Brevet FR2509212A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne un mélange de gaz de protection utilisé lors du soudage MIG des aciers au carbone. Le soudage des aciers non alliés requiert habituellement l'emploi d'atmosphères gazeuses de protection. L'anhydride carbonique est bien connu comme atmosphère de protection, des mélanges binaires argonanhydflde0arbonique, tels ceux de composition correspondant à 2 X volume d'anhydride carbonique et 80% volume d'argon sont également utilisés dans cette application. Le brevet français 1.223.081, du 30 avril 1959, au nom de GESELLSCHAFT FWR LINDE'S EISMASCHINEN a proposé pour l'arc de soudure des atmosphères ternaires d'anhydride carbonique, d'oxygène et d'argon, notamment constituées par 20 à 70% volume d'anWydride carbonique, i à 1 $ volume d'oxygène et le complément en argon. Si l'utilisation de certaines atmosphères de protection est importante, et conduit à de bons résultats en soudage, on ne peut pas ignorer les teneurs des différents gaz toxiques émis lors du soudage MIG, et la nocivité notamment de l'oxyde de carbone formé et celle des oxydes d'azote NO et NO2 / NOX. Aussi, on a recherché des compositions particulières des mélanges ternaires s anhydride carbonique - oxygène - argon, limitant le taux de pollution par rapport aux mélanges binaires : anhydride carbonique - argon et surtout à l'anhydride carbonique seul, et mimes vis à vis des mélanges ternaires anterieurement préconisés; ces oompositions sélectionnées devant assurer une bonne aptitude au soudage des aciers au carbone. Il a été trouvé une atmosphère de protection répondant de manière satisfaisante à cette double exigence. Ce mélange ternaire utilisé lors du soudage MIG des aciers au carbone contient 8 à 12% d'anhydride carbonique, 3 à s d'oxygène, et le complément 83 à 89% étant de l'argon. Un mélange contenant en volume environ 1 X dtanhydride carbonique, environ 4% d'oxygène et environ 86 % d'argon, constitue une atmosphère de protection particulièrement performante en soudage MIG des aciers au carbone, tout en induisant un taux de pollution très restreint. L'étude des caractéristiques d'emploi, telles stabilité de l'arcs taux de projectionss, souplesse d'emploi en Pulsarc, ainsi que l'étude de la qualité des assemblages représentée par l'aspect des soudures et la compacité des joints, ont confirmé le bon comportement en soudage MIG des mélanges ternaires de l'invention. Outre leur excellente aptitude au soudage MIG les atmosphè- res ternaires de l'invention permettent de diminuer, par rapport à des atmosphères classiques, le taux de pollution engendré par l'arc électrique. L'émission d'anhydride carbonique et d'oxydes d'azote est très nettement plus supportable avec ces mélanges qu'avec l'anhydride carbonique seul et mame le mélange anhydride carbonique 2 Y en volume et argon 80% en volume. Si l'on considère l'anhydride carbonique comme ayant une pollution de 100%, le mélange binaire (A + C02 205') entrains une pollution de 53%, les mélanges ternaires argon + oxygène + anhydride carbonique permettent de diminuer la pollution, avec des mélanges argon + 4% oxygène + C02 25% et C02 20% la pollution n'est plus respectivement que de 39% et 32%.Avec le mélangge argon 86% + oxygène 4% + anhydride carbonique î05', on constate que la -pollution est réduite des quatre cinquièmes par rapport à l'atmosphère en anhydride carbonique pur. L'évaluation de la pollution cumulée des différents toxiques émis simultanément, en raison du degré