Brevet FR2132345A1 — publié le 19721117

L'invention concerne un procédé pour le soudage—MIG au plasma,suivant lequel un arc est entretenu entre une pièce à souder et une électrode non fusible, le plasma de l'arc est contracté par une buse, un fil de soudure est introduit axialement dans le plasma de l'arc, et un arc MIG est fi entretenu entre le fil de soudure et la pièce à souder. L'abréviation internationale MIG signifie Métal Inert Gas welding, c'est-à-dire soudure métal gaz inerte. Du fait que suivant un tel procédé connu le fil de soudure est introduit axialement dans le plasma de l'arc, ce fil de métal d'apport fond 10 rapidement ce qui permet un soudage rapide avec une faible pénétration de la pièce à souder et un affluage convenable de la soudure. Ce procédé connu pour le soudage au plasma est normalement effectué avec l'électrode et le fil de soudure au pôle négatif. Dans ce cas, l'arc MIG a la forme d'une cone ayant un petit angle de sommet0 La forme de cet arc ne varie 15 pratiquement pas lorsque l'intensité du courant dans le fil de soudure subit des variations. Le but de l'invention est de fournir un procédé pour le soudage—MIG au plasma qui, comparé au procédé connu, offre un plus large domaine d'applications. 20 Conformément à l'invention, ce but est atteint principalement du fait que le soudage est effectué avec l'électrode et le fil de soudure au pôle positif, alors que par variation de l'intensité du courant dans le fil de soudure, le caractère de l'arc MIG et la façon dont a lieu le transfert de matériau sont modifiés. 25 L'électrode et le fil de soudure étant raccordés au pôle positif, dif férents modes de transfert de matériau peuvent être obtenus par variation de l'intensité du ocurant dans le fil de soudure : lorsque l'intensité du— dit courant est faible, le matériau est transféré sous la forme de gouttes (gJobular "cransfer); lorsque l'intensité du courant augmente, le transfert 30 en gouttes se transforme progressivement, sans transition netxe, en un transfert axial de 3-outxelettes de très petites dimensions (axial spray transfer); lorsque l'intensité du courant dans le fil de soudure atteint une valeur critique, qui par la suite est appelée ''courant de transition", le transfert ajcial r.e transforme en un transfert rotatif de gouttelettes de 35 très petites dimensions. (Hotating spray transfer). A rerrarauer qut- dans un procédé connu de soudage—i>il G, le fil de soudure est raccordé au p$l«? positif, alors que par variation 1 » in— - *11 *■ mrant nar=: 7. - fil «soudure, il «su également possible de -"éalis^ trois mu;es ' 1 #P BAD ORIGINAL i 72 11538 2 2132345 l'application pratique de ce procédé connu est limitée à une petite gamme d'intensités du courant avec des longueurs en saillie relativement courtes du fil de soudure. Contrairement au procédé conforme à l'invention, le procédé connu ne peut être effectué d'une façon contrôlée lors-5 que l'intensité du courant dans le fil de soudure est supérieure a.u courant de transition. L'arc MIG en forme de cône, obtenu lors de la mise en oeuvre du procédé connu précité pour le soudage-MIG au plasma, nécessite une pénétration relativement faible de la pièce à souder. Par contre, sui-10 vant un mode de réalisation préféré du procédé conforme à l'invention, on obtient une soudure étroite avec une forte pénétration de la pièce à souder du fait qu'on soude avec un courant dans le fil de soudure d'une intensité tellement faible qu'il en résulte un arc MIG non rotatif à forme cylindrique contractée, et un transfert de matériau concentré. Ce 15 mode de réalisation convient très bien pour le soudage très rapide de minces pièces. Suivant un autre mode de réalisation préféré du procédé conforme à l'invention, on soude avec un courant dans le fil de soudure d'une intensité tellement élevée qu'il en résulte un arc MIG rotatif et 20 un transfert de matériau étendu contrôlé. Par augmentation de l'intensité du courant dans le fil de soudure, l'arc MIG initialement non rotatif cylindrique se transforme à. l'atteinte du courant de transition, brusquement aran arc MIG rotatif décrivant un cylindre dans le plasma d'arc enveloppant. Au cours d'expériences, on a été surpris de constater 25 que l'extrémité ramollie du fil de soudure est déformée en spirale en décrivant un cône dans le plasma d'arc enveloppant, alors que l'arc MIG qui attaque l'extrémité du fil de soudure, engendre