Procédé pour travailler par fusion une pièce au moyen d'un arc électrique et appareil pour sa mise en ouvre Le présent brevet additionnel a pour objets un procédé pour travailler par fusion une pièce au moyen d'un arc électrique et un appareil pour sa mise en ouvre. Le procédé selon le brevet principal est caracté risé en ce qu'on fait passer un arc, formé entre une électrode non consumable disposée axialement dans une tuyère et un organe constituant une seconde élec trode, avec un courant de gaz à travers un passage de ladite tuyère agencée de manière à produire un rétré cissement dudit arc, de sorte que la tension par unité de longueur de l'arc ainsi rétréci est supérieure à celle d'un arc non rétréci transportant la même quantité de courant,
produit à l'extérieur d'une tuyère dont la section de passage est égale à la section dudit passage, et protégé par un courant de gaz de la même composition et s'écoulant à travers cette tuyère à la même vitesse, et en ce qu'on dirige contre la pièce le jet constitué par l'arc et le gaz quit tant ledit passage.
L'appareil pour la mise en ouvre de ce procédé défini dans le brevet principal est caractérisé en ce qu'il comprend un chalumeau à arc contenant une électrode non consumable en forme de baguette dis posée axialement dans une tuyère présentant un pas sage agencé de manière à conduire un courant de gaz et à produire un rétrécissement d'un arc formé à tra vers ce passage entre cette électrode non consumable et un organe constituant une seconde électrode,
la surface de la section transversale la plus faible dudit passage étant inférieure à la surface de la section transversale d'un arc semblable, mais non rétréci, mesurée à la même distance de l'extrémité de l'élec trode non consumable. On a perfectionné ce procédé et cet appareil, selon le présent brevet, en faisant avancer un fil électrode consumable dans une partie de l'arc située à l'intérieur de la tuyère. Ce procédé permet d'obte nir un jet de métal fondu pulvérisé.
Le procédé selon le présent brevet est caracté risé par le fait qu'on introduit et fait avancer un fil électrode consumable, relié électriquement à ladite seconde électrode, latéralement à travers la paroi de la tuyère dans une partie de l'arc située à l'intérieur de la tuyère, dont le passage présente une partie rétrécie, l'arc étant dirigé vers la pièce à travailler de façon à déposer le jet de métal fondu pulvérisé ainsi formé sur ladite pièce.
L'appareil selon l'invention pour la mise en oeu- vre de ce procédé, dans lequel l'extrémité de ladite électrode non consumable est située au voisinage de l'entrée de ladite partie rétrécie du passage de la tuyère, ledit appareil comprenant une source de cou rant reliée d'une part à l'électrode non consumable et d'autre part soit à la tuyère et à un fil-électrode consumable, soit à la fois à la tuyère, au fil électrode consumable et à la pièce à travailler, et des moyens pour faire avancer le fil-électrode consumable dans l'arc,
est caractérisé par le fait que la tuyère com prend un passage latéral à travers lequel le fil-élec- trode consumable pénètre dans ladite partie de l'arc située dans la tuyère.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, des mises en #uvre du procédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue partielle, en coupe verticale, d'une forme d'exécution de l'appareil selon l'inven tion, et les fig. 2, 3 et 4 sont des vues analogues de variantes de cette forme d'exécution.
A la fig. 1, l'appareil A comprend une baguette 10 servant d'électrode négative disposée coaxiale- ment à une tuyère 11 servant d'électrode positive. Ces électrodes sont connectées à une source de cou rant électrique 12 par des lignes 13 et 14, respecti vement. Un courant de gaz s'écoule de haut en bas à travers l'espace annulaire compris entre la baguette 10 et l'alésage 15 de la tuyère 11. Ce gaz peut être n'importe quel gaz approprié de protection de l'arc, tel que l'argon, l'hélium, l'azote ou l'hydrogène.
Il est avantageux d'avoir un peu d'hydrogène dans le mélange gazeux lorsque cet hydrogène est acceptable du point de vue métallurgique, pour augmenter le débit de fusion du fil, sous l'effet de l'augmentation de chaleur due à la formation d'hydrogène atomique dans l'arc, et de sa recombinaison ultérieure sur la matière pulvérisée ou au voisinage de celle-ci.
On fait avancer un fil consumable 16, au moyen de galets 17, à travers un passage latéral P ménagé dans la paroi de la tuyère 11, jusque dans un passage rétréci de cette tuyère. Le fil 16 est représenté comme entrant dans la tuyère sous un angle aigu par rapport à l'horizontale. Le niveau dans le sens vertical, auquel le fil pénètre dans la tuyère, est choisi en un point donnant le maximum de satisfaction pour des dimen sions et une configuration données de la tuyère.
Le fil est ainsi mis en place aussi près que possible du point de rétrécissement ou d'étranglement maximum de: l'arc et de concentration maximum del'énergieciné- tique. Le fil 16 est en contact électrique avec la tuyère 11 et peut ainsi servir d'électrode quand il pénètre dans le passage rétréci. L'arc 19, qui passe initialement entre les électrodes 10 et 11, tend alors à se diriger en partie sur le fil 16.
