1-~7~7906 La présente invention concerne une atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré.
Plusieurs techniques sont actuellement proposées pour le soudage à l'arc manuel des aciers inoxydables d'épaisseur supérieure à 2 millimètres, seulement elles pré-sentent un certain nombre d'inconvénients.
1a technique de l'électrode enrobée est entièrement satisfaisante au regard des aspects des cordons de soudure, des caractéristiques métallurgiques du métal déposé, des qualités physiques de la soudure. Toutefois, ce procédé dis-continu ne conduit qu'à une faible productivité, et à un bilan économique peu favorable en raison des pertes en alliages de cout onéreux. De plus, la sensibilité à l'humidité nécessite des précautions particulières d'emploi pour éviter les porosités.
On connalt un procédé continu, donc à bonne produc-tivité représenté par la technique du fil plein avec protection gazeuse. Les gaz de protection utilisés sont constitués de gaz inertes éventuellement additionnés de faibles quantités de gaz actifs, tels oxygène et anhydride carbonique, dont la propriété
essentielle consiste en la stabilisation de l'arc. Cependant, ce procédé est d'une maniabilité délicate due au fait que les gaz stabilisants tels l'oxygène et l'anhydride carbonique ne peuvent etre ajoutés qu'en proportions limit~es, en raison de leur réactivité risquant de provoquer une oxydation du chrome et un enrichissement en carbone du métal déposé.
On constate une mauvaise qualité du métal transféré notamment, présence de soufflures et inclusions liées à la mauvaise maniabilité. Le caractère temporaire de la protection gazeuse donne au cordon de soudure un aspect oxydé. De plus, ce procédé
a pour inconvénient un manque de souplesse de composition du métal déposé, car les fils commercialement disponibles correspondent aux nuances courantes.
La technique plus récente du fil fourré sans gaz de protection est intéressante, car elle est continue et apporte un certain nombre d'avantages par rapport à la technique fil plein-gaz de protection, notamment le cordon de soudure est non oxydé en raison de la présence du laitier protecteur, et par incorporation d'éléments métalliques dans le fourrage il est possible de produire des nuances variées conduisant à
une souplesse de composition du métal transféré. ~éanmoins, on constate un accroissement de la teneur en azote du métal fondu dans des proportions variables, jouant fortement sur le taux de ferrite et les charges à la rupture, du à une protection insuffisante de l'action de l'air par le laitier qui est d'un volume moindre qu'en électrode enrobée. On remarque des émissions importantes de fumées contenant notamment des oxydes d'azote particulièrement nocifs. D'autre part, l'aspect du cordon de soudure est moyen, et il y a une sensibilité aux soufflures dans le cas d'utilisation d'un fil humide. La maniabilité moyenne entralne des risques d'inclusions dans le cordon de soudure.
On a songé à un couple fil fourré avec atm~sphère de protection dite classique, mise en oeuvre dans la technique du fil plein avec protection gazeuse. L'utilisation d'un tel gaz de protection permet d'améliorer le comportement des fils fourrés notamment au point de vue des fumées émises et de la teneur en azote du métal fondu. Cependant, aucune amélioration de maniabilité n'apparalt et la sensibilité aux soufflures subsiste.
Il résulte des différentes constatations précédemment ~L~77~ 6 énumérées que le procédé le plus utilisé actuellement pour le soudage des aciers inoxydables d'~paisseur supérieure à 1- ~ 7 ~ 7906 The present invention relates to an atmosphere of protection for welding with cored stainless steel wire.
Several techniques are currently proposed for manual arc welding of stainless steels thicker than 2 millimeters, only they pre-feel a number of disadvantages.
The coated electrode technique is fully satisfactory with regard to the aspects of the weld beads, metallurgical characteristics of the deposited metal, physical qualities of the weld. However, this process continuous leads only to low productivity, and to a balance sheet unfavorable economy due to losses of alloys expensive cost. In addition, moisture sensitivity requires special precautions for use to avoid porosity.
We know a continuous process, therefore with good production activity represented by the solid wire technique with protection carbonated. The shielding gases used consist of gases inert possibly added small amounts of gas active, such as oxygen and carbon dioxide, whose property essential consists in the stabilization of the arc. However, this process is delicate to handle due to the fact that the stabilizing gases such as oxygen and carbon dioxide can be added only in limited proportions, due of their reactivity which could cause oxidation of the chromium and carbon enrichment of the deposited metal.
