en laminant et/ou en étirant un lingot comportant une cavité remplie d'un mélange pulvérulent,au en enfermant par pliage ouenroulage un mélange pulvérulent dans un ruban métalli- que,puis en exécutant l'étirage jusqu'au diamètre que do@it avoir le fil.
L'utilisation de ce fil permet de protéger pendant le
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soudage le métal fondu contre l'action de l'air et en particu- j lier de l'azote par la' formation d'un laitier et d'obtenir une soudure dont les propriétés et le profil sont favorables. En général, ce procédé ne permet toutefois pas d'obtenir des va- leurs acceptables pour la résistance au choc sur éprouvette en- taillée aux basses températures. Un autre inconvénient est la grande quantité de laitier qui exige un important accroissement de l'énergie consommée pendant le soudage et qui doit être élimi- .né ensuite, contrairement au cas du soudage en atmosphère de gaz.protectrice à l'aide d'un fil de soudure en acier homogène.
En outre, on connaît déjà l'utilisation d'un fil de sou- dure rempli d'un mélange formant un laitier pour le soudage en atmosphère de gaz protecteur,de façon à combiner les avantages des deux procédés.
A cette fin on a décrit des remplissages qui contien- nent des mélanges de fondants.d'une utilisation classique pour enrober les baguettes de soudure, et comprenant des mélanges de fondants du type du rutile ou du type basique, évidemment exempts d'hydrogène et de préférence non hygroscopiques.Dans le cas où. on utilise à cette fin des mélanges basiques, le remplissage du fil comprend un mélange formant un laitier et contenant 20 à 60% en poids du remplissage,d'un fluorure alcalino-terreux et en particulier de CaF2, et un agent désoxydant, éventuellement .en présence de poudre de fer et d'éléments d'alliage. Comme autre substance formant laitier, on a cité à cette fin, notamment, le
CaCO3.
L'épaisseur de l'enveloppe métallique de ces fils de soudure connus représente moins du quart du diamètre total du.fil.
Pour ces fils de soudure connus, si on ne tient pas compte des substances désoxydantes et constituants d'alliage et si on considère que la densité àu remplissage est de 80% seulement (c'est-à-dire qu'il y a 20% de 'lacunes), on peut déduire de ces don- nées,par des calculs simples, le pourcentage minimum possible en
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CaF 2 eten CaCO3 sur la base du poids total du fil.
Ces compositions limites s'établissent sur une droite unissant les points 3,42 CaF2-O CaCO3 et 1,83 CaF2 - 7,34 CaCO3, à savoir les points P et Q respectivement du diagramme du dessin annexé. Ces compositions satisfont à la condition
4,7 CCaF2 J + [CaCO3] = 16.
Ces fils de soudure de type èonnu permettraient d'em- pêcher les projections susceptibles de se produire lors du soudage' en atmosphère de gaz protectrice l'aide d'un fil de soudure en métal homogène qui permettrait d'augmenter les intensités de cou- rant de soudure. Toutefois, les inconvénients liés à la présence a'une quantité relativement abondante de substances formant un lai- tier subsistent.
Enfin, on connaît également pour la soudure automatique . ',; à l'arc de l'acier en atmosphère de gaz protectrice, constituée par de l'anhydride carbonique ou des mélanges contenant de l'anhydride carbonique, une électrode composite comprenant un , remplissage qui contient,outre des métaux réducteurs et éven- , tuellement des agents stabilisant l'arc, 30 à 80% d'oxyde de métal alcalino-terreux. Dans ce cas, *la surface de la section du rem-. ' plissage ne représente que 0,2 à 5% du total.
Si on choisit comme, ,1 oxyde àe métal alcalino-terrex le CaO qu'on met en oeuvre sous firme de CaC03, on peut calculer que ces fils,qui ne contiennent pas de fluorure,ont une teneur en CaC03 de quelques # à environ 3% du poids total du fil. C,es compositions se trouvent sur la ligne OS du diagramme annexé.
A l'aide de ce fil à très faible teneur en substances formant un laitier, on cherche à améliorer les propriétés de la soudure et la ,'possibilité de travailler en courant alternatif.
