Procédé de soudage à l'arc et électrode pour sa mise en aeuvre L'invention comprend un procédé de soudage à l'arc, en courant continu à polarité directe entre une électrode consommable et un ouvrage, l'arc et la sou dure étant maintenus en atmosphère protectrice de gaz oxydant. Ce procédé peut être appliqué aux mé taux ferreux et en atmosphère de gaz carbonique comme gaz protecteur oxydant. L'invention comprend également une électrode pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Le gaz carbonique a déjà été proposé et est utilisé comme atmosphère protectrice de l'arc, à électrode consommable. Dans le cas de l'acier, l'anhydride car bonique est un gaz relativement inerte et s'est révélé comme constituant une atmosphère appropriée pour mettre la soudure à l'abri de l'air. Mais le C02 utilisé comme atmosphère protectrice a l'inconvénient ma jeur et quasi rédhibitoire que le transfert de métal de l'électrode à l'ouvrage se fait sous forme de globules et dans des directions absolument quelconques, ce qui rend l'arc instable et incontrôlable et rompt l'at mosphère gazeuse protectrice. Ledit procédé s'ac compagne donc d'une production considérable d'écla boussures qui adhèrent à l'ouvrage et s'accumulent dans la buse d'injection du gaz protecteur.
Ces incon vénients ont pu être surmontés en partie, suffisamment pour rendre le procédé utilisable en pratique, entre autres en maintenant un arc extrêmement court, à peu près complètement noyé sous la surface de l'ou vrage. Mais cette solution, qui s'est révélée industriel lement réalisable dans le cas du soudage mécanique où il est possible d'entretenir avec précision de tels arcs noyés , n'est cependant pas la solution la meilleure et, en tout cas, elle ne convient pas au soudage à main car l'ouvrier est incapable de conserver à l'arc la très courte longueur requise. En outre, avec un arc de cette courte longueur, le cordon de soudure est nécessairement étroit et surélevé, et le renforce ment voulu de la soudure ne peut pas être obtenu.
C'est pourquoi on a depuis longtemps cherché un procédé de soudage à l'arc à électrode consomma ble, en atmosphère de gaz carbonique ou autre gaz oxydant, dans lequel le transfert de métal de l'élec trode à l'ouvrage soit réalisé par jet axial finement pulvérisé. Ce transfert par jet de métal consiste en une succession de fines gouttelettes métalliques sépa rées projetées axialement de l'électrode vers l'ouvrage.
Outre les avantages que ce mode de transfert procure du point de vue de l'opération de soudage, le trans fert par jet assure le rôle important de permettre au métal fondu de franchir l'arc, à partir de l'électrode jusqu'à l'ouvrage, sans entraîner une instabilité quel conque de l'arc, sans courts-circuits et sans perturba tion de l'enveloppe de gaz protecteur. Ce mode de transfert donne un arc stable, régulier, dénué d'écla boussures, dans lequel le métal de soudure fondu et vaporisé est tenu constamment à l'abri de l'air par un courant continu et stable de gaz protecteur. C'est- à-dire que le transfert par jet pulvérisé axial dans des arcs protégés par le gaz carbonique éliminerait la nécessité d'entretenir un arc court ou noyé .
On connaît d'autre part, et on utilise largement, le soudage à l'arc à transfert par jet pulvérisé axial, à électrode consommable et protégé par un gaz inerte, par emploi d'une polarité inverse d'une forte densité de courant, et d'une atmosphère protectrice d'un gaz inerte tel que l'argon. Un tel procédé permet de réali ser des soudures excellentes sur tous métaux et en toutes positions. Le succès de ce procédé tient notam ment à la réunion de divers moyens qui coopèrent pour produire le transfert du métal par jet pulvérisé de l'électrode à l'ouvrage.
