Procédé de soudure de plaques épaisses La présente invention a pour objet un procédé de soudure de plaques épaisses avec un espacement étroit dans lequel on forme un arc entre une électrode en métal et l'ouvrage.
Dans l'industrie de la soudure, la formation de fis sures dans la soudure, lorsqu'elle se refroidit, constitue depuis longtemps une difficulté. Ces fissures se produi sent notamment lorsque les pièces à soudre doivent être maintenues dans des dispositifs de fixation, ces pièces étant alors soumises à de fortes contraintes. La fixation des pièces pour les souder est naturellement chose coutumière dans la soudure des plaques épaisses comme cela est le cas dans la construction des ba teaux, des bâtiments de grand tonnage et dans les appli cations industrielles.
Ainsi, la formation de fissures dans la soudure de ces plaques. épaisses a toujours con stitué une grande difficulté. Cette difficulté est augmen tée par le fait que lorsqu'on veut souder de façon éco nomique des plaques bout à bout, dont l'épaisseur est supérieure à 1,27 cm (1/2 inch), on doit prévoir un espace étroit entre les faces des plaques à souder. A cet effet, il est nécessaire de prévoir une rainure étroite, le rapport entre la distance entre les faces des plaques et l'épaisseur des plaques étant compris entre 1/a et 11/1u.
Les avantages réalisés par l'utilisation d'une rai nure étroite sont évidents. Ce procédé permet d'élimi ner la nécessité d'établir des joints en forme de V ou U , ces joints nécessitant une grande quantité de soudure et beaucoup de temps pour effectuer la sou dure. Les procédés dans lesquels on forme des joints en forme de V et U provoquent le gauchissement et la distorsion des plaques, ce qui augmente la ten dance de la soudure à se fissurer.
On a déjà essayé d'effectuer des soudures en utili sant des rainures étroites. Toutefois, tous ces essais se sont heurtés à de difficulté pratiques. L'une de ces difficultés réside dans la formation d'un arc entre l'électrode qui est introduite dans la rainure étroite et les parois latérales délimitant cette rainure. Pour sur- monter cette difficulté, le fil doit demeurer extrême ment rectiligne de façon qu'il ne vienne pas en contact avec les parois. Ceci est très difficile à réaliser prati quement, notamment avec des fils dont le diamètre est de 0,114 cm (0,045 inch) et même moins.
L'invention a pour but l'établissement d'un procédé permettant de souder des plaques relativement épaisses sans que se produisent des fissures dans la soudure et avec une rainure étroite.
On a développé un procédé permettant de modifier les caractéristiques de solidification de la soudure for mant le joint entre les pièces à relier. On a découvert qu'en modifiant alternativement la puissance de l'arc s'établissant à l'extrémité de l'électrode, on modifie avantageusement les caractéristiques de refroidissment de la soudure en éliminant les fissures. La variation de la puissance fournie à l'arc peut être effectuée de diffé rentes façons, par exemple en modifiant la vitesse d'avance de l'électrode, en variant la puissance fournie à l'arc par la source d'alimentation ou encore en com binant ces deux façons de faire. Actuellement, on préfère modifier la puissance fournie à l'arc en faisant varier la puissance débitée par la source d'alimenta tion.
Les variations de la puissance de sortie fournies par la source d'alimentation peuvent également être effectuées de différentes façons, par exemple par des amplificateurs magnétiques.
Un critère important est la fréquence des change ments de puissance. Si le changement de puissance d'une première valeur à une seconde valeur est trop rapide, la longueur de l'arc n'est pas modifiée ainsi que, par conséquent, les caractéristiques de refroidisse ment.
Par ailleurs, si les variations sont trop lentes, les modifications des caractéristiques de solidification ne s'établissent pas assez rapidement et on obtient des ré gions de la soudure où ces caractéristiques ne sont pas modifiées. La fréquence des variations doit être telle qu'elle permette à l'arc d'adapter sa longueur au change- ment de la puissance fournie.