There is a poor quality of the metal transferred in particular, presence of blisters and inclusions related to bad maneuverability. The temporary nature of gas protection gives the weld bead an oxidized appearance. In addition, this process has the disadvantage of a lack of flexibility in the composition of the metal deposited because commercially available wires correspond to common shades.
The more recent technique of cored wire without gas protection is interesting because it is continuous and brings a number of advantages over the wire technique full gas protection, in particular the weld bead is not oxidized due to the presence of the protective slag, and by incorporating metallic elements into the fodder it is possible to produce various shades leading to flexibility of composition of the transferred metal. ~ nevertheless, there is an increase in the nitrogen content of the metal melted in variable proportions, playing strongly on the ferrite content and breaking loads due to protection insufficient action of air by the slag which is of a less volume than in coated electrode. We notice significant emissions of fumes containing in particular oxides particularly harmful nitrogen. On the other hand, the appearance of weld bead is medium, and there is sensitivity to blowing when a wet wire is used. The average maneuverability entails risks of inclusion in the weld bead.
We thought of a couple of cored wire with atm ~ sphere of so-called classic protection, implemented in the technique of solid wire with gas protection. The use of such a gas protection improves the behavior of the wires thickets in particular from the point of view of the fumes emitted and the nitrogen content of the molten metal. However, no improvement ease of handling and sensitivity to blowing subsists.
It results from the various findings previously ~ L ~ 77 ~ 6 listed as the most commonly used process for welding of stainless steels of ~ thickness greater than
2 millimètres reste l~électrode enrobée qui seule permet d'obtenir avec certitude une bonne qualité du métal transféré.
On a recherché un procédé répondant à la demande du marché relative à une augmentation de la productivite de l'opération de soudage manuel des aciers inoxydables de nuances courantes et aussi de nuances spéciales, tout en déposant un métal dont les caractéristiques correspondent aux normes de qualité requises pour les constructions en acier inoxydable.
Le dépot de métal doit etre exempt de porosité, de collage et d'inclusions de laitier, avec un taux de ferrite controlé
et l'aspect du cordon de soudure doit etre convenable. De plus, les utilisateurs souhaitent disposer facilement et en faibles quantités de nuances particulières pour des applications spéciales.
Il a été trouvé une atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré, qui procure ces nombreux avantages.
Selon ce procédé, la productivité et le rendement sont notablement améliorés par rapport à l'électrode enrobée et le technicien peut réaliser aisément à partir de matières premières couramment disponibles une large gamme de compositions.
Dans le cadre de la nouvelle méthode, la fusion s'effectue avec un arc court, facile ~ diriger, le soudeur pouvant ainsi assurer une bonne pénétration et une excellente qualité du dépot. Les porosités sont éliminées quelles que soient les conditions d'emploi et de stockage des produits.
En particulier, la longueur terminale, qui doit etre fixée avec les fils fourrés sans gaz de protection ou avec gaz à
117796;1 6 base d'argon, peut varier dans de larges limites. Ainsi la fabrication et l'emballage des produits sont facilités.
De plus, le pouvoir oxydant du mélange gazeux proposé
permet de limiter les teneurs en silicium et en carbone du métal transféré, tandis que la protection du cordon par le laitier durant la phase complète de refroidissement permet d'obtenir une surface non oxydée. Et, la teneur en azote du métal déposé, donc sa teneur en ferrite, ne dépend pas des conditions de soudage.
L'atmosphère de protection pour soudage avec fil en acier inoxydable fourré est constituée par au moins deux compo-sants hélium et oxygène, avec une teneur prépondérante en hélium, au moins égale à 45% en volume et une teneur minimale en oxygène de 5% en volume~
On a constaté que les mélanges binaires contenant 75 à 95% en volume d'hélium et 5 à 25% en volume d'oxygène, donnent une fusion rendant facile le controle du bain et conduisent à des cordons de soudure d'excellente qualité radio-graphique, ce qui n'est pas le cas sous l'hélium pur ou les 20 mélanges à moins de 5% d'oxygène car la stabilité de 1'arc est mauvaise. Les mélanges plus riches en oxygène conduisent à
une oxydation importante des éléments d t alliages métallique, génératrice de fumées.
