CH652331A5

CH652331A5 - Pince a souder.

Info

Publication number: CH652331A5
Application number: CH813/83A
Authority: CH
Inventors: John G Church; Emerson G Malone
Original assignee: Performance Process Int Ppi
Priority date: 1982-02-16
Filing date: 1983-02-14
Publication date: 1985-11-15
Also published as: GB8303048D0; DE3305521A1; BR8300727A; BE895905A; NL8300569A; IT8367164A1; US4464560A; CA1188375A; JPS58187274A; GB2116100B; IT1165535B; IT8367164A0; GB2116100A; SE8300546D0; FR2521471A1; SE8300546L

Description

La présente invention se rapporte à une pince à souder à fil capable en particulier de fonctionner dans l'ambiance à haute température d'un soudage à forte densité de courant, en atmosphère protégée et à arc métallique.

La densité de courant est déterminée en divisant l'ampérage auquel le fil de soudage est soumis par la surface de la section du fil de soudage. Jusqu'à maintenant des pinces à souder à fil ont été construites pour fonctionner avec des densités de courant de 21000 A/cm2. Pourtant les pinces à souder connues auparavant se sont montrées peu satisfaisantes lorsqu'elles étaient soumises aux températures associées à un soudage à arc gaz-métal à forte densité de courant dans lequel l'atmosphère protégée est employée avec du fil de soudure consommable et des densités de courant qui pouvaient être de l'ordre de 72000 A/cm2.

Le problème avec des pinces à souder usuelles travaillant à fortes densités de courant a plusieurs aspects. D'abord, quand on soude avec de fortes densités de courant, les températures de soudage sont telles que le fil d'apport, la soudure et le plasma d'atmosphère protégée transmettent des températures suffisamment élevées au bec de la pince à souder de façon à le déformer ou même à le fondre, ce qui empêche ensuite le fil de soudage de se déplacer à travers la pince. Ensuite, et spécialement quand on soude avec des densités de courant élevées, un plasma de forme conique et de température extrêmement haute se forme entre l'extrémité du fil de soudage et la soudure et, à moins que la force d'écoulement de l'atmosphère protégée à travers la pince à souder ne soit assez élevée, les températures de soudage tendent à séparer ou à déplacer le gaz de l'atmosphère protégée du fil de soudure brûlant et à déstabiliser ainsi le plasma de soudage.

L'art antérieur pertinent est exposé dans les brevets US N° 3283121 (Bernard et adj.)

US N° 3469070 (Bernard et adj.)

US N° 3576423 (Bernard et adj.)

US N° 3676640 (Bernard et adj.)

Le brevet N° 3283121 décrit une pince de soudage comprenant des moyens de refroidissement à eau directement à l'intérieur de la tête de soudage de façon qu'une partie de la tête doit être découpée et remplacée lorsque la chambre de refroidissement à eau s'obstrue. Ainsi de faire couler l'eau de refroidissement directement dans la tête rend la tête coûteuse tant à fabriquer qu'à réparer. Le brevet décrit aussi des passages de gaz pour l'atmosphère protégée agencés en parallèle à l'axe de la tête et un écran espacé axialement pour protéger les extrémités de sortie des passages contre la formation de bouchons en métal projeté depuis le joint soudé.

Les brevets US N°s 3576423 et 3676640 sont des brevets scindés du brevet N° 3469070; donc ce qui est enseigné par les trois brevets est identique. On se référera donc seulement au brevet N° 3469070. Celui-ci ne comprend pas un agencement de refroidissement à eau et, en fait, ces brevets prétendent qu'un agencement de circulation d'eau était inutile.

Le brevet N° 3469070 décrit des passages de diffusion de gaz inclinés par rapport à l'axe de la tête de soudage. Pourtant le brevet ne reconnaît pas l'aspect critique de l'angle et de la taille du passage. Le brevet décrit un angle de passage de 30°, qui est comme trop raide et qui dissipe par turbulence trop d'énergie de l'écoulement du gaz d'atmosphère protégée. De même, le brevet ne reconnaît pas l'importance de la surface de la section du passage de gaz pour assurer un débit adéquat de gaz.

Le but de la présente invention est de fournir un refroidissement amélioré de la pince à souder.

La pince à souder selon l'invention est conçue pour satisfaire aux exigences précitées; elle est définie par la revendication 1.

