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La présente invention a trait au soudage des métaux par l'arc électrique sous protection de gaz Inerte, avec fil électrode fusible, .Le principal objet de la présente invention est de réaliser un procédé de soudage à arcs multiples, avec électrodes fusibles, et avec protection par un gaz inerte, dans lequel le transfert du métal s'effectue en très fines gouttelettes, et qui soit applicable à l'exécution de travaux de rechargement,
Un autre but plus particulier est de permettre le dépota par soudage, d'une ceinture en fer doux, de bonne qualité, sur une surface courbe d'un métal ferreux, par exemple sur un obus d'artillerie.
Le but de l'invention et ses avantages et caractéris- tiques seront mis cn évidence par' la description qui suit et qui est accompagnée de dessins dans ieaqueia :
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La figure 1 est une vue sohématique d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé suivant la présente invention, dans son application au ceinturage d'un obus d'artillerie.
La figure 2 est une vue latérale schématique, par- tiellement en coupep montrant un fil électrode et un fil auxi- liaire de métal d'apport.
Le procédé de soudage à l'arc récemment mis au point ' arec électrode fusible et protection par gaz inerte, et décrit dans le brevet belge 1,la 493.266 a beaucoup,facilité le soudage de matériaux difficiles à souderp tels que l'aluminium, et a été largement utilisé pour la soudure de tels matériaux aussi bien que pour l'acier. Des recherches ultérieures ont été , fondait.. sur des variantes du procédé de base et sur d'autres procédés devant permettre la soudure avec des courants de s@u- dage autres que le courant continu à polarité inversa, c'est- à-dire avec fil électrode positif, la pièce à souder étant néga- tive.
Ainsi, dans les brevets belges No 513.739 et No
513.623, déposés au nom de la demanderesse, on a indiqué les prin- cipes du soudage avec des agents activants, permettant d'obtenir des fils activés pour le soudage en courant continu de polarité directe (fil électrode négatif) ou en courant alternatif. La présente invention est l'aboutissement de travaux portant d'une part sur le perfectionnement du procédé de base rappelé ci-dessu et d'autre part sur les procédés de revêtement ou rechargement par soudage, dans lesquels on cherche à déposer très rapidement une grande quantité de métal avec une dilution faible ou nulle du métal déposé avec celui de la pièce à revêtir.
Après de nom- breux essais, on a étudié les divers facteurs affectant la sta- bilité de l'arc, le transfert de métal, l'homogénéité du dépôt, la dilution, la vitesse de dépôt, l'absence de caniveaux, et on
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a abouti à un procédé pratique de revêtement, qui constitue un réel progrès. On a trouvé que des arcs indépendants, très peu espacés, de polarité opposée avec protection par gaz inerte, permettaient d'obtenir de manière très efficace et satisfaisante le transfert par pulvérisation du métal des deux fils électrode bain de fusion fusibles dans un/@@@@@@@ unique, lorsqu'au moins le fil négatif est activé.
Les éléments essentiels, dont la combinaison carac- térise la présente invention sont la polarité opposée des arcs, le transfert de métal par pulvérisation, une protection adéquate par gaz inerte et l'emploi de fils électrodes activés. La pola- rité opposée est réalisée de préférence en utilisant un courant alternatifo D'autres caractéristiques de l'invention, surtout pour les revêtements en acier,sont l'emploi comme gaz de pr@ tection d'argon avec 1 % d'oxygène et de fil électrode avec enro- bage de-carbonate de--rubidium,
Un des problèmes spécifiques auxquels s'adresse la présente invention est le ceinturage des obus d'artillerie.
La fixation mécanique de ceintures de cuivre ou d'alliage de cuivre sur les obus d'artillerie est un problème sérieux en temps de guerre quand l'approvisionnement en cuivre est limité. Ces cein- tures ont plusieurs autres inconvénients dont les deux plus im- portants sont le dessertissage accidentel:de ces bandes pendant le tir et le prix élevé du cuivre. On avait pensé que si lion pouvait obtenir, par soudage, un dép8t ferreux en forme de cein- ture sur l'obus d'artillerie, on éliminerait ces inconvénients, à condition de pouvoir mettre au point un procédé efficace.
Quelques-uns des problèmes que l'on avait prévus ou que l'on a rencontrés étaient la porosité, les fissures , une dureté exces- sive de la bande, des projections excessives au cours du soudage,
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et une vitesse de soudage relativement faible. Ces problèmes. relatifs au ceinturage ont été résolus par la combinaison de moyens qui caractérise la présente invention,, comme définie plus haut. La combinaison de deux arcs stables, de polarité opposée, avec protection par gaz inerte et l'emploi d'électrodes fusibles activées permet d'obtenir dans de bonnes conditions le transfert de métal par pulvérisation.
Des essais ponr effectuer le recou- vrement désiré sur les obus d'artillerie en acier calmé en uti- lisant un seul arc ne donnèrent pas entière satisfaction car la bande déposée était trop dure et la vitesse de soudage insuffisan- teo On voulait que le recouvrement désiré soit effectué en un seul tour de l'obus. On a ensuite pensé à utiliser deux arcs.Les recherches avec deux arcs ont montré que deux arcs très rappro- chés avec protection par gaz inerte à partir d'électrodes de fer fusibles ne pouvaient pas être utilisés pour ce travail de dé- pôt, si les arcs avaient la même polarité au même instant. Les deux arcs ont tendance à se combiner en un seul qui devient très instable et ingouvernable.
