Brevet FR2194524A1 — publié le 19740301

La présente invention concerne le soudage et le rechargement sous laitier électroconducteur, et a notamment pour objet un procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur avec une électrode fixe. Elle peut être utilisée avec succès pour obtenir des soudures et des rechargements de haute qualité. tes procédés actuellement connus de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur sont fondés sur le dégagement de chaleur par un courant circulant entre une électrode et le métal de base, à travers un bain de laitier. Au sein du bain de laitier, ayant une résistivité plus grande que celle du métal, est maintenue une haute température, nécessaire à la fusion de l'électrode, au chauffage et à la fusion des bords des pièces à souder ou à recharger. Le métal fondu de l'électrode traverse, sous forme de gouttelettes, le bain de laitier et, en se mélangeant au métal en fusion des bords des pièces, descend dans le bain de métal, lequel, en se solidifiant peu à peu, constitue la soudure ou la couche de rechargement. Lors de l'accostage en vue du soudage ou du rechargement sous laitier électroconducteur, les pièces sont mises en place avec un certain écartement. Dans cet écartement,pour former la soudure ou la couche de rechargement, on introduit des électrodes fusibles. D'ordinaire, la section droite des électrodes est beaucoup plus faible que la section droite du métal déposé, aussi les électrodes, constituées de préférence par des fils ou des plaques, sont-elles avancées dans le bain de laitier par des mécanismes spéciaux. Dans le cas d'assemblage de pièces de grande épaisseur,on imprime aux fils-électrodes un mouvement oscillant supplémentaire, ou bien l'on recourt au soudage par électrodes multiples.Quelquefois, les fils-électrodes sont utilisés en combinaison avec des tubes guide-til fusibles ou des électrodes montés fixes entre les bords du métal de base et dont la section droite est plus petite que celle du métal déposé. les électrodes sont alors placées avec un écartement par rapport aux pièces à souder eu à recharger. les conditions les plus favorables pour le soudage et le rechargement sous laitier électroconducteur sont réalisées quand l'axe de la soudure est disposé verticalement. On recourt alors, de préférence, au moulage forcé de la soudure ou de la couche de rechargement, avec refroidissement intensifié de la surface latérale du bain de métal. A cet effet, on utilise d'ordinaire des plaques de cuivre refroidies par eau, ces plaques pouvant soit être placées d'une manière fixe sur toute la longueur de la soudure, soit être déplacées à l'aide de mécanismes spéciaux le long de la soudure au fur et à mesure que le métal se solidifie. Dans ce cas, au cours du soudage ou du rechargement sous laitier électroconducteur, il se forme à la surface de la soudure ou du rechargement, du côté des plaques formantes, une croûte de scorie. Quelquefois, le moulage de la soudure est réalisé à l'aide de plaques latérales restant dans la soudure; ces plaques se soudent au métal de la soudure ou de la couche de rechargement. Dans ce cas il ne se forme pas de croûte de scorie. D'ordinaire, les appareils pour le soudage et le rechargement sous laitier électroconducteur sont dotés de mécanismes assurant l'avance des électrodes dans le bain de laitier, l'oscillation des électrodes, le déplacement de l'appareil et des pièces formantes le long de la soudure au fur et à mesure que le métal se solidifie. Pour le guidage des fils-électrodes le long de l'axe de la soudure et leur alimentation continue en courant, les appareils de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur sont dotés de tubes guide-fil, pour lesquels sont prévus des dispositifs de correction longitudinale et transversale de la position des électrodes dans l'espace entre les bords des pièces à souder et des pièces formantes. En out#re, les appareils sont d'ordinaire dotés d'un asservissement contrtlant le niveau du bain de métal et mettant en accord la vitesse de déplacement de l'appareil avec la vitesse de soudage. les procédés connus de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur présentent une série d'inconvénients notables. leur réalisation nécessite