un cylindre; dans ces conditions, le transfert du matériau vers la pièce à. souder a lieu de façon à réaliser une large soudure avec une pénétration très faible 30 mais uniforme alors qu'en outre il ne se produit guère d'éclaboussures de métal fondu. Ces défauts étaient inévitables dans le procédé de 'oudage-MIG déjà cité, suivant lequel, pour des intensités du courant dans le fil de soudure ne dépassa.nt que légèrement les intensités de courant de transition, le matériau est projeté latéralement par rota-35 tion, de sorte qu'en pratique, ce procédé n'est pas utilisable pour de fortes intensités de courant. Ce mode de réalisation conforme à l'invention peut être utilisé avantageusement pour appliquer sur une pièce une couche métallique, opération accompagnée d'une fusion rapide du fil de 72 11538 3 2132345 soudure et produisant en une couche plane et relativement large de métal fondu. Pour la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, on peut utiliser un dispositif connu comportant une torche de soudage avec 5 un boîtier muni d'une buse à ouverture de plasma, une électrode non fusible et avec des moyens pour l'apport du fil de métal à travers le centre de cette ouverture, ledit dispositif comportant en outre des sources d'alimentation pouvant être réglées indépendamment les unes des autres.. Conformément à l'invention, ce dispositif e^st remarquable en ce 10 que le fil de soudure peut être connecté au pôle positif de la première source d'alimentation, tandis que l'électrode peut être connectée au pôle positif de l'autre source d'alimentation, la vitesse d'apport du fil de soudure étant réglable. Suivant un mode de réalisation préféré du dispositif conforme à 15 l'invention, la source d'alimentation pouvant être connectée à l'électrode, a une caractéristique fortement décroissante,alors que la source d'alimentation pouvant être connectée au fil de soudure a une caractéristique plane. Avec des sources d'alimentation présentant ces caracté-ristiquesj le potentiel du fil de soudure peut être mieux réglé par 20 rapport au potentiel du plasma d'arc enveloppant, de sorte qu'il est plus facile de contrôler le procédé. Suivant un autre mode de réalisation préféré du dispositif conforme à l'invention, les deux sources d'alimentation appartiennent à une unité de régulation commune. 25 La description suivante, en regard des dessins annexés, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure t représente schématiquement un dispositif, pour la mise en oeuvre du procédé connu. 30 La figure 2 représente un dispositif pour la. mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention. La figure 3 montre schématiquement la forme de l'arc MIG-, obtenu suivant un mode de réalisation du procédé conforme à l'invention. La figure 4 montre une soudure réalisée à l'aide de l'arc 35 illustré sur la figure 3« La figure 5 montre schématiquement la forme de l'arc MIG, obtenu suivant un autre mode de réalisation du procédé conforme à l'invention. La figure 6 montre une soudure réalisée à l'aide de l'arc 72 11538 4 2132345 illustré sur la figure 5« La figure 1 montre schématiquement un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé connu pour le soudage-MIG au plasma. Dans un courant gazeux A, par exemple un courant d'argon, on entretient un arc 5 B entre une pièce à souder C et une électrode non fusible D, par exemple en tungstène. L'arc B est contracté par une buse E. Un fil de soudure F, parcouru par -un courant, est introduit axialement dans le plasma de l'arc B, arc MIG1 G étant ainsi entretenu entre le fil P et la pièce C. L'électrode L est connectée au pôle négatif d'une source d'alimentait) tion H, tandis que le fil de soudure F est raccordé au pôle négatif d'une deuxième source d'alimentation K, les pôles positifs de ces sources H et K étant raccordés à la pièce à souder C. Un gaz protecteur M, par exemple formé par un mélange d'argon et d'acide anhydrique, est dirigé vers la pièce ft par l'intermédiaire d'une buse L. Suivant ce 15 procédé, l'arc MIG G a la forme d'un cône ayant un faible angle de sommet, comme indiqué sur la figure 1. Lorsque l'intensité du courant circulant dans le fil de soudure est augmentée, on obtient un épais cordon de soudure relativement étroit, la forme de l'arc MIG resta.nt pratiquement inchangée. 