Brevet FR2197685A1 — publié le 19740329

L'invention se rapporte aux produits de soudage, et concerne notamment les fils à âme en poudre pour le soudage de joints verticaux sur des pièces en aciers doux et faiblement alliés. L'invention peut être appliquée avec un maximum d'efficacité dans les chantiers à ciel ouvert pour le soudage de structures vitales requérant une résilience accrue (1 à 5 kgm/cm à une température d'essai de -60 C). les fils du type concerné, largement utilisés pour le soudage de joints verticaux sur des gèces en aciers doux et faiblement alliés, se présentent sous la orme d'une gaine métallique remplie d'un mélange pulvérulent formé des constituants suivants, dont les proportions sont exprimées par rapport au poids total du fil: fluorine 18,30 à 19,00%, marbre 5,75 à 4,10%, ferrosilicium 2,10 à 5,00%, ferromanganèse 2,10 à 2,70%, ferrotitane 6,45 à 7,80%, poudre de fer 2,90 à 5,40%, En pratique, ces fils à âme en poudre connus sont utilisés pour l'exécution de soudures verticales au moyen d'appareils semi-automatiques. Ilest universellement connu que le soudage semi-automatique implique la préparation des bords à souder, ce qui entraîne des dépenses de main-d'oeuvre supplémentaires, et fait que la qualité des soudures dépend de la qualification du soudeur. Etant donné que le soudage semi-automatique de joints verticaux s'effectue sous des intensités allant jusqu'à 200 A, il est bien évident que le rendement d'un tel mode de soudage est insuffisamment élevé, et que l'augmentation des épaisseurs à souder entraîne une forte baisse du rendement des travaux de soudage. l'utilisation des fils connus pour le soudage automatique de sints verticaux avec moulage forcé du cordon a fait apparaître qu'lsn'assent as la qualité nécessaire des soudures (le cordon est peu dense, et la résilience de la soudure est basse à la température d'essai de 500G). la mise en oeuvre d'une protection gazeuse (au gaz carbonique) supplémentaire dans la zone de l'arc améliore les propriétés technologiques des fils à âme en poudre connus, mais elle ne confère pas toujours d'une façon régulière au métal du cordon et de la soudure des caractéristiques mécaniques équivalentes à celles du métal de base, et la résilience requise de la soudure à la température d'essai de -400C, ce qui limite les possibilités d'utilisation de ces fils pour le soudage de structures vitales. le but de l'invention est de supprimer les inconvénients mentionnés par la réalisation d'un fil à âme en poudre pour le soudage de joints verticaux sur des pièces en aciers doux et faiblement alliés, dont la gaine métallique renferme un mélange pulvérulent de composition telle qu'il permette de réaliser le soudage avec moulage forcé du cordon sans avoir recours à une protection gazeuse supplémentaire, tout en confèrant de façon régulière au métal du cordon et à la soudure des caractéristiques mécaniques semblables à celles du métal de base. A cet effet un fil à âme en poudre conforme à l'invention est caractérisé en ce que è mélange pulvérulent remplissant la gaine métallique a la composition suivante fluorine 12,0 à 16,0%, marbre 0,6 à 1,0%o, ferrosilicium 0,7 à 1,2%, ferromanganèse 0,8 à 1,5%, ferrotitane 0,2 -à 1,5%0, poudre de fer 5,0 à 10,0%, magnésite 3,0 à 5,0%, aluminium 0,4 à ?,5%, Ces proportions étant exprimées par rapport au poids total du fil. les auteurs de l'invention ont établi Rutavec la proportion indiquée de fluorine dans le fil à âme en poudre proposé, la protection du métal du cordon par la scorie est améliorée. Une teneur en fluorine inférieure à 12% en poids serait insuffisante, tandis qu'une teneur supérieure à 16% rendrait le bain de soudage trop fluide et compliquerait le soudage. la présence de marbre en proportion indiquée dans le fil à âme en poudre proposé assure la bonne protection gazeuse de la zone de l'arc de soudage. Une proportion de marbre inférieure à 0,6% en poids n'assurerait pas cette protection, tandis que plus de 1,0% de marbre