L'atmosphère de protection peut comporter en outre des additions de gaz inertes tels l'argon, toutefois en quantités limitées à 20%, de manière à conserver au mélange son aptitude à donner une fusion correcte. Ces mélanges ternaires contiennent de 60 à 95% en volume d'hélium, 5 à 20%
en volume d'oxygène et le complément en argon à une teneur maximale de 20% en volume.
779~6 L'atmosph~re de protection peut également comporter de l'anhydride carbonique à teneur au plus égale à 35%, et de préférence 25% pour limiter l'enrichissement en carbone du métal déposé, sans risquer le dépassement des normes des aciers inoxydables à bas carbone pour lesquels ces mélanges quater-naires contenant 45 à 95% en volume d'hélium, 5 à 10% en volume d'oxygène, l'argon étant présent au plus à 20% en volume et l'anhydride au plus à 25% en volume, sont bien adaptés.
Les mélanges gazeux sont choisis en fonction de leur aptitude à donner une fusion compatible avec une bonne mania-bilité, tout en assurant une protection complémentaire du métal en cours de transfert.
L'atmosphère de protection peut avantageusement etre couplée avec un fil fourré constitué d'une enveloppe en acier inoxydable, fabriquée à partir d'un ou plusieurs feuillards de base de composition standard. Les nuances de fil spéciales sont obtenues par incorporation de poudres métalliques de carbone ou de carbures dans le fil formé par ce feuillard.
Le feuillard constituant l'enveloppe du fil fourré peut etre en acier doux de qualité pour emboutissage classique.
Cependant, on utilise préférentiellement un acier inoxydable à 13 ou 17% de chrome, éventuellement en acier inoxydable l~/o de chrome, 8% de nickel.
Le formage du feuillard, son remplissage et la réduction de section se font par les moyens connus.
Les poudres métalliques remplissant l'enveloppe du fil fourré peuvent comporter des éléments d'alliage incorporés sous forme de poudres de métaux purs, de ferro-alliages ou d'alliages complexes, choisis parmi le chrome métal, le nickel métal, le manganèse, les alumino manganèses, les ferrochromes, les silicomanganèses, les ferrosiliciums etc...
li779~6 On utilise préférentiellement des scorifiants incorporés sous forme de poudre dans le fil fourré et consti-tuant ensuite un laitier protecteur du métal transféré, puis du bain d'acier liquide en donnant un aspect de cordon de soudure non oxydé, comparable à celui obtenu avec électrode enrobée.
Les scorifiants sont composés de mélanges d'oxydes ou de fluorures de métaux, tels magnésie, oxyde de titane, alumine, fluorine, silice. Ces éléments sont avantageusement incorporés sous forme de mélange préfondu. La présence des scorifiants favorise une fusion plus rapide au cours du soudage et assure un effet protecteur amélioré. On élimine également par l'utilisation de ce mélange le phénomène de retard à la fusion du fourrage préjudiciable à une bonne maniabilité du produit.
Il est aussi avantageux d'incorporer dans le fil fourré des éléments stabilisateurs d'arc, choisis parmi les composés des métaux alcalins et alcalino-terreux, tels les oxydes de potassium et de sodium. Ces éléments stabilisateurs sont préférentiellement introduits dans le mélange préfondu des scorifiants, ce qui assure une meilleure répartition d'où
un effet stabilisant plus marqué.
Le domaine d'uilisation du couple fil fourré-gaz est fonction du diamètre du fil utilisé.
Le fil de diamètre 1,6 millimètres facile à fabriquer industriellement, permet d'utiliser des intensités de courant de soudage, comprises entre 150 et 350 ampères, ce qui correspond au soudaye de toles d'épaisseurs supérieures à
2 millimètres.
Les fils de diamètre supérieur à 1,6 (2,0 2,4 2,8) 2 millimeters remains the coated electrode which alone allows to obtain with certainty a good quality of the transferred metal.
We looked for a process that met the demand of the market for an increase in the productivity of manual welding of stainless steels common and also of special nuances, while depositing a metal whose characteristics correspond to the standards of quality required for stainless steel constructions.
The metal deposit must be free of porosity, sticking and slag inclusions, with a controlled ferrite level and the appearance of the weld bead must be suitable. Of more, the users wish to dispose easily and in small quantities of special grades for applications special.
