Brevet FR2491796A1 — publié le 19820416

L'invention se rapporte aux travaux de soudage et concerne notamment un procédé de soudage de métaux sous laitier électroconducteur à l'aide d'une électrode de forte section. L'invention trouve son application dans la métallurgie des métaux non ferreux, l'industrie électrotechnique, chimique et des constructions mécaniques lors de la réali- sation d'ensembles soudés de grandes dimensions, dont la plupart des pièces sont en aluminium, cuivre, titane ou acier. L'invention peut être utilisée principalement lors de la fabrication des jeux de barres d'électrolyseurs dans l'industrie des métaux non ferreux. On connaît un procédé de soudage sous laitier électro- conducteur (brevet US 3 885 121, publié le 20 Mai 1975) qui consiste à réaliser la confection et le surchauffage du bain de laitier à l'aide d'une électrode non consommable, l'extraction de l'électrode non consommable du bain de laitier surchauffé, suivie de l'introduction de l'électrode consommable dans ce bain de laitier, la fusion de cette électrode par la chaleur du bain de laitier et le remplis- sage par le métal fondu de la coquille et du jeu entre les bords à souder, suivi de l'élimination de la masselotte. Un tel procédé exige une opération intermédiaire de longue durée pour passer du processus de confection et de surchauffage du bain de laitier à l'aide de l'électrode non consommable au processus même de soudage à l'aide de l'électrode consommable, ce qui entraîne de fortes pertes de chaleur accumulée du bain de laitier et comme résultat on observe des manques de pénétration au début du cordon de soudure. Lors du surchauffage du bain de laitier a lieu l'ébullition de celui-ci, ce qui perturbe la stabilité du processus. Pour l'élimination de la masselotte de l'assemblage soudé, il faut effectuer une opération de découpage, ce qui exige un équipement pour sa réalisation. On connaît un procédé de soudage sous laitier électro- conducteur à l'aide d'une électrode de forte section (Safonnikov A.N. Svarka metallov plastinchatymi electro- dami, K., "Tekhnika", 1966, p. 57-58) qui consiste à réaliser la confection du bain de laitier à l'aide d'une électrode consommable, la fusion de l'électrode et des bords à souder, le remplissage de la coquille et du jeu entre les bords à souder par le métal en fusion, suivi de l'élimination de la masselotte. Dans ce procédé de soudage, la vitesse de fusion de l'électrode, au cours de la con- fection du bain de laitier, de la fusion de l'électrode et des bords à souder, du remplissage en métal fondu de la coquille et du jeu entre les bords à souder, reste constante à condition que les paramètres électriques du processus de soudage soient constants. Ce procédé n'assure pas une pénétration garantie des bords à souder dans la partie inférieure du cordon de soudure formé, ce qui provoque l'augmentation de la ré- sistance électrique du contact de soudage. L'obtention d'une pénétration garantie des bords à souder dans la partie inférieure du cordon de soudure et l'obtention de cordons de soudure à faible résistance électrique exigent des pertes de temps importantes pour le chauffage du bain de laitier jusqu'aux températures de service et, lors du soudage par exemple de l'aluminium ces pertes sont de 3 à 5 minutes. Par "températures de service" on entend l'intervalle de température pendant lequel sont assurées la stabilité du processus de soudage sous laitier électroconducteur et l'obtention d'un cordon de soudure de haute qualité. Dans le procédé connu, le chauffage du bain de laitier jusqu'aux températures de service exige des coquilles de grande longueur, ce qui provoque un débit excessif du métal de l'électrode. Après avoir réalisé l'assemblage soudé suivant le procédé connu, la masselotte est éliminée par découpage mécanique, à l'arc électrique, etc. L'invention vise un procédé de soudage sous laitier électroconducteur de métaux à l'aide d'une électrode de forte section, qui permet d'obtenir un cordon-de qualité présentant des caractéristiques mécaniques stables et une faible résistance électrique, ainsi que de simplifier l'opération d'élimination de la masselotte par réduction de la durée de chauffage du bain-de laitier jusqu'aux températures de service, de même que d'obtenir, au cours du processus de soudage, une couche intermédiaire frag.ile entre la masselotte et le cordon de soudure. Ce problème est résolu du fait que le procédé de soudage sous laitier électroconducteur des métaux à l'aide d'une électrode de forte section, qui consiste à effectuer la confection du bain de laitier, la fusion de l'électrode et des bords à souder, le remplissage par le métal en fusion de la coquille et du jeu entre les bords à souder, suivi de l'élimination