Le diffuseur est de préférence une construction métallique d'une pièce et est mécaniquement relié au tube fournissant le gaz et le fil de soudage de façon que le tube et le bec de soudage aient entre eux une conductivité thermique. Les caractères généraux sont exposés dans le brevet US N° 3469070 mentionné. Pourtant des moyens sont prévus en plus pour faire s'écouler la matière refroidissante bien autour du tube proche du diffuseur, qui de cette façon maintient le bec de soudage au-dessous de sa température de fusion et/ou de déformation.

La pince à souder peut comprendre aussi une tubulure qui est supportée à une extrémité par le diffuseur et qui se prolonge longitu-dinalement au-delà tant du diffuseur que du bec de soudage et de telle façon qu'elle délimite une chambre annulaire d'atmosphère protégée autour du diffuseur et du bec de soudage comme cela est également montré en général dans le brevet US N° 3469070. Jusqu'à maintenant, l'écoulement de gaz de l'atmosphère protégée à travers le diffuseur a été telle que beaucoup d'énergie du courant de gaz était dissipée par la création d'écoulement non laminaire ou turbulent au travers de la pince à souder, et cela parce qu'il frappait un écran (brevet US N° 3283121) ou qu'il heurtait sous un angle trop important une paroi intérieure de tête à souder (brevet US N° 3469070); le résultat en était que l'enveloppe d'atmosphère proté5

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gée avait une énergie ou bien une solidité insuffisante pour se maintenir toute proche autour du fil de soudage et de la soudure; ce problème s'aggravait aux densités de courant fortes ou plus élevées.

L'invention sera plus clairement comprise grâce au dessin et à la description fournis à titre d'exemple.

La fig. 1 est une vue verticale de la pince à souder, une partie étant partiellement enlevée;

la fig. 2 est une coupe verticale le long de la ligne 2-2 de la fig. 1 ; la fig. 3 est une coupe le long de la ligne 3-3 de la fig. 1 ;

la fig. 4 est une vue perspective des différentes pièces démontées de la pince à souder;

la fig. 5 est une vue le long de la ligne 5-5 de la fig. 4; et la fig. 6 est une vue le long de la ligne 6-6 de la fig. 1.

On se réfère à la fig. 1, dans laquelle une pince à souder 10 comprend un tube rigide 12 formant un angle avec des extrémités filetées 14 et 16. Typiquement le tube 12 est fait en cuivre et adapté pour conduire le courant vers le bec de soudage 24. Une poignée non représentée est supportée sur le tube 12, pour permettre à un ouvrier de manœuvrer la pince à souder 10. Pour empêcher un courant d'atteindre l'ouvrier, un manchon isolant 15 couvre la pièce 12 et peut, à son tour, être couvert par un manchon métallique 17 par exemple en laiton, auquel la poignée de l'ouvrier peut être attachée.

Un conduit flexible non représenté est adapté à coupler l'extrémité filetée 14 du tube 12, et à travers ce conduit le fil de soudage 18 et le gaz de protection sont fournis.

Une tête de pince à souder 20 est montée sur l'extrémité filetée 16 du tube 12. Les pièces de la tête de soudage peuvent être le mieux vues dans la vue perspective de la fig. 4 et comprennent un diffuseur 22 de gaz de protection, un bec de soudage 24, un écran isolant de la chaleur 26, une tubulure 28 et une bride de retenue 30. Tandis que les matériaux métalliques peuvent varier, un diffuseur typique 22 est usiné d'une pièce de laiton tandis que le bec 24 et la tubulure 28 sont faits en cuivre. L'écran d'isolation 26 peut être fait en fibres de verre moulées ou d'un autre matériau isolant thermiquement. La bride de retenue 30 est une bande d'acier mince usuelle.

Comme on le voit le mieux à la fig. 3, le diffuseur 22 comprend un passage central 32 se prolongeant à travers sa longueur. Le diffuseur 22 comprend une extrémité élargie 34 munie d'une partie filetée intérieurement 36, qui est reliée coaxialement au passage central 32.

Comme on le voit aussi à la fig. 5, une pièce d'espacement fendue radialement 38 est placée dans la partie filetée 36 et y est retenue par une vis de serrage 40 placée dans une ouverture filetée radiale prévue à travers la partie élargie du diffuseur 34. La pièce d'espacement 38 comprend une ouverture 42 recevant le fil de soudage 18.

