Brevet FR2098182A1 — publié le 19720310

La présente invention concerne le soudage à l'arc en utilisant une électrode métallique fusible, l'arc étant protégé par un gaz provenant d'une source externe. Pour un tel soudage, il est courant de relier la source 5 de courant de soudage de façon que la polarité de l'électrode soit positive par rapport à celle de la pièce. L'inversion de la polarité serait théoriquement intéressante,car avec des électrodes en acier doux, la chute de tension à la cathode serait plus grande qu'à l'anode. Il en résulterait une plus grande vitesse de sou-10 dage due à un plus grand dépôt de métal pour un courant de soudage donné, ce qui aboutirait à un soudage plus rentable. Cependant, l'utilisation d'un soudage avec une électrode-cathode présente certains inconvénients. Ils sont principalement dus au fait que l'arc devient très instable et que le transfert du métal d'apport 15 à la pièce est grossier, irrégulier et non axial, ce qui donne lieu à une projection du métal d'apport en quantité inacceptable. la présente invention a pour objet un procédé de soudage à l'arc sous protection gazeuse avec une électrode fusible dans lequel la projection est faible. 20 Selon une caractéristique importante de la présente invention, la protection est constituée principalement par l'argon et une faible proportion de gaz carbonique. Dans le présent mémoire, le terme "globule" désigne la partie fondue de l'électrode fusible avant qu'elle entre en 25 contact avec la pièce. L'expression "protection gazeuse" doit également être considérée dans le présent mémoire comme englobant un mélange de gaz. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre,faite en regard 30 des dessins annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessine, : la figure 1 est une vue latérale schématique d'un appareil de soudage à l'arc comportant une électrode-cathode ; 35 W Vr » 71 24539 2 2098182 les figures 2A,2B et 2C montrent des stades successifs de la formation d'un globule de soudure détaché selon la présente invention ; la figure 3 représente des courbes concernant la qualité du cordon de soudure produit selon la présente invention 5 pour différents mélanges d'argon, de gaz carbonique et d'oxygène ; la figure 4 concerne la qualité de soudures d'angle obtenues sur l'acier inoxydable avec différentes compositions de protection gazeuse ; et la figure 5 est analogue à la figure 4 et concerne la 10 qualité de soudure quelconque sur l'acier inoxydable avec une protection gazeuse riche en argon et contenant de l'hydrogène. Dans l'appareil représenté sur la figure 1, une tête de contact 2 est reliée à la borne négative d'une source convenable de courant de soudage, La source est destinée à fournir jusqu'à 15 500 ampères environ à une tension s'élevant jusqu'à 48 volts environ, bien que les valeurs maximales soient rarement,sinon jamais, utilisées simultanément. L'électrode fusible passe à travers la tête 2 et à son contact de façon qu'elle soit au même potentiel que la tête. 20 A une certaine distance de l'extrémité de l'électrode fusible se trouve une pièce 6, représentée dans ce cas sous la forme de deux plaques d'acier doux placées bout à bout. Le processus de soudage à l'arc est destiné à produire une masse fondue 8 dans la surface supérieure de la pièce, masse fondue dans la-25 quelle des globules successifs de la matière fondue de l'électrode sont déposés par l'arc amorcé entre l'extrémité adjacente de l'électrode 4 et la pièce. Pour plus de clarté, le dispositif d'amorçage de l'arc a été omis sur le dessin,étant donné qu'il ne fait pas partie 30 de la présente invention. Lorsque la protection gazeuse est constituée principalement par l'argon avec un faible pourcentage d'oxygène, on a constaté que l'arc est relativement stable mais trop long ; il est très difficile à l'opérateur de maîtriser efficacement 35 le processus de soudage et le cordon de soudure a tendance a se creuser. En outre, l'arc est amorcé de façon à avoir tendance à empêcher l'opérateur de voir le cordon de soudure. 71 24539 3 2098182 Lorsqu'on utilise un gaz de protection constitué d'argon pur, on a constaté que la racine de l'arc a tendance à remonter vers la partie non fondue de l'électrode jusqu'à ce qu'elle atteigne la tête, après quoi l'arc est réamorce vers le 5 globule fondu et produit un point chaud sur le globule à un endroit quelconque. Les forces électromagnétiques produites par l'arc ont tendance à agir sur le globule, de sorte que lorsqu'il est suffisamment massif pour se détacher de l'électrode, les forces électromagnétiques non axiales ont tendance à déplacer 10 le globule transversalement à l'axe de l'électrode, de sorte qu'il se dépose sur la pièce d'une manière aléatoire à des endroits espacés de la masse fondue désirée, ce qui donne une soudure très médiocre avec une projection importante. Lorsqu'on ajoute de l'hélium à l'argon, il se produit 15 une oscillation à haute fréquence de la racine de l'arc le long de l'électrode et sur une moins grande distance qu'avec de l'argon pur mais, étant donné que l'arc a également tendance à s'éteindre la composition du gaz n'est pas acceptable. Selon la présente invention, on a constaté qu'il est 20 possible de choisir une combinaison particulière pour l'atmosphère de protection qui surmonte au moins en partie le problème posé par la projection de la soudure. La composition du gaz peut varier dans une plage relativement limitée, mais l'on présume qu'il est avantageux de choisir 25 des compositions particulières de manière empirique pour des applications différentes, bien que l'on espère pouvoir parvenir à trouver des mélanges gazeux "universels"permettant de réaliser un soudage à l'arc acceptable avec une électrode-cathode dans une large gamme de conditions de soudage. 