Le métal fondu provenant du fil 16 est alors projeté sous la forme d'un jet à grande vitesse 20, avec le courant gazeux. La tuyère 11 est refroidie au-dessous de son point de fusion, en faisant passer un fluide de refroidisse ment, tel que de l'eau, d'un orifice d'entrée 21, par un passage 22, vers un orifice de sortie 23. Un écran de réception ou support approprié R est disposé sous l'appareil A dans la zone dans laquelle le jet 20 con tenant le métal pulvérisé est déchargé.
La vitesse d'avancement du fil 16 est réglée en combinaison avec l'énergie électrique pour mainte nir la pointe fondue du fil sensiblement sur l'axe du passage ménagé dans la tuyère. Ceci a pour résultat de placer le jet de métal sensiblement en alignement avec l'axe longitudinal de ce passage. Une vitesse d'avance trop lente se traduit par un jet de grosses particules sous un certain angle par rapport à l'axe, ce jet étant déporté vers la droite par rapport à cet axe.
Si l'on augmente la vitesse d'avance au-delà des conditions optimum, on obtient la même pulvérisa tion qu'avec une vitesse d'avance trop faible à ceci près que le jet est déporté de l'autre côté de l'axe. Ces deux conditions sont évidemment indési rables. Des vitesses d'avance du fil consumable idéales sont de 635 cm par minute pour l'acier, 355 cm par minute pour un alliage de 80 0/o de nickel et 20 0/0 de cuivre, et 762 cm par minute pour l'aluminium, de telles vitesses ayant été utilisées avec succès avec un fil ayant un diamètre de 1,6 mm, et avec une puissance totale, en courant continu, de 10 KW, avec une baguette 10 de polarité négative.
L'appareil uti lisé, dans les conditions ci-dessus, avait une section de tuyère à l'endroit de l'étranglement, d'un diamètre de 3,2 mm et un angle du divergent égal à 30 .
Dans la forme d'exécution de la fig. 1, la tuyère et le fil consumable sont au même potentiel électri que. Ce montage permet d'obtenir une autorégulation efficace, en liaison avec l'avancement du fil, qui tend à maintenir la pointe fondue du fil sensiblement sur l'axe du passage de la tuyère. A mesure que le fil pénètre dans le passage longitudinal de la tuyère, il commence à transporter des quantités croissantes de courant. S'il s'étend au-delà de l'axe du passage, l'augmentation du courant, plus le chauffage dû à la résistance le long de la partie du fil qui fait saillie, plus une exposition plus grande au courant de gaz d'énergie cinétique élevée, augmentent la vitesse de fusion, et le fil fond plus rapidement jusqu'à ce que sa pointe soit revenue dans la position axiale.
Si la vitesse d'avancement du fil est ralentie, et si sa saillie dans la tuyère diminue, il absorbe moins de courant et la tuyère en absorbe davantage. L'effet global est de réduire le débit de fusion.
La partie du passage longitudinal de la tuyère, qui s'étend au-delà du fil sert à focaliser et à régler la position du jet de gouttelettes fondues. Le diver gent de sortie sert à réduire les obstructions indésira bles qui sont dues au dépôt de particules de métal fondu dans la tuyère. Ce divergent étale également la surface de l'électrode et diminue la densité de cou rant en contribuant à réduire l'érosion aux niveaux de courant élevés. Un divergent dans la tuyère per met encore d'atteindre dans certaines conditions. des vitesses de sortie du gaz supersonique qui accélèrent davantage la matière fondue dans le jet en produi sant un impact plus fort sur les pièces à travailler et des revêtements ou soudures plus denses.
Pour les raisons ci-dessus, on préfère par conséquent que l'ori fice de sortie de la tuyère ait une section transversale agrandie par comparaison avec la section de la tuyère au point de pénétration du fil consumable 16.
On obtient une protection supplémentaire par le gaz pour réduire au minimum la contamination du jet par l'air atmosphérique, en introduisant un gaz protecteur à la sortie de la tuyère, au moyen d'un dispositif d'alimentation creux 28 ayant la forme de l'extrémité terminale de la tuyère.
Suivant la fig. 2, le fil-électrode consumable 16 est isolé électriquement par rapport à la tuyère 11 servant d'électrode au moyen d'un élément isolant tubulaire 24 monté dans le passage latéral P. Les connexions électriques principales avec la source 12 d'alimentation de l'arc s'effectuent par la ligne 13 avec la baguette 10 et la ligne 25 avec le fil consu- mable 16. La tuyère 11 est reliée à la source d'éner gie par une résistance 26 qui tend à maintenir la tuyère à un potentiel inférieur à celui de l'électrode consumable.