En utilisant des arcs de polarité opposée, tels qu'on les obtient en connectant les électrodes en série avec une source de courant alternatif, à tout instant un des ares a une polarité inverse tandis que l'autre a une polarité directe Les essais ont indiqué que la polarité inverse avec un seul arc donnait une plus grande pénétration que la polarité directes et contribuait ainsi à une dureté excessive du dép8t en raison de l'absorption de carbone et de manganèse provenant du métal de l'obus. Le fil électrode à polarité directe était naturellement enrobé avec un agent activant, selon la demande de brevet mentionnée plus haut.
On a déterminé qu'il était possible .d'établir deux arcs très rapprochés de polarité opposée sans que l'agent activant qui se trouve sur l'arc de polarité directe soit
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affecte par l'arc de polarité inverse. On obtient ainsi nn transfert de métal et une vitesse de fusion semblables à chaque arc. On a également trouvé qu'en enrobant les deux fils avec un agent activant, l'arc à polarité inverse produisait moins de dilution et présentait une différence de potentiel comparable à celle de la polarité directe en courant continu. Ainsi on obtenait l'égalisation de la pénétration de l'arc en utilisant deux fils électrodes activés.
Avec le courant alternatif, l'a- gent activant améliore aussi le rallumage de l'arc, de même qu'il facilite le transfert de métal pendant la période de po- larité directe. Le problème qui peut se poser d'une pénétration inégale due à des arcs de polarité opposée a été encore mini- misé suivant l'invention, en faisant osciller les deux fils d'électrode fusibles et les deux fils d'apport.
Le problème de la porosité dans le recouvrement d'obui d'artillerie avec une ceinture ductile est évident Si l'on con- sidère les compositions du matériau de recouvrement et de celui de l'obus. L'obus est en acier calmé. La composition chimique suivante est la composition type d'un corps d'obus en acier :
Carbone 0,50
Manganèse 0,88
Phosphore 0,013
Soufre 0,027
Silicium 0,15
La composition et-dessus montre quitl y a une quan- tité relativement grande de carbone, s'il s'agit d'aciers sou- dables. Le métal des fils d'apport ou de soudure doit donner nécessairement un dépôt ductile et doit donc être à bas car. hone.
Dans ce but on utilise du ter,à bas carbone tel que de l'acier non calmé, Le fil électrode et le fil d'apport @@t ent
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été utilisés avaient à peu près la composition suivant? :
Carbone 0,04
Manganèse 0,06
Phosphore 0,02
Soufre 0,02
Silicium 0,01
Puisque ce fil n'est pas désoxydé, il contient une quantité excessive d'oxygène disponible. Ainsi, l'obus apporte du carbone au bain de fusion, tandis que les fils de soudure y apportent de l'oxygène.
Dans ces conditions, le phénomène d'efréaction déga eant
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ferescence de l'acier (/carbone""1tk\t :-oxygène t.I:tI#xd:U4 1t de l'oxyde de carbone ou du gaz carbonique) peut facilement se pro- duire et doit être empêché de manière à éviter la porosité due à des bulles de gaz occluses. Ceci est obtenu par addition d'alu- minium sous forme d'un enrobage sur les fils auxiliaires qui alimentent la fusion. L'aluminium réagit de préférence avec l'oxygène puisque l'aluminium est un désoxydant énergique. Ces fils auxiliaires enrobés d'aluminium minimisent les projections qui se produisent parfois à l'arc de polarité directe.
Il y a un autre résultat favorable, et encore plus significatif,de l'apport d'aluminium au bain de fusion sous forme d'enrobage des fils
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auxiliair8,quànd la quantité d'aluminium est telle qu'il se forme une peau d'un oxyde d'aluminium complexe à la surface du bain de fusion, Le film visqueux d'oxyde d'aluminium permet le soudage quand le métal en fusion aurait normalement tendance couler par l'effet de la pesanteur (comme c'est le cas lorsqu'on exécute un déôt sur une surface courbe). De cette façon, on obtient une rétention du métal en fusion.
En se référant' aux figures 1 et 2 du dessin, on peut voir d'après la vue schématique qu'un obus d'artillerie 11 de 90 mm est monté horizontalement sur un dispositif analogue à un
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tour de façon à pouvoir tourner autour de son axe. L@ rotation se fait dans le sons des aiguilles d'une montre quand on regarde par -le bout droit de l'obus. Deux têtes de soudage automatiques avec gaz inerte et refroidissement à eau 13 et 15 sont placées au-dessus de l'obus et sont maintenues par un support 17 qui se règle de façon convenable. Deux dévidoirs de fils auxiliaires 21 et 23 sont placés derrière l'obus comme on le voit sur la figu- re 1 et sont également connectés de façon réglable au support par' un système de pinces 24.
Le support 17 est connecté à un méca- nisme oscillant 25 par la transmission 27 et ce support 17 est monté de façon à glisser sur la barre 29, de telle sorte que les tètes de soudage et les alimenteurs de fils oscillent ensemble, transversalement à la bande, pendant le dépôt de la ceinture 30.