Le diffuseur 22 est monté grâce à un filetage sur l'extrémité 16 du tube 12, le filetage étant limité à l'intérieur du tube par rapport au diffuseur grâce à la pièce d'espacement 38 formant butée à l'extrémité du tube. Ainsi la chambre 36 du diffuseur est en communication avec le tube 12 de façon que le gaz de protection peut s'écouler en elle.

Le diffuseur 22 comprend un support de bec de soudage 44 de diamètre réduit par rapport à la partie élargie 34 du diffuseur. Le bec de soudage 24 est supporté dans le passage central 32 du diffuseur avec un degré d'insertion dans le diffuseur qui est également limité par butée de son extrémité la plus intérieure contre la pièce d'espacement 38. Le bec de soudage 24 comprend un passage 25 recevant un fil et ayant un diamètre qui n'est qu'un peu plus large que le fil, par exemple 0,9 mm. Tandis que les passages recevant le fil des autres pièces de la pince à souder sont suffisamment grands pour l'emploi d'un large choix de dimensions de fil de soudage, le bec de soudage 24 doit être changé avec chaque changement de dimension du fil de soudage de façon que le passage 25 supporte de près et fasse un contact électrique avec le fil de soudage 18.

La tubulure 28 comprend un perçage interne 46 recevant de façon coulissante un manchon thermiquement isolant 26. Le perçage 46 de la tubulure 28 assure que les diamètres intérieurs de perçage de la tubulure et du manchon isolant sont essentiellement égaux pour obtenir une surface lisse sur laquelle le gaz de protection s'écoule lorsqu'il passe par la tubulure.

Un anneau d'arrêt 48 est monté sur une rainure en circonférence de la partie élargie 34 du diffuseur 22 et est adapté pour limiter le mouvement axial de la tubulure et du manchon isolant dans la direction du tube 12.

Les extrémités intérieures du manchon isolant 26 et de la tubulure 28 comprennent des fentes respectives 50 et 52 pour leur donner de la flexibilité radiale de façon que l'anneau de serrage 30 puisse retenir par serrage la tubulure et le manchon isolant sur le diffuseur 22.

Dans un soudage à arc métallique et à atmosphère protégée de haute densité, dans lequel des densités de soudage de l'ordre de 72 A/cm2 peuvent être utilisées, la soudure elle-même sur la pièce est fournie par le fil de soudage 18 à une température dépassant 1000° C. En même temps le plasma entourant la soudure et le bec de soudage 18 peut avoir une température de 6700 à 11000° C. Cette partie de la pince à souder placée à proximité de la soudure peut donc être exposée à des températures extrêmement élevées.

De telles températures de soudure et de plasma ont créé au moins deux problèmes avec les pinces à souder connues antérieurement. D'abord l'extrémité plastique ou molle du fil de soudage 18 qui se trouve le plus près de la soudure va conduire la chaleur et le plasma gazeux va réfléchir suffisamment de chaleur vers le bec de soudure 24 pour soit déformer le fil de soudage de façon à l'agglutiner et empêcher son avance à travers la pince à souder, soit de fondre le bec de soudage, ce qui empêche également l'avance du fil de soudage à travers lui. Le second problème, créé par la forte densité de courant, est que l'énergie contenue tant dans la soudure elle-même que dans le plasma tend à se dissiper ou à dévier le gaz de protection quand il s'écoule de la pince à souder en laissant des zones critiques sans protection et en déstabilisant l'arc de soudage et le plasma.

On va se référer d'abord aux moyens pour garantir un courant non turbulent du gaz à travers la pince à souder, tout en assurant une vitesse maximale de ce gaz pour obtenir une enveloppe de gaz protectrice solide autour du fil de soudage, de la soudure et du plasma.

Le diffuseur 22 comprend plusieurs passages de gaz 54 percés à travers les parties de base 34 et 44. Les passages 54 permettent l'écoulement du gaz depuis la pièce tubulaire 12 à la chambre à gaz annulaire 56. Comme on l'a déjà indiqué, la tête de la pince à souder possède un axe longitudinal autour duquel les composants 22, 24, 26, 28 et 30 sont disposés concentriquement. Jusqu'à maintenant les passages de gaz 54 ont été placés ou percés sous des angles par rapport à l'axe longitudinal de 30° à 90°. Le résultat des angles relativement importants de ces passages de gaz est que, le gaz de protection qui en sortait, heurtait les parois intérieures de la tubulure de façon à perturber le courant de gaz laminaire et à créer de la turbulence. Ainsi beaucoup d'énergie du courant de gaz de protection était dissipée, tandis que le gaz sortant de la pince à souder était relativement peu efficace et mal dirigé, et donc il pouvait être aisément dévié par les hautes températures créées dans le soudage à forte densité de courant.

