Brevet FR2060408A1 — publié le 19710618

La présente invention concerne un procédé de soudage à l'arc électrique, en particulier du type consistant à souder des métaux de base en établissant un arc électrique stable, présentant une densité d'énergie thermique élevée, comparativement 5 à celle de l'arc produit dans le procédé de soudage à l'arc, antérieurement connu, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte. Jusqu'à présent, on a utilisé le procédé de soudage à l'arc avec une électrode de tungstène, en atmosphère inerte, 10 d'une façon étendue, pour fondre et souder des métaux, en particulier des ferro-alliages, tels que de l'acier inoxydable, et des alliages non ferreux, tels qu'un alliage d'aluminium. Avec ce procédé, cependant, l'arc produit donne naissance à une énergie thermique par unité de surface de la zone de soudage, relativement faible. Par 15 suite, la profondeur de pénétration est également faible. Pour un degré donné de fusion des soudures, les pertes thermiques sont excessivement élevées. En d'autres termes, ce procédé présente les inconvénients suivants : la densité d'énergie de l'arc et le rendement global du soudage sont faibles. 20 On a déjà effectué des études et des recherches poussées sur le procédé de soudage à l'arc avec une électrode de tungstène en atmosphère inerte, afin de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus. Par exemple, certains perfectionnements sont déprits dans le brevet japonais n° 7860/61. On connaît également un pro-25 cédé de découpage à l'arc, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte. Pour faciliter la compréhension de l'invention, on va décrire ci-après quelques uns des procédés de soudage à l'arc, actuellement connus, en se référant aux figures 1 et 2 du dessin annexé, qui représentent schématiquement des appareils jq pour mettre en oeuvre ces procédés connus de soudage à l'arc. La figure 1 représente un dispositif pour mettre en oeuvre le procédé classique de soudage à l'arc, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte. 1 désigne une électrode de tungstène, 2 une buse amenant un gaz protecteur, 3 un 35 métal de base, 4 une nappe de gaz protecteur, et 5 un arc électrique. Comme le montre cette figure 1, dans le cas du procédé classique de soudage à l'arc, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte, l'arc 5* établi entre l'électrode de tungstène 1 et le métal de base J>, s'épanouit en direction du métal de 40 base 3. Par suite, la densité d'énergie de l'arc est considerable- COPY 2060408 70 32278 ment réduite dans la zone de soudage. La figure 2 illustre un perfectionnement du procédé ;| classique de soudage à l'arc, mentionné précédemment> qui est décrit dans le brevet japonais n° 7860/61. Sur la figure 2, 1 5 désigne également une électrode de tungstène, 2 un organe de guidage, concentrant l'arc, 3 un métal de base, et 4 un arc, entouré par une nappe de gaz protecteur. Comme le montre la figure 2, dans le cas de ce procédé de soudage, l'arc établi dans l'intervalle entre l'électrode de tungstène 1 et le métal de base 3 10 est guidé,en même temps que le flux de gaz protecteur, à travers l'organe de guidage 2, de telle sorte que l'aire de la section transversale de cet arc est réduite par rapport à celle de l'arc qui s'épanouit normalement. Avec ce procédé, la densité d'énergie de l'arc dans la zone de soudage peut être augmentée considérable-15 ment par rapport à celle obtenue avec le procédé classique de soudage à l'arc, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte, si bien que ce procédé perfectionné est extrêmement efficace. Cependant, l'organe de guidage 2, qui est représenté 20 sur la figure 2, n'a pas seulement pour effet de concentrer l'arc en le confinant, en même temps que le flux de gaz protecteur, à l'intérieur de son canal, de faible section transversale, mais il a en outre pour effet de refroidir effectivement l'arc dans une certaine mesure; en d'autres termes, il donne lieu à 25 ce que l'on appelle l1"effet de pincement thermique", en produisant la concentration de l'arc. En d'autres termes, l'organe de guidage 2 est exposé à la température élevée de l'arc, dont il absorbe la chaleur. Par suite, l'organe de guidage 2 est exposé à une fatigue thermique importante au cours de son emploi. Pour 30 résoudre le problème grave posé par cette fatigue, il faudrait munir l'organe de guidage d'un dispositif de refroidissement, par exemple pour le refroidir avec de l'eau. Cependant, un tel dispositif de refroidissement ne permet pas d'empêcher complètement la fatigue thermique. Par ailleurs, un tel dispositif de refroidisse-35 ment complique la structure de la torche de soudage, et