30 Par l'expression "soudage à électrode-cathode", on en tend dans le présent mémoire un soudage dans lequel la polarité de l'électrode fusible est négative par rapport à celle de la pièce pendant une partie importante de chaque cycle de soudage. Si le courant de soudage est un courant continu, la polarité 35 est alors négative tout le temps, mais si le courant de soudage est alternatif et est distribué par la source industrielle normale à 60 hertz, elle est négative pendant la moitié du temps. 71 24539 2098182 On peut obtenir d'autres pourcentages, si on le désire, en utilisant des sources de courant alternatif d'une forme d'onde autre que sinusoïdale. Selon la présente invention, on a constaté que lorsqu'on 5 utilise un mélange gazeux à trois composants pour le soudage à l'arc à électrode-cathode, on peut réduire considérablement le degré de dispersion. Un mélange qui donne des résultats satisfaisants contient d'une façon prédominante de l'argon avec 2 ^ en volume d'oxygène et 12 $ en volume de gaz carbonique. On a constaté 10 que lorsqu'on utilise ce mélange, le globule de soudure tend à se diviser automatiquement en deux ou plusieurs parties reliées chacune par un étranglement de plus petite section droite. Les deux parties du globule ont tendance à transporter le courant de soudage, chacune d'elles étant reliée électriquement à la 15 pièce à travers le plasma, de sorte que le globule de soudure partiellement détaché ne transporte qu'une proportion du courant de soudage. Cette circulation du courant a tendance à donner lieu à des densités de courant relativement élevées dans la partie rétrécie,qui produisent des forces électromagnétiques agissant 20 sur le rétrécissement pour réduire sa section droite encore davantage. Ce processus se poursuit automatiquement jusqu'à ce que le rétrécissement se rompe pour former un globule détaché. Les forces exercées sur ce globule par l'arc qui reste amorcé entre l'électrode et le globule non détaché n'ont pratiquement 25 pas de composantes transversales,de sorte que le globule détaché a tendance à tomber ou à être propulsé directement sur la partie sous-jacente de la pièce qui correspond naturellement à la masse fondue 8. Comme l'arc est relativement stable et reste amorcé 30 entre l'électrode solide et le globule qui lui est attaché, l'électrode continue à fondre pour rendre le globule de plus en plus grand jusqu'à ce qu'il se divise de nouveau en deux parties reliées par une partie resserrée, et le cycle se répète. Il est bien évident que le mode opératoire du processus 35 de soudage est en grande partie théorique et la Demanderesse ne désire pas être limitée à une théorie particulière quelconque. 71 24539 5 2098182 Les figures 2A à 2C montrent les phases successives de la formation d'un globule détaché de l'électrode fondue en commençant par l'électrode présentant un petit globule détaché. La courbe extérieure de la figure 3 représente la compo-5 sition de différents mélanges gazeux donnant lieu à des bourrelets de soudure de qualité acceptable, tandis que les courbes internes se rapportent à des bourrelets de soudure de qualité désirable. Ces estimations doivent être considérées comme étant subjectives , mais l'on pense que la plupart des spécialistes de cette technolo-10 gie du soudage seront d'accord en ce qui concerne les estimations de qualité des cordons. On a obtenu les résultats indiqués sur la figure 3 en soudant avec de l'acier doux. Les courbes de la figure 4 ont été obtenues avec des sou-15 dures d'angle sur de 1'acier inoxydable en utilisant un fil d'acier inoxydable d'un diamètre de 1,2 mm. On l'a fait avancer à raison de 12,7 m/mn et le courant de soudage était un courant continu de 250 ampères à 24,5 volts. On voit que l'on obtient des soudures satisfaisantes en 20 l'absence d'oxygène et de gaz carbonique dans la protection gazeuse, mais la présence des deux gaz est nécessaire pour obtenir des résultats optimaux. Les courbes représentées sur la figure 5 ont été obtenues avec des atmosphères gazeuses riches en argon contenant de 1,5 25 à 3,25 % d'hydrogène en plus des quantités indiquées d'oxygène et de gaz carbonique. On se rend évidemment compte de la difficulté de représenter les divers effets des trois composants du mélange gazeux sur un graphique à deux dimensions,mais l'on présume que la présence de faibles quantités d'hydrogène est significative 30 pour le soudage de l'acier inoxydable et non pas seulement pour le soudage en angle. Les conditions de soudage indiquées sur la figure 5 sont analogues à celles de la figure 4, excepté que la tension de soudage est comprise entre 24 et 31 volts. 35 Sur la figure 4, A représente la zone de détérioration 71 24539 6 2098182 par projection et de forte oxydation, B la zone donnant des résultats satisfaisants, C une zone marginale, D une zone dans laquelle les soudures sont inutilisables et E une zone dans laquelle l'arc est instable. Sur la figure 5» F représente une 5 zone dans laquelle on obtient un cordon de soudure médiocre, G une zone de projection et de forte oxydation et J une zone dans laquelle l'arc est instable ; par contre la zone entourée par un pointillé et désignée par H permet d'obtenir des résultats satisfaisants, les résultats optimaux étant obtenus dans la zone I. 10 Naturellement l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de 1'invention. 