de la masselotte, est caractérisé, suivant l'invention, en ce que la fusion de l'électrode lors de la confection du bain de laitier et du remplissage de la coquille est réalisée à une vitesse inférieure à la vitesse de fusion de l'électrode lors du remplissage du jeu entre les bords à souder et avec des paramètres élec- triques constants de soudage sous laitier électroconduc- teur, tandis qu'entre la masselotte et le cordon de soudure on réalise, au cours du processus de soudage, une couche intermédiaire fragile, le cordon de soudure obtenu présen- tant une faible résistance électrique. Un tel choix du rapport des vitesses de fusion de l'électrode permet de réduire la durée de chauffage du bain de laitier jusqu'aux températures de service et d'augmenter la chaleur dégagée lors de la confection du bain et le remplissage de la coquille par le métal fondu. En outre, les contacts de soudage se caractérisent par une faible résistance électrique. Un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de soudage de métaux sous laitier électroconducteur à l'aide d'une électrode de forte section est celui selon lequel. on choisit, pour la confection du bain et le remplissage de la coquille, un métal d'électrode ayant une température de fusion supé- rieure à la température de fusion du métal à souder, tandis que pour la fusion des bords à souder et le remplissage du jeu entre ceux-ci, on choisit un métal d'électrode identique au métal à souder que l'on fait alterner avec le métal de l'électrode, lequel a une résis- tance -électrique inférieure à celle du métal à souder. Un tel choix de la température de fusion de l'élec- trode réduit la vitesse de sa fusion lors de la confection du bain de laitier et du remplissage de la coquille par le métal. L'alternance dans l'électrode de métaux à ré- sistances électriques différentes permet d'obtenir un métal de cordon à couches intermédiaires ayant une faible résis- tance électrique. Suivant l'invention, le remplissage de la coquille par le métal et l'obtention d'une couche intermédiaire fragile au cours du processus de soudage entre la masse- lotte et le cordon de soudure sont réalisés à l'aide d'une électrode dont le matériau forme avec le métal à souder des composés intermétalliques fragiles. De tels composés permettent de détacher facilement la masselotte du cordon de soudure sans utiliser un équipement de découpage. En plus, l'endroit de la disposition de la couche intermédiaire fragile entre la masselotte et-le cordon de soudure est commandé par le choix du-volume de l'élec- trode pour la confection du bain de laitier et le remplis- sage de la coquille de façon qu'il soit égal à 80-95% de la capacité de la coquille. Le choix du volume de l'électrode dans ces limites permet de régler la grandeur du renforcement de la partie inférieure du cordon sans réduire sa qualité. L'invention prévoit aussi, lors du soudage sous laitier électroconducteur des métaux, la formation de couches intermédiaires fragiles entre les cordons de sou- dure de plusieurs pièces disposées l'une au-dessus de l'autre, dont le soudage est réalisé en une seule passe. Un tel procédé de soudage permet de souder simultané- ment plusieurs pièces, d'augmenter le rendement et de réduire le débit des matériaux de soudage. Le volume de l'électrode qui est nécessaire au rem- plissage du jeu entre les bords à souder doit être choisi de 10 à 15% supérieur au volume limité par les bords à souder. 249 1796 Un tel choix du volume de l'électrode permet d'ob- tenir au cours du processus de soudage un cordon de souda- ge de différentes formes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre avec référence aux dessins annexes, dans lesquels: - la Fig. l illustre le processus de confection du bain de laitier suivant l'invention; - la Fig. 2 illustre le processus stabilisé de soudage sous laitier électroconducteur, suivant l'invention; - la Fig. 3 est une vue extérieure de l'assemblage soudé avec une couche intermédiaire fragile entre la masse- lotte et le cordon de soudure, suivant l'invention; - la Fig. 4 est une vue extérieure de l'assemblage soudé, la masselotte étant éliminée, suivant l'invention; - la Fig. 5 est une vue extérieure de plusieurs pièces soudées en une seule passe, disposées l'une au- dessus de l'autre, suivant l'invention, et - la Fig. 6 illustre le processus stabilisé de soudage sous laitier électroconducteur et l'obtention d'un cordon de soudure à couches intermédiaires ayant une faible résistance électrique, suivant l'invention. Le procédé de soudage sous laitier électroconducteur des métaux à l'aide d'une électrode de forte section, conforme à l'invention, est expliqué ciaprès par la description d'exemples concrets de mise en oeuvre. EXEMPLE l - Des barres à