Procédé de soudure à l'arc et appareil pour la mise en ouvre de ce procédé. La présente invention concerne un procédé et un appareil pour la soudure à l'arc de mé taux tels que l'aluminium; les alliages d'alu minium, les aciers inoxydables, les alliages à haute température, les aciers faiblement alliés, le nickel, les aciers au nickel ou au carbone; et plus particulièrement un procédé et un appareil de soudure à l'arc des métaux et alliages au moyen d'une électrode métallique fusible en maintenant une atmosphère protec trice de gaz autour de. l'arc et des parties adjacentes de la pièce à souder.
Il a été possible jusqu'à présent de souder certains des métaux ou alliages précités avec une électrode en tungstène non fusible dans une atmosphère protectrice d'argon ou d'hélium. Une autre solution connue consiste à souder certains de ces métaux avec une électrode fusible de composition analogue à celle du métal à souder et en renversant la polarité du courant continu de soudure, c'est-à-dire en connectant la borne négative de la source de courant continu à la pièce à souder. Pour obtenir des soudures donnant satisfaction, on a employé des gaz monoato miques, de préférence d'un degré de pureté d'au moins 99,5 0/o.
Le remplacement partiel ou total de l'argon ou de l'hélium par d'autres gaz en vue de souder avec une électrode non fusible en tungstène n'a pas donné satisfac tion à cause de l'érosion rapide de l'électrode de tungstène, de la porosité du métal de la soudure ou de l'instabilité de l'arc qui en ré- sultent souvent. On connaît également un autre procédé connu de soudure à l'arc de l'aluminium ou des alliages d'aluminium avec un courant continu de polarité renversée et une électrode consommable en aluminium ou alliage d'aluminium, dans une atmosphère d'argon ou d'hélium ne contenant pas plus de 0,5 0/o d'oxygène ou d'azote.
L'électrode a la forme d'un fil et se consomme à une vitesse moyenne -d'au moins 2,54 m/min. avec des fils de charge d'un diamètre compris entre 3,2 et 0,8 mm. Suivant ce procédé, la densité de courant est suffisante pour projeter le métal. fondu sous forme d'une pluie de gouttelettes à partir de l'extrémité d'un fil de charge hori zontal sur une surface à souder verticale.
Pour exécuter cette opération de soudure .connue avec des électrodes en fil d'aluminium d'un diamètre de 1,6 mm, la relation entre la den sité de courant D dans l'électrode et l'avance ment B du fil a@été exprimée par la formule D=2,08 B+C dans laquelle D = la densité de courant en milliers d'ampères 'par cm2,. B = la vitesse d'avancement du fil en mimin. (au moins 2,54 m) et C. est une valeur qui varie entre -!- 1;2 et -1,2.
L'invention a pour objet un procédé de soudure à l'arc, dans lequel un arc jaillissant à l'extrémité d'une électrode en fil métallique fusible est protégé par un mélange d'oxygène et d'argon, et qui permet d'augmenter la te- neur en oxygène jusqu'à une valeur consi dérée jusqu'à présent comme nuisible. De même, lorsqu'on soude avec un courant con tinu de polarité directe , la vitesse d'avance ment de la tige, pour une densité de courant donnée, est beaucoup plus grande avec le pro cédé suivant l'invention que celle adoptée antérieurement et exprimée par la formule ci- dessus.
En conséquence, l'invention a pour objet un procédé de soudure à l'arc de l'aluminium, des alliages d'aluminium, des aciers inoxy dables, des alliages à haute température, des aciers faiblement alliés, du nickel, des aciers au nickel ou au carbone, qui consiste à faire passer entre une électrode métallique fusible et la pièce à souder un courant de soudure d'intensité suffisante pour faire jaillir un are dans lequel le métal fondu est projeté à par tir de l'extrémité de l'électrode sous forme d'un courant de particules séparées de métal fondu, avec une force suffisante poux com penser l'action de la pesanteur, et à protéger l'arc et le métal adjacent par une atmosphère de gaz inerte, ce procédé étant caractérisé en ce qu'on forme le gaz de protection d'un mé lange de 2 à 10 0/o en volume d'oxygène,
le complément étant formé d'argon.
Dans la plupart des applications, on pré pare d'avance le mélange de gaz de protec tion, qui contient de préférence de 4 à 8 /a d'oxygène, le complément consistant en argon et impuretés gazeuses éventuelles qui existent normalement dans l'oxygène et l'argon gazeux du commerce. La composition du mélange ga zeux d'oxygène et d'argon étant comprise entre ces limites, lorsque l'intensité du cou rant de soudure augmente, la vitesse de for mation du courant de particules fondues sé parées quittant l'électrode augmente progres sivement jusqu'à ce que l'intensité du cou rant atteigne une certaine valeur à laquelle la vitesse de formation augmente rapidement et atteint une valeur élevée. Une augmenta tion plus forte de la densité de courant ne paraît pas faire augmenter davantage la vi tesse de formation des particules fondues sé parées.