Au cours d'expériences qui ont conduit à l'invention, on a découvert l'utilité particulière,pour le soudage en atmosphère de gaz protectrice,de fils de soudure comprenant un remplissage dont le constituai formant le ,laitier est basique et est formée
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en particulier par du CaCO3 et du CaF2 dans des proportions rapportées au poids total du fil,comprises entre les valeurs connues des deux cas particuliers envisagés.
Il est apparu qu'on peut alors obtenir des soudures ayant des caractéristiques très favorables pour la résistance au choc sur éprouvette entaillée aux basses températures,ainsi que de bonnes propriétés. En outre, le pourcentage de substances mir.érales formant du laitier est toujours relativement faible dans ce cas,de sorte que les inconvénients résultant de la pré- sence d'une grande quantité de laitier sont également limités à un minimum :acceptable.
L'invention,qui est fondée sur cette découverte, con-, cerne un fil de soudure en acier convenant pour souder à l'arc électrique de l'acier en atmosphère de gaz protectrice et. en particulier d'anhydride carbonique et de mélanges gazeux en contenant, constitué par une enveloppe en acier remplie d'une masse pulvérulente pauvre en hydrogène qui contient du carbonate de calcium et du fluorure de calcium, des agents stabilisant l'arc, un métal désoxydant et éventuellement un métal d'alliage et/ou du fer, caractérlsé en ce que le pourcentage de carbonate de calcium et de fluorure de calcium du remplissage rapporté au poids total du fil satisfait simultanément aux conditions [CaCO3] compris entre 0,5 et 7, [CaF2] supérieur à 0,5,ainsi que [CaCO3] + 4,7 [CaF2] inférieur à 16.
L'intervalle de compositions suivant l'invention est représenté par le quadrilatère ABCD en ce qui concerne la teneur en CaCO3 et CaF2.
Etant donné que la combustion des métaux désoxydants et de certains métaux d'alliage est diminuée par la présence de CaF2, on choisit en général des pourcentages plus élevés en ces métaux ' lorsque la teneur en CaF2 est faible,et réciproquement. En outre, les quantités des métaux cités,tenant compte de la combustion, sont choisies en fonction de l'adaptation normale du métal de la
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soudure à la composition de la pièce et/ou en fonction des pro- priétés que doit avoir la soudure, Les agents désoxydants et alliants requis peuvent évidemment faire partie de l'enveloppe métallique et/ou du remplissage.
On obtient d'excellents résultats en ce qui concerne le rendement lors du soudage et le profil de la soudure et,en particulier , la résistance au choc sur.éprouvette entaillée aux basses températures à l'aide d'un fil dont la teneur en car- bonate de calcium est comprise entre 2 et 4% du poids total du fil. Cet Intervalle de composition est représenté dans le diagram- me du dessin par le quadrilatère EFGH.
De bons résultats sont obtenus avec le fil de soudure suivant l'invention déjà pour des soudures en un seul cordon.
Cela est important pour la soudure en coffrage et pour la soudure', ascendante verticale donnant habituellement des structures cristallines grossières connues pour leur médiocre résistance au choc sur éprouvette entaillée. Pour la même raison, la soudure horizontale à l'aide d'une électrode suivant l'inven- tion peut se faire en un nombre moindre de couches ou'en couches plus épaisses.
L'avantage de l'amélioration de la résistance au choc sur éprouvette entaillée pour des soudures en un seul cordon ressort également lors de la soudure en plusieurs couches étant donné que la couche extérieure présente également la structure du cordon unique.
L'amélioration de la ductilité du métal d'apport res- sort non seulement de l'élévation de la résistance au choc sur éprouvette entaillée et de l'abaissement de la température de transition à la cassure fragile d'une telle soudure, mais égale-- ment de l'abaissement de la température d'arrêt du métal d'apport par le procédé de Robertson. Comme on le sait, on détermine dans ce procédé,sur des éprouvettes relativement grandes, la tempéra- ture à laquelle une déchirure de fragilisation amorcée dans le
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métal d'apport ne se propage pas plus loin.