On réalise également déjà d'excellentes soudures avec transfert par jet pulvérisé, pour le soudage de tous métaux en toutes positions, en opérant avec une électrode continue protégée par un gaz inerte, en cou rant alternatif et à polarité directe. De tels procédés comportent l'addition à l'électrode travaillant en Ca thode, d'éléments qui se décomposent dans l'atmo sphère protectrice inerte ou pour libérer des éléments coopérant avec le métal de la cathode et le gaz pro tecteur pour produire le phénomère de transfert par jet pulvérisé.
D'une manière générale, on a suggéré d'ajouter des additifs pour l'arc à protection par gaz oxydant. Mais les conditions électriques et chimiques qui rè gnent autour de l'arc en atmosphère de gaz oxydant sont entièrement différentes de celles qui règnent dans le cas de l'arc en atmosphère inerte d'argon ; cette constatation explique sans doute le fait qu'un additif qui assure le transfert par pulvérisation dans le cas d'un arc à gaz protecteur inerte peut ne donner aucun résultat avantageux semblable dans le cas d'une atmosphère oxydante telle que le gaz carbonique, peut raisonnablement s'expliquer, malgré la similitude apparente au premier abord, par l'importante diffé rence des conditions régnant au voisinage de la ca thode dans les deux cas.
Pratiquement, tout composé métallique, exposé aux très hautes températures ré gnant dans la zone de l'arc de soudure se décompose en libérant un ion métallique positif. Dans une atmo sphère inerte, la concentration des ions métalliques non combinés est supposée rester élevée parce que, dans une telle atmosphère non réactive, l'équilibre aux températures élevées favorise de hautes concen trations en atomes et ions libres. C'est ce qui, dans les procédés précités, permet la formation d'une sur face cathodique composite fortement émissive, à con dition d'apporter les métaux appropriés.
Le film élé mentaire d'additif métallique formé sur le métal de base, à la condition que cet additif soit convenable ment choisi parmi les métaux alcalins, alcalino-terreux et terres rares, abaisse la fonction de travail et aug mente l'émissivité superficielle à l'emplacement con venable de la cathode. Mais si l'arc est protégé par une atmosphère oxydante telle que C02, l'équilibre est notablement déplacé en faveur de la formation d'oxydes et, pour cette raison, on suppose qu'il existe sur le métal de la cathode une quantité beaucoup plus grande d'oxydes métalliques, et beaucoup moins d'atomes et d'ions métalliques libres.
Rétrospective ment, cette situation apparaît comme l'une des prin cipales raisons qui ont fait que les agents pulvérisa teurs très efficaces en atmosphères inertes sont tota lement inefficaces pour le transfert par jet en atmo sphère de C02 ou en d'autres atmosphères oxydantes.
Quoi qu'il en soit, il n'a pas été possible jusqu'à présent de réaliser un dépôt de soudure exempt d'écla boussures en utilisant un arc à projection axiale à l'électrode consommable protégée par un gaz oxydant tel que le C02.
Le procédé que comprend l'invention est carac térisé en ce que l'on munit au moins l'extrémité de l'électrode d'un additif constitué par un composé du césium et un composé adjuvant coopérant avec le césium dans la zone de l'arc de manière à provoquer entre l'électrode et l'ouvrage un transfert du métal sous forme d'un jet axialement projeté de gouttelettes de métal.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une mise en aeuvre du procédé que comprend l'invention. Les fig. 1 et 2 sont des vues schématiques, res pectivement en élévation et en plan, d'une installation de préparation d'une électrode filiforme utilisée dans cette mise en aeuvre, et la fig. 3 est une vue schématique d'une installation pour l'application d'un additif à l'électrode filiforme. Le mode préféré d'introduction dans l'arc d'un additif de pulvérisation consiste à l'ajouter à la sur face de l'électrode constituée par un fil nu. Pour cela, on peut d'abord préparer la surface du fil, puis faire passer le fil décapé à travers une solution ou une bouillie de l'additif.