L'angle des passages de gaz 54 par rapport à l'axe longitudinal de la tête de soudage 20 est critique pour permettre un courant de gaz de protection régulier à travers la pince à souder, afin d'obtenir une enveloppe de gaz solide et cohérente entourant l'arc de soudage et la soudure elle-même. Une enveloppe améliorée de gaz aide à stabiliser tant l'arc de soudage que le plasma de gaz entre la soudure et la pointe du fil à souder. On a trouvé que les angles d'inclinaison des passages de gaz 54 doivent être de 10° à 20° par rapport à l'axe longitudinal de la tête 20, 15° étant l'angle de l'inclinaison préférée.

Comme cela a été indiqué dans la technique connue, le problème avec des passages parallèles est que les extrémités de sortie de tels passages sont sujettes à s'obstruer avec des projections métalliques depuis la soudure. L'emploi d'un écran entre les sorties des passages de gaz et le bec de la tubulure pour se protéger des projections mé5

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talliques crée de la turbulence dans les courants de gaz émis, ce qui dissipe de l'énergie du courant de gaz et affaiblit l'enveloppe de gaz de protection. D'autre part, une arrivée sous un angle très faible des courants individuels de gaz de protection contre la paroi interne de la tubulure permet un écoulement essentiellement laminaire et qui s'écoule tout autour de la circonférence pour donner une enveloppe de gaz généralement cohérente et annulaire sortant de la tubulure 28.

Jusqu'à maintenant il semble que la pratique usuelle était de prévoir des passages de gaz avec un diamètre de moins de 1,6 mm. Il a été trouvé qu'une augmentation de 25 % du diamètre de passage de 2 mm combinée avec un courant de gaz plus régulier décrit ci-dessus et dû à l'inclinaison critique des passages renforce la qualité et l'efficacité de l'enveloppe ou la protection de gaz. Avec des passages de gaz 54 inclinés entre 10° et 20° par rapport à l'axe de la tête de soudage et ayant un diamètre de 2 mm, le débit d'écoulement de gaz par la pince à souder était de 0,85 à 1 m3 par heure.

On comprendra que le courant de gaz amélioré tel qu'il a été décrit contribue également à renforcer le refroidissement des pièces de la pince à souder; c'est un autre aspect important qui va être décrit maintenant.

Comme on l'a déjà indiqué et cela est un problème critique dans le soudage à forte densité de courant, les composantes de la pince à souder et particulièrement le bec à souder lui-même sont soumis à des températures extrêmement élevées qui, si elles ne sont pas améliorées, vont détruire la pince ou créer d'une certaine façon un mauvais fonctionnement de la pince à souder. Comme déjà indiqué, des pinces à souder à refroidissement à eau ont été utilisées dans le passé dans le but de réduire les températures de la pince à souder. De telles pinces à souder à refroidissement à eau ont été trop encombrantes ou trop coûteuses à construire et à entretenir et donc, elles n'étaient pas pratiques lors de l'emploi avec de fortes densités de courant.

En se référant aux fig. 1,2 et 4, on verra qu'un conduit métallique tubulaire d'eau 58 est relié au tube 12 par une soudure à l'argent. Le conduit 58 comprend des raccords d'entrée et de sortie 60 et 62, et une boucle d'extrémité 64 placée aussi proche que possible du diffuseur 22. Il s'est révélé satisfaisant de souder le conduit de refroidissement 58 au tube seulement dans la zone de la boucle 64,

quoiqu'une soudure plus importante puisse être faite si désirable. Avec le conduit 58 placé à proximité du diffuseur et relié de façon conductive au travers du tube 12 au diffuseur 22 et au bec de soudage 24, le courant d'eau par le conduit dissipe la chaleur du bec 5 de soudage à un rythme qui maintient le bec au-dessous de sa température de fusion ou de déformation assurant ainsi un mouvement continu du fil de soudage 18 à travers le bec vers la soudure.

Si jamais il est nécessaire d'enlever le conduit de refroidissement 58, c'est une opération simple que de faire fondre la soudure et de io refixer le conduit par une nouvelle soudure.

Si cela est désiré, une feuille 63 peut être placée autour du tube 12 pour entourer le conduit d'eau 58.