Un effet remarquable est que le fil suivant l'inven- tion permet d'obtenir en utilisant de l'argon,sans apport d'oxy- gène et/ou d'anhydride carbonique comme gaz protecteur , des soudures sur acier de bonne qualité,au contraire du résultat obtenu avec du fil d'acier homogène. Ce phénomène est dû peut-être à la présence de l'anhydride carbonique se dégageant dans l'arc aux dépens du CaCO3 lorsqu'on utilise un fil de soudure suivant l'invention.
Le CaCO3 dans le fil de soudure peut être remplac4 en tout ou partie par un ou plusieurs des autres carbonates al- calins ou alcalino-terreux ou par des composés correspondants, qui se décomposent comme les carbonates en oxyde dans l'arc, par exemple, les oxalates.
De même, le CaF2 peut être remplacé par d'autres sub- stances qui diminuent la viscosité du laitier. A cette fin conviennent non seulement les fluorures de métaux alcalino-ter- reux et alcalins,mais également des fluorures complexes comme la cryolite,ainsi que des substances comme Al2O3, SiO2 et TiO2 qui peuvent former un laitier à bas point de fusion avec l'oxyde de métal alcalino-terreux apparaissant dans l'arc.
L'invention est davantage illustrée par les exemples suivants.
Les valeurs indiquées pour la résistance au choc sur éprouvete entaillée à diverses températures sont mesurées sur des éprouvettes de 10 mm x 10 mm x 55 mm comportant une entaille en V d'un angle d'ouverture de 45 , d'une profondeur de 2 mm et ayant un rayon de courbure au fond de 0,25 mm (entaille en V de Charpy). Les 6prouvettes sont prises dans le métal et la soudure perpendiculairement à la direction de soudage et l'entaille en V est usinée au milieu de la soudure perpendiculairement à la sur- face de la soudure. Les valeurs indiquées dans lestableaux suivants sont,à quelques exceptions près,les moyennes de trois ou
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quatre déterminations.
, Le tableau I donne les résultats obtenus sur des sou- dures exécutées en coffrage, en présence d'anhydride carbonique comme gaz protecteur,sur des plaques d'acier .de 25 mm ayant la composition 0,6% de Mn, 0,04% de Si, 0,13% de C, le reste étant du fer (St. 37); la largeur de la fente est d'environ 13 mm et le courant de soudage est d'environ 400 A.
Comme on le sait au cours du soudage en coffrage, la distance entre les deux plaques d'acier disposées verticale- ment est remplie en une passe et le métal d'apport fondu est retenu par des blocs de cuivre..
Le tableau indique dans la première colonne les numéros d'un certain nombre d'expériences, dans la deuxième colonne, la composition brute en % ,du poids'total du fil,et dans la troisième colonne, les valeurs pour la résistance au choc sur éprouvette entaillée (entaille en V de Charpy) à diverses températures.
Le tableau donne d'abord les résultats obtenus avec des fils ayant des compositions suivant l'invention (n 1 à 12) tombant toutes dans le quadrilatère'ABCD du diagramme. Il en ressort que l'amélioration de la résistance au choc sur éprouvette entaillée est maximum pour une teneur en CaCO3 de 2% et davantage (n 4 à 12). En ce qui concerne les compositions àfaible teneur en substan- ces formant un laitier.on préfère toutefois accorder la préférence à une composition ayant une teneur en CaCO3 de 2 à 4%, tombant, ' ,,' dans le quadrilatère EFGH du diagramme (n 4 à 10).
On cite, en outre, un groupe de compositions (n 13 à 19) tombant en dehors du domaine ABCD suivant l'invention. One comparaison avec les compositions suivant l'invention (n 1 à 12) fait ressortir qu'on obtient des résultats moins favorables avec le fil sans CaC03 ni CaF2(n 13), avec le fil contenant du CaF2 uniquement-.
(n 14 et 15) et avec le fil contenant du CaF2 et du CaC03 en proportions autres que suivant l'invention (n 16 à 19). Les ef- fets diminuent en présence d'une quantité excessive de CaF2 ou de ¯ ) CaCO3.