Les fig. 1 et 2 représentent schématiquement une installation destinée au nettoyage électrolytique de l'électrode filiforme en vue de préparer sa surface à recevoir l'additif. A cet effet, l'électrode filiforme 41 provenant d'une bobine 42 est passée dans un bain acide 43. Le fil est guidé à travers ce bain entre des électrodes 44, 45 au moyen de galets de guidage 46. Le bain peut comprendre, par exemple, environ 1,8 kg de trioxyde de chrome et<B>1,35</B> kg d'acide sulfurique dissous dans 26,4 litres d'eau. On fait passer dans le bain, entre les électrodes 44 et 45 un courant continu d'environ 100 ampères.
Le fil passe ensuite dans un bac d'eau de rinçage 47, puis dans un sécheur 48 où il est bien séché avant d'être réenroulé sur une bobine 49. La vitesse de passage du fil à travers cette instal lation de décapage acide peut être d'environ<I>6,25 ml</I> minute. De cette manière, la surface du fil est rendue sensiblement exempte de toutes matières étrangères et impuretés qui pourraient gêner l'application de l'ad ditif.
Le fil préparé de cette façon ou par toute autre méthode équivalente lui donnant une surface unifor mément mouillable par une solution de l'additif, est ensuite passé à travers une telle solution pour recevoir en surface une légère couche de celui-ci. Une installa tion appropriée à cette application est représentée à la fig. 3. Le fil 51, déroulé de la bobine 52, passe sur un galet 53 qui plonge partiellement dans un bain 54 d'additif, dont la composition sera précisée plus loin. A la sortie du bain, le fil 51 traverse un sécheur 55 et il est enroulé sur une bobine 56, de préférence dis posée de manière à pouvoir constituer la bobine d'ali mentation d'une installation classique de soudage à l'arc.
Bon nombre des additifs appropriés sont solu bles dans l'eau, et le bain 54 est constitué, dans la mise en couvre la plus simple, par une solution aqueuse. Cependant, d'autres solvants que l'eau peu vent être utilisés. On a constaté que l'uniformité de la répartition de l'additif sur le fil est améliorée par l'addition d'un mouillant au bain. De nombreux mouillants connus peuvent être utilisés à cet effet. Dans le cas d'une solution aqueuse ayant une concen tration de l'ordre de 50 à 150 g de produit par litre d'eau, un résultat satisfaisant est obtenu en faisant passer le fil dans la solution à la vitesse d'environ 6,25 m/mn. D'autres dispositifs peuvent naturelle ment être utilisés pour l'application de l'additif à l'électrode.
Le point le plus important dans la préparation du fil est le choix de l'additif à appliquer. L'application d'un mélange synergétique d'un composé du césium et d'un autre composé de métal alcalin assure le trans fert voulu par pulvérisation avec polarité directe en atmosphère de C02 d'une façon tout à fait compara ble à ce qu'on obtient avec polarité inversée en atmo sphère d'argon. Les métaux alcalins autres que le césium sont le sodium, le potassium, le rubidium, le lithium et le francium. Les composés préférés sont les composés oxygénés tels, par exemple, qu'hydroxy- des, carbonates et nitrates.