Le mécanisme du tour comprend un moteur de ommande à vitesse variable 31 et une poupée 33, tous deux ayant les mé- canismes habituels de serrage de l'obus. L'obus est de préférence refroidi à l'eau comme il est indiqué schématiquement par les tuyaux d'arrivée d'eau 35 et de sortie 37,
Les têtes de soudage 13 et 15 fonctionnent de manière semblable à l'appareil qui -est décrit dans le brevet belge
N 193.363 mentionné plus haut. Puisque ces détails ne font pas partie de la présente invention, ils ne sont pas montrés en détail mais seulement schématiquement, Il suffit de savoir qu'il faut une grande vitesse de fil, une alimentation convenable du fil en courant de soudage et une protection convenable de l'arc.
Le courant de soudage passe par des transformateurs 41 et 43 mon- tés en série, ayant leurs enroulements primaires reliés au résea@ à 440 volts, et leurs secondaires donnant 150 volts en circuit ouvert. Il n'y @ pas de connection électrique sur l'obus. Les alimenteurs de fils auxiliaires 21 et 23, pour l'amenée des fila
39 ( voir figure 2) sont du type habituel utilisé pour l'amena@@
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du fil électrode dans le procédé à électrode fusible avec protec- tion par gaz inerte Seules les parties supérieures des alimen- teurs 21 et 23 apparaissent sur la figure 1.
Les têtes de soudage avec leurs équipements @ annexes sont telles qu'elles assurent la pro- tection, par un courant non turbulent de gaz inerte, du métal eu fusion, des arcs et des extrémités des fils électrodes, ainsi qu'un transfert par pulvérisation du métal qui est fondu au bout des fils.
Les fils électrodes 51,53 sortent d'environ 12,5 mm de l'orifice de la buse d'alimentation de.gaz des têtes de sou- dage 13 et 15. Les fils 51, 53 proviennent des rouleaux de fil
55 et 57 et sont tirés vers les têtes de soudage et poussés à travers les tubes de contact électrique 61 dans les têtes par les rouleaux entraîneurs 63. Le gaz de protection provient de la bouteille de gaz 65 par une conduite équipée de robinets dé- tendeurs appropriés. Les deux fils venant des transformateurs sont connectés aux têtes de soudage et d'autres connections (qui ne sont pas représentées) aboutissent aux tubes de contact 61.
En se référant à la figure 1, on peut voir que l'an- gle compris entre les file électrodes 51 et 53 .est d'environ 44 degréso La longueur moyenne des arcs verticaux est d'environ hauteur de
3 mmo La distance entre les côtés adjacents des arcs/Et la pièce ' à souder,est d'environ 12,5 mm. Avec ces spécifications de pola- rités, longueur d'arc, et espacement entre les plasmas d'arcs, on obtient.la caractéristique essentielle qui est le maintien d'arcs indépendants.
En se référant la figure 2, on peut voir. que les fils électrodes sont inclinés par rapport à la verticale d'environ 22 degrés et que la projection des axes des fils tombe sur l'obus de 90 mm en un point qui est légèrement en dehors de la génératrice du sommet. La distance horizontale d'un plan longi- tudinal vertical qui passe par le centre de l'obus et l'endroit
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où la projection de l'axe d'un fil électrode tombe sur la sur face de l'obus est d'environ 19 mm. Les 'kils auxiliaires 59 sont alimentés à l'ayant de la zone de soudage à un angle tel que le fil pénètre légèrement vers le ,tond du bain de fusion (non représenté).
D'après ce qui précède, on voit qu'il se forme des arcs indépendants de polarité opposée et qu'un fil auxiliaire est amené sur le bord antérieur du bain de fusion sous un faible angle, en direction du bas. L'amplitude de l'oscillation des arcs ou la course transversale est d'environ 2 cm. La fréquence préférée est 60-90 cycles par minute. La quantité de métal dé- posée est d'environ 10 kg par heure. Le recouvrement de l'obus s'effectue en une révolution en environ 1 minute 36 secondes.
Le recouvrement (ceinture) 30 mesure environ 38 mm de large et
3,2 mm d'épaisseur. On peut faire la bande plus large ou plus étroite si l'on veut.
Le fil électrode a été préparé en nettoyant le fil dans un bain acide électrolytique, en le lavant et le séchant, puis en le trempant dans un bain d'agent activant, carbonate de rubidium ( 25 grammes par litre d'eau distillée). Le fil a alors été séché dans un'courant d'air chaud. L'agent activant est un enrobage .conducteur de courant, très mince, qui modifie de façon convenable le transfert de métal et les caractéristiques de l'arc.
Il réduit aussi la pénétration avec la polarité inversée,,
En ce qui concerne le mode opératoire préféré pour déposer un large recouvrement en métal ferreux sur un obus d'ar- tillerie, deux têtes de soudage semi-automatiques aveo alimen- tation de fil oonstante, deux alimenteurs de fils auxiliaires et un mécanisme oscillant sont disposés comme il est montré sur le dessin. Les fils électrode sont des fils en acier extra-doux de 1,6 mm de diamètre, enrobés de carbonate de rubidium, qui
1
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est l'agent activant préféré. Les fils au@iliaires sont des fils en acier extra!-doux de 1, 6 mm de diamètre enrobés avec lp25 % en poids d'aluminium.
