Brevet FR2514279A1 — publié le 19830415

La présente invention concerne une torche de soudage du type à électrode réfractaire et protection à double flux, d'une part dans un premier conduit annulaire entre ladite électrode axiale et un manchon concentrique, d'autre part dans un deuxième conduit annulaire concentrique au premier entre ledit manchon et une buse de torche, ledit second conduit annulaire étant de forme générale convergente entre une paroi externe de manchon présentant un angle de convergence D et une paroi interne de buse d'angle de convergence Pour ce genre de torche le flux central de gaz de protection s'écoulant dans le pre- mier conduit doit être aussi régulier que possible pour protéger l'arc essentiellement, même s'il s'avère utile d'assurer pour ce premier conduit une légère convergence de la paroi interne du manchon pour obtenir un effet de constriction pneumatique de l'arc Le flux périphérique dans le second conduit annulaire de gaz de protection per- met surtout une protection de la totalité du bain de sou- dure On note d'ailleurs que l'effet de confinement de l'arc est encore amélioré en évitant tout échauffement in- tempestif du gaz de protection du flux central par un re- froidissement énergique du manchon de torche Grâce à cette disposition, on accroît le pouvoir de pénétration de l'arc. La reproductibilité des cordons de soudure est également améliorée en raison de l'excellente stabilité d'arc due à la présence du gaz central non échauffé, qui est soigneusement canalisé à l'abri des turbulences du gaz annulaire provoquées par l'échauffement des pièces en cours de soudage. On a cependant constaté, lors de la mise au point du procédé, que celuici était apparu sensible au rapport entre les diamètres de l'électrode et de l'alésage du manchon Ces paramètres ayant été optimalisés, d'excel- lents résultats ont été obtenus avec des matériels automa- tiques de forte puissance Par contre, de récents essais de soudage manuels effectués à moins de 150 A ont montré que les deux paramètres précédemment évoqués n'étaient pas seuls à régir le pouvoir de pénétration de l'arc Ce der- nier dépend aussi des conditions d'écoulement du gaz annu- laire et probablement des conditions de mélange de ce gaz avec le gaz central. Des comparaisons effectuées à partir de plusieurs torches existantes, équipées chacune de plusieurs types de buses et de manchons, ont mis en évidence l'influence: de l'angle intérieur de la buse 3 de l'angle extérieur du manchono réduction progressive de la section de passage. La présente invention a pour but de préciser l'influence de ces trois dimensions précédemment énumérées en déterminant leurs valeurs optimales et les plages de réglage en dehors desquelles on constate une diminution sensible des performances de soudage, Pour une interprétation correcte des résultat$ de cette étude, il apparaît nécessaire de préclser quelles sont les conditions des tests et quels ont été les critères d'appréciation de la qualité des cordons de soudure. Les éprouvettes ont une épaisseur de 1,5, 3 et 4 mm et sont réalisées en métal de nuances XES pour une épaisseur de 1,5 mm, TC pour une épaisseur de 3 mm et 10 C pour une épaisseur de 4 mm. Toutes ces éprouvettes ont été décapées de façon à éviter la projection de calamine sur l'électrode de tung- stène Leurs dimensions étaient de 250 x 80 mm et les bords à assembler ne comportent aucun chanfrein, Un pointage pré- alable a été effectué par le procédé TI' G sans métal d'ap- port, Du métal d'apport a été utilisé