de nocivit différent des oxydes d'azote et du monoxyde de carbone, tient oompte des valeurs limites tolérables (VLT) communément admises par les organismes d'hygiène et de sécurité. Ces valeurs VLT sont égales à 50 p.p.m. pour le monoxyde de carbone et à 5 p. p. m. pour le dioxyde d'azote NO2. Il a été jugé du degré de nocivité d'un gaz en appliquant la formule ppm CO + ppm N02 = = indice de nocivité. VLT=50 VLT- 5 Le classement suivant le degré de nocivité, en tenant compte du CO et du NO , par ordre croissant de toxicité s'établit comme suit pour un des mélanges proposés comparés à des mélanges à teneur plus élevée en anhydride carbonique et aux atmosphères les plus employées en soudage MIG aciers doux. 1) argon 94,5% + 5,5% O2 2) argon + C02 10% + O2 4% 3) argon + C02 20% + 02 4 4) argon + C02 25% + 02 4% 5) argon 80% + CO2 20% 6) C02 Ce classement confirme la place de choix occupée par le mélange argon 86% volume + oxygène 4%, auquel on additionne 10% d'anhydride carbonique, et montre son intérêt. Ce mélange limite la pollution induite lors du soudage MIG des aciers à un degré (cumul CO et NOx) qui est sensiblement le cinquième de celui dû au soudage sous anhydride carbonique et inférieur à la moitié de celui relevé sous le mélange 80% volume argon + 20% CO2, vendu sous la marque commerciale "ATAL". Les atmosphères de l'invention peuvent être préparées de manière classique par mélange des trois constituants gazeux dans les proportions de l'invention. On peut aussi introduire de l'anhydride carbonique en quantité contrôlée dans des mélanges à base d'argon renfermant de 3 à 5% d'oxygène, en particulier les centres de conditionnement des unités de production gazeuse des constituants de l'air peuvent mettre à la disposition du soudeur des mélanges d'argon renfermant environ 4% d'oxygène. L'adjonction d'environ 10% d'anhydride carbonique permet d'obtenir des atmosphères aptes au soudage et présentant un très grand intérêt vis à vis de la pollution générée lors du soudage KIG des aciers non alliés. Il est donné ci-après des exemples d'essais comparatifs qui permettent de situer la position des mélanges ternaires objets de l'invention qui peuvent être utilisés avantageusement en soudage MIG, avec une pollution considérablement réduite. Exemple 1 Mélanges gazeux comparés - Mélanges classiques s le soudage des aciers non alliés requiert habituellement l'emploi des atmosphères gazeuses suivantes -- anhydride carbonique CO2 le mélange binaire vendu sous la marque commerciale "ATAL, et constitué par 80% en volume d'argon et 20% en volume d'anhydride carbonique. - le mélange binaire vendu sous la marque commerciale "INARC 95 " et constitué par 94,5% en volume d'argon et 5, s en volume d1 oxygène. - Mélanges ternaires : A partir de mixtures argon + 4% d'oxygène par adjonction d'anhydride carbonique on a réalisé les-trois mélanges suivants Argon + C02 1 X + 2 4% Argon + CO2 20% + O2 4% Argon + C02 25% + 02 4% Exemple 2 Comportement en soudage a - Etude des caractéristiques d'emploi. En régime forte intensité, comme en régime Pulsarc, on a déterminé en soudage automatique le comportement du C02 de "l'ATAL" et des mélanges ternaires. La stabilité d'arc et le taux de projections ont été comparés à l'aide d'un banc d'endurance, pour ce qui concerne le "Spray arc". Le banc "Pulsarc" a permis d'examiner la stabilité d'arc et la régularité des dépôts selon un régime sévère (verticale descendante à faible intensité). La souplesse d'emploi est appréciée en soudage