pourrait provoquer la formation de pores dans le métal du cordon. Une protection de ferrosilicium inférieure à 0,% en poids désoxyderait insuffisamment le métal, et une quantité de ce constituant supérieure à 1 ,2% en poids provoquerait la formation de pores dans le métal du cordon et lteffervescence du bain de soudage, et compliquerait la conduite du soudage. Le ferromanganèse pris en proportion inférieure à 0,8% en poids allierait insuffisamment le métal du cordon; en quantité supérieure à 1 ,5% en poids, il altèrerait la séparation de la scorie et provoquerait la formation de pores. le ferrotitane pris en proportion inférieure à 0,2% en poids n'assurerait pas un effet désoxydant suffisant sur le métal du cordon ; en quantité supérieure à 1 ,3% en poids, il altèrerait les caractéristiques mécaniques du métal du cordon. La présence dans le fil d'une quantité de poudre de fer inférieure à 5% en poids serait irrationnelle, car le rendement du soudage s'en trouverait diminué et il se produirait une surchauffe du bain de soudage ;en propOrtion supérieure à 10% en poids, la poudre de fer abaisserait l'indice de fragilité à froid du métal du cordon. La magnésite prise en proportion égale à 3-5% en poids assure la protection par scorie et la protection gazeuse du métal du cordon. Uns proportion de magnésite inférieure à 3% en poids serait insuffisante pour la protection du métal du cordon, et au-dessus de 5%, pourrait provoquer la formation de pores dans le métal du cordon. La présence d'aluminium en quantité égale à 0,4-1 ,5% en poids assure une désoxydation suffisante du métal du cordon. Une proportion d'aluminium plus faible que la limite inférieure ne procurerait pas l'effet désoxydant nécessaire sur le métal du cordon, tandis qu'une proportion plus élevée que la limite supérieure altèrerait la qualité du métal déposé. Le fil à âme en poudre dont la gaine métallique contient un mélange conforme à l'invention est doué de bonnes propriétés technologiques de soudages, il assure la stabilité de l'arc ainsi une bonne formation extérieure du métal du cordon, et permet l'exécution des soudures verticales avec moulage forcé du cordon, sans protection gazeuse supplémentaire de la zone de l'arc, tout en confèrant au métal du cordon et de la soudure des caractéristiques mécaniques semblables à celles du métal de base. La qualité d'utilisation du fil à âme en poudre proposé devient encore meilleure quand son âme contient en outre du bioxyde de zirconium en proportion égale à 0,5-1,5% du poids total du fil. En effet il est universellement connu que le bioxyde de zirconium est un constituant capable d'exercer simultanément des actions de scorification et nitruration. En fait, les auteurs ont constaté que la présence dans le fil à âme en poudre proposé de bioxyde de zirconium dans les limites indiquées améliore les caractéristiques mécaniques du métal du cordon et de la soudure. La présence dans le mélange proposé d'une proportion de ferrovanadium égale à 0,2-0,6% du poids total du fil améliore la structure des grains du métal déposé et accroît son indice de fragilité à froid. En effet, le ferrotitane et le ferrovanadium sont des inoculants qui améliorent la structure des grains de métal du cordon et augmentent son indice de fragilité à froid; de plus, en combinaison avec l'aluminium et le bioxyde de zirconium ils forment des nitrures. L'influence des désoxydants et des inoculants sur le complexe des propriétés du métal du cordon est importante, par suite de leur action simultanée sur la nature des oxydes, des sulfures et des nitrures, qui tous constituent des inclriisnona nuisibles et dont les composés influent sur la résistance mécanique Su métal déposé et sur sa fragilité à froid. La présence dans le mélange du fil à âme en poudre de la proportion indiquée de ferrobore améliore la structure des grains du métal du cordon et modifie quelque peu ses propriétés plastiques. Le fil à âme en poudre proposé confère de hautes caractéristiques