Le tableau I indique quelques exemples de com positions de l'additif de pulvérisation donnant de bons résultats quand on opère le soudage à un niveau de courant immédiatement au-dessus de la valeur de tran sition entre les transferts par gouttes et par pulvérisa tion. Les électrodes filiformes utilisées, et désignées par A, B et C dans le tableau I ont la composition chimique nominale suivante
EMI0003.0007
<I>Fil <SEP> A <SEP> : <SEP> C</I> <SEP> 0,10 <SEP> 0/0
<tb> Mn <SEP> . <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,95 <SEP> 0/0
<tb> Si <SEP> 0,45 <SEP> 0/0
<tb> P <SEP> 0,015 <SEP> 0/0
<tb> S <SEP> 0,0201/o
<tb> <I>Fil <SEP> B <SEP> :
<SEP> C</I> <SEP> 0,093%
<tb> Mn <SEP> . <SEP> .. <SEP> 1,97 <SEP> 0/o
<tb> Si <SEP> 0,76 <SEP> 0/0
<tb> P <SEP> . <SEP> . <SEP> 0,015%
<tb> S <SEP> . <SEP> . <SEP> .... <SEP> 0,020%
<tb> <I>Fil <SEP> C <SEP> : <SEP> C</I> <SEP> 0;06 <SEP> 0/0
<tb> Mn <SEP> .. <SEP> ...... <SEP> 1,12 <SEP> 0/0
<tb> Si <SEP> 0,36 <SEP> 0/0
<tb> P <SEP> 0,025 <SEP> 0/o
<tb> S <SEP> <B>0,0170/0</B>
<tb> Cr <SEP> 0,14 <SEP> 0/o
<tb> Mo <SEP> .... <SEP> . <SEP> 0,41 <SEP> 0/0
<tb> Ni <SEP> ... <SEP> . <SEP> .. <SEP> 1,24 <SEP> 0/o
<tb> V <SEP> 0,15 <SEP> 0/0 Dans chacun des exemples indiqués au tableau I, le fil a été décapé par voie électrolytique, puis a reçu l'application de l'additif, exactement comme décrit ci-dessus. Le tableau indique le poids en grammes de chaque composé dissous dans assez d'eau pour
EMI0003.0008
donner un litre de solution.
Dans chaque exemple dudit tableau, on a réalisé en atmosphère de C02 et par pulvérisation axiale un bon transfert comparable à ce qui est obtenu en atmosphère d'argon avec polarité inverse. Comme additifs de pulvérisation pré férés, on peut citer, par exemple, les mélanges de Cs2 C03 avec Na2 C02, de Cs2 C03 avec K2C03, de CsOH avec NaOH, de CsOH avec KOH, et de CsN03 avec NaN03. On préfère en général utiliser un composé oxygéné du césium en mélange avec un composé similaire du sodium ou du potassium. Le francium paraît être de peu d'utilité pratique en rai son de sa radioactivité, de sa rareté et de son prix.
On a constaté que l'on obtient de meilleurs résul tats pour certaines proportions définies du mélange des composés. Les études faites ont montré que l'in tensité du courant à laquelle on obtient la transition du transfert en gouttelettes au transfert en jet pulvé risé, passe par un minimum lorsque le rapport entre les deux composés est tel que la solution contient sen siblement le même nombre d'atomes de césium et d'atomes de l'autre métal alcalin utilisé.
C'est ainsi, par exemple, que, dans un mélange de Cs2C03 avec Na2C03, ou de CsOH avec NaOH, les proportions atomiques du césium et du sodium sont égales, c'est- à-dire qu'il y a un atome Cs pour chaque atome Na quand les poids des deux composés sont entre eux dans le même rapport que leurs masses moléculaires. D'autre part, si le mélange choisi est constitué par CsOH avec Na2C03, le minimum du courant de transition est atteint lorsqu'il y a deux fois plus de molécules CsOH que de molécules Na2C03.
C'est ce qu'établissent les résultats des essais reportés au ta bleau II qui montre comment varie l'intensité du courant à laquelle se fait le passage de l'un à l'autre des deux modes de transfert de métal quand on fait varier le poids du second composé de métal alcalin par rapport au poids du composé de césium, de ma nière que le rapport entre le nombre d'atomes du second métal alcalin et le nombre d'atomes de césium soit égal à 1/2, 1 et 3/2.