manuel par suite des observations effectuées par des opérateurs réalisant, en régime par courts-circuits 'Pulsaro", des assemblages en diverses positions (plat et verticale descendante) L'ensemble des résultats est consigné dans le tableau 1. Tableau I caractéristiques d'emploi Régime forte intensité Régime Pulsars Mélanges Stabilité taux de Stabili- Nombre Souplesse arc projections té arc défauts classe d'emploi C02 moy. 4 AB 30/50 IIàIII moy. "Atal" moy/ AB 3 TE 4 BIO I TB. A + 10% CO2+ 4%O2 moy/ AB 2 TB 8 I TB. A + 20% CO2+ 4%O2 moy/ AB 3 TB 11 II AB. A + 25% CO2+ 4%O2 AB 3 B/AB 32 II moy. L'examen de ce tableau permet de dégager les constatations suivantes En régime forte intensité La stabilité d'arc est aussi bonne avec l'un ou l'autre mélange par rapport à celle observée sous "ATÂL". Le taux de projection est excellent avec- À + 10% C02 + 4% O2; avec À + 20% 002+ 4% 02 il est légèrement meilleur qu'en "ATAL"; avec A + 25% C02 + 4% 02 il est légèrement moins favorable qu'en "ÂTÀL'1, dans tous les cas nettement supérieur au taux relevé sous C02. En régime Pulsaro t On constate que la stabilité d'arc est identique avec les mélanges possédant 10 et 20 % de CO2 + 4% 02 Avec 25% de C02 la stabilité est un peu moins satisfaisante. Le nombre de défauts qui traduit lA régularité des cordons de soudure demeure très faible en particulier avec le mélange titrant 10% de Coup. Vis à Vis de la souplesse d'emploi, le mélange À + 10 % C02+4% 02 se révèle très agréable d'utilisation, il se situe au moins comme l'"ATAL". Le mélange titrant 25% de C02 est nettement moins satisfaisant en raison des projections, il se rapproche de CO2. b - Qualité des assemblages. En raison de sa sévérité et de sa sélectivité le soudage en régime forte intensité a été choisi, afin d'étudier l'aspect et la compacité des cordons de soudure. On a opéré dans les conditions usuelles de contrôle s assemblage 4 passes tôle 12mm à l'aide de fils 70.S et 70.A Le tableau 2 expose les résultats obtenus. Tableau II Aspect et Compacité Mélanges Aspect Compacité CO2 Moyen TB ( 18,5 - 20 ) "ATAL" TB / Bon B ( 17 à 19 ) A + 10% CO2 + 4% O2 TB TB ( 18,5 - 19 ) A + 20% CO2 + 4% O2 B B ( 17 - 19 ) A + 25% CO2 + 4% O2 AB B ( 17 - 18,5) Le tableau n0 2 permet d'observer que les compacités sont bonnes ou très bonnes (fil de qualité moyenne à assez bonne) ainsi qu'en témoignent les notations radiographiques. Les aspects sont très bons pour l'"ATAL", et À + 10%CO2+4%O2 le mélange A + 20% C02 + 4 % 02 est très légèrement moins régulier, la différence est un peu plus accusée avec Â + 25 % C02 + 4% 02. Ces aspects sont toujours meilleurs que ceux obtenus sous CO2. Exemple 3 Détermination des taux de pollution On effectue le soudage MIG automatique dans un caisson équipé d'un pistolet de soudage P. 14 permettant de réaliser sur une plaque d'aoier un cordon circulaire continu. Un renouvellement d'air contrôlé et approprié assure l'équilibre de l'atmosphère de cette enceinte de telle sorte que le niveau de pollution atteigne, après quelques instants de soudage, une valeur aussi constante que possible. Les paramètres opératoires sont les suivants X - Fil NIC 70.S. PI 1,2mm (cuivré) et 0,8mm Pulsard - Débits gazeux à la torche i 20 l/in (forte intensité) et 10 l/mm $Pulsarc) - I 3 275 Vamp. - U = 26/30 V selon le gaz (85/95 À-18 V en Pul saro) - Vitesse de soudage = 40cm/mn - Durée de chaque essai = 5mn. L'évacuation de l'atmosphère du caisson s'effectue par une cheminée dans laquelle on prélève les gaz