mé écaniques au métal du cordon et à la soudure, tant aux températures positives qu'aux températures négatives (la résilience à une température d'essai de -60 c est de 4 à 5 kgm/cm). Dans c@@ que suit, l'invent@@n n@est expliquée par des exemples @u@ ré@@isation coner@@: Pour expliquer et confirmer ce qui a t dit plus haut, on a étudié les caractéristiques mécaniques d'une soudure réalisée avec le fil proposé, renfermant dans sa gaine métallique un mélange pulvérulent de composition conforme à l'invention. Plusieurs exemples concretsde composition de l'âme pulvérulente, désignés conventionnelement T, TT, III, et IV, sont présentés ans le tableau n61: TABLEAU 1 Constituants Fils à âme en poudre d'ordre I II III IV 9 du poids total du fil Fluorine 13,2 13,0 12,8 12,5 2. Marbre 0,7 0,7 0,7 0,7 5. Ferrosilicium 0,5 0,5 0,5 0,5 4.Ferromanganèse 1,0 1,1 1,0 1,0 -5. Ferrotitane 0,3 0,3 0,3 0,2 6. l'oudre de fer 8,3 8,0 8,0 8,0 7. Magnésite 3,8 3,4 3,2 5,2 8. Poudre d'aluminium 1,1 1,1 0,9 0,8 9. Bcx;;de de zirconium - i ,0 0,9 0,8 10. Ferrovanadium - - 0,3 0,3 11. Ferrob@re - - - 0,2 Pour @tu@@er les caratéristiques mécaniques des soudures, on a assemblé des éprouvettes de 16 et 20 mm d'épaisseur, de 1000 mo de longueur, san3 préparation des bords.Ce éprouvettes étaient en acier ffflblement allié contenant 0,12% de carbone, 1,53% de manganèse, 0,53 de silicium, 0,04% de soufre, 0,02% de phosphore et pr-isY?taientles caractéristiques mécaniques suivantes: limite élastique 55 kg/mm2 résistance à la traction 48 kg/mm2 allongement 21% résilience 12 kgm/cm2 L'écartement entre les bords à souder était réglé à 10-12 mm, les éprouvettes état rigidement fixées par des brides du csté opposé. Le soudage était exécuté verticalement avec moulage forcé du métal du cordon par des patins en cuivre refroidis, sans oscillations du fil à âme en poudre avancé pour le soudage, effectué en une passe. Le régime de soudage était le suivant: Tension de l'arc de soudage U = 27 à 29 V Courant de soudage I = 330 à 360 A Le soudage a été exécuté à l'aide d'une source de courant à caractéristique shunt, sous polarité inverse. Pendant le soudage, le transfert du métal se faisait en filets, sans projections latérales. Le cordon ne présentait pas de creux à l'extérieur, et était exempt de pries et d'entailles. La couche de scorie se séparait facilement. les résultats des essais mécaniques des éprouvettes ainsi soudées sont donnés par lé tableau n02: Tableau 2 Caractéristiques Fil à âme en poudre mécaniques du métal du cordon I II III IV et de la soudure Limite élastique 37,4 - 39,6 36,6 - 38,9 34,8 - 36,2 35,2 - 36,0 en Kg/mm 38,2 37,7 35,4 35,4 Résistance à la 53,0 - 54,7 49,4 - 51,9 50,6 - 54,7 50,6 - 52,9 traction en Kg/mm 53,8 50,6 52,0 51,6 Allongement en % 21,7 - 26,8 27,0 - 27,4 22,4 - 28,4 22,3 - 30,0 25,4 27,2 26,2 26,2 Striction en % 66,0 - 67,9 69,8 - 70,7 69,8 - 71,6 66,0 - 69,8 66,9 70,2 70,1 67,7 au centres 9,0 - 11,5 17,5 - 18,0 12,0 - 14,7 16,9 - 17,5 du cor- 10,6 17,7 13,2 17,1 don à la zone 8,0 - 8,2 18,1 - 22,7 17,3 - 18,4 13,9 - 22,0 d'influ- 8,1 19,2 18,1 19,2 ence thermique Tableau 2 ( suite) t I II III IV au cen re du cordon 6,4 - 7,0 6,5 - 7,5 7,6 - 9,5 10,5 - 13,9 6,8 7,1 8,2 12,5 à la zone d'influ- 8,0 - 9,5 6,0 - 7,4 9,3 - 12,2 10,4 - 14,4 ence thermique 8,7 6,3 10,0 12,1 au centre du 3,0 - 8,7 3,5 - 5,2 5,9 - 7,6 9,4 - 11,7 cordon 3,8 3,7 6,7 10,7 à la zone d'influ- 2,4 - 4,0 3,2 - 4,7 7,5 - 10,5 6,5 - 13,5 ence thermique 2,6 3,4 8,2 12,8 au centre du 2,0 - 3,6 2,5 - 4,3 4,7 - 7,0 8,4 - 10,6 cordon 2,1 3,8 6,1 9,2 à la zone d'influ- 1,8 - 3,5 2,0 - 4,2 7,2 - 11,1 7,2 - 9,2 ence thermique 2,8 2,7 7,7 8,3 Tableau 2 (suite) I II III IV au centre du dordon 0,8 - 1,5 1,4 - 5,0 3,0 - 4,2 6,7 - 8,1 1,2 2,4 4, 0 7,0 à la zone d'in- 0,5 - 0,7 1,2 - 4,8 2,8 - 4,8 5,8 - 6,9 fluence ther- 0,6 2,2 3,9 6,3 mique NOTA.Pour chaque fil à âme en poudre, on a soudé puis essaye 10 éprouvettes. I numérateur indique les valeurs extrêmes des