On utilise des fils enrobés d'aluminium dans le but de désoxyder le métal de la soudure et de former une peau d'oxyde qui réduit les projections et retient le métal de soudure fondu sur la surface courbe de l'obus. L'aluminium dorse aussi une bande plus carrée et plus plate, due au film visqueux.
Il faut une tension à vide de 110-150 volts pour amorcer et main- tenir les deux arcs alternatifs l'un en polarité inverse tandis que l'autre a une polarité directe. Aucune connection électrique n'est faite sur l'obus et l'obus ne devient une partie du circuit électrique que lorsque les arcs de soudage sont établis, Les ré- glages optima sont 320 ampères; 19-21 volts pour chaque arc
850 litres/heure d'argon à 1 % d'oxygène dans chaque tôte; ,45 mètres/minute pour la vitesse d'alimentation des fils électrodes ,et 2 mètres/minute pour les fils auxiliaires.
Avec les conditions préférées , les résultats ont été très satisfaisants. Le temps de soudage pour une bande de
38 mm de large et 3,2 mm d'épaisseur a été de 1,6 à 1,8 minutes.
La bande avait une dureté de surface moyenne Rockwell B d'environ 71. La dilution de la soudure ( rapport de l'aire de l'obus fond% à l'aire totale de métal fondu) était de 9,3 %. L'analyse chimi- que du métal déposé était d'environ ! : carbone- 0,065 %; manga. nèse 0,10 % ;aluminium- 0,33 % ; et oxyde d'aluminium-0,065 %.
Le métal déposé était sans porosité et l'on a obtenu un minimum de projections pendant l'opération de soudages La pénétration de la soudure sur toute la largeur de la bande était uniforme et le taux de dilution avec le métal de base était plus faible que celui obtenu par la plupart des autres procédés.
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L'étude des deux arcs de soudage par la cinématographie h grande vitesse a montre que l'on obtenait uno bonne stabilité de l'arc et un bon transfert de métal par pulvérisation.
Les films ont également montré que le bain de fusion était complètement désoxydé par l'addition de fils auxiliaires enrpbés d'aluminium et que le e métal de soudure était très calme et ne bouillait pas. La rétention du métal en fusion par le filta d'oxyde d'aluninium était bien visible. Il n'y avait pas de défauts sur les bords de la ceinture. Une production de 150 obus de 90 mm, exécutée suivant le mode opératoire indiqué ci-dessus a prouvé clairement que l'on pouvait déposer de façon constante des ceintures de rotation en métal non dur sans porosité et sans fissures.
Les quantités approximatives de fil et de gaz pour produire la ceinture décrite ci-dessus sur un obus de 90 mm ,sont 180 gr d'électrode enrobée d'agent activant; 90 gr de fil auxiliaire enrobé d'aluminium et 56 litres diargon à 1% d'oxygène.
Un autre fil auxiliaire approprié est le. fil d'acier désigné aux Etats-Unis sous l'appellation 1/2 T qui était enrobé d'aluminium et qui a la composition suivante :
Carbone 0,05
Manganèse 0,17
Phosphore 0,025
Soufre 0035
Silicium 0,03 On peut utiliser d'autres fils faible teneur en métalloïdes comme le fil auxiliaire ou fil électrode.
Un détail essentiel de la présente invention est le fait que les arcs sont essentiellement indépendants.
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Il faut noter que les axes des fils électrodes, si on les prolonge vers la pièce à souder, ne se croisent pas au- dessus de la pièce à souder. La répulsion entre les arcs de polarité opposée aide à empêcher la formation d'un arc unique, bien que, en fait, on obtienne les arcs indépendants par une disposition.. convenable des fils. La distance entre les bords adjacentsdes plasmas d'arcs est de préférence d'environ 12 mm. De plus il est en définitive préférable que les arcs indépendants soient bien verticaux, plutôt qu'inclinés l'un vers l'autre ou divergents.
On peut également obtenir la polarité opposée de la présente invention en utilisant du courant continu. Les autres détails sont les mêmes qu'avec les arcs en courant alternatif. Les circuits continus peuvent être 1) un circuit d'arcs en séries en courant continu et 2) un circuit d'arcs doubles en courant continu. De sème qu'avec la disposition préférée d'arcs en série en courant alternatif, on donne aux arcs encourant continu des polarités opposées en disposant convenablement les circuits. Un arc en courant continu est à polarité inverse et l'autre are est à polarité directe. Le circuit d'arc en séries avec courant continu est fait.en connectant le fil positif provenant d'un générateur approprié à une tête de soudage et le fil négatif à l'autre tête de soudage.
Avec ce circuit, on a. obtenu des résultats similaires à ceux du circuit alter- natif, quoique la dilution était un peu plus élevée qu'avec le courant alternatif. On rendait la vitesse de fusion de l'arc de polarité directe similaire à celle de l'arc de polarité inverse en enrobant le fil de polarité directe avec un agent activant.