Ainsi, par exemple, dans la forme d'exécution préférée, la puissance est modifiée alternativement d'une valeur pour laquelle le transfert du métal depuis l'extrémité de l'électrode ne s'effectue qu'en court-circuitant l'électrode avec l'ouvrage, à une valeur pour laquelle le transfert du métal s'effectue non par court-circuit, mais sous forme d'un jet de gouttelettes ou globules de métal à travers l'arc. Pour cette raison, ce jet ou transfert par globules sera désigné ci-desous par trans- fert par globules, bien que certains experts fassent une distinction entre le transfert par jet et le transfert par globules.
Si la fréquence des variations de la puissance fourni à l'arc n'est pas celle permettant au transfert de changer du mode en court-circuit au mode par globules, aucun avantage n'est obtenu quant aux caractéristiques de refroidissement.
On peut également obtenir les résultats recherchés en faisant passer la puissance d'une pren-ière valeur permettant un transfert par globules à une seconde valeur permettant un transfert par globules. Ici de nou veau, le critère principal pour déterminer la fréquence est que l'arc ait le temps de s'adapter aux nouvelles conditions de puissance de manière à produire l'effet voulu sur les caractéristiques de solidification.
Selon l'invention, le procédé de soudure de plaques épaisses avec un espacement étroit dans lequel on forme un arc entre une électrode en métal et l'ouvrage, est caractérisé en ce qu'on change alternativement la puissance fournie à l'arc, entre une première valeur et une seconde valeur pendant que l'on transfère le métal de l'extrémité de l'électrode à l'ouvrage, ceci avec une fréquence permettant à l'arc de s'adapter aux nouvelles conditions de puissance.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une instal lation pour la mise en oeuvre d'une forme d'exécution du procédé.
La fig. 1 représente un circuit électrique permettant la mise en oeuvre d'une forme d'exécution du procédé. La fig. 2 est une vue schématique représentant la torche utilisée pour souder deux plaques avec un inter valle étroit.
La fig. 1 représente une installation pour la mise en oeuvre d'une forme d'exécution du procédé. La sor tie de la source de puissance 10 est reliée, par des con ducteurs 12 et 14,à une torche 16 et à l'ouvrage 18. Une électrode 22 filiforme pouvant être constituée par une barre de métal ou par une électrode tubulaire rem plie, est avancée de façon continue à partir d'une bobine 24. Cet avancement est commandé par un rou leau d'entraînement 26 coopérant avec des. rouleaux 28. L'électrode est avancée à travers une torche 16 en direction de la zone de soudure 20. Le rouleau d'en traînement 26 est entraîné par un moteur 30 pourvu d'un contrôleur de vitesse 32 tel qu'un régulateur élec tronique.
Un gaz de protection tel que l'argon, l'hélium ou des mélanges de ces gaz avec de l'oxygène et l'oxyde de carbone sont amenés à travers la torche 16 afin qu'ils se déchargent en formant un rideau continu 36 depuis l'extrémité de la torche 16. Un tel mélange de gaz peut être constiuté par 75 0/o d'argon et 25 0/o de dioxyde de carbone. Une résistance 38 est connectée en série avec le conducteur 12, ceci entre la source de puissance 10 et la torche 16. Cette résistance 38 com prend un circuit shunt 40 pourvu lui-même d'un relais 44 avec un contact 42 normalement ouvert, l'enroule ment 46 de ce relais étant relié à une source de puis- sance par un circuit 48 comprenant un interrupteur 50 et une horloge 54.
La fig.2 représente la position de la torche 16 relativement à l'ouvrage à souder. Les pièces A et B à souder sont amenées bout à bout de façon à ménager une rainure étroite 13 dont l'épaisseur est de 0,64 cm (1/4 inch). Une plaque arrière 9 est soudée provisoire ment aux pièces A et B afin de constituer la rainure étroite représentée à la figure 2 après quoi la torche 7 est disposée au-dessus de l'ouvrage. Le prolongement de l'électrode est quelque peu supérieur à l'épaisseur des pièces à souder. Ce prolongement de l'électrode est défini comme étant la distance entre la surface où l'électrode émerge du tube de guidage 11 et le filet de soudure.