un matériel compliqué et coûteux. Un inconvénient très important de ces procédés est l'instabilité de la pénétration, tant dans l'épaisseur que suivant la longueur de la soudure ou de la couche de rechargement. les soudures ont une forme de section transversale bombée caractéristiqiie; suivant sa section longitudinale, la pénétration augmente du commencement de la soudure à sa fin. l'irrégularité de la pénétration est due au fait que, dans les procédés connus de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur, le dégagement de chaleur ne dépend pratiquement pas de la pénétration. L'évacuation de la chaleur, principalement à travers les pièces à souder ou à recharger et à travers les plaques formantes, dépend très peu de la pénétration. D'autre part, le changement de la pénétration entraîne le changement du pourcentage de métal de base et de métal d'électrode dans la soudure ou la couche de rechargement, c'est-à-dire leur hétérogénéité chimique. La prévention de l'irrégularité de la pénétration par variation des paramètres du régime électrique est extrêmement difficile. En outre, il n'existe pas, actuellement, de capteurs fiables pour le contrôle de la pénétration. C'est pourquoi, dans la mise en oeuvre des procédés connus, le soudage ou le rechargement sous laitier électroconducteur est pratiquement impossible à contrôler du point de vue de la stabilisa-#ion de la profondeur de pénétration. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients indiqués. Il s'agissait donc de créer un procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur qui permettrait d'obtenir une pénétration stable dans toute la surface à souder ou à recharger, assurerait une composition chimique homogène de la soudure ou de la couche de rec##xge#fi et permettrait de simplifier notablement le matériel employé pour la mise en oeuvre. La solution consiste en un procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur, du type consistant à faire circuler un courant électrique à travers un air de laitier entre une électrode et les pièces à souder ou à recharger, l'électrode étant fusible et montée fixe avec un écartement par rapport aux pièces formantes et aux pièces à souder ou à recharger, ledit procédé étant caractérisé, d'après l'invention, en ce qu'on utilise une électrode dont la section droite est constante, de valeur égale à celle de la section droite du métal déposé à la température normale, et l'écartement entre l'électrode et les pièces formantes, ainsi qu'entre l'électrode et les pièces à souder ou à recharger, est choisi égal à la dilation de l'électrode lors de son échauffement j us qu a sa température de fusion. Grâce à l'emploi d'une électrode de section droite constante, de valeur égale à celle de la section droite du métal déposé à la température normale, il est possible d'assurer à chaque instant l'égalité des vitesses linéaires (suivant la verticale) de fusion de l'électrode et de soudage. Dans ce cas, le soudage et le rechargement peuvent être réalisés en n'utilisant qu'une électrode fixe, ce qui permet de simplifier notablement le matériel de soudage, car le mécanisme d'avance de l'électrode, de déplacement vertical de l'appareil d'oscillation de l'électrode, ainsi que l'asservissement contrôlant le niveau du bain de métal et mettant en accord la vitesse de déplacement de l'appareil avec la vitesse de soudage, deviennent inutiles. Le procédé proposé peut être réalisé à l'aide d'une source d'alimentation, de conducteurs de raccordement et de pièces formantes. D'après l'invention, l'écartement entre l'électrode et les pièces formantes, ainsi qu'entre l'électrode et les pièces à souder ou à recharger, est choisi égal à la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu'à sa température de fusion. Comme cet écartement est faible, le caractère de la distribution du courant dans le bain de laitier change comparativement aux procédés connus. Le courant circule essentiellement- entre le bout de l'électrode et la surface à souder ou à recharger du métal de base, par le plus court chemin. Aux endroits où le métal de l'électrode et le métal de base fondent, la résistance opposée au passage du courant augmente, et le courant passe# principalement par les portions où