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Le circuit d'arcs doubles en courant continu est produit en alimentant chaque tête de soudage avec une source différente de courant continu. Un conducteur de chaque source de puissance est connecté à chacun des fils électrodes de manière à donner des arcs de polarité opposée. Le deuxième conducteur de chaque générateur de soudage est connecté à l'obus. Des résultats comparables à ceux obtenus avec la méthode préférée en courant alternatif ont été obtenus quoiqu'il se produise de temps à autre des caniveaux sur les bords.et un mauvais mouillage du côté de l'électrode à polarité directe.
Avec les deux circuits en courant continu, le transfert de métal était effectué par l'arc de polarité direo-, te à partir d'un fil activé et l'arc de polarité inverse très proche mais indépendant, qui n'avaient pas d'effet nuisible l'un sur l'autre. De plus, l'agent activant sur le fil cathode permettait d'établir un arc ayant une tension similaire à celle de l'autre arc. Ces deux résultats ont été naturellement obte- nus par la méthode préférée d'arcs en série en courant alter- natif, comme on l'a dit ci-dessus. Avec ces circuits en couran@ continu, on a noté de nouveau que l'addition d'oxygène pour améliorer le mouillage n'avait pas d'effet contraire sur le transfert de métal.
On,doit noter que la présente invention peut être utilisée pour un dépôt de métal sur une plaque ou une sur. face horizontale, 'avec un mouvement relatif entre la plaque ou la surface plat et l'appareil de soudage. En travail pla@ les fils auxiliaires sont dirigés vers le fond du bain de fu- sien. Les fils électrodes sont alimentés verticalement dans le plan transversal mais sont inclinés par rapport à un plan perpendiculaire la direction/du cordon de soudure. On croit
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aussi que la présente invention peut être utilisée pour effec- tuer des soudures bout a bout et des soudures à clin.
L'utilité générale de la présente invention a été prouvée en exécutant des dépôts d'aciers au carbone de composi- tions variées sur d'autres aciers au carbone de nuances diffé- rentes, d'aciers inoxydables sur des aciers au carbone ou des aciers inoxydables, d'aciers fortement allïés sur des aciers au carboned'alliage nickel-cuivre et de nickel sur de l'acier au carbone. Le circuit en courant alternatif est préféré de même que le carbonate de rubidium comme agent activant. Les fils au- xiliaires sont enrobés d'aluminium uniquement quand on veut dé- soxyder la soudure ou obtenir une rétention du métal en fusion.
Tandis que l'invention est particulièrement utile pour le travail de revêtement sur métaux! ferreux, ainsi qu'il es.t décrit ci-dessus, elle peut aussi être utilisée dans d'autres buts et avec d'autres pièces à. souder, d'autres électrodes et d'autres métaux de fils alimenteurs.
Il est à noter que la forme préférée de la présente invention s'applique particulièrement au travail de revêtement 'puisque ce travail exige qu'il y ait un minimum de migration des éléments du métal de base dans le revêtement et- vice-versa.
Cette nécessite est évidente dans le ceinturage des'obus où la bande est en métal moins dur que l'obus ou lorsqu'on dépose un acier inoxydable et que le recouvrement doit rester résistant à la corrosiono Il semble que l'addition de fils auxiliaires minimise' la pénétration, de même qu'elle accroît la vitesse de dépôt Le mouvement oscillant de la tête de soudage aide à réduire la dilution et profit une action de mélange si bien que le .métal déposé est plus nniforme que lorsqu'on dépose un cordon rectiligne étroit Il est bien entendu que l'invention n'est pas limi- . tée 'aux formes spécifiques représentées et décrites ci-dessus mais comprend toutes les variantes qui pourront en être dérivées.
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The present invention relates to the welding of metals by electric arc under protection of inert gas, with a fusible electrode wire. The main object of the present invention is to achieve a multiple arc welding process, with fusible electrodes, and with protection by an inert gas, in which the transfer of the metal takes place in very fine droplets, and which is applicable to the execution of surfacing work,
Another more specific object is to allow the depot by welding, of a soft iron belt, of good quality, on a curved surface of a ferrous metal, for example on an artillery shell.
The object of the invention and its advantages and characteristics will be apparent from the description which follows and which is accompanied by drawings in ieaqueia:
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Figure 1 is a sohematic view of an apparatus for implementing the method according to the present invention, in its application to the belt of an artillery shell.
Figure 2 is a schematic side view, partly in section, showing an electrode wire and an auxiliary filler metal wire.
The recently developed arc welding process with fusible electrode and inert gas shielding, and described in Belgian patent 1, 493.266, has greatly facilitated the welding of difficult-to-weld materials such as aluminum, and has been widely used for welding such materials as well as for steel. Subsequent research has been based on variations of the basic process and on other processes intended to permit welding with soldering currents other than the reverse polarity direct current, ie. say with positive electrode wire, the workpiece being negative.
Thus, in Belgian patents No. 513,739 and No.
513,623, filed in the name of the applicant, the principles of welding with activating agents have been indicated, making it possible to obtain activated wires for welding with direct current of direct polarity (negative electrode wire) or with alternating current. The present invention is the culmination of work on the one hand on improving the basic process mentioned above and on the other hand on the coating or resurfacing processes by welding, in which it is sought to deposit a large amount very quickly. quantity of metal with little or no dilution of the deposited metal with that of the part to be coated.
After numerous trials, the various factors affecting arc stability, metal transfer, homogeneity of deposit, dilution, rate of deposition, absence of gutters were studied.