résultats des essais, et le dénominateur leur valeur moyenne. La comparaison des caractéristiques mécaniques des éprouvettes esSayées, données par le tableau n02, avec celles du métal de base (l'acier faiblement allié indiqué plus haut) démontre d'une façon convaincante leur équivalence. En outre, en analysant les données du tableau n02 on peut établir que, pour des caractéristiques de résistance des éprouvettes soudées pratiquement égales,le seuil de fragilité à froid aux essais de résilience du métal du cordon et de la zone d'influence thermique des éprouvettes soudées est apparu à t = -300C pour les fils I et Il et à t = -600C pour les fils III et IV. l'essai de résilience est un procédé sensible d'appréciation du degré de fragilité à froid de l'acier (du métal du cordon); il met en évidence l'intervalle critique de fragilité, a un caractère universel et caractérise la tendance de l'acier à la rupture par fragilité; l'augmentation de l'indice de fragilité à froid du métal du cordon correspond à un accroissement notable de ses caractéristiques mécaniques, et donc de la fiabilité et de la longévité des structures soudées. Le tableau n02 fait apparaître que les fils à âme en poudre III et IV assurent un indice de fragilité à froid du métal du cordon plus élevé que les fils à âme en poudre I et Il. En conséquence, les fils à âme en poudre tels que les fils III et IV peuvent être utilisés plus efficacement pour le soudage de structures vitales devant satisfaire à des prescriptions plus sévères de résilience aux températures négatives. Par exemple,ces fils a âme en poudre peuvent être utilisés avec succès purle soudage de réservoirs sphériques de grand volume (de l'ordre de 2000 m) et au-delà), ainsi que pour le soudage des réchauffeurs de vent de hauts fourneaux. Il est tout à fait évident que le fil à âme en poudre proposé peut aussi être utilisé avec autant de succès pour le soudage de structures en acier doux. De la sorte, le fil à âme en poudre proposé pour le souda de joints verticaux sur des pièces en aciers doux et faiblement alliés, avec moulage forcé du métal du cordon et sans protection gazeuse supplémentaire, possède de bonnes propriétés technologiques de soudage et assure une haute qualité des travaux de soudage. En outre, il faut noter que le fil proposé permet de mécaniser le soudage des joints verticaux en us ne et sur chantier à ciel ouvert, et d'accroître ainsi fortement le rendement des travaux de soudage Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples de compositions,de modes d'utilisation et d'applications qui ont étS décrits, mais au contraire comprend toutes les variantes de mise en oeuvre techniquement équivalentes rentrant dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDI CATI 0N8 1. Fil à âme en poudre pour le soudage de joints verticaux sur des pièces en aciers doux et faiblement alliés, du type formé d'une gaine métallique renfermant un mélange pulvérulent contenant de la fluorine,du marbre, du ferrosilicium, du ferromanganèse, du ferrotitane et de la poudre de fer, caractérisé en ce que ledit mélange contenant les proportions suivantes des constituants indiqués, exprimées par rapport au poids total du fil:: fluorine 12,0 à 16,0%, marbre 0,6 à î,o%, ferrosilicium 0,3 à 1y2%, f erromanganès e 0,8 à 1,5%, ferrotitane 0,2 à 1,3%, poudre de fer 5,0 à 10,0%, contient en outre 3,0 à son en poids de magnésite et 0,4 à 1 ,5% en poids d'aluminium. 2. Fil à âme en poudre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélange précité contient en outre du bioxyde de zirconium, en proportion égale à 0,5-1,5% du poids total du fil. 3. Fil à ame en poudre selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange précité contient en outre du ferrovanadium, en proportion égale à 0,2-0,6% du poids total du fil. 4. Fil à âme en poudre selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le mélange précité contient en outre du ferrobore en proportion égale à 0,2-0,3% du poids total du fil.