la fusion n'a pas encore commencé.Grâce à ce fait, on obtient une stabilisation automatique de la pénétration sur tnute la surface, sans intervention extérieure. Au fur et à mesure que l'électrode et les pièces à soud#er ou à recharger s'échauffent, la pénétration reste constante, mais la vitesse de soudage ou de rechargement augmente. le processus se déroule sans surchauffe excessive du métal liquide, puisque dès la fusion de l'électrode et du métal de base, le métal liquide descend et fait monter le bain de laitier. Grâce à la stabilisation de la pénétration, la composition chimique du métal de soudure ou du rechargement obtenu est homogène. Pour le soudage et le rechargement sous laitier électroconducteur on recourt au moulage forcé de la soudure et de la couche de rechargement. les éléments formants utilisés sont des pièces amovibles, par exemple des plaques en cuivre refroidies par eau. Dans ce cas, il se forme à la surface de la soudure ou du rechargement une couche de scorie provenant du bain de laitier, et la profondeur du bain de laitier diminue, ce qui modifie le régime électrique du processus. Suivant l'invention, pour maintenir la profondeur du bain de laitier à une valeur constante, sur la surface latérale de la partie à fondre de ltélectrode on dépose au préalable, avant le soudage, un enrobage de flux de volume égal à celui de la croûte de scorie se formant après le soudage et le rechargement#. L'enrobage déposé n'est pas électroconducteur à l'état solide, aussi isole-t-il l'électrode des pièces formantes, ainsi que des pièces à souder ou à recharger. Au fur et à mesure que 11 électrode fond, l'enrobage fond lui aussi dans le bain de laitier et compense la dépense de laitier pour la formation de la croûte de scorie. Conformément à l'une des variantes de réalisation du procédé, l'enrobage de l'électrode est constitué par une couche dense. Dans ce cas, l'écartement entre la surface de l'enrobage de l'électrode et lesapièces formantes, ainsiqutentre cette surface et les pièces à souder ou à recharger, est choisi égal à la valeur de la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu'à sa température de fusion. L'écartement peut alors être laissé soit sur tout le périmètre de la section de l'électrode, soit d'un côté, de deux côtés ou de trois côtés. Conformément à d'autres variantes de réalisation du procédé, l'enrobage est déposé sur l'électrode soit sous la forme d'une couche poreuse, de telle façon que son volume net soit égal au volume de la croûte de scorie, et que le volume de ses vides soit égal au volume des écartements de valeur égale à la dilatation de l'électrode quand elle s'échauffe jusqu a sa température de fusion, soit sous la forme de portions denses séparées dont le volume total est égal au volume de la croûte de scorie, le volume des intervalles entre ces portions étant égal au volume des écartements de valeur égale à la dilatation de I'électrode quand elle s'échauffe jusqu a sa température de fusion; l'enrobage peut être constitué par une feuille isolante poreuse (par exemple par un tissu de verre), dont le volume net est égal au volume de la croûte de scorie, et dont le volume des vides, est égal au volume des écartements de valeur égale à la dilatation de l'électrode quand elle s'échauffe jusqu'à sa température de fusion. Dans ces cas, l'électrode est placée sans écartement entre les pièces formantes et entre les-pièces à souder et à recharger, ce qui permet de réaliser facilement et rapidement l'accostage des pièces à souder pu à recharger. De la sorte, le procédé proposé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur permet d'obtenir une pénétration stable sur toute la surface à souder ou à recharger et une composition chimique homogène de la soudure ou de la couche de rechargement; il permet, de plus, de simplifier notablement le matériel nécessaire à sa mise en oeuvre et la méthode d'accostage et de soudage. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur, avec références aux dessins annexés, dans lesquels - la figure 1 représente schématiquement la disposition de l'électrode dans le cas de soudage sous laitier électroconducteur, conformément à l'invention (vue en coupe partielle); - la figure 2, idem, vue de dessus; - la figure 3, représente schématiquement la disposition de l'électrode dans le cas de rechargement sous laitier électroconducteur, conformément à l'invention (vue en coupe partielle); - la figure 4 est une vue correspondant à celle de la figure pendant le soudage; - la figure 5 est une vue correspondant à celle de la figure 3 pendant le rechargement;; - la figure 6 représente schématiquement la disposition d'une électrode à enrobage dense entre les pièces à souder et entre les pièces formantes, conformément à l'invention (vue en coupe partielle); - la figure 7, idem, vue de dessus; - la figure 8 représente schématiquement la disposition d'une électrode à enrobage dans le cas de rechargement (vue de dessus); - la figure 9 illustre schématiquement le déroulement du soudage ou du rechargement (vue de côté, en coupe longitudinale); - la figure 10 représente la disposition d'une électrode à enrobage poreux entre les pièces à souder et entre les pièces formantes; - la figure 11, idem, vue de dessus; - la figure 12 représente schématiquement la disposition d'une électrode à enrobage poreux entre une pièce à recharger et des pièces formantes (vue de dessus); ; les figures 13a, b, c représentent des variantes de réalisation de l'enrobage de l'électrode, conformément à l'invention (vue de dessus, en coupe transversale). Le procédé proposé de soudage sous laitier électroconducteur consiste à placer une électrode fusible 3 dans l'espace limité par les bords des pièces à souder 1 (figures 1 et 2) et par les pièces formantes 2. Dans le cas de rechargement, l'espace dans lequel se place l'électrode 3 (figure 3) est limité par la pièce à recharger 4 et par les pièces formantes 5. Ledit espace est fermé à sa partie inférieure par une pièce formante 6 (figures 1 et 3), tant dans le cas du rechargement que dans celui du soudage. Pour le soudage et pour le rechargement, l'électrode fusible 3 est montéefixe. Sa section droite est constante, égale à la section droite du métal déposé à la température normale, et de forme correspondant à celle de la section droite du métal déposé à la température normale. L'électrode 3 est mise en place de telle façon qu'entre sua'surface latérale 7 et les pièces formantes 2 ou 5, ainsi qu'entre sa surface latérale 7 et les pièces à souder 1 ou la pièce à recharger 4, il reste un écartement 8 de valeur égale à la dilatation de l'électrode 3 quand elle s'échauffe jusqu'à sa température de fusion, et qu'entre son bout 9 et la pièce formante 6 fermant l'espace à sa partie inférieure il reste un espace libre 10.L'électrode 3 et les pièces à souder 1 ou la pièce à recharger 4 sont raccordées aux pôles différents d'une source de courant 11. L'espace 10 est rempli de laitier formant un bain 12, soit par coulée en source à travers un entonnoir 13 (figure 2) et un canal 14 ménagé dans l'une des pièces formantes 2 ou 5 (figure 3), soit par n'importe quel autre procédé connu. Le courant électrique, en circulant entre l'électrode 3 et les pièces à souder 1 (figure 4) ou la pièce à recharger 4 (figure 5) chauffe le laitier et le maintient à une haute température, supérieure à la température de fusion des pièces 1 ou 4 et de l'électrode 3. Grâce à la chaleur dégagée dans le bain de laitier 12, l'électrode 3 et les bords des pièces à souder 1 ou le bord de la pièce à recharger 4 fondent; le métal descend en formant un bain de métal 15 et en faisant monter le bain de laitier 12. En se solidifiant peu à peu, le métal liquide forme une soudure 16 (figure 4) ou une couche derechargement 17 (figure 5). Grâce à l'emploi d'une électrode 3 à section droite constante de valeur égale à celle de la section droite du métal déposé à la température normale, la vitesse linéaire (suivant la verticale) de fusion de l'électrode 3 est, à chaque instant, égale à la vitesse linéaire de soudage. C'est pour cette raison que le procédé proposé de soudage etde rechargement sous laitier électroconducteur peut être mis en oeuvre avec une électrode fixe seulement, ce qui permet de simplifier notablement le matériel de soudage. Grâce à la faible valeur des écartements 8, égale à la dilatation de l'électrode 3 quand elle s'échauffe jusqu'à sa température de fusion, le courant circule, dans le bain