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has resulted in a practical coating process, which is a real advance. It has been found that independent arcs, very closely spaced, of opposite polarity with protection by inert gas, make it possible to obtain in a very efficient and satisfactory manner the transfer by spraying of the metal of the two fusible molten pool electrode wires in a / @@ @@@@@ single, when at least the negative wire is activated.
The essential elements, the combination of which characterizes the present invention are the opposite polarity of the arcs, the transfer of metal by spraying, adequate protection by inert gas and the use of activated electrode wires. The opposite polarity is preferably achieved using alternating current. Further features of the invention, especially for steel coatings, are the use as a shielding gas of argon with 1% oxygen and electrode wire with rubidium carbonate coating,
One of the specific problems addressed by the present invention is the belting of artillery shells.
The mechanical attachment of copper or copper alloy belts to artillery shells is a serious problem in wartime when copper supplies are limited. These belts have several other drawbacks, the two most important of which are the accidental unscrewing of these bands during firing and the high price of copper. It had been thought that if a belt-like iron deposit on the artillery shell could be obtained by welding, these drawbacks would be eliminated, provided an effective process could be developed.
Some of the problems that had been anticipated or encountered were porosity, cracks, excessive tape hardness, excessive spatter during welding,
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and a relatively low welding speed. These problems. relating to the belt have been resolved by the combination of means which characterizes the present invention, as defined above. The combination of two stable arcs, of opposite polarity, with protection by inert gas and the use of activated fusible electrodes makes it possible to obtain the transfer of metal by spraying under good conditions.
Attempts to achieve the desired overlap on calmed steel artillery shells using a single arc were not entirely satisfactory because the tape deposited was too hard and the welding speed insufficient. desired is carried out in a single round of the shell. Then it was thought to use two arcs. Research with two arcs showed that two very close arcs with inert gas protection from fusible iron electrodes could not be used for this deposit work, if the arcs had the same polarity at the same time. The two arcs tend to combine into one which becomes very unstable and ungovernable.
Using arcs of opposite polarity, as obtained by connecting the electrodes in series with an alternating current source, at all times one of the ares has a reverse polarity while the other has a direct polarity Tests indicated that reverse polarity with a single arc gave greater penetration than direct polarity and thus contributed to excessive hardness of the deposit due to absorption of carbon and manganese from the shell metal. The direct polarity electrode wire was naturally coated with an activating agent, according to the patent application mentioned above.
It has been determined that it is possible to establish two very close arcs of opposite polarity without the activating agent which is on the arc of direct polarity being
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affected by the arc of reverse polarity. This gives nn metal transfer and a similar melting rate at each arc. It was also found that by coating both wires with an activating agent, the reverse polarity arc produced less dilution and exhibited a potential difference comparable to that of the direct current polarity. Thus, equalization of the arc penetration was obtained by using two activated electrode wires.
Along with alternating current, the activating agent also improves the reignition of the arc, as well as facilitating the transfer of metal during the period of direct polarity. The problem which may arise of uneven penetration due to arcs of opposite polarity has been further minimized according to the invention by oscillating the two fusible electrode wires and the two filler wires.
The problem of porosity in covering an artillery shell with a ductile belt is evident from the compositions of the covering material and that of the shell. The shell is of calmed steel. The following chemical composition is the typical composition of a steel shell body:
Carbon 0.50
Manganese 0.88
Phosphorus 0.013
Sulfur 0.027
Silicon 0.15
The above composition shows that there is a relatively large amount of carbon, if they are welded steels. The metal of the filler or welding wires must necessarily give a ductile deposit and must therefore be low carbon. hone.
For this purpose we use ter, low carbon such as non-calmed steel, The electrode wire and the filler wire @@ t ent
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been used had roughly the following composition? :
Carbon 0.04
Manganese 0.06
Phosphorus 0.02
Sulfur 0.02
Silicon 0.01
Since this wire is not deoxidized, it contains an excessive amount of available oxygen. Thus, the shell brings carbon to the molten pool, while the solder wires bring oxygen to it.
Under these conditions, the phenomenon of fractionating
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ferescence of steel (/ carbon "" 1tk \ t: -oxygen tI: tI # xd: U4 1t of carbon monoxide or carbon dioxide) can easily occur and must be prevented so as to avoid porosity due to occluded gas bubbles. This is achieved by adding aluminum in the form of a coating to the auxiliary wires which feed the fusion. Aluminum preferably reacts with oxygen since aluminum is a strong deoxidizer. These aluminum coated auxiliary wires minimize spatter that sometimes occurs with direct polarity arcing.
There is another favorable result, and even more significant, of the addition of aluminum to the molten bath in the form of coating of the wires.
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auxiliair8, when the quantity of aluminum is such that a skin of a complex aluminum oxide forms on the surface of the molten bath, The viscous film of aluminum oxide allows welding when the molten metal would normally tend to sink by the effect of gravity (as is the case when performing a deposit on a curved surface). In this way, a retention of the molten metal is obtained.
Referring to Figures 1 and 2 of the drawing, it can be seen from the schematic view that a 90 mm artillery shell 11 is mounted horizontally on a device similar to a.