L'humidité contenue dans le mélange ga zeux d'oxygène et d'argon exerce une notable influence sur la porosité du métal de la son- dure, surtout, dans le cas de l'aluminium, et pour obtenir des soudures saines et non po reuses, il est préférable que le mélange de gaz de protection suivant l'invention soit. rela tivement sec et contienne moins de 2,08 g de vapeur d'eau pour 100 emü de gaz.
Suivant une variante d'exécution, L'élec trode métallique fusible avance automatique ment dans l'arc. précité protégé par l'atmo sphère gazeuse sous l'action des variations de tension existant entre l'électrode et la pièce, la vitesse d'avancement étant automatique ment réglée de façon à maintenir la tension de l'are à une valeur sensiblement constante.
Suivant une autre variante d'exécution, on amène dans la pièce et dans l'électrode le cou rant continu selon une polarité directe , c'est- à-dire que la pièce est connectée à la. borne positive de la source de courant de soudure; dans le cas de l'aluminium, on peut obtenir ainsi pour une densité de courant. de soudure donnée une vitesse d'avancement de la tige plus grande que lorsque la pièce et l'électrode sont connectées en polarité renversée .
L'invention a également pour objet un appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Les fig. 1 et 2 du dessin ci-joint illustrent le procédé et représentent, schématiquement et à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'appareil pour la mise en couvre de ce pro cédé.
Suivant la fig. 1, un arc 10 jaillissant entre l'extrémité d'une électrode 12 métallique fusible, nue, et la pièce 14 à souder est. ali menté par un courant continu provenant d'une source 16. Une borne de la source est connectée à la pièce 14 par un conducteur 20, tandis que l'autre borne est. connectée par un conducteur 18 à une borne 22 d'un pistolet de soudure en contact électrique avec l'élec trode 1.2. Un mélange gazeux composé d'argon et jusqu'à 101/o en volume d'oxygène arrive par un tuyau 28 dans un ajutage 24 du pis tolet de soudure.
Le mélange gazeux de l'atmosphère pro tectrice peut être préparé d'avance en alimen tant un mélangeur 26 avec de l'argon du com merce pur sortant d'un réservoir 30 et pas sant par un tuyau 32 qui comporte une sou pape régulatrice 34. L'oxygène arrive dans le mélangeur 26 en sortant d'un réservoir 36 par tin tuyau 38 contenant une soupape ré fulatrice 40. On obtient les proportions qu'on désire entre l'oxygène et l'argon en réglant les soupapes 34 et 40.
Le mélange gazeux d'oxygène et d'argon passe sous la forme d'un courant annulaire le long et autour de l'électrode 12 pendant que celle-ci avance dans l'ajutage 24 et pro tège l'arc et le métal fondu adjacent contre les impuretés atmosphériques. L'électrode de soudure 12, qui consiste en un métal sem blable à celui de la pièce à souder 14, est tirée à partir d'une bobine 44 par un galet 46 commandé par un moteur 48 et se déplace dans le pistolet de soudure au fur et à mesure de l'avancement de l'opération. Si on le dé sire, le moteur 48 peut être automatiquement sensible aux variations de la tension de sou dure et faire avancer l'électrode de faon à maintenir constante la longueur de l'arc.
La fig. 2 représente un pistolet 50 de sou dure à main en position de soudure de bas en haut. Une électrode 52 en fil métallique fusible nu est tirée à partir d'une bobine 54 par un mécanisme 56 d'avancement de l'élec trode commandé par un moteur 58 alimenté en énergie par des conducteurs 86. L'électrode 52 avance dans le pistolet à main 50 en se rapprochant de la pièce 60, laquelle est en un métal semblable à celui du fil 52. Le pis tolet est alimenté par un mélange d'oxygène et d'argon sortant d'un cylindre 62 par un tuyau 64. La composition du mélange de gaz comprimé à une haute pression appropriée dans le cylindre 62 est comprise entre les limites indiquées ci-dessus. Un régulateur de pression du gaz et un compteur de débit 68 sont disposés dans le tuyau à gaz 64.
Le pis tolet de soudure 50 et la pièce 60 sont con nectés à une source de courant continu telle qu'une dynamo 70 par des conducteurs 72 et 74. Un arc jaillit entre l'extrémité de l'élec trode 76 et la pièce 60, et l'arc ainsi que le métal adjacent sont protégés contre les impu retés de l'atmosphère par un courant annu laire du mélange de gaz précité.
La vitesse d'avancement de l'électrode est commandée automatiquement par un méca nisme 77 de réglage de la tension, susceptible de maintenir la tension de l'arc à une valeur ne différant pas de 0,5 volt d'une valeur choisie. La tension de l'arc est appliquée au mécanisme de réglage 77 par des conducteurs 78 et 80 connectés respectivement à la pièce et au pistolet, tandis que l'énergie électrique d'àlimentation du mécanisme de réglage 77 y arrive par des conducteurs 82. Le moteur 58 d'avancement de l'électrode est connecté au mécanisme de réglage 77 par des conducteurs 84.