A protective atmosphere has been found for welding with cored stainless steel wire, which provides these many advantages.
According to this process, productivity and yield are significantly improved compared to the coated electrode and the technician can easily realize from raw materials commonly available a wide range of compositions.
Under the new method, the merger is carried out with a short arc, easy to direct, the welder thus ensuring good penetration and excellent quality of the deposit. The porosities are eliminated whatever the conditions of use and storage of the products.
In particular, the terminal length, which must be fixed with cored wires without shielding gas or with 117796; 1 6 argon base, can vary within wide limits. So the manufacturing and packaging of products are facilitated.
In addition, the oxidizing power of the proposed gas mixture limits the silicon and carbon content of the metal transferred, while the protection of the cord by the slag during the complete cooling phase allows to obtain a non-oxidized surface. And, the nitrogen content of the deposited metal, therefore its ferrite content, does not depend on the conditions of welding.
The protective atmosphere for welding with wire in filled stainless steel consists of at least two components helium and oxygen, with a preponderant content of helium, at least equal to 45% by volume and a minimum content 5% oxygen by volume ~
It has been found that binary mixtures containing 75 to 95% by volume of helium and 5 to 25% by volume of oxygen, give a fusion making it easy to control the bath and lead to welds of excellent radio quality graph, which is not the case under pure helium or 20 mixtures with less than 5% oxygen because the arc stability is bad. The richer oxygen mixtures lead to significant oxidation of the elements of metallic alloys, smoke generator.
The protective atmosphere may further include additions of inert gases such as argon, however quantities limited to 20%, so as to keep the mixture its ability to give a correct fusion. These mixtures ternaries contain 60 to 95% by volume of helium, 5 to 20%
by volume of oxygen and the argon supplement to a content maximum of 20% by volume.
779 ~ 6 The protective atmosphere may also include carbon dioxide with a content of at most 35%, and preferably 25% to limit the carbon enrichment of the deposited metal, without risking exceeding steel standards low carbon stainless steels for which these mixtures quater-containing 45 to 95% by volume of helium, 5 to 10% by volume oxygen, argon being present at most at 20% by volume and the anhydride at most 25% by volume, are well suited.
The gas mixtures are chosen according to their ability to give fusion compatible with good handling bility, while ensuring additional protection of the metal being transferred.
The protective atmosphere can advantageously be coupled with a cored wire consisting of a steel casing stainless steel, made from one or more strips of standard composition base. Special thread shades are obtained by incorporating metallic powders of carbon or carbides in the wire formed by this strip.
The strip constituting the envelope of the cored wire can be quality mild steel for conventional stamping.
However, preferably a stainless steel is used 13 or 17% chromium, possibly stainless steel l ~ / o chromium, 8% nickel.
The forming of the strip, its filling and the section reduction is done by known means.
The metallic powders filling the envelope of the flux-cored wire may have alloying elements incorporated in the form of pure metal powders, ferro-alloys or complex alloys, chosen from chromium metal, nickel metal, manganese, alumino manganese, ferrochromes, silicomanganese, ferrosilicon etc ...
li779 ~ 6 Preferably, scorifiers are used incorporated in powder form into the cored wire and made up then killing a slag protecting the transferred metal, then of the liquid steel bath giving a bead appearance of non-oxidized solder, comparable to that obtained with electrode coated.
The scorifiers are composed of mixtures of oxides or metal fluorides, such as magnesia, titanium oxide, alumina, fluorine, silica. These elements are advantageously incorporated as a pre-melted mixture. The presence of scorifiers promotes faster melting during the welding and provides an improved protective effect. We also eliminates the phenomenon by the use of this mixture delay in the melting of fodder prejudicial to good workability of the product.
It is also advantageous to incorporate into the thread filled with arc stabilizing elements, chosen from compounds of alkali and alkaline earth metals, such as potassium and sodium oxides. These stabilizing elements are preferably introduced into the pre-melted mixture of scorifiers, which ensures a better distribution of where a more marked stabilizing effect.
The field of use of the flux-cored wire couple is a function of the diameter of the wire used.
1.6 mm diameter wire easy to manufacture industrially, allows the use of current intensities welding, between 150 and 350 amps, which corresponds to the soudaye of sheets of thickness greater than 2 millimeters.