uniquement pour sou- der les éprouvettes de 3 et 4 mm d'épaisseur, et ce métal est constitué d'une baguette métallique ayant la nuance suivante: C d 0,08 %; Cr = 0,5 %; Mo = 0,5 %; S 0,03 %; P 4 0,03 %, de diamètre de 2 mm Le gaz de soudage utilisé est, pour le flux central, un mélange d'hydrogène 5 % dans l'argon et, pour le flux annulaire, de l'argon pur. Les tests ont été exécutés par soudage manuel effectué en position horizontale, et, pour chaque test, on a relevé le temps de soudage, permettant ainsi de détermi- ner la vitesse (v) globale de soudage. Les critères d'appréciation de la qualité de sou- dage sont au nombre de cinq; pouvoir de pénétration de l'arc, stabilité de l'arc, bombé superficiel du cordon de oudure, régularité du cordon face "endroit", régularité du cordon face-"envers" Revenant rapidement sur ces d fférents critères, on précise qu'on considère qu'un arc est d'autant plus pé- nétrant qu'il permet: une vitesse de soudage ("v") d'autant plus élevée, une largeur "envers" de cordon ("lv") d'autant plus importante, une largeur de cordon "endroit" ("ld") d'autant plus étroite, en sorte que l'on a pris en considération le résultat glo- bal selon la formule v x lv étant précisé que, pour ne pas avantager certains cordons exceptionnellement plus lar- ges à l'envers qu'à l'endroit, les rapports lv > 1 ont été ld/ ramenés à la valeur 1. Pour faciliter l'appréciation des résultats, trois niveaux de cotation du pouvoir de pénétration ont été retenus: bon (++) acceptable (+) médiocre ( 0) En ce qui concerne la stabilité de l'arc, on précise qu'un arc est admis comme stable lorsque sa posi- tion dans l'espace demeure invariante pendant la totalité de l'essai de soudage et là également, on a appliqué trois barèmes de cotation, à savoir: -10 bon (++); pas d'instabilité, acceptable (+) quelques instabilités' de fai- ble amplitude, médiocre (O); instabilités plus marquées pouvant, Mî la limite, rendre la fusion de la tôle incontrô- lable. En ce qui concerne le "bombé" superficiel qui est défini par la cote maximale du cordon au-dessus du plan de l'éprouvette, on précise que la présence d'un "bombé" constitue une garantie contre tout affaiblissement mécanique de la soudure qui serait dû à une diminution de section soudée, et bien entendu, la présence d'un effon- drement en lieu et place du bombé doit donc être'pénalisée. Ici, également, on a appliqué trois barèmes de cotation, à savoir bon (++): cordon uniformément et nette- ment bombé. acceptable (+): cordon plat ou bombé seulement par endroits. médiocre ( 0): cordon présentant des effondre- ments ' - Nota: les soudures d'éprouvettes de 1,5 mm d' épaisseur avant été effectuées sans métal d'apport n'ont pas été notées quant leur bombé superficiel. En ce qui concerne la régularité "endroit" et la régularité "envers" qui se définissent par le fait qu' une soudure est d'autant plus régulière que son parcours est d'autant plus rectiligne, dents éventuels dûs au mode manuel de soudage), il s'agit là d'appréciations très subjectives, et l'on a appliqué également ici, trois barèmes: bon (++) acceptable (+) médiocre ( 0), Compte tenu de ce qui précède, on est parvenu à déterminer un domaine d'angles de convergencese manchon et d'angles de convergence e de buse qui est caractérisé en ce que les angles de convergence X et sont choisis à l'intérieur d'un quadrilatère tracé dans' un système de coordonnées rectangulaires, dont l'abscisse représente l'angle de convergence l'angle de convergence,5, ledit quadrilatère étant déli- mité