La longueur initiale de ce prolongement peut être d'environ 8,26 cm (3 et V4 de pouce) pour les exemples décrits ci-dessous. Une fois l'arc allumé entre le fil 5 et le fond de la rainure étroite 13, l'horloge 54 est mise en marche afin de programmer la commande du contact 50. Lorsque le contact 50 est ouvert, le contact 42 est ouvert, la résistance 38 est disposée dans le circuit de l'arc et celui-ci est alimenté en puis sance selon une première valeur, laquelle dans la forme d'exécution préférée, est celle établissant un court-circuit entre l'électrode et l'ouvrage, court-circuit durant lequel du métal est transféré de l'électrode à l'ouvrage (transfert par court-circuit).
Lorsque le con tact 50 est fermé, l'enroulement 46 est excité, ce qui ferme le contact 42 lequel shunte la résitance 38. Ceci fait passer la puissance de la première valeur à une seconde valeur qui dans ce cas est une valeur plus éle vée de sorte que le métal est transféré par globules. On a constaté que l'horloge doit, de préférence, ouvrir et fermer le circuit 48 entre 50 et 100 fois par minute.
De même, la vitesse d'alimentation du fil peut être modifiée en agissant sur la commande de vitesse 32 afin de faire passer la puissance de l'arc de la première à la seconde valeur. En outre, l'horloge et la com mande de vitesse peuvent être actionnées simultané ment pour effectuer le changement de la puissance de l'arc.
Le procédé décrit présente différents avantages spécialement dans la soudure avec des rainures étroi tes. On a constaté qu'il est possible de prévoir des pro longements d'électrodes relativement longs, ce qui signi fie que le fil d'électrode peut être amené du haut de la rainure dans le fond de celle-ci sans l'aide d'un tube de guidage. On a de même constaté que l'électrode peut effleurer des éclaboussures qui se sont déposées sur les parois de la rainure sans gêner le procédé. Dans ce cas, il se produit un arc momentané entre l'électrode et l'éclaboussure, cet arc ne s'entretenant pas et ne con duisant pas à la fusion de l'électrode. Le fil doit toute fois être aussi rectiligne que possible afin d'éviter un contact continue entre les fils et les parois de la rai nure.
Dans ces conditions, on a trouvé avantageux d'utiliser des rainures de 0,64 cm (/4 de pouce) et de 0,94 cm (3/8 de pouce), ceci avec un diamètre de fil de 0,24 cm (3/32 de pouce). <I>Exemple 1</I> L'installation est sensiblement telle que représentée aux fig. 1 et 2. Deux plaques de 5 cm d'épaisseur (2 pouces) en acier au carbone sont disposées de façon à former une rainure de 0,64 cm (1/4 de pouce) entre leur face. La torche est disposée au-dessus de la rai nure de façon que le prolongement du fil soit d'envi- ron 8,25 cm (31/4 pouces).
La source de puissance est du type à tension continue et présente une certaine inductance dans son circuit à courant continu. L'élec trode a un diamètre de 0,24 cm (3/32 de pouce) et sa composition est sensiblement la suivante: 0,03 0/o en poids de carbone, 1,75 0/o de manganèse, 0,30 0/o de silicium, 1,65 0/o de nickel, 0,30 0/o de molybdène, 0,10 0/o de chrome, 0,005 0/o de soufre et de phosphore, 0,01 0/o de titane, d'aluminium et de zirconium et le ,reste du fer. La vitesse du fil est de 4,83 m par minute (190 pouces par minute). La vitesse de la torche relati vement à l'ouvrage est de 0,68 m par minute (27 pou ces par minute). Un arc est allumé entre l'extrémité du fil et l'ouvrage.
L'horloge est réglée de façon à exciter l'enroulement du relais 90 fois par minute. L'horloge et le contact 50 sont réglés de façon que la résistance soit enclenchée pendant le 75 0/o du temps. Pendant cette période, le transfert du métal s'effectue par court- circuit tandis que pendant le 25 0/0 du temps le trans fert du métal s'effectue sous forme globulaire. Le gaz de protection est constitué par 75 0/o d'argon et 25 0/0 de C02, le débit étant de 1,7 m3 à l'heure (60 pieds' à l'heure). La rainure de 5 cm de profondeur (2 pou ces) est remplie en 8 passes.