Wires with a diameter greater than 1.6 (2.0 2.4 2.8)
3 ~77~CP6 millim~tres rendent possible les intensités élevées, permettant le remplissage de chanfreins sur des toles de forte ~paisseur.
Les fils de diamètre inférieur à 1,6 millimètres penmettent des intensités de l'ordre de 100 ampères, autorisant le soudage de toles d'environ l,S mm d'épaisseur. Cependant, dans l'état actuel de la technologie de production ces fils fourrés sont difficiles à réaliser.
Les fils fourrés sont destinés au soudage semi-automatique mais ils peuvent également etre utilisés avec succès sur des installations automatiques.
Dans les exemples qui illustrent 1 7 invention à titre non limitatif, le fil est utilisé avec une installation de soudage semi-automatique classique comprenant un générateur de courant continu à caractéristique horizontale ou plongeante, un dévidoir à~ vitesse constante ou asservie à la tension d'arc, un pistolet ou une torche avec protection gazeuse. Les générateurs à courant pulsé qui apportent des avantages dans le soudage semi-automatique, des aciers doux, conviennent également dans le cas du fil fourré inoxydable - atmosphère gazeuse de protection.
Exemple 1 Gaz de protection/fil fourré destiné au soudage des aciers 304 L.
Le gaz de protection est constitué d'un mélange en volume de 85% d'hélium et 15% d'oxygène.
Le fil fourré est constitué d'une enveloppe en acier à 17% de chrome et à taux de carbone au plus égal à 0,03%, remplie d'un mélange de poudres de composition suivante:
nickel en poudre 250 chrome en poudre 200 manganèse électrolytique35 alliage aluminium-magnésium 25 11779~D6 flux fondu de com~osition A12O3 6,6 ) SiO2 15,6 ) CaO 20,4 ) TiO2 44,5 ) Na2O 7,4 ) CaF2 8,7 ) poudre de fer 195 1.112 Le taux de remplissage, c'est-à-dire le rapport du poids de mélange de poudres, au poids total du fil est de 38yQ.
Le fil est fabriqué en diamètre 1,6 mm.
On u~ilise le couple atmosphère de protection-fil fourré dans les conditions précédemment décrites pour le soudage des aciers inoxydables de 3 millimètres d'épaisseur, à plat et en angle à plat, à une vitesse de dépot de 4 kg/h, soit environ deux fois plus que dans le procédé à l'électrode enrobée.
Les cordons de soudure obtenus sont de ~onne qualité
radiographique.
Les caractéristiques mécaniques du métal déposé en moule multipasse sont les suivantes:
Limite élastique : 28 hb Charge à la rupture : 54,7 hb ; Allongements % : 37,8 YO
Striction : 42,2 %
Résilience Kv à + 20C : 12 D a J / cm2 La composition du métal déposé est la suivante:
Carbone : 0,025 %
Silicium : 0,4 %
Manganèse : 1,4 %
117~79~96 Chrome : ~0l3 %
Mickel : 11,0 %
Le taux de ferrite est d'environ 9%.
Exelmple 2 Gaz de protection/fil fourré destiné au soudage des aciers 316 L.
Le gaz de protection est constitué d'un mélange d'hélium et d'oxygène renfermant 15% en volume d'oxygène.
Le fil fourré est constitué d'une enveloppe en acier à 17% de chrome et à taux de carbone inférieur à 0,03%, remplie d'un mélange de poudres de composition suivante: -nickel en poudre 320 chrome en poudre 185 manganèse ~lectrolytique 35 ; alliage Al-Mg 25 flux fondu de composition A1203 6 ~ 6 ) SiO2 15 ~ 6 CaO 20,4 ) TiO2 44,5 ) Na2O 7,4 ) CaF2 8 ~ 7 ) ferro molybdène 100 poudre de fer 40 1.112 Le taux de remplissage est de 38%, et le fil est fabriqué en diamètre 1,6 mm.
On utilise le couple mélange de gaz-fil fourré
dans les conditions précédemment décrites pour le soudage d'acier inoxydable de la nuance 316 à plat et en angle à
plat à une vitesse de dépot de 4 kg/h.
Les cordons de soudure sont de bonne qualité
radiographique.