de laitier 12, essentiellement entre le bout 9 de l'électrode 3 et les bords des pièces à souder I ou le bord de la pièce à recharger 4, par le plus court chemin. Aux endroits où le bout 9 de l'électrode 5 et les bords des pièces à souder 1 ou le bord de la pièce à recharger 4 fondent, la résista#ce opposée au passage du courant électrique croit fortement, aussi le courant passe-t-il principalement par les portions où la fusion n'est pas encore commencée. Grâce à ce phénomène, la pénétration se trouve automatiquement stabilisée sur toute la surface de la soudure. La stabilisation de la pénétration rend homogène la composition chimique de la soudure 16 (figure 4) ou du rechargement 17 (figure 5). De plus, si pour le soudage ou le rechargement sous laitier électroconducteur les pièces formantes 2 et 5 employées sont des plaques se soudant au joint et y restant après le soudage (figures 1 à 5), la croûte de scorie ne se forme pas sur la surface latérale de la soudure 16 ou de la couche de rechargement 17, aussi la profondeur dub ain de laitier 12 et le régime de soudage ou de rechargement restent- ils constants. Si, pour réaliser le procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur, la soudure est moulée à l'aide de pièces en cuivre 18 et 19 (figures 6 à 12) refroidies par eau, au cours du soudage ou de rechargement il se forme, à la surface de la soudure 16 (figure 9) ou de la couche de rechargement 17, à l'endroit où la soudure ou la couche de rechargement est contactée par ces pièces, une croûte de scorie 20 provenant du bain de laitier 12. il en résulte une diminution de la profondeur du bain de laitier 12, ce qui provoque le changement des paramètres électriques du régime et perturbe l'uniformité de la pénétration. Afin de maintenir la profondeur du bain de laitier 12 à une valeur constante, il est nécessaire de faire un appoint de laitier, mais il n'est pas toujours possible d'utiliser pour cela l'écartement 8.C'est pourquoi, afin qu'au cours du soudage oudurechargement les paramètres électriques du régime et la pénétration ne changent pas, on réalise sur la surface 7 de l'électrode 3, avant de la placer entre les pièces formantes, ainsi qu'entre les pièces à souder ou bien entre la pièce à recharger et la pièce formante, un enrobage de flux 21, de volume égal au volume de la croûte de scorie 20 se formant. A l'état solide, l'enrobage 21 est isolant, et par conséquent, pendant le soudage ou le rechargement, la probabilité d'un court-circuit entre l'électrode 3 et les pièces formantes, ou bien entre l'électrode 3 et les pièces à souder ou la pièce à recharger diminue.Au fur et à mesure que l'électrode 3 fond, son enrobage 21 fond aussi peu à peu et assure l'appoint dé laitier au bain 12, dont une partie est dépensée pour former la croûte de scorie 20. L'enrobage 21 est déposé sur la surface latérale 7 de la partie à fondre de l'électrode 3 sous la forme d'une couche dense uniforme 22 (figur#es 6 à 9). Dans ce cas, l'électrode 3 pourvue de l'enrobage 21 est placée entre les pièces à souder 1 ou entre la pièce à recharger 4 et la pièce formante 19, ainsi qutentre les pièces formantes 18, avec un écartement 8 égal à la dilatation de l'électrode 3 quand elle s'échauffe jusqu a sa température de fusion. les figures 13a à 13c représentent d'autres variantes de réalisation de l'enrobage 21 sur l'électrode 3, pouvant être utilisées pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. L'une d'elles consiste à utiliser un enrobage 21 sous forme d'une couche poreuse, le volume net de la matière 23 (figure 13a) étant égal au volume de la croûte de scorie 20 (figure 9) se formant lors du soudage ou du rechargement, et le volume des vides 24 (figures 13a) étant égal au volume des écartements 8 (figure 9). Dans ce cas, l'électrode 3 avec un enrobage 21 scusforme d'une couche poreuse est placée entre les pièces formantes 18, ainsi qu'entre les pièces à souder 1, ou bien la pièce à recharger 4, et la pièce formante 19, sans écartements (figures 10 à 12). Une seconde variante consiste à utiliser sur la partie à fondre de l'électrode 3 un enrobage 21 (figure 13b) constituée par des portions denses 25 séparées, dont le volume total est égal au volume de la croûte de scorie 