à analyser. Ces derniers sont acheminés dans les appareils de mesure situés au plus près de l'enceinte de soudage. On effectue les analyses en continu avec enregistrement simultané. On dose l'oxyde de carbone et les oxydes d'azote qui constituent la majeure partie des corps toxiques gazeux émis lors du soudage des aciers non alliés. a - le monoxyde de carbone est dosé à l'aide d'un appareil dont le fonctionnement est basé sur le principe de l'absorption dans l'infra-rouge. L'étalonnage de l'appareil est assuré à partir de gaz témoins. Le tableau III rassemble les résultats acquis à l'aide des différents mélanges gazeux, examinés en régime forte intensité et en régime par courts-circuits (Pulsarc). Les atmosphères sont classées par ordre croissant de C02 (mélanges ternaires), puis d'oxygène (pour les mélanges binaires). Tableau III Taux de CO en ppm Mélange Régime forte intensité Régime Pulsarc A + CO2 + O2 Moy Moy 80-65-115-85-80 86 10 4 135-135-145 105 17 - 17 17 165-110-140 76 20 4 135-135-135 135 30 - 30 30 135-130-135 205-165-180 71 25 4 155-150-180 174 45 - 45 45 183 270-265-290 "ATAL" 80 20 0 270-300-320 286 45 - 40 42 CO2 0 100 0 520-530-510 540 125 - 125 125 600 "Inarc"95" 94,5 0 5.5 5 à 7 6 0 - 0 0 b - Le dosage des oxydes d'azote concerne NO et N02 / NOX. Les valeurs sont déterminées par chimiluminescence au moyen d'un appareil fournissant à la demande soit l'indication NO, soit l'indication N02/NOx Le temps de 5 minutes fixé pour chaque essai permet largement de réaliser plusieurs mesures dans tous les cas. Le tableau IV consigne les résultats dans le même ordre que le tableau III Tableau IV Taux d'oxyde d'azote en p.p.m Mélanges NO NO2 / NOx A + CO2 + O2 Moy Moy 0,02 - 0,02 0,065 0,4- 0,4-0,25 0,56 86 10 4 0,02 - 0,2 1,2 0,2-0,3-0,2 0,45 5-6,5-5-8 4 76 20 4 0,5-0,02-0,4 2,5-1-7-1,3 0,05 0,7 0,8-0,2-1-0,3 5-2-1-5-0,4 71 25 4 0,02-0,02-0,4 0,26 2,54 0,3-0,2-0,6 2,5-1-4 "ATAL" 80 20 0 0,3-0,2-0,3 0,32 2-1,5 2,2 CO2 0 100 0 0,7-1,4-0,55 0,88 2,2-2-1,7 1,96 "Inarc 0,4-1,5-1-1,5 6-8-5,5-9,5 95 " 94 0 6 1,5-3-2,5-0,2 1,45 10-11-9,5 8,8 11 Le dosage de NO et de TOTO par -chimiluminescence s'avère plus délicat que celui du monoxyde de carbone, pour lequel les teneurs sont généralement plus élevées. C'est pourquoi, une forte dispersion apparente se dégage de la lecture du tableau ci-dessus, mais il faut considérer que les écarts observés ne sont que de quelques ppm seulsment. Si pour une raison quelconque, telle mauvaise protection du bain, soudage sur dépôt irrégulier et très oxydé, le bain de fusion est turbulent et que le dépôt présente des soufflures abondantes le taux de NO2/ NOx est très élevés.Il est donc primordial de souder dans des conditions qui permettent 11 obtention d'un dépôt correct.Les eseoples ci-après illustrent cette considération. A + C02 10% + 02 4% : NO = 12p.p.m. et NOx = 26p.p.m. avec un cordon de soudure poreux (tôle sale et distance buse-métal de base trop importante). "Inarc 9511 : NO = 39p.p.m. et NOx = 50 p.p.m. avec un cordon de soudure très poreux (tôle sale et distance buse-métal de base trop importante). - Pollution cumulée L'indice de nocivité est calculé d'après la formule ppm CO + ppm NO2 VLT=50 VLT=50 Dans ces conditions, les valeurs oi-après se dégagent des précédents essais. Mélange gazeux Indice de nocivité Argon + 10% C 2 + 4% 02 t 2,2 ( 105 + 0,56 ) 50 5 Argon + 20% CO2 + 4% O2 : 3,5 ( 135 + 4 ) 50 5 Argon + 25% CO2 + 4% O2 : 4 ( 175 + 2,5 ) 50 + 5 Argon + 20% C02 "ATAL" s 6 ( 286 + 2,2 ) 50 5 CO2 