20 Le domaine d'applications du soudage-MIG au plasma est étBndu largement par le procédé conforme à l'invention, la connexion de l'électrode et du fil de soudure aux pôles positifs des sources d'alimentation étant la caractéristique la plus remarquable du procédé. La figure 2 montre un dispositif 1 permettant la mise en oeuvre du procédé conforme 25 à l'invention. Ce dispositif comporte une torche de soudage 2 qui a un boîtier 3 muni d'une buse 5 à ouverture de plasma 7» le boîtier 3 contient un support 8 portant une électrode non "fusible 9» Par exemple en tungstène, placée excentriquement par rapport à l'ouverture J. A l'aide d'un tube de guidage 13, un fil de soudure 11 est introduit axialement 30 dans le centre de l'ouverture 7> ce fil 11 est déplacé à l'aide de rouleaux de transport 15 qu'un moteur 17 peut entraîner à vitesse réglable. La torche de soudage 2 comporte également une conduite 19 pour l'admission d'un gaz de plasma, par exemple l'argon, ainsi que des raccords 21 permettant l'admission d'un gaz de protection, par exemple 35 un mélange d'argon et d'acide anhydrique. Le boîtier' 3» le support d'électrode 8 et le tube de guidage 13 sont munis de chambres de refroidissement, seule la chambre 22 du boîtier étant représentée sur la figure 2; ces chambres de refroidissement communiquent avec des raccords 23', 23", 25', 25H, 27', 27" pour l'admission et l'évacuation de l'eau 1 CÔPY 72 11538 2132345 10 15 20 25 30 35 de refroidissement. Par l'intermédiaire d'un générateur haute fréquence 51, l'électrode 9 est connectée au pôle positif d'une source d'alimentation 29 à caractéristique fortementdéeroissante, tandis qu'à l'aide du tube de guidage 13, le fil de soudure 11 est raccordé au pôle positif d'une deuxième source d'alimentation indépendante 33 à caractéristique plane. Une pièce à souder 35 est connectée aux pôles négatifs des sources 29 et 33• La référence X indique la distance entre la buse 5 et la pièce 35» tandis que la référence d représente le diamètre de l'ouverture 7. * . Au cours du soudage à l'aide du dispositif représenté sur la figure 2, un arc de plasma est entretenu entre l'électrode 9 et la pièce 35 dans une atmosphère de gaz protecteur et contracté par l'ouverture 7- Un arc MIG est entretenu entre la pièce 35 et le fil de soudure 11, introduit axialement dans le plasma et porté à fusion. Pour une intensité relativement faible du courant circulant dans le fil 11, l'arc MIG a la forme d'un cylindre contracté, non rotatif. Cette situation est représentée schématiquement sur la figure 3» l'arc de plasma étant indiqué par la référence 37» et l'arc MIG pat la référence 39. La figure 4 permet de se rendre compte que cette forme d'arc permet l'obtention d'un étroit cordon de soudure 4l^eliant d^ux pièces de travail 35r et 35"» avec une faible pénétration des deux pièces. Ci-après sont énumérées les données techniques se rapportant à deux exemples de réalisation d'une telle liaison par soudures Tièces à souder acier coulé acier inoxydable Epaisseur des pièces à souder 1,5 mm 8 mm Irofil du cordon de soudure I I 1 ré-ouverture entre les pièces 1 , mm 1 mm Gaz de plasma argon argon Débit de gaz de plasma 6,5 l/min 6,5 l/sin Gaz protecteur 80,5 de A 66,6" j de A 15^ de C0„ d 33,30 de C0o C. 5$ de 02 Débit de gaz protecteur 15 l/min 15 l/min ' Composition du fil de rr.étal d'apport, en y> de poids 1, ôci d e Mn 0,8'/, de Si 0,r.j de C 97»5v' de ?e 20,6-:: de Cr '' f 7 "• îe Ni 1,8'. rie Mn 0, ..5.- de Si 0.-325;': de C 675025r3 de Fe f COPY 72 11538 e 2132345 Diamètre du fil de soudure 1,6 mm 1,2 mm Diamètre de l'ouverture de plasma 6 mm 6 mm Distance entre la buse et la pièce à souder 18 mm 15 mm Intensité du courant de l'arc de plasma 105 A 100 A Intensité du courant dans le fil de soudure 300 A 190 A Vitesse de soudage 385 cm/min 38 cm/min Vitesse de dépôt du matériau 120 g/min 90 g/min 10 C'est surtout le premier exemple de réalisation qui permet de se rendre compte que le procédé conforme à l'invention permet des vitesses de soudage et de dépôt du matériau fondu très élevées. Si, en partant de cette situation, on augmente progressivement l'intensité du courant circulant dans le fil de soudage, l'arc cylin-15 drique non rotatif 39 s'e transforme, à l'atteinte du courant de transition déjà cité, brusquement en un arc rotatif 43 décrivant un cylindre 45» la vitesse de rotation de l'arc 43 fiSt tellement élevée que l'oeil humain n'est à même d' observer qu'un arc cylindrique large. Ce phénomène trouve