On choisit la valeur de la tension de l'arc qu'on désire en manaeuvrant un bouton 88 du mécanisme de réglage 77. Le moteur 58 fait avancer l'électrode 76 vers la pièce 60 sous l'action de la tension de l'are à une vitesse telle que la tension de l'arc conserve sensible ment la valeur choisie et que, par suite, la longueur de l'arc soit sensiblement constante.
La soudure de l'aluminium en présence d'un mélange gazeux d'oxygène et d'argon a l'avantage de faire disparaître à peu près complètement la porosité, surtout dans les soudures à passes multiples, de doubler à peu près la vitesse de soudure par rapport à celle qu'on peut obtenir avec l'argon pur et de faire diminuer sensiblement la chaleur à la quelle l'opérateur est exposé. Lorsqu'il s'agit de souder l'aluminium, l'addition d'oxygène à l'argon a encore l'avantage de permettre de raccourcir l'arc, en obtenant ainsi une sou dure plus saine. L'atmosphère gazeuse d'oxy gène et d'argon de protection de l'arc permet d'augmenter de 100 0/o la vitesse de soudure à la main de l'aluminium.
L'intervalle entre le pistolet et la pièce étant de 2,54 cm, pour souder l'aluminium avec un fil de 1,6 mm de diamètre, sous une tension de l'arc comprise entre 23 et 27 volts et avec une intensité de courant de soudure comprise entre 150 et 220 ampères, il est possible d'exécuter des soudures saines avec des mélanges d'argon et d'oxygène secs contenant. de 2 à 5 % en volume d'oxygène et sous un débit. de 1,41 M3/heure. En soudant dans les mêmes conditions et en réduisant l'intervalle à 1,27 cm, on obtient quelques légères éclabous sures de métal fondu, mais on peut augmen ter la vitesse de soudure de 88,6 ou 1.02 cm par minute sans compromettre la qualité de la soudure.
Mais si l'on soude dans les mêmes conditions, l'intervalle étant de 1,27 cm et le mélange gazeux de protection d'oxygène et d'argon contenant phis de 71/o en volume d'oxygène, les éclaboussures augmentent nota blement et des traces d'oxydation apparais sent sur la surface du métal de la soudure.
Lorsqu'on soude l'aluminium avec du cou rant continu dont la borne positive de la source est connectée à la pièce et la borne négative à l'électrode (c'est-à-dire avec pola rité directe ), on constate qu'avec une élec trode en fil d'un diamètre de 1,6 mm, avec une vitesse d'avancement d'au moins 5,8 m/min. et une densité de courant supérieure à 3880 ampères par cm2, la relation entre la densité de courant et l'avancement de l'élec trode peut. s'exprimer par la formule sui vante D=2,08 B+C dans laquelle D = la densité du courant en milliers d'ampères par cm2, B = la vitesse d'avancement de l'électrode en m/min. et C est une valeur qui varie entre -6,7 et -16,2.
Pour éviter les inclusions d'oxyde dans l'aluminium fondu déposé, i1 convient, lorsqu'on emploie tune électrode de 1,6 mm de diamètre, de ne pas dépasser une vitesse de soudure de 12,7 m/min. ou une intensité du courant de soudure de 400 ampères.
En appliquant le procédé décrit à la sou dure des aciers au carbone ou des aciers fai blement alliés avec du courant continu, la. pièce étant positive par rapport à l'électrode (c'est-à-dire avec polarité directe ), et avec une électrode en acier au carbone ou en acier faiblement allié d'un diamètre de 1,6 mm, la relation entre la densité de courant et la vi- tesse d'avancement de l'électrode, cette vitesse étant au moins de 5,08 m/min. peut s'exprimer par la formule suivante:
EMI0004.0006
dans laquelle D et B ont la même significa tion que ci-dessus et A est une valeur qui va rie entre 1,5 et 3 pour les aciers au carbone faiblement alliés et entre 1,5 et 2 pour aciers inoxydables.
Lorsqu'il s'agit de souder l'acier le gaz de protection de l'arc contient, de préférence, environ 4 à 8% en volume d'oxy gène par rapport à l'argon. Par exemple, avec une électrode en fil d'acier inoxydable d'un diamètre de 1,6 mm et une vitesse de soudure de 7,62 m/min., sur une plaque en acier inoxy dable d'une épaisseur de 0,61 mm, on ob tient un cordon de soudure continu et lisse. Dans des conditions de soudure identiques ou analogues, mais dans lesquelles le gaz de pro tection consiste en argon pur, on obtient tune soudure discontinue formée par des gouttes séparées par un intervalle d'environ 4,7 mm.
En général, la polarité directe avec une atmosphère gazeuse de protection d'oxygène et d'argon, ainsi qu'il est décrit ci-dessus, per met d'augmenter, pour la même intensité du courant de soudure, la vitesse d'avancement de l'électrode de 20 à 70 par rapport aux procédés antérieurement connus de soudure à l'arc en atmosphère gazeuse protectrice, sui vant la nature des métaux à souder et la com position du gaz de protection de l'arc.