rend son maniement plus délicat. Le procédé de découpage à l'arc électrique, utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte, qui a été mentionné précédemment, est un procédé suivant lequel on augmente le 40 débit du gaz protecteur utilisé suivant le procédé de soudage copyy. ! ' j , U- 2060408 70 32278 correspondant, afin d'obtenir un arc présentant une densité accrue d'énergie thermique. Par ce procédé, on peut obtenir un jet puissant de plasma; ce procédé est très efficace, lors de la fusion du métal de base par le jet puissant de plasma, 5 pour faire s'écouler et gicler la partie fondue du métal, de manière à la séparer. Cependant, ce procédé ne peut pas être adapté au soudage. Le procédé de soudage à l'arc selon la. présente invention permet d'éliminer les inconvénients des procédés antérieure-10 ment connus; Il permet de surmonter l'incompatibilité du procédé antérieur, mentionné en dernier, et il permet d'obtenir un arc électrique présentant une densité d'énergie extrêmement élevée. Le procédé selon la présente invention permet d'obtenir un arc à plasma présentant une densité élevée d'énergie, sans 15 utiliser aucun organe solide, limitant directement l'épanouissement de l'arc, mais en utilisant en réalité au moins deux courants concentriques de gaz, éjectés par.la buse de la torche, pour concentrer l'arc. La présente invention concerne un procédé pour souder 20 des métaux de base en produisant un arc à plasma dans l'intervalle entre les métaux de base et une électrode qui leur fait face, caractérisé par les points suivants : a) L'arc à plasma est produit à travers un premier courant de gaz; il est dirigé vers les métaux de base et il entoure 25 l'électrode; b) Un second et éventuellement un troisième courants de gaz entourent respectivement le premier et le second courants de gaz, en s'écoulant dans la même direction que lui; c) Le premier courant de gaz a une section transversale 20 suffisamment faible; il est constitué par un gaz présentant une faible énergie de transition vers l'état plasmifié; la vitesse d'époulement du premier courant de gaz est telle qu'il n'est pas en mesure de faire s'écouler et gicler la partie des métaux de base qui est fondue à la formation du plasma; 25 d) Le second courant de gaz satisfait à l'une au moins des conditions suivantes : 1° Le gaz constituant le second courant présente une énergie de transition vers l'état plaanifié, élevée pâr.rapport à celle du gaz constituant le premier courant; 40 2° L'effet de refroidissement du second courant de gaz COPY 2060408 „ 7Q 32278 est intense.; 3° La vitesse d'écoulement du second courant de gaz est élevée comparativement à celle du premier courant de gaz; e) Le troisième courant de gaz, prévu éventuellement, 5 protège suffisamment l'électrode, l'arc à plasma et les métaux de base, vis à vis de l'atmosphère, ce qui permetde limiter l'épanouissement de l'arc à plasma sans utiliser directement un organe solide dans ce but. A titre d'exemple, on a décrit ci-dessous et illustré -1-0 schématiquement au dessin annexé un mode d'exécution du procédé dé soudage à l'arc selon la présente invention. . La figure 3 représente, partiellement en coupe et partiellement en perspective, une forme de réalisation d'un appareil pour mettre en oeuvre le procédé de soudage à l'arc électrique selon la présente invention. Sur la figure 3 du dessin annexé, 11 désigne une électrode, placée en regard d'un métal de base 12. L'électrode 11 est entourée par une première buse 13, dont l'orifice de sortie, situé en regard du métal de base 12, présente une surface suffi-20 samment petite. Le gaz éjecté par la première buse 13 forme un premier courant de gaz 14. L'énergie requise pour plasmifier le gaz du premier courant 14 est relativement faible.' La vitesse d'écoulement du premier courant de gaz 14 est telle qu'il ne fait pas s'écouler et gicler la partie 15 du métal de base 12, qui 25 ' est fondue à la formation de l'arc. La première buse 13 est entourée par une seconde buse 16, d'où est éjecté un second courant de gaz 17, qui entoure le premier courant de gaz 14, et s'écoule dans la même direction que lui. Le second courant de gaz 17 satisfait à l'une au moins 20 des conditions suivantes : 1° L'énergie nécessaire pour plasmifier le gaz de ce second écoulement est élevée comparativement à celle nécessaire pour plasmifier le gaz du premier écoulement 14; 2° L'effet de refroidissement du second courant de 25 gaz est intense; 3° Le débit du second écoulement de gaz est élevé comparativement à celui du premier courant de gaz. La seconde buse 16 est entourée par une troisième buse 18, d'où est éjecté un troisième courant de gaz 19, qui entoure 40 le second courant de gaz 17. Ce troisième courant de gaz 19 sert COPY 5 2060408 70 32278 à protéger l'arc vis à vis de l'atmosphère, et, par suite, il peut être utilisé chaque fois que cela est nécessaire. 