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tower so as to be able to turn around its axis. The rotation is done in the sounds of the hands of a clock when looking at the right end of the shell. Two automatic welding heads with inert gas and water cooling 13 and 15 are placed above the shell and are held by a support 17 which can be adjusted in a suitable manner. Two auxiliary wire reels 21 and 23 are placed behind the shell as seen in figure 1 and are also adjustably connected to the support by a system of clamps 24.
The support 17 is connected to an oscillating mechanism 25 by the transmission 27 and this support 17 is mounted so as to slide on the bar 29, so that the welding heads and the wire feeders oscillate together, transversely to the line. band, while the belt is being deposited 30.
The lathe mechanism comprises a variable speed drive motor 31 and a tailstock 33, both having the usual shell clamping mechanisms. The shell is preferably cooled with water as indicated schematically by the water inlet 35 and outlet 37 pipes,
The welding heads 13 and 15 operate in a similar way to the apparatus which is described in the Belgian patent.
N 193.363 mentioned above. Since these details do not form part of the present invention, they are not shown in detail but only schematically. It suffices to know that a high wire speed is required, a suitable supply of the wire with welding current and a suitable protection. of the arc.
The welding current passes through transformers 41 and 43 connected in series, having their primary windings connected to the network at 440 volts, and their secondaries giving 150 volts in open circuit. There is no electrical connection to the shell. The auxiliary wire feeders 21 and 23, for feeding the fila
39 (see figure 2) are of the usual type used for the amena @@
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of the wire electrode in the fusible electrode process with inert gas protection Only the upper parts of the feeders 21 and 23 are shown in figure 1.
The welding heads with their ancillary equipment are such that they ensure protection, by a non-turbulent current of inert gas, of the molten metal, of the arcs and of the ends of the electrode wires, as well as a transfer by spraying. metal that is melted at the end of the wires.
The electrode wires 51,53 come out about 12.5 mm from the orifice of the gas supply nozzle of the soldering heads 13 and 15. The wires 51, 53 come from the wire rolls.
55 and 57 and are drawn towards the welding heads and pushed through the electrical contact tubes 61 into the heads by the drive rollers 63. The shielding gas comes from the gas cylinder 65 through a line fitted with pressure reducing valves appropriate. The two wires coming from the transformers are connected to the welding heads and other connections (which are not shown) lead to the contact tubes 61.
Referring to Figure 1, it can be seen that the angle between the strand electrodes 51 and 53 is about 44 degrees. The average length of the vertical arcs is about the height of
3 mmo The distance between the adjacent sides of the arcs / and the part 'to be welded, is about 12.5 mm. With these specifications of polarity, arc length, and spacing between the arc plasmas, one obtains the essential characteristic which is the maintenance of independent arcs.
Referring to Figure 2, it can be seen. that the electrode wires are inclined relative to the vertical by about 22 degrees and that the projection of the axes of the wires falls on the 90 mm shell at a point which is slightly outside the generatrix of the top. The horizontal distance of a vertical longi- tudinal plane which passes through the center of the shell and the location
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where the projection of the axis of an electrode wire falling on the surface of the shell is about 19 mm. The auxiliary kils 59 are fed to the edge of the weld area at an angle such that the wire penetrates slightly towards the end of the weld pool (not shown).
From the above, it can be seen that independent arcs of opposite polarity are formed and an auxiliary wire is brought to the leading edge of the molten pool at a low angle, downward. The amplitude of the oscillation of the arcs or the transverse stroke is approximately 2 cm. The preferred frequency is 60-90 cycles per minute. The amount of metal deposited is about 10 kg per hour. The shell is covered in one revolution in about 1 minute 36 seconds.
The cover (belt) 30 is approx. 38 mm wide and
3.2 mm thick. We can make the band wider or narrower if we want.
The electrode wire was prepared by cleaning the wire in an electrolytic acid bath, washing and drying it, then soaking it in a bath of activating agent, rubidium carbonate (25 grams per liter of distilled water). The yarn was then dried in a stream of hot air. The activating agent is a very thin current conducting coating which suitably alters metal transfer and arc characteristics.
It also reduces penetration with the reverse polarity ,,
As to the preferred procedure for depositing a large ferrous metal cover on an artillery shell, two semi-automatic welding heads with constant wire feed, two auxiliary wire feeders and an oscillating mechanism are provided. arranged as shown in the drawing. Electrode wires are 1.6mm diameter extra-soft steel wires coated with rubidium carbonate, which
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is the preferred activating agent. The ilial wires are extra soft steel wires 1.6 mm in diameter coated with 25% by weight aluminum.
Aluminum coated wires are used for the purpose of deoxidizing the weld metal and forming an oxide skin which reduces spatter and retains the molten weld metal on the curved surface of the shell. Aluminum also forms a squarer and flatter band, due to the viscous film.
It takes a no-load voltage of 110-150 volts to strike and maintain the two ac arcs, one in reverse polarity while the other has direct polarity. No electrical connection is made to the shell and the shell only becomes part of the electrical circuit when the welding arcs are established. Optimum settings are 320 amps; 19-21 volts for each arc
850 liters / hour of argon at 1% oxygen in each head; , 45 meters / minute for the feeding speed of the electrode wires, and 2 meters / minute for the auxiliary wires.
With the preferred conditions, the results were very satisfactory. The welding time for a strip of
38mm wide and 3.2mm thick was 1.6 to 1.8 minutes.