par les quatre sommets suivants:'51, 52, 53, 54, avec: 51 1 = 15 O : = O Q 52: 2 = 15 ' t 2 = 30- : = 50 53: K 3 5 : 3 = 20 54: 4 = 25 Q : 4 = 20 :4 L'invention est maintenant explicitée par la des- cription qui suit en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une torche se- lon l'invention; la figure 2 est un diagramme définissant une zone opti- male de choix des angles et 8 et des zones préférent tielles assurant des résultats de très bonne qualité. En se référant à la figure 1, une torche selon l'invention comporte une électrode axiale en tungstène 1 entourée à distance d'écartement comprise entre 1 et 3 mm par un manchon co-axial 2 ayant une paroi intérieure 3 de forme cylindrique, une paroi extérieure 4 de forme côni- que convergente (angle CK) vers une extrémité 5 d'élec- trode 1 et une buse de torche de soudage 7 constituée d'une pièce massive de forme cônique ayant une paroi in- térieure conique 8, l'angle de convergence 8 étant orienté également en direction de la pointe de l'électro- de 1. De façon habituelle, un gaz de protection est introduit dans un conduit annulaire 10 ménagé entre l'é- lectrode 1 et le manchon 2 et ce gaz pouvant être par exemple de l'argon, tandis qu'un second gaz de protection est introduit dans un conduit annulaire 1 l ménagé entre le manchon 4 et la buse 7. Dans cette forme de réalisation décrite, le manchon 2 et la buse 7 présentent des surfaces externe 4 et interne 8, respectivement, qui sont rigoureusement cô- niques sur une distance axiale indiquée par X, qui n'est pas inférieure à 13 mm. Dans les résultats d'essais qui sont donnés ci- après, on a donc fait varier les angles X et,& entre et 25 (de 5 en 5 ) et en fait, pour chaque angle C de 10 15 20 et 25 , on a procédé à des essais pour un angle 18 de 10 15 20 et 25 sauf pour l'angle C Les résultats de ces essais ont été consignés sur le tableau I ci-contre et concernent les, éprouvettes d'épaisseurs 1,5, 3 et 4 mm respectivement soudées avec des arcs d'intensité 50, 80, et 86 Amp et les résultats sont U"i i Ln -i Ln O tn WC O lisser ew dw jwr ewr 0-wr a Wr "wr la wt > Wr a Wz jwr W Ln (A Lq Ln tn i Ln ui 4 A t A9 ui ui tn Ln râ 4 A p 0, ta ou W tp c, 0, 1-n -P-t,-c r en wc" Nwoe O ' Ca cn M > ui > i ODW t) à là Ln W 1 "W -4 Co Ch m 'W ln n c a, W89 % Ln W a% W Ul Lq d Ln tn l(A 1 Vi t.nW tn "O t A Ch t AO % W Ln O % ui ILA j imwww Ub Lq W 'l Co n ti "e e ui j i: ; Ir III Lq UII s'ne e CI el esl, ec, eee tn b. a% CoLn D ui F (A tn W Ul ui tn W w(Aw W è Ln î" W W W U m W til Ln o VV (n W W à W 1 é P% -4 LA i:ew tp u uim j W crî e 84 fflwe P% W M-JU WPW Ln Woe 40 Co 'J' tn Ln tn Ln R Ln Lq ui (q ui toi Lq (n k 4 Ln t A t. 0 à 10 00 + V + + O O 10 ++ + O + + O + O j+ O + + + + O + go O O + + ++ + + ++ ft l p In 0 CD ti 1 ti rt + + O + O +to 11 tto tj+ O + O IV O itt 1 t ++ i I tit ti. + + + + Id ty 1 O O 1;O Ilh 9 13 + + + + o+ j+ + l+ O + + + CD 9: 1 m 1 W t++ ++ ++ + ++ + ++ +'+ 1 + + + O a 1 tn 1- 4- oo+ to+ 10 +t + + +++ O + + + + + + tu W 1 O I 10 cn O % 1 O W 1 Co 1 i Ni UT -Pl - rla -.19 \ O H tu O à- W 1 ',c e é f- (A t 4 d Ln 4 à- U, W F- W II complétés par d'autres tests sur une plus large gemme d'angles încluant D 50 (dont les résultats sont don- nés dans le tableau Il ci-dessous), et,e =O' permettant de confirmer le domaine assez précis des valeurs optimales. Il y a lieu de noter que ces tests concernent des éprouxvet- tes de 4 sai d'Bpaîsseur, soudées avec un arc de 86 Amp. TABLEAU Il CON Dl TIONS DE SOUDAGE ET D'APPRECIATION QUALITES DE L'ARC ULESD OUUS à à angles