71 24539 2098182 7 REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage à l'arc en utilisant une électrode fusible et une protection gazeuse, procédé caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative par rapport à celle 5 de la pièce pendant une partie importante du cycle de soudage et en ce que la protection gazeuse se compose principalement d'argon (A) avec une certaine proportion au moins de gaz carbonique (co2). 2. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 1, 10 caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative pendant tout le cycle de soudage. 3. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative pendant la moitié du cycle de soudage. 15 4. Procédé de soudage à l'arc selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la protection gazeuse contient de 5 à 15 ^ en volume de gaz carbonique, avantageusement de 10 à H ^ en volume et de préférence 12 # en volume de gaz carbonique, le reste étant de l'argon. 20 5. Procédé de soudage à l'arc selon l'une quelconque des revencications 1 à 3, caractérisé en ce que la protection gazeuse contient de l'oxygène en plus du gaz carbonique. 6. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient de 2 à 20, 25 avantageusement de 4 à 18, et de préférence de 6 à 15 fo en volume de gaz carbonique, de 0,5 à 10, avantageusement jusqu'à 5, et de préférence de 0,5 à 4 ^ en volume d'oxygène, le reste étant de l'argon. 7. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier 30 inoxydable selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient de 3 à 15» de préférence de 5 à 10 % en volume de gaz carbonique,et de 1 à 10, de préférence de 4 à 8 % en volume d'oxygène, le reste étant de l'argon. 8. Procédé de soudage à l'arc selon l'une quelconque 35 des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient de l'hydrogène en plus du gaz carbonique et de l'argon lorsqu'il est utilisé pour souder des pièces en acier inoxydable. 71 24539 2098182 9. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient au moins 4 $> en volume de gaz carbonique et de 1 à 6 1° en volume d'hydrogène. 5 10. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient de 5 à 10, de préférence 6 % en volume de gaz carbonique. 11. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier inoxydable selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'at- 10 mosphère gazeuse contient également de l'oxygène . 12. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'atmosphère gazeuse contient de 2 à 15 ^ en volume de gaz carbonique, jusqu'à 6 en volume d'oxygène et 16 % en volume d'hydrogène. 15 13. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier doux en utilisant une électrode fusible et une protection gazeuse, procédé caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative par rapport à celle de la pièce et en ce que le gaz est formé d'un mélange d'argon, d'oxygène et de gaz carbonique dans le-20 quel les proportions relatives de l'oxygène et du gaz carbonique se trouvent dans la plus grande zone du graphique de la figure 3. 14. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier doux en utilisant une électrode fusible et une protection gazeuse, procédé caractérisé en ce que la polarité de l'électrode 25 est négative par rapport à celle de la pièce et en ce que le gaz se compose d'un mélange d'argon, d'oxygène et de gaz carbonique dans lequel les proportions relatives de l'oxygène et de l'anhydride carbonique se trouvent dans la plus petite zone du graphique de la figure 3. 30 15. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier inoxydable en utilisant une électrode fusible et une protection gazeuse, procédé caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative par rapport à celle de la pièce et en ce que l'atmosphère gazeuse se compose d'un mélange d'oxygène, de gaz 35 carbonique et d'argon, les proportions relatives de l'oxygène et du gaz carbonique étant indiquées dans la zone du graphique de la figure 4 dont les limites sont déterminées en abscisses et 71 24539 9 2098182 en ordonnées par les courbes allant de 8 $ d'oxygène à 10 # de gaz carbonique et de 4 # d'oxygène à 5 # de gaz carbonique. 16. Procédé de soudage à l'arc d'une pièce en acier inoxydable en utilisant une électrode fusible et une protection 5 gazeuse, procédé caractérisé en ce que la polarité de l'électrode est négative par rapport à celle de la pièce et en ce que la protection gazeuse est formée d'un mélange d'oxygène, de gaz carbonique, d'hydrogène et d'argon dont la teneur en hydrogène varie entre 1 et 4 ^ en volume et les proportions relatives 10 d'oxygène et de gaz carbonique sont indiquées sur le graphique de la figure 5 par la courbe s'étendant entre 5 et 10 $ en volume de gaz carbonique. 17. Procédé de soudage à l'arc selon la revendication 16, caractérisé en ce que les proportions relatives de l'oxygène 15 et du gaz carbonique sont choisies de façon qu'elles se trouvent dans la zone allongée orientée vers le haut à partir de la valeur de 6 de gaz carbonique du graphique de la figure 5.