The strip had an average Rockwell B surface hardness of about 71. The weld dilution (ratio of area of shell melt% to total area of molten metal) was 9.3%. The chemical analysis of the deposited metal was approximately! : carbon- 0.065%; manga. nese 0.10%; aluminum- 0.33%; and aluminum oxide-0.065%.
The deposited metal was free from porosity and minimal spatter was obtained during the welding operation The penetration of the weld across the width of the strip was uniform and the dilution rate with the base metal was lower than that obtained by most other processes.
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The study of the two welding arcs by high speed cinematography showed that a good stability of the arc and a good transfer of metal by spraying were obtained.
The films also showed that the weld puddle was completely deoxidized by the addition of aluminum coated auxiliary wires and that the weld metal was very still and did not boil. The retention of the molten metal by the aluninium oxide filta was clearly visible. There were no flaws on the edges of the belt. A production of 150 rounds of 90 mm, carried out according to the procedure indicated above, clearly proved that one can consistently deposit non-hard metal rotation belts without porosity and without cracks.
The approximate quantities of wire and gas to produce the belt described above on a 90 mm shell are 180 g of electrode coated with activating agent; 90 gr of aluminum coated auxiliary wire and 56 liters of argon at 1% oxygen.
Another suitable auxiliary wire is the. steel wire designated in the United States as 1/2 T which was coated with aluminum and which has the following composition:
Carbon 0.05
Manganese 0.17
Phosphorus 0.025
Sulfur 0035
Silicon 0.03 Other low metalloid content wires can be used such as the auxiliary wire or electrode wire.
An essential detail of the present invention is the fact that the arcs are essentially independent.
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It should be noted that the axes of the electrode wires, if they are extended towards the workpiece, do not intersect above the workpiece. The repulsion between the arcs of opposite polarity helps to prevent the formation of a single arc, although in fact the independent arcs are obtained by proper arrangement of the wires. The distance between the adjacent edges of the arc plasmas is preferably about 12 mm. In addition, it is ultimately preferable that the independent arcs are quite vertical, rather than inclined towards each other or divergent.
The opposite polarity of the present invention can also be achieved using direct current. Other details are the same as with AC arcs. The DC circuits can be 1) a DC series arcing circuit and 2) a DC double arcing circuit. Similarly, with the preferred arrangement of ac series arcs, the dc arcs are given opposite polarities by properly arranging the circuits. One direct current arc is reverse polarity and the other are is forward polarity. The series arc circuit with direct current is made by connecting the positive wire from a suitable generator to one welding head and the negative wire to the other welding head.
With this circuit, we have. obtained results similar to those of the AC circuit, although the dilution was a little higher than with the AC current. The rate of fusion of the forward polarity arc was made similar to that of the reverse polarity arc by coating the forward polarity wire with an activating agent.
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The DC dual arc circuit is produced by supplying each weld head with a different source of DC current. A conductor from each power source is connected to each of the electrode wires so as to give arcs of opposite polarity. The second conductor of each welding generator is connected to the shell. Results comparable to those obtained with the preferred alternating current method were obtained although occasional gutters at the edges and poor wetting on the direct polarity electrode side.
With the two circuits in direct current, the metal transfer was effected by the arc of direct polarity, te from an activated wire and the arc of very close but independent reverse polarity, which had no deleterious effect on each other. In addition, the activating agent on the cathode wire made it possible to establish an arc having a voltage similar to that of the other arc. Both of these results were naturally obtained by the preferred method of alternating current series arcs, as discussed above. With these circuits running continuously, it was again noted that the addition of oxygen to improve wetting did not adversely affect metal transfer.
It should be noted that the present invention can be used for depositing metal on a plate or on. horizontal face, 'with relative movement between the plate or flat surface and the welding apparatus. When working, the auxiliary threads are directed towards the bottom of the soda bath. The wire electrodes are fed vertically in the transverse plane but are inclined with respect to a plane perpendicular to the direction / of the weld bead. We believe
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also that the present invention can be used to perform butt welds and lap welds.
The general utility of the present invention has been proven by making deposits of carbon steels of various compositions on other carbon steels of different grades, stainless steels on carbon steels or steels. stainless steels, high alloy steels on nickel-copper alloy carbon steels and nickel on carbon steel. The alternating current circuit is preferred as is rubidium carbonate as an activating agent. The auxiliary wires are coated with aluminum only when it is desired to deoxidize the weld or obtain retention of the molten metal.
While the invention is particularly useful for coating work on metals! ferrous, as es.t described above, it can also be used for other purposes and with other parts. solder, other electrodes and other metal feeder wires.
It should be noted that the preferred form of the present invention is particularly applicable to coating work since this work requires that there be a minimum of migration of the elements of the base metal into the coating and vice versa.
This need is evident in bus belting where the band is made of a metal softer than the shell or when depositing stainless steel and the cover must remain corrosion resistant. It appears that the addition of auxiliary wires minimizes penetration as well as increasing deposition rate The oscillating motion of the weld head helps reduce dilution and provides a mixing action so that the deposited metal is smoother than when a bead is laid. narrow rectilinear It is understood that the invention is not limited. tee 'to the specific shapes shown and described above but includes all the variants that may be derived.