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TA TABLEAU TABLEAU I
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<tb> N <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> poids <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> sur
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<tb> 7 <SEP> 1,6 <SEP> 0,7 <SEP> 2,8 <SEP> 1,1 <SEP> 3,4 <SEP> 9,1 <SEP> 10,2 <SEP> 14,0
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8 le6 0,8 2,9 2,4 3,1 9,3 11,0 13,1 ) 9 1,6 0, 8 4,0 0, 6 ' 1,1 4,9 5, 0 gag 10 1,7 0,8 y '':
x,0 2,0 1302 11 1,6 0,9 6,0 le4 1,4 6,7 8,2 12,9 . 12 1,6 0,8 7,1, 1,5 3,4 7,1 11,1 13 1,6 o,8 '," 1,2 1,9 42 1,...-1.,6 0,8 0,6 1,7 4,7 15 1, 8 0 ,9 3,2 1,7 2, 9 8, lu
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17 1,6 0,8 5,0 5,0 2,0 3,1 5,7
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19 1,7 0,8 9,2 3,1 1,1 3,6 3,7 9,6
Le tableau Il donne les résultats obtenus avec des soudures en coffrage en atmosphère de CO2 pour diverses es- pèces d'acier en utilisant du fil suivant l'invention (n 21, 22, 23 et 25).
Pour établir la comparaison, on donne également quelques résultats obtenus avec des fils ne contenant ni CaCO3 ni CaF2
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TABLEAU-11
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<tb> N <SEP> Variété <SEP> d'acier <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc
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Mn Si caco 3CaF2 -50 C -30 C -10 C +20 C 20 St 52.25 mm 1,6 0,8 1,0 2,2 21 St 52 19 mm le 4 0,7 z 0,7 3,2 4o5 8,7
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<tb> reste <SEP> Fe)
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Le tableau III donne les résultats obtenus avec du fil d'acier allié pour la soudure en coffrage en atmosphère de CO2 pour diverses variétés d'acier (n 26 et 27). Pour établir
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la comparaison,' on donne le résultat obtenu avec un fil sans CaC03 ni.CaF. n 28).
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TABLEAU III
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<tb> N <SEP> Variété <SEP> d'acier <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc
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<tb> poids, <SEP> le <SEP> reste <SEP> sur <SEP> éprouvette <SEP> en-
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<tb> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> taillée, <SEP> en <SEP> kgm/cm2
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Le tableau IV donne les résultats pour des soudures en coffrage en atmosphère d'anhydride carbonique sur de l'acier 1 St. 37 en plaques de 25 mm en utilisant des électrodes suivant
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l'invention dont le CaC03 ou le CaF2 sont remplacés en partie par d'autres carbonates,fluorures ou oxydes ayant pour effet d'abaisser le point de fusion du laitier.
TABLEAU IV
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<tb> N <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> poids, <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> sur
<tb> le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> éprouvette <SEP> entaillée,
<tb> kgm/cm2
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Mn Si Constituants minéraux -50 C -300C -100C +20QC 29 1,5 0,8 3,9BaCO 3 - 0,6 CaF2 1,7 3,3 5,6 12,1 30 1,5 0,7 2,75rC0j - 0,( CaF2 3,8 8,0 7,8 31 1,5 0,7 2,t3CaC03 - lui SrF2 1,5 3,2 6,9 1438 32 1,6 0, 8 2, 9CaC03 - 1, 9NaAlF61 3,7 6, in 33, b 33 le6 008 3,OCaCO3 - 1,5 A1203 3el 7,4 lle7 z 1,6 0,8. 2,7CaC03 - 1,8 Na2C03 1,2 3,4 z,0 7,7 35 1,6 0,8 2,OCaig(C03)2-0,9CaF2 .
1,7 4,6 11,7 36 1,8 0,9 2,5CaC03-0,7raF2-0,5Si02 5,5 11,6
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Le tableau V donne des résultats obtenus sur des sou- dures faites horizontalement en plusieurs couches en utilisant du CO2 comme gaz protecteur, Ces soudures sont exécutées en un cordon en V d'un angle d'ouverture de 70 dans un chanfrein de .
10 mm dans de la plaque d'acier St. 37 de 16'mm. La soudure comprend neuf cordons en cinq couches (1-1-2-2-3) les délais étant de 20 minutes entre les couches successives.