1~'77~(~6 Les caract~ristiques mécaniques du m~tal déposé en moule multipasse sont les suivantes:
Limite élastique: 31,8 hb charge à la rupture: 53,2 hb allongement %: 38,4 %
striction 57,7 %
résilience Kv ~ + 20C : 10 D a J / cm2 La composition du métal déposé est la suivante:
C 0,025 %- Si 0,4 %- Mn 1,3 % - Cr 19% ~ Ni 12% -Mo 2,5%
Le taux de ferrite est d'environ 8%. 3 ~ 77 ~ CP6 millim ~ very make high intensities possible, allowing filling chamfers on heavy sheets ~ thick.
Wires with a diameter of less than 1.6 millimeters allow intensities of the order of 100 amps, allowing the welding of sheets about 1.5 mm thick. However, in the current state of production technology these wires thickets are difficult to achieve.
The cored wires are intended for semi-welding automatic but they can also be used with success on automatic installations.
In the examples which illustrate 1 7 invention as non-limiting, the wire is used with an installation of conventional semi-automatic welding including a generator direct current with horizontal or plunging characteristic, a wire feeder at ~ constant speed or controlled by the arc voltage, a pistol or a torch with gas protection. The pulsed current generators that bring benefits in the semi-automatic welding, mild steels, also suitable in the case of stainless cored wire - gaseous atmosphere of protection.
Example 1 Shielding gas / flux-cored wire for welding 304 L steels The shielding gas consists of a mixture of 85% helium and 15% oxygen volume.
The cored wire consists of a steel casing with 17% chromium and a carbon content at most equal to 0.03%, filled with a mixture of powders of the following composition:
nickel powder 250 chrome powder 200 electrolytic manganese35 aluminum-magnesium alloy 25 11779 ~ D6 molten flow of composition ~ A12O3 6.6) SiO2 15.6) CaO 20.4) TiO2 44.5) Na2O 7.4) CaF2 8.7) iron powder 195 1.112 The filling rate, i.e. the ratio of weight of powder mixture, the total weight of the wire is 38yQ.
The wire is made in 1.6 mm diameter.
We u ~ ilise the couple protective atmosphere-wire filled under the conditions previously described for the welding of stainless steel 3 mm thick, flat and at a flat angle, at a deposition speed of 4 kg / h, about twice as much as in the electrode process coated.
The weld beads obtained are of ~ high quality radiographic.
The mechanical characteristics of the metal deposited in multipass mold are as follows:
Elastic limit: 28 hb Breaking load: 54.7 hb ; Elongations%: 37.8 YO
Striction: 42.2%
Resilience Kv at + 20C: 12 D a J / cm2 The composition of the deposited metal is as follows:
Carbon: 0.025%
Silicon: 0.4%
Manganese: 1.4%
117 ~ 79 ~ 96 Chrome: ~ 0l3%
Mickel: 11.0%
The ferrite content is around 9%.
Exelmple 2 Shielding gas / flux-cored wire for welding 316 L steels The shielding gas consists of a mixture helium and oxygen containing 15% by volume of oxygen.
The cored wire consists of a steel casing 17% chromium and less than 0.03% carbon content, filled of a mixture of powders of the following composition: -nickel powder 320 chrome powder 185 manganese ~ lectrolytic 35 ; Al-Mg 25 alloy composition flow A1203 6 ~ 6) SiO2 15 ~ 6 CaO 20.4) TiO2 44.5) Na2O 7.4) CaF2 8 ~ 7) ferro molybdenum 100 iron powder 40 1.112 The filling rate is 38%, and the wire is manufactured in 1.6 mm diameter.
We use the gas mixture-cored wire couple under the conditions previously described for welding grade 316 stainless steel flat and angled at flat at a deposition speed of 4 kg / h.
The weld beads are of good quality radiographic.
1 ~ '77 ~ (~ 6 The mechanical characteristics of the metal deposited in multipass mold are as follows:
Elastic limit: 31.8 hb breaking load: 53.2 hb elongation%: 38.4%
necking 57.7%
resilience Kv ~ + 20C: 10 D a J / cm2 The composition of the deposited metal is as follows:
C 0.025% - If 0.4% - Mn 1.3% - Cr 19% ~ Ni 12% -MB 2.5%
The ferrite content is around 8%.