souder i en aluminium d'une section de x 500 mm ont été disposées avec un jeu de 50 mm sur une coquille 2 (Fig. i et 6). Dans le jeu situé entre les barres i on a installé une électrode 3 ayant une section de 20 x 60 mm jusqu'à ce quelle touche le fond de la coquille 2. La partie inférieure 4 de l'électrode 3 a été réalisée en cuivre et son volume était égal à 80% du volume de la coquille 2, tandis que la température de fusion du métal de la partie inférieure 3 atteignait 10800C. La partie supérieure 5 de l'électrode 3 a été réali- sée en aluminium avec des parties insérées 6 en cuivre d'une dimension de 20 x 60 x 10 tous les 100 mm (Fig. 6). La température de fusion du métal de la partie supérieure de l'électrode atteignait 6600C, celle des parties insérées 6 était de 1080'C. La partie inférieure 4, la partie supérieure 5 de l'électrode 3 et les parties insérées 6 ont été assemblées par soudage en bout. Le volume de la partie supérieure 5 de l'électrode 3 était de 10% supérieur au volume limité par les bords à souder des barres 1. Sur les côtés des barres à souder 1, on a installé des cristallisoirs 7. Au-dessus, on a disposé sur les barres 1 des plaques de sortie 8 en graphite. On a connecté l'électrode 3 et les barres 1 à un transformateur de soudage 9. Dans la coquille 2 on a versé un flux (non représenté) et on a fermé le circuit de soudage. Le régime de soudage a été le suivant U = 36 V Is = 4, kA Le flux, en fondant, a shunté l'arc pour créer un bain de laitier 10. La partie inférieure 4 de l'électrode 3 a alors commencé à fondre. Après la fusion de cette partie 4 la coquille 2 a été remplie de cuivre à 80% de sa capacité, et il s'est formé ensuite une couche inter- médiaire 11 (Fig. 2) de 10 mm d'épaisseur, constituée de composés du système du métal de la partie inférieure 4 de l'électrode 3 et du métal à souder des barres 1, c'est-à- dire de cuivre et d'aluminium. Lors de la fusion ultérieure de l'électrode 3, notamment de sa partie supérieure 5 a eu lieu le remplissage du jeu entre les bords à souder. De la sorte, le cordon de soudure avait des couches inter- médiaires 12 de composés du système aluminium-cuivre, dont la résistance électrique est inférieure à celle du métal à souder, c'est-à-dire de l'aluminium. Après le remplissage du jeu de soudage par le métal de l'électrode 3, le courant de soudage a été coupé. La masselotte 13 a été facilement détachée de l'assem- blage soudé au droit de la couche intermédiaire fragile 11 sous l'action d'une faible charge de choc appliquée sur la masselotte 13 (Fig. 4), après quoi on a mesuré le renforcement obtenu du cordon de soudure, qui a atteint mm. Le cordon de soudure se caractérise par l'absence de friabilité de retrait. Le changement de la vitesse de fusion de la partie inférieure 4 et de la partie supérieure 5 de l'électrode 3 par le choix du métal de l'électrode 3 avec une tempéra- ture de fusion de la partie inférieure 4 atteignant 10800C, et de la partie supérieure 5 atteignant 6600C, a permis de réduire de 25% la durée du chauffage du bain de laitier 10 jusqu'à la température de service. Le cordon de soudure obtenu était équivalent au métal soudé d'après ses caractéristiques mécaniques. La résistance électrique du contact de soudage était de 10% inférieure à celle des barres à souder. On remarquera que lors du soudage d'ensembles ne se rapportant pas aux contacts de soudage, les couches inter- médiaires 12 dans le cordon de soudure ne sont point uti- lisées. Les exemples suivants de mise en oeuvre du procédé de soudage sous laitier électroconducteur sont analogues à l'exemple 1 avec les paramètres indiqués sur le tableau ci-après et le même régime de soudage. Le renforcement du cordon de soudure dans les exemples 2 et 3 atteignait respectivement 3 et 5 mm. Lors de la mise en oeuvre du procédé selon l'exemple 4 dans la partie inférieure du cordon de soudure après l'élimination de la masselotte, on a obtenu un fort renforcement (20 mm) dû au matériau de l'électrode, exigeant un usinage supplémen- taire. Lors de la mise en.oeuvre du procédé suivant l'exemple , dans la partie inférieure du cordon de soudure après l'élimination de la masselotte, on a observé une réduction de la section de service du cordon de soudure due au fait qu'une partie du métal du cordon de soudure a été détachée avec la masselotte. La durée du chauffage du bain de laitier jusqu'à la température de service est la même dans les exemples 2, 4 2Z491796 et 5 que dans l'exemple 1, tandis que dans l'exemple 3 elle est deux fois inférieure à celle-ci. Le cordon de soudure lors de la mise en oeuvre du procédé suivant les exemples 2 et 3 présentait un coeffi- cient de résistance de respectivement 0,8 et 0,9, c'est-à- dire que la résistance du cordon