Avec l'orientation du conduit de refroidissement 58, comme décrit, on a trouvé que l'eau circulant avec un débit de 1,5 à 41 par 15 minute fournit une dissipation de chaleur adéquate du bec de soudage 24 pour empêcher la déformation ou la fusion du bec. Le courant d'eau par le conduit 58 sera ajusté aux besoins pour convenir à différentes densités de courant.

Il est désirable de reculer l'extrémité 66 du bec de soudage 24 20 dans la tubulure 28. Le but de ce retrait est de faciliter le préchauffage du fil de soudage 18 avant d'entrer dans l'arc électrique. Plus le retrait dans la tubulure est profond, plus la longueur de fil exposée est grande, plus la résistance au courant est grande et plus grand est le préchauffage du fil. Avec les équipements et pinces à souder selon 25 la technique antérieure, le retrait pratique maximal sans interrompre l'écoulement du métal dans le joint soudé était à peu près de 0,6 cm depuis l'extrémité de la tubulure. Avec la pince à souder à forte densité de courant, selon l'invention, on a été en mesure de tirer l'extrémité de la pointe 66 jusqu'à 1,9 cm en arrière de l'extrémité 68 de 30 la tubulure 28. A titre d'exemple, avec un fil de soudure de 0,9 mm, l'extrémité de l'extrémité 66 peut être tirée en arrière d'une distance entre 1,2 et 1,4 cm. Comme indiqué dans le tableau suivant, la distance de retrait est augmentée avec un diamètre de fil de soudage plus grand:

35 Taille du fil (mm) Distance de retrait (cm)

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2 feuilles dessins

Claims

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1. Pince à souder comportant un tube métallique rigide (12) à travers lequel le fil de soudage (18) et le gaz de protection passent, un diffuseur métallique (22) pour le gaz monté de façon démontable sur une extrémité du tube (12) et comprenant une première partie tubulaire (34) avec une chambre à gaz (36) se trouvant en communication avec le tube et dont le passage de communication est coaxial avec l'axe du diffuseur (22), une seconde partie tubulaire (44) de diamètre plus faible que la première partie, supportant le fil de soudage et communiquant coaxialement avec le passage de la première partie, un bec de soudage (24) monté de façon démontable dans la seconde partie tubulaire du diffuseur et possédant une extrémité se prolongeant axialement au-delà de la seconde partie tubulaire (44), une ouverture pour le fil de soudage agencée coaxialement dans le bec de soudage (24), une tubulure (28) supportée à une extrémité du diffuseur comportant une extrémité ouverte se prolongeant axialement au-delà du bec de soudage et délimitant avec la seconde partie tubulaire (44) du diffuseur une chambre à gaz annulaire (56) et coaxiale avec l'axe du diffuseur, plusieurs passages inclinés (54) par rapport à l'axe étant agencés dans les parties tubulaires du diffuseur pour faire communiquer la chambre à gaz (36) ou le passage à gaz de la première partie tubulaire du diffuseur avec la chambre à gaz annulaire, et des moyens de refroidissement (58) de la pièce tubulaire, du diffuseur et du bec de soudage, caractérisée en ce que les passages (54) sont inclinés par rapport à l'axe du diffuseur d'un angle compris entre 10" et 20°.

2. Pince à souder selon la revendication 1, caractérisée en ce que les passages (54) sont inclinés par rapport à l'axe du diffuseur d'un angle de 15°.

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REVENDICATIONS

3. Pince à souder selon la revendication 1, caractérisée en ce que chaque passage a un diamètre d'au moins 1,9 cm.

4. Pince à souder selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de refroidissement (58) comprennent un conduit d'eau (60, 62) relié thermiquement à l'extérieur du tube et ayant une partie proche du diffuseur (22).

5. Pince à souder selon la revendication 4, caractérisée en ce que la partie de la conduite d'eau proche du diffuseur entoure pratiquement la circonférence du tube (12).

6. Pince à souder selon la revendication 5, caractérisée en ce que le conduit d'eau est relié de façon thermiquement conductrice au tube dans la zone de la partie du conduit d'eau entourant la circonférence du tube.

7. Pince à souder selon la revendication 1 ou 4, caractérisée en ce que l'extrémité du bec de soudage est en retrait dans le sens de la longueur et par rapport à l'extrémité de la tubulure d'une distance comprise entre 7,5 et 19 mm.