Les soudures n 37 et 38 sont faites à l'aide de fils suivant l'invention. On donne également à titre de comparaison les résultats obtenus à l'aide d'un fil sans CaCO3 ni CaF2 (n 39).
TABLEAU-
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<tb> N <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> poids, <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> sur,
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<tb> le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> éprouvette <SEP> entaillée,
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<tb> 39 <SEP> 1,6 <SEP> 0,
8 <SEP> 4,2 <SEP> 8,1 <SEP> 11,3
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Le tableau VI donne quelques exemples de soudures en plusieurs couches plus simples.On exécute des soudures en V d'un angle d'ouverture de 70 dans des plaques d'acier St. 41 de 12 mm convenant pour des applications à -60 C. L'acier comprend 1,2% de Mn, 0,07% de Si,0,12% de C, le reste étant du fer. Les soudures sont exécutées horizont alement en deux couches avec une intensité de 180 A (n 40 et 42)et en trois couches ascendantes verticalement avec une intensité de 110 A (n 43).
Il ressort des expériences 40, 41@et 42 qu'en.utilisant à peine 0,3% de CaF2 et 1,4% de CaCO3, on obtient déjà une amélioration de la résistance au choc sur éprouvette entaillée et que celle-ci augmente nettement par élé-
<Desc/Clms Page number 13>
, vation de la teneur en manganèse et que les meilleurs résultats sont obtenus avec du fil contenant 4% de CaCO et0,6% de CaF2.
TABLEAU VI
EMI13.1
<tb> N <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> poids. <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> sur
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> le <SEP> reste <SEP> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> éprouvette <SEP> entaillée,
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> kgm/cm2
<tb>
EMI13.2
Mn Si CACO 3 CaF2 --60 C -50 C -30 C -10 G +20 C 40 1,6 0,8 1,4 0,3 1,4 5,6 11,2 41 2, 0 0, 8 1,4 0, 3 2, 8 4,1 7, 8 lue6 42 1,6 0,8 2,0 o, 6 . 6,4 7,4 la,6 43 1,6 0,8 2,0 0,6 , 6,3 8i9 12,5 14,1
Le tableau VII indique des résultats obtenus sur des soudures faites dans des gaz protecteurs autres que CO2.
Les soudures sont exécutées sur de la tôle d'acier St. 41 de 12 mm . ' (1,2% de Mn, 0,07% de Si, Oel2% de C, le reste étant du fer), la soudure ayant la forme d'un V d'une ouverture de 70 et étant faite à deux couches à l'aide d'un courant de 180A,
TABLEAU VII
EMI13.3
<tb> N <SEP> Composition <SEP> en <SEP> % <SEP> en <SEP> Résistance <SEP> au <SEP> choc <SEP> sur
<tb>
EMI13.4
poids, le résie Gaz pro- éprouvette entaillée,
EMI13.5
<tb> étant <SEP> du <SEP> fer <SEP> tecteur <SEP> kgm/em2
<tb>
<tb> Mn <SEP> ^Si <SEP> CaCO3 <SEP> CaF2 <SEP> -60 C <SEP> -50 C <SEP> -30 C <SEP> -10 C
<tb>
EMI13.6
44 ls55 0,77 2,0 Oe6 argon 3,4 4e8 6,7 9,3 45 1, 7 0, 86 2, ? 1,1 Co 2 +5% 0 2 4,1 .6, 2 11,0 12,
te6 1, 7 0, t36 2, 7 1,1 80,A + 15C02 3, 2 5,6 7, 2. 13, 3
EMI13.7
<tb> % <SEP> 5% <SEP> O2
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On donne, en outre, les résultats cessais de traction
Une éprouvette pour essai de traction (diamètre 8 mm, longueur
5 diamètres) est taillée au milieu et dans le sens longitudinal d'une soudure faite par le procédé décrit à propos du tableau V dans de la plaque d'acier St. 37 de 16 mm en utilisant un fil de soudure de composition n 37 :
Résistance à la traction 48,8 kg/mm2
Limite de fluage 38,7 kg/mm2 '
Allongement 31,2% Contraction 70%