de soudure correspondait respectivement à 80 et 90% de la résistance du métal à souder. TABLEAU Exem-: Matériau: ple No.: des bar-: :res: :souder: : : : Matériau: de la partie: inférieure: de l' élec-: trode Matériau des par- ties in- sérées de l'é- lectrode :Volume:Volume:Températu- :de la:de la:re de fu- :partie:partie:sion du :infé-:supé-:métal de la :rieure:rieure:partie in- :de l'é-:de l'é-:férieure :lectrode:lectrode:de l'élec- :en % de:en % du:trode, :la ca--:volume: O :pacité:limité: :de la:par les: :coquille:bords: ::à souder: ::: ::: 2: Mg: Cu: -: 95: 125: 1080 3:Acier':::: ::ce Ti -: 90: 120 1700 :Ct3:3 4 A1 Cu: Cu75 :105 1080 A i: ::100 : :1080 : A1: Cu: Cu:100: 130: 1080 ::: .. .' EXEMPLE 6 - Cet exemple est donné pour expliquer la mise en oeuvre du procédé de soudage sous laitier électroconducteur de pièces disposées l'une audessus de l'autre, en une seule passe. On a soudé simultanément trois joints de barres d'alu- minium d'une section de 50 x 100 mm (Fig. 5). Le soudage a été effectué comme dans l'exemple 1. La section de l'électrode était de 20 x 40 mm. Deux barres à souder 1 ont été installées sur la coquille 2. Au-dessus, sur la barre 1 et par l'intermédiaire d'éléments d'écar- tement 14 en cuivre ayant une dimension de 50 x 50 x 100 mm on a disposé des barres à souder 15 et 16. Le jeu entre les bords à souder des barres 1, 15 et 16 était de 50 mm. On a obtenu une construction soudée unique, qui s'est facilement divisée en trois barres soudées 1, 15 et 16 sous une charge de choc appliquée au droit des couches intermédiaires fragiles 17, disposées aux endroits o étaient installés les éléments d'écartement 14. La masse- lotte 13 de la barre 1 s'est facilement détachée au droit de la couche intermédiaire fragile 11. Le renforcement du premier cordon de soudure a été obtenu comme dans l'exemple 1. REVENDICATIONS. 1 - Procédé de soudage de métaux sous laitier élec- troconducteur à l'aide d'une électrode de forte section, comprenant la confection d'un bain de laitier, la fusion de l'électrode et des bords à souder, le remplissage par le métal fondu de la coquille et du jeu entre les bords à souder, suivi de l'élimination de la masselotte, carac- térisé en ce que la fusion de l'électrode, lors de la confection du bain de laitier et du remplissage de la coquille par le métal, est effectuée à une vitesse inféri- eure à la vitesse de fusion de l'électrode lors du remplis- sage par le métal du jeu entre les bords à souder, les paramètres électriques du soudage sous laitier électrocon- ducteur étant constants, tandis qu'entre la masselotte et le cordon de soudure est constituée, lors du soudage, une couche intermédiaire fragile, le cordon de soudure obtenu présentant une faible résistance électrique. 2 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que, pour la confection du bain de laitier et le remplissage de la coquille par le métal, on choisit une électrode dont le métal a une température de fusion supé- rieure à la température de fusion du métal à souder, tandis que pour la fusion des bords à souder et le remplissage par le métal du jeu entre ceux-ci on choisit un métal d'électrode identique au métal à souder et on le fait alterner avec le métal de l'électrode qui a une résistance électrique inférieure à celle du métal à souder. 3 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le remplissage de la coquille par le métal et la formation de la couche intermédiaire fragile, au cours du processus de soudageentre la masselotte et le cordon de soudure sont réalisés à l'aide d'une électrode dont le matériau forme avec le métal à souder des composés intermétalliques fragiles. 4 - Procédé suivant la revendication 1 ou 3, caracté- risé en ce que l'emplacement de la couche intermédiaire fragile entre la masselotte et le cordon de soudure est commandé, au cours du processus de soudage, par le choix 249 1796 du volume de l'électrode pour la confection du bain de laitier et le remplissage de métal de la coquille, ce volume étant égal à 80-95% de la capacité de la coquille. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'obtention d'un cordon de soudure de forme dif- férente est réglée par le choix du volume de l'électrode pour le remplissage par le métal du jeu entre les bords à souder, ce volume étant supérieur de 10-25% au volume délimité par les bords à souder. 6 - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les couches intermédiaires fragiles sont réali- sées entre les cordons de soudure de pièces disposées l'une au-dessus de l'autre par l'intermédiaire d'éléments d'écartement dont le matériau forme, avec le métal à souder, des composés intermétalliques fragiles, le soudage de plusieurs pièces étant effectué simultanément en une seule passe.