100% : 11,2 ( 540/50 + 1,96/5) Argon + 5,5% O2 "INARC" 95 % : 1,9 ( 6/ + 8,8/ ) 50 5 Si l'on attribue au C02une pollution de 100% l'ordre croissant de toxicité s'établit comme suit A + 5,5% 02"INARC 95" 17% A + 4% O2 + CO2 10% 20% A + 4% O, + CO2 20% 32% A + 4% O2 + CO2 25% 35% A + CO2 20% "ATAL" 53% Ce classement confirme l'excellente place du mélange ternaire A + O2 4% + C02 10%, qui procure un degré de pollution (cumul CO + NOx) sensiblement le cinquième de celui dû au soudage sous C02 et inférieur à la moitié de celui relevé sous "ATAL". d) L'évolution du taux de monoxyde de carbone en ppm en fonction de la teneur en anhydride carbonique dans l'argon, additionné ou non d'oxygène, a été étudié en soudage MIG d'acier doux. La Figure 1. du dessin annexé corresponds une expérimentation en soudage MIG acier doux en régime "Spray-arc" avec une intensité I = 2858. Les pourcentages en C02 des mélanges testés sont portés en abscisses et les taux de CO en ppm sont portés en ordonnées. La courbe 1 correspond aux mélanges binaires argon + anhydride carbonique contenant 1,3,5,10,20 et 50 ss de C02 et tendant jusqu'au CO, pur. La courbe 2, correspond aux mélanges ternaires argon + anhydri de carbonique + oxygène à la teneur de 1%, les mélanges contenant 1,3,5,10,20 et 50 0 de C02 ayant été expérimentés. La courbe 3, correspond aux mélanges ternaires argon + anhydri de carbonique + oxygène à la teneur de 4%, les mélanges expérimentés contenant 1,3,5,10, et 20 % d'anhydride carbonique. i La figure 2, montre les résultats du même type type d'étude en soudage MIG des aciers doux en régime "pulsar", les pourcentages en anhydride carbonique des mélanges i argon + anhydride carbonique (courbe 4) argon + anhydride carbonique + oxygène 1% (courbe 5) et argon + anhydride carbonique + oxygène 4% (courbe 6), sont portés en abscisses et les taux en monoxyde de carbone en ppm en ordonnées. A la vue des courbes représentées sur les figures 1 et 2 il apparait clairement que l'adjonction d'oxygène dans la proportion de quatre pour cents, contribue à diminuer nettement l'émission du monoxyde d'azote. REVENDI CÂTI ONS 1 - Mélange ternaire de gaz de protection utilisé lors du soudage MIG des aciers au carbone, caractérisé en ce qu'il contient en volume 8 à 12 % d'anhydride carbonique, 3 à 5 ;/O d'oxygène et le complément 83 à 89 % étant de l'argon. 2 - Mélange ternaire de gaz de protection en soudage IEG des aciers au carbone, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient en volume environ 10 ,' d'anhydride carbonique, environ 40 d'oxygène et environ 86 % d'argon. 3 - Méthode de soudage MIG des aciers au carbone sous atmosphère de protection, caractérisoeen ce que l'on utilise dans l'opération de soudage une atmosphère de protection constituée par un mélange ternaire contenant en volume 8 à 12 ?/, d'anhydride carbonique, 3 à 5%O d'oxygène et 83 à 89 ffi d'argon. 4 - Méthode de soudage MIG des aciers au carbone sous atmosphère de protection, selon la revendication 3, caractérisée en ce que la dite atmosphère contient en volume environ 10 % d'anhydride carbonique, environ 4% d'oxygène et environ 86 % d'argon. 5 - Méthode de soudage MIG des aciers au carbone sous atmosphère de protection selon les revendications 3 ou 4 caractérisée en ce que le soudage MIG est conduit en régime "Pulsarc". 6 - Méthode de soudage MIG des aciers au carbone sous atmosphère de protection selon les revendications 3 ou 4, caractérisée en ce que le soudage MIG est conduit en régime "Sprayarc".