20 désigne un arc présentant une densité d'énergie élevée,, et produit par le procédé de l'invention. Les différentes 5 buses sont disposées de manière à ne pas être exposées directement à l'arc produit entre l'électrode 11 et le métal de base 12. Le procédé selon la présente invention repose sur les principes de fonctionnement qui vont être décrits ci-après. Dans le cas du procédé de soudage à l'arc, utilisant 10 une électrode de tungstène en atmosphère inerte, l'arc produit entre l'électrode et le métal de base s'épanouit radialement. Au contraire, dans le cas du procédé selon la présente invention, l'épanouissement de l'arc est empêché par les effets combinés du premier et du second courants de gaz, 14 et 17. 15 Du fait que le premier courant de gaz 14 présente une section transversale suffisamment faible, que le gaz qui le constitue présente une faible énergie de transition à l'état plasmifié, et que sa vitesse d'écoulement est faible, le gradient de potentiel à travers l'arc produit est faible. Par suite, l'arc est confiné 20 à l'intérieur de la zone correspondant au premier courant de gaz 14. Du fait que le second courant de gaz 17 satisfait à l'une au'.môins des trois conditions 1°, 2°, et ~5°, indiquées précédemment, ce second courant de gaz ne pourrait que difficilement 25 laisser passer l'arc électrique, si bien qu'il confine ce dernier à l'intérieur du premier courant de gaz, tout en le refroidissant, . afin de le concentrer. De cette façon, si le second courant de gaz présente une vitesse d'écoulement élevée comparativement à celle du premier courant de gaz, et/ou s'il a un effet intense.de 20 refroidissement, il favorise la recombinaison des paires ion-électron dans le plasma de l'arc, à la frontière entre le premier et le second courants de gaz, de manière à accroître les pertes thermiques, si bien que la section transversale de l'arc cylindrique est réduite, de manière à pallier 1'accroissement des pertes 25 thermiques. Ceci rend l'arc plus mince, de manière à augmenter sa densité d'énergie. De cette façon, l'arc est stabilisé dans la mesure où il est confiné à l'intérieur de la zone correspondant au premier courant de gaz. Si le second courant est constitué par un gaz dont la transition à l'état plasmifié nécessite une énergie 40 élevée comparativement à celle nécessitée par le premier courant ^Bad original copy 2060408 70 32278 8e gaz, la transition à l'état plasmifié est plus difficile dans la zone correspondant au second courant de gaz, que dans celle correspondant au premier courant de gaz, si bien que ledit second courant de gaz favorise l'effet de recombinaison mentionné précédemment, ce qui contribue à confiner l'arc à l'intérieur de la zone correspondant au premier courant de gaz. Comme on l'a décrit précédemment, il est possible, en faisant passer dans des zones ou des canaux correspondants, au moins deux courants concentriques de gaz, satisfaisant respectivement aux conditions mentionnées précédemment, d'obtenir, par l'action combinée de ces courants de gaz, un arc concentré, qui présente une densité d'énergie élevée, et qui convient pour le soudage, et cela sans utiliser aucun organe de guidage, pour la concentration de l'arc, qui serait exposé directement à l'arc, comme dans le cas du brevet japonais mentionné précédemment, et sans que le courant de gaz soit éjecté avec un débit élevé à travers la zone correspondant à l'arc, comme dans le cas du procédé de découpage à l'arc électrique, antérieurement connu, et utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte. Des expériences ont montré que, pour obtenir les effets recherchés par la présente invention, il est essentiel que le premier et le second courants de gaz, ainsi éventuellement que le troisième courant de gaz, dans le cas où il est utilisé, satisfassent respectivement, et simultanément, aux conditions mentionnées ci-dessus. Sinon, "il n'est pas possible d'obtenir les effets recherchés par l'invention. Si par exemple le second courant de gaz satisfait seul à la condition mentionnée ci-dessus, on n'obtient pas l'effet recherché par l'invention. C'est ainsi que, pour obtenir les effets recherchés par l'invention, en utilisant un procédé différent de celui qui fait l'objet de l'invention, 11 est nécessaire de recourir par exemple au procédé décrit dans le brevet japonais n° 7860/61. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut utiliser, pour constituer le premier courant, gazeux, un gaz inerte ou un mélange de gaz inertes. La vitessedu premier courant de gaz doit bien entendu être déterminé en tenant compte de la vitesse du second courant de gaz. En pratique, elle est de préférence inférieure à environ 2 mètres par seconde. La section transversale de la zone correspondant au premier courant de gaz doit être aussi petite que possible. Cependant, en pratique, il y a une 2060408 70 32278 limite inférieure pour cette section transversale, afin qu elle soit maintenue constante jusqu'à proximité immédiate du métal p de base. Elle est de préférence de l'ordre de 2 à 5 mm , bien qu'elle dépende du courant d'arc. 5 En ce qui concerne le gaz constituant le second courant gazeux, dans le cas où l'on doit utiliser un gaz nécessitant, pour être plasmifié, une énergie élevée comparativement à celle nécessitée par le gaz du premier courant gazeux, un gaz inerte présentant une énergie de plasmification assez élevée (par exem-10 pie de l'hélium plutôt que de l'argon), ou bien un mélange de gajs inertes de ce genre, convient mieux qu'un gaz moléculaire (par exemple C02 et N2), qui, à la différence d'un gaz inerte, nécessite une énergie de dissociation, ou mieux que le gaz constituant le premier courant gazeux. Si l'on doit choisir un gaz 15 assurant un effet de refroidissement intense, on peut utiliser uii gaz à faible poids moléculaire (par exemple He et Hg), ou bien un mélange contenant un gaz à faible poids moléculaire. De toute façon, il est avantageux que la vitesse d'écoulement du second courant gazeux soit élevée comparativement à celle du pre-20 mier courant gazeux. Par exemple, pour le soudage de ferro-alliages, on peut utiliser pour constituer le second courant gazeux un mélange de gaz contenant A (argon), C02 ou H2 Le troisième courant gazeux peut être choisi de la même façon qu'un gaz protecteur ordinaire, lorsqu'il est utilisé, si nécessaire, pour protéger l'électrode, l'arc et les métaux de base vis à vis de l'atmosphère. Il est particulièrement impor-20 tant si 1?- vitesse d'écoulement du second courant gazeux est élevée, afin d'empêcher l'introduction d'air extérieur. Les gaz constituant les courants de gaz ne doivent bien entendu avoir aucune action indésirable sur la zone soudée. Comme on l'a décrit précédemment, le procédé de soudage 35 à 1' arc électrique selon la présente invention permet d'obtenir facilement un arc à plasma présentant une densité d'énergie élevée comparativement à celles qui peuvent être obtenues par le procédé de soudage à l'arc électrique utilisant une électrode de tungstène en atmosphère inerte. Comme l'appareil utilisé ne comporte pas 40 d'organe exposé directement à l'arc, à la différence de l'appareil COPY 8 2060408 70 32278 classique pour produire un arc a plasma, il est possible de simplifier la construction de la torche de soudage, et d'allonger sa durée de vie. Q 2060408 70 32278 rïïvïkhcatk:-! Procédé pour foirer un arc é*ectrique entre des métaux' ce base, à souder, d'une part, et un»; électrode, qui leur fait face, d'autre part; caractérisé par ifs points suivants : a) On produit un arc à p : s .s-:, a à travers un premier courant de gaz entre 1 'électrode et les métaux de base, ce premier courant de gaz éteint dirigé vers lesdits métaux de base, et entourant ladite électrode; h) Un second et éventuel le;r.ent un troisième courants de gaz entourent respectivement le premier et le second courants de gaz, 10 en s'écoulant dans la même direction que lui.; c) Le premier courant de gaz a une section transversale suffisamment faible, et il est constitué par un gaz présentant une faible énergie do transition vers l'état plasmifié, la vitesse d'écoulement dudit premier courant de gaz étant telle qu'il 15 n'est pas en mesure de faire s'écouler et gicler la partie fon due des métaux de base, lorsque l'arc à plasma est créé: dN Le second courant de gaz est suffisamment efficace pour resserrer l'arc à plasms et le confiner à l'intérieur du premier eourent de gaz, sans devoir employer pour cela un organe solide, ledit 20 second courant de gaz satisfaisant en outre à l'une au moins des trois conditions suivantes : 1° "Le gaz constituant le second courant présente une énergie de transition vers l'état plasmifié, élevée par rapport à celle du gaz constituant le premier courant; ^ 2° L'effet de refroidissement du second courant de gaz est intense, comparativement à celui du premier courant de' gaz; 3° La vitesse d'écoulement du second courant de g?z est élevée comparativement à celle du premier courant de gaz; e) Le troisième courant de gaz, prévu éventuellement, protège suffi- 3® sammont 1 ' élooti'ode, l'arc à plasma et les métaux ce base, vis ï vis de 1'atmosphère. bad original copy