sa cause dans le fait que l'extrémité 47 du fil 11 s'est 20 ramollie sur une longueur de quelques millimètres, est incurvée latéralement en spirale, et tourne à grande vitesse pour décrire ainsi un cône 49! l'arc MIG 43 lui attaque l'extrémité du fil de soudure tourne également et engendre de la façon déjà décrite, le cylindre 45» pouvant être observé par l'oeil humain. Cette rotation de l'arc MIG est causée pro-25 bablement par des forces de réaction mécaniques et des forces électromécaniques. En outre, le champ magnétique', engendré par le courant dans le plasma d'arc, exerce une force qui limite le diamètre du trajet décrit par l'arc MIG; cette force n'est pas engendrée lors de la mise en oeuvre du procédé déjà connu pour le soudage-MIG, et cette a.bsence peut expli-3Q- quer 1'éclaboussure et 1a. projection non-contrôlée de matériau fondu. La forme û'?rc décrite ci-dessus convient très bien pour appliquer sur une pièce v.ne couche de métal très large avec faible pénétration de la pièce à confier. La figure 6 montre une pièce 35 avec une couche 51 appliquée de la sorte. Malgré la forte vitesse de rotation de l'arc secondaire 43» 35 on rnste toujours très bien maître du transfert de matériau vers la pièce à souder, et cela presque sans éclaboussures. Suivant un exemple de réalisation pratique pour souder de l'acier inoxydable sur de l'acier coulé, les paramètres de soudage furent 72 11538 7 2132345 les suivants: Gaz de plasma Débit de gaz de plasma Gaz protecteur Débit de gaz protecteur Composition du fil de soudure en # de poids 10 Diamètre du fil de soudure Diamètre de l'ouverture de plasma Distance entre la buse et la pièce à souder 15 Intensité du courant de l'arc de plasma Intensité du courant dans le fil de soudure. Vitesse de soudage Vitesse de dépôt du matériau 20 Epaisseur du cordon de soudure Largeur du cordon de soudure Argon 6,5 l/min 80# de A; 2C)# de CO, 15 l/min 20,6/' de Cr 9,7$ de M 1,8$ de Mn 0,85% 96 A 400 A 23 cm/min 296 g/min 5 mm 37 mm Des expériences ont permis de constater que l'intensité du courant de transition dans le fil de soudure augmente avec le diamètre du fil. Les exemples de réalisation cités ci-après démontrent cette 25 relation et se rapportent à l'explication d'une couche plane sur une plaque en aciec coulé, traitée au jet de sable. Composition (en poids) du fil';de, soudures 1,6/, de lin; 0,8# de Si; 0,1# de C; 97,5# de Fe Débit de gaz de plasma: 5 litres d'argon par minute; 30 Débit de gaz protecteur: mélange de 12 litres d'Argon avec 3 litres de CO^ rar minute. Diamètre de l'ouverture de plasma: 10 mm; distance entre la buse et la pièce à souder: 15 mm; vitesse de soudage: 25 cm/min 35 intensité de courant de l'arc de plasma: 125 A. I£n fonction du diamètre du fil de soudure, l'intensité du courant le fil variait comme suit: 72 11538 8 2132345 Diamètre du fil de .soudure,en mm Intensité du courant de transition exprimée, en ampères 0,9 175 ± 10 1,2 250 + 10 5 1,6 330 + 10 Pour des intensités de courant supérieures à l'intensité du courant de transition, par exemple de 280 A pour un fil de soudure ayant un diamètre de 1,2 m, la situation obtenue est stable et la rotation de l'arc MIG très régulière. 10 En outre, des expériences ont permis de constater que le transfert de matériau a lieu à des intensités de courant relativement faibles, aussi bien dans le cas où des longueurs en saillie du fil de soudure sont petites, mais en particulier avec des grandes longueurs en saillie d'environ 35 mm et davantage. Far l'expression "longueur en 15 saillie" il y a lieu d'entendre ici la partie du fil de soudure, compris entre l'extrémité du tube de guidage jusqu'à l'origine de l'arc MIG. Lors de la mise en oeuvre du procédé connu, l'intensité du courant de transition est faible lorsque les longueurs en saillie sont grandes, mais le "transfert de matériau rotatif" est inutilisable par suite des 20 fortes éclaboussures; lorsque les longueurs en saillie sont petites, 1# transfert a lieu à des intensités de courant plus élevées, l'intensité pouvant être variée dans un domaine utilisable de transfert "rotatif"; toutefois, en pratique il n'est pas possible de procéder au soudage lorsque les longueurs en saillie du fil de soudure sont inférieures à 25 30 mm, étant donné que pour de telles longueurs, le tube de guidage doit être placé trop près de l'électrode en tungstène et est, par suite du rayonnement