j pouvoîr de stabii tf bonibe au rdq-ulartj 4 NQTE Id 1 V lv p 4 nêtratio d'ac perficiel /2 mncho bs cm/mn (amm) (mm) id vx l endroiî envers 5,4 -6,5 4 3,5 O + 4 ' + O O OE R 5 20 6 7 -5 4,5 Q ++ + + + 10 S à j 25 6 6,5 4 3,5 O + 4 ' + O 6 à ààà -T O 6 6 4 4 O ++ ++ ++ 12 A' 10 6,6 6,5 S 5 + ++ ++ ++ O 14 Bu 10 15 6,6 5,5 4,5 5,5 I + + 4 ' + ++ + 14 c' 20 6 6,8 S 4,5 O ++ + 4 ' i ++ 14 D' 25 6 6,8 S 4,54 O ++ + ++ ++ 14 à j O 0 6 6,5 5,5 S + ++ O + + 12 E' 10 6 6,3 6,5 > 116 -1-1 ++ o ++ ++ 16 FI 15 15 6,7 6 S 5, ++ ++ + 1 G#20 6, ,5 55 ++ + 14 lit 25 6 5,5 6,3 > 16 ++ + 4 'î + ++ + 16 V O 6,1 6,5 S 4,5 O ++ + + + 10 1 10 6 5,5 5,5 6 ++ O + ++ + 12 J', 20 15 6,6 5,8 4,5 5 + ++ ++ ++ + 16 K'j 20 6,6 6 4,5 5 _ + ++ *H + 4 ' + 16 Lq 25 6 6,4 S 4,5 O 4 + ++ 4 ' 12 MI 25 15 5, 6, 6, S{IS// l///î/ i ++ 2 10 J Ot 25 5,4 6,5 5 O + ' + 4 ' O Jîo 4 O De ce qui préc&e, une large concordance appa- rait entre les deux séries de tests et il ressort que l'on peut tracer trois zones de qualité de soudure: ZONE I: qualité de soudure optimale: celle circonscrite par les points: S" 1: : -8111 : C " 2 -a 112 éas 3 :XII : k" 43 pour laquelle la teint 16,-4. ZONE II: de tr latère défini p s'1 S'2 S'3 s'4 S ' mon enne syenne = 22,5 = 12,5 = 22,5 = 12,5 = 12,50 = 17,5 = 12,5 des appréciations de qualité at- ès bonne qualité: intérieure au quadri- ar les quatre sommets suivants: * " '1 = 17,5 el', = 27,5 : D * '2 = 20 : e 3 = 7,5 : '3 = 15 = 17,50 : '4 = 7,5 et à l'extérieur de la zone I, pour laquelle la moyenne des notes d'appréciation atteint 15. ZONE III: de bonne qualité, c'est-à-dire la zone est définie par les points: 51 D, = 15 (confondu avec U) sl: 1 S14 = O 52: 2 :8 2 53: C 3 : 3 54: C : -84 = 15 = 30 = 5 (confondu avec R) = 20 = 25 (confondu avec N) = 20 et à l'extérieur de la zone II, la moyenne des notes d'ap- préciation est de l'ordre de 13. A l'extérieur de la zone III de bonne qualité définie par les points 51, 52, 53, 54, on rencontre des points tels que P; O; S; T; V; W; M; 0, o les no- tes d'appréciation sont inférieures à 13 et généralement de l'ordre de 6 à 12 Cette zone est considérée comme pré- sentant une qualité opérationnelle insuffisante conformé- ment à I'invention. REVENDICATIONS 1 Torche de soudage a arc du type à élec- trode réfractaire et protection à double flux d'une part dans un premier conduit annulaire entre ladite électrode axiale et un manchon concentrique, d'autre part dans un deuxième conduit annulaire concentrique au premier entre ledit manchon et une buse de torche, ledit second conduit annulaire étant de forme générale convergente entre une paroi externe de manchon présentant un angle de convergence C et une paroi interne de buse d'angle de convergence X, caractérisée en ce que les angles de convergence D 51: 1 = 15 : 1 52: = 2 15 2 g 2= 30 53 3 = 50 3 = 200 54 4 = 25 : 4 = 20 2 Torche de soudage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les angles C tés à l'intérieur d'un quadrilatère dont les sommets sont les suivants: S'I S'2 53 S'4 1 ' '2 ' S'3 3 '4 ' S': p' = 17,5 : 1 = 27,5 /' Si ' C-= 7,5 2 3 2 = 20 3 73 ' 3 15 O S'4 4 ' = 17,5 O 4: : 4 ' = 7,50 3 Torche de soudage selon la revendication 1, caractérisée en ce que les angles b S " = 17,5 " = 22,50 $ 1 S 2 >" 2: 12 Z 22: Xf = 12,5 S:l'2 = 22,5 S " 33 = 12,5 : : 12,50 S" 14: 74 17,50 -: "'4 = 12,5 4 Torche de soudage selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la distance axiale minimale de pure conicité des pièces externe de manchon et interne de buse est au moins égale à 13 mm.