Les tensions. et intensités pour chacune des passes ont été les suivantes:
EMI0003.0010
<U>Passes <SEP> Amp. <SEP> Volts <SEP> Observations</U>
<tb> 1 <SEP> 400 <SEP> 440 <SEP> 27-29
<tb> 2 <SEP> 400-440 <SEP> 27-29
<tb> 3 <SEP> 420-450 <SEP> 26-28,5
<tb> 4 <SEP> 430-470 <SEP> 26-28,5
<tb> 5 <SEP> 440-480 <SEP> 26-28,5
<tb> 6 <SEP> 400-440 <SEP> 27-29 <SEP> Torche <SEP> élevée
<tb> de <SEP> 2,5 <SEP> cm
<tb> 7 <SEP> 420-460 <SEP> 27-29
<tb> 8 <SEP> 430-450 <SEP> 26-28,5 On a également effectué des lectures à l'oscillos cope. Celui-ci a montré que le courant varie de 400 à 500 A et la tension de 26 à 32 V lorsque le relais in sère et shunte alternativement la résistance dans le cir cuit. La soudure obtenue était exempte de fissures.
Lorsqu'on effectue la même soudure sans modifier la puissance, la soudure présente une fissure centrale qui peut être absolument inacceptable par exemple pour la soudure d'enveloppes de sous-marins.
<I>Exemple 2</I> L'installation est celle représentée aux fig. 1 et 2. Deux plaques de 5 cm d'épaisseur (2 pouces) en acier au carbone sont disposées de façon à ménager une rai nure de 0,95 cm entre leurs faces (3/8 de pouce). La torche est disposée au-dessus de la rainure de façon que le prolongement de l'électrode soit approximative, ment de 10 cm (4 pouces). La source est du même type que celle utilisée dans l'exemple 1.
L'électrode est constituée par un fil de 0,24 cm (3/32 de pouce) dont la composition est sensiblement la suivante: 0,04 0/0 en poids de carbone, 1,2 0/o de manganèse, 0,06 0/o de phosphore, 0,020 0/0 de soufre, 0,5 0/o de silicium, 0,10 0/o d'aluminium, 0,07 0/0 de zirconium, 0,10 0/o de titane et le reste de fer. La vitesse d'alimentation du fil est de 6 m par minute (240 pouces par minute). La vitesse de déplacement est de 51 cm par minute (20 pouces par minute). L'horloge est réglée de façon à exciter l'enroulement du relais 90 fois par minute. L'horloge et le contact 50 étant réglés de façon que la résistance soit insérée dans le circuit pendant 67 0/0 du temps.
Durant cette période, le transfert du métal s'ef fectue par court-circuit tandis que pendant les 33 0/o restant du temps, le transfert du métal s'effectue sous forme globuleuse. Le gaz de proctection est constitué par de l'argon avec 5 0/o d'oxygène, le débit étant de de 1,7 m3 à l'heure (60 pieds' à l'heure).
La rainure de 5 cm de profondeur est remplie en 8 passes. Les courants et tensions mesurés lors de cha que passe sont les suivants:
EMI0003.0018
Passes <SEP> Ampèremètre <SEP> Voltmètre <SEP> Observations
<tb> 1 <SEP> 460-520 <SEP> 27-30
<tb> 2 <SEP> 460-520 <SEP> 27-30
<tb> 3 <SEP> 480-540 <SEP> 26-28
<tb> 4 <SEP> 500-560 <SEP> 26-28
<tb> 5 <SEP> 510-580 <SEP> 25-27
<tb> 6 <SEP> 480-540 <SEP> 26-28,5 <SEP> Torche <SEP> élevée
<tb> de <SEP> 1,9 <SEP> cm
<tb> 7 <SEP> 500560 <SEP> 26-28
<tb> 8 <SEP> 510-570 <SEP> 26-28 Des lectures à l'oscilloscope montrent que les vari ations du courant sont d'environ 100 A. Le courant variant entre 460 et 560 lorsque la résistance est insé rée et lorsqu'elle est shuntée dans le circuit. De même, les variations du courant sont d'environ 6 V, cette ten sion variant entre 25 et environ 31 volts.