20 (figure 9), le volame des intervalles 26 (figure 13b) étant égal au volume des écartements 8 (figure 9). Cette électrode 3, de même que l'électrode à enrobage poreux, se place entre les pièces sans écartements (figures 10 à 12). Suivant une troisième variante, l'enrobage 21 (figure 13c) est réalisé avec une feuille de produit poreux isolant, par exemple avec un tissu de verre, le volume net de la matière 27 de l'enrobage étant égal au volume de la croûte de scorie 20, et le volume de ses vides 28 étant égal à celui des écartements 8. L'électrode 3 comportant un tel enrobage, de meme que celle à enrobage poreux, est placée entre les pièces à souder et entre les pièces formantes, sans écartements (figures 10 à 12). L'enrobage 21 est déposé sur l'électrode par un procédé connu quelconque (par filage, au trempé, au pistolet, etc...); le produit en feuille est collé sur la surface de l'électrode 3 avec du verre soluble. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées suivant son esprit et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. R E V E N D I C A T I O N S REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage et de rechargement sous laitier électroconducteur, du type consistant à faire passer un courant électrique à travers un bain de laitier entre une électrode fusible et les pièces à souder ou la pièce à recharger, ladite électrode étant montée fixe entre, d'une part, lesdites pièces à souder où ladite pièce à recharger et, d'autre part, des éléments de moulage du métal déposé, en formant un écartement entre, d'une part, ladite électrode et, d'autre part, lesdits éléments et lesdites pièces, caractérisé en ce que l'on utilise une électrode dont l'aire de section transversale est constante et de valeur égale à celle de la section transversale du métal déposé à sa température normale, la valeur dudit écartement, avant le soudage ou le rechargement, étant choisi égal à la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu a sa température de fusion. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en cas de formation, pendant le soudage ou le rechargement, d'une croûte de scorie sur la surface des pièces à souder ou à recharger, on dépose d'abord uniformément sur la partie à fondre de l'électrode, avant de la placer entre lesdits éléments de moulage et les pièces à souder ou la pièce à recharger, un enrobage de flux de volume égal à celui de la croûte de scorie se formant. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enrobage est déposé sur l'électrode sous forme d'une couche pleine uniforme. 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enrobage est déposé sur l'électrode sous la forme d'une couche poreuse, de telle façon que le volume de ses parties pleines soit égal au volume de la croûte de scorie, et que le volume de ses vides corresponde au volume d'un écartement égal à la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu a sa température de fusion, l'électrode étant, dans ce cas, placée sans écartement entre lesdits éléments de moulage et les pièces à souder ou la pièce à recharger. 5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enrobage est déposé sur l'électrode sous forme d ! éléments pleins séparés l'un de l'autreetdaitle volume total est égal au volume de la croûte de scorie, le volume des intervalles entre lesdits éléments pleins étant égal au volume d'un écartement égal à la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu'à sa température de fusion, l'électrode étant, dans ce cas, placée sans écartement entre lesdits éléments de moulage et les pièces à souder ou la pièce à recharger. 6. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enrobage est constitué par une feuille isolante poreuse dont les parties pleines ont un volume égal au volume de la croûte de scorie, et dont les vides ont un volume égal au volume de l'écartement correspondant à la dilatation de l'électrode lors de son échauffement jusqu'à sa température de fusion, l'électrode étant, dans ce cas, sans écartement entre lesdits éléments de moulage et les pièces à souder ou la pièce à recharger. 7. Les pièces soudées ou rechargées, caractérisées en ce qu'elles sont traitées conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 6.