thermique, endommagé par fusion. On a constaté de plus que le diamètre de l'ouverture de plasma influence également l'intensité du courant de transition dans le fil de 50 soudure, L'exemple signalé ci-après permet de constater que cette intensité diminue avec le diamètre de cette ouverture. Pour cet exemple, on utilisait un fil de soudure ayant un diamètre de 1,2 mm, et une buse dont l'ouverture de plasma avait un diamètre de 6 mm. Les autres paramètres de soudage étaient identiques à ceux de l'exemple précité pour lequel l'intensité du courant de transition était égale à 250 A lors de l'emploi d'un fil de soudure ayant un diamètre de 1,2 mm et une ouverture de plasma de 10 mm, tandis que pour cet exemple, l'intensité dudit courant était proche de 210 A pour ladite ouverture à diamètre de 6 mm. Lors de la mise en oeuvre du procédé conforme à l'invention, 72 11538 9 2132345 la vitesse de dépôt du matériau augmente fortement avec l'intensité du courant traversant le fil de soudure. A l'aide d'un fil ayant un diamètre de 1,2 mm, la quantité déposée était de 180 g par minute pour une intensité de courant de 500 A, et était de 650 g par minute pour une 5 intensité de courant de 500 A. Par contre, en ce qui concerne le procédé connu, la quantité déposée reste pratiquement constante lorsque l'intensité de courant augmente. Des mesures qui ont été effectuées lors de l'emploi d'un fil » de soudure ayant un diamètre de 1,2 mm et en présente des mêmes para-10 mètres précités, ont permis de constater que la vitesse de rotation ^ (nombre de rotations par seconde) dépend principalement de l'intensité du courant traversant le fil de soudure, ladite vitesse de rotation ifj augmentant avec l'intensité suivant la formules rq = 0,53 1 + 26, 15 expression dans laquelle I indique l'intensité - en ampères - du courant traversant le fil de soudure. Dans le dessin, on a représenté pour l'électrode et le fil de soudure deux sources d'alimentation distinctes. De préférence toutefois, les deux sources appartiennent à une unité de régulation commune, 20 chaque source pouvant être réglée indépendamment de l'autre. 72 11538 10 2132345 REYENDIOATIOSSi 1. Procédé pour le soudage-MIG au plasma, suivant lequel un arc est entretenu entre une pièce à souder et une électrode non fusible, le plasma de l'arc est contracté par une buse, un fil de soudure est intro- 5 duit axialement dans le plasma de l'arc, et un arc MIG est entretenu entre le fil de soudure et la pièce à souder, caractérisé en ce que le soudage est effectué avec l'électrode et le fil de soudure au pôle positif, alors que par variation de l'intensité du courant dans le fil de soudure, le caractère de l'arc MIG et la façon dont a lieu le trans- 10 fert de matériau sont modifiés. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soude avec un courant dans le fil de soudure d'une intensité tellement faible qu'il en résulte un arc MIG non rotatif à forme cylindrique contractée, et un transfert de matériau concentré. 15 3» Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on soude avec un courant dans le fil de soudure d'une intensité tellement élevée qu'il en résulte un arc MIG rotatif et un transfert de matériau étendu contrôlé. 4. Pièce à souder, traitée suivant le procédé selon l'une des 20 revendications 1 à 3» 5. Dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3» ce dispositif comportant une torche de soudage avec un boîtier muni d'une buse à ouverture de plasma, une électrode non fusible et avec des moyens pour l'apport du fil de métal à travers le 25 centre de cette ouverture, ledit dispositif comportant en outre des sources d'alimentation pouvant être réglées indépendamment l'une de l'autre, caractérisé en ce que le fil de soudure peut être connecté au pôle positif de 1a. première source d'alimentation, tandis que l'électrode peut être* connectée au pôle positif de l'autre source d''aliment a- 30 tion, la vitesse d'apport du fil de soudure étant réglable. 6. Dispositif selon 1a. revendication 5> caractérisé en ce que la source d'alimentation pouvant être connectée à l'électrode, a une caractéristique fortement décroissante,alors que la source d'alimentation pouvant être connectée au fil de soudure a une caractéristique plane. 35 7. Dispositif selon 1a. revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que les deux sources d'alimentation appartiennent à une unité de régulation commune.