L'appareil de la fig. 2 peut fonctionner avec des vitesses d'avancement du fil consumable supérieures à celles de l'appareil de la fig. 1, car on peut mainte nir des niveaux de puissance supérieurs sur le fil, sans endommager la tuyère. Ceci est très important quand les débits du fil atteignent 45,4 kg par heure, ou davantage. On maintient un arc pilote entre la baguette 10 et la tuyère pour effectuer le démarrage du procédé, et aussi pour maintenir un arc pour le cas où le fil 16 s'arrête ou vient à manquer pour une raison quelconque. On peut placer le contact électrique entre le conducteur 25 et le fil 16 à l'ex térieur de la tuyère afin d'augmenter le chauffage du fil par résistance.
Dans la variante représentée à la fig. 3, le prolon gement de, la tuyère 27 en aval du fil remplit la même fonction que les prolongements des tuyères des fig. 1 et 2, à savoir qu'il contribue à focaliser et à diriger le courant des particules fondues et de gaz vers un point voulu ou une surface voulue, et à réduire au minimum la contamination par l'air des particules fondues.
Dans l'appareil selon la fig. 4, le courant prove nant de la source se divise entre la tuyère 11, l'élec trode 16 formée par le fil consumable, et la pièce à travailler 29, grâce à un choix approprié des valeurs des résistances 26 et 30.
Les exemples donnés ci-après illustrent des mises en ouvre dans lesquelles on effectue un dépôt métal lique de surface sur des plaques de base métalliques. <I>Exemple 1</I> <I>Travail à l'arc avec fil-électrode consumable</I> <I>en alliage cuivre-nickel</I> (20 0/o<I>de cuivre,</I> 8001o <I>de nickel).</I> On utilise l'appareil suivant la fig. 1, avec cette exception qu'on utilise une tuyère à alésage recti ligne, c'est-à-dire à sortie non divergente. On fait pas ser un mélange gazeux de 5,66 m3 d'argon par heure et de 0,382 m3/h d'hydrogène, autour d'une baguette en tungstène thorié, d'un diamètre de 3,2 mm et on fait sortir ce courant gazeux par une tuyère ayant un passage non divergent d'un diamètre de 3,2 mm.
On fait jaillir un arc, en courant continu, sous 75 volts et 150 ampères entre ces électrodes, la baguette ayant une polarité négative. On fait avancer un fil en alliage de nickel et de, cuivre (80 0/o de nickel, 20 10/o de cuivre), d'un diamètre de 1,6 mm, à travers un pas sage ménagé dans le côté de la tuyère à la vitesse de 101 cm/min. On introduit, à titre de gaz additionnel de protection, de l'hydrogène, à un débit de 1,42 m3/h, dans l'orifice de sortie de la tuyère.
Le jet gazeux chaud et le jet pulvérisé de métal fondu pro venant du fil-électrode frappent alors une barre d'acier laminée à froid, cylindrique, ayant un diamè- tre de 1,27 cm, animée d'un mouvement de rotation et située à 2,54 cm de l'orifice de sortie de la tuyère. On a ainsi obtenu un alliage de revêtement dense, adhérent, ayant moins de 10/o de porosité et moins de 1 0/o d'oxyde à titre d'impuretés.
<I>Exemple II</I> <I>Travail à l'arc avec fil-électrode d'acier.</I>
On utilise l'appareil suivant la fig. 2. On fait pas ser un mélange gazeux à débits de 5,66 m3/h d'argon et de 0,396 m3/h d'hydrogène, autour d'une baguette en tungstène thorié, ayant un diamètre de 3,2 mm, et on a fait sortir ce mélange gazeux par un passage dans la tuyère ayant 3,2 mm de diamètre à l'étrangle ment, et une sortie divergente d'angle égal à 30 . On fait jaillir un arc, en courant continu sous 80 volts et 110 ampères, entre la baguette de polarité négative d'une part et le fil-électrode consumable et la tuyère d'autre part. Le fil-électrode consumable absorbe 100 ampères tandis qu'un courant de 10 ampères est fourni à la tuyère.
Le fil-électrode consumable est un fil de soudure en acier au carbone ayant un diamètre de 1,6 mm, déplacé à raison de 444,5 cm/min. A titre de gaz additionnel protecteur, on introduit de l'hydrogène à un débit de 1,42 m3/h dans l'orifice de sortie de la tuyère. Le jet gazeux chaud et le jet pul vérisé de métal fondu provenant du fil-électrode con sumable, frappent alors une barre d'acier R au car bone, ayant un diamètre de 1,27 cm, animée d'une rotation et placée à 2,54 cm de la tuyère.
Le revê tement d'acier sur acier, ainsi obtenu, est dense, adhé rent, et présente moins de 5 10/o de porosité et moins de 1 0/o d'oxyde à titre d'impuretés.
Les sections transversales des passages ménagés dans les tuyères décrites ci-dessus, sont circulaires mais d'autres formes, par exemple rectangulaires, carrées, ou ovales, peuvent être utilisées.