EMI0004.0011
<I>Tableau <SEP> 11</I>
<tb> Intensité <SEP> du <SEP> courant <SEP> de <SEP> transition
<tb> pour <SEP> une <SEP> valeur <SEP> du <SEP> rapport <SEP> entre <SEP> les
<tb> Composition <SEP> nombres <SEP> d'atomes <SEP> du <SEP> second <SEP> métal
<tb> de <SEP> l'additif <SEP> alcalin <SEP> et <SEP> de <SEP> césium <SEP> égale <SEP> à
<tb> 1/2 <SEP> 1 <SEP> 11/2
<tb> Cs,
C03 <SEP> -I- <SEP> Na2C03 <SEP> 325 <SEP> 295 <SEP> 305
<tb> Cs2C03 <SEP> -f- <SEP> Rb2C03 <SEP> 320 <SEP> 305 <SEP> 325
<tb> Cs2C03 <SEP> -f- <SEP> K2CO3 <SEP> 330 <SEP> 315 <SEP> 350
<tb> CsOH <SEP> -I- <SEP> NaOH <SEP> 330 <SEP> 305 <SEP> 310
<tb> CsOH <SEP> -f- <SEP> KOH <SEP> 325 <SEP> 300 <SEP> 345
<tb> CsCI <SEP> -i- <SEP> NaCl <SEP> 350 <SEP> 340 <SEP> 370
<tb> CsOH <SEP> -I- <SEP> Na2C03 <SEP> 330 <SEP> 305 <SEP> 315 L'allure des variations de l'intensité du courant de transition en fonction des proportions relatives du césium et de l'autre métal alcalin montre que l'inten sité minimale du courant de transition correspond à une concentration de la solution en K2CO3 comprise entre 16 et 20 g/1.
Le calcul, effectué en partant des masses atomiques des éléments en cause, montre que le nombre d'atomes de césium est égal à celui d'ato mes de potassium quand la composition est de 40 g de CsC03 et 17 g de K2C03. On peut encore obtenir de bons résultats pour des valeurs du rapport entre atomes métalliques s'écartant de la valeur optimale de 1/1, mais il vaut mieux ne pas franchir les limites 5/1 et 1/5 (sans descendre, d'autre part, au-dessous d'un minimum d'environ<B>0,01</B> 0/0 en poids de l'élec trode pour le poids de césium introduit), si l'on veut obtenir les meilleurs résultats.
La quantité d'agent producteur de jet pulvérisé qu'il convient d'ajouter à l'électrode filiforme confor mément à l'invention, n'est pas critique, à condition de dépasser un certain minimum. A titre d'exemple, dans le cas du procédé de traitement du fil décrit plus haut en détail, on a constaté que le fil ainsi traité peut contenir ou recevoir environ 0,03 0/o de son poids en additif. Cette quantité minimale peut être différente selon la nature du fil considéré ; on peut indiquer pratiquement qu'elle doit être d'au moins 0,01 0/o en poids environ. Le taux de 0,03 0/o s'est révélé satis faisant pour la plupart des cas.
Une stricte maîtrise de la zone d'émission sur l'électrode apparaît comme indispensable à l'obten tion d'un transfert par jet pulvérisé. En atmosphère de C02 ou d'autre gaz oxydant, ce résultat est réalisé par le traitement spécial de l'électrode comme indiqué précédemment, mais uniquement si l'on opère en polarité directe, c'est-à-dire avec une électrode néga tive.
Les résultats expérimentaux ont été obtenus d'abord avec des électrodes filiformes ferreuses, mais l'invention peut s'appliquer également à des électro des constituées en d'autres matériaux. D'autre part, les expériences ayant montré que les résultats du sou dage à l'arc sont fondamentalement différents en atmosphère de C02 ou autre gaz oxydant et en atmo sphère inerte monoatomique et comme une atmo sphère de C02 favorise la formation d'oxydes métal liques, l'invention peut s'appliquer également à des atmosphères oxydantes autres que celle de C02.
On a indiqué ci-dessus que l'on utilise un mélange d'un composé du césium et d'un composé adjuvant d'un métal alcalin, mais il est bien entendu que l'on peut mélanger trois composés ou davantage, à la condition que le mélange formé puisse fournir à la cathode le césium et le métal adjuvant nécessaires pour provoquer le transfert par jet pulvérisé. Quel que soit le mélange, les proportions doivent être telles que le nombre total d'atomes alcalins autres que les atomes de césium soit égal au nombre d'atomes de césium présents.