Appareil pour sonder au moyen d'un arc protégé par un courant de gaz La présente invention a pour objet un appareil pour souder au moyen d'un arc protégé par un courant de gaz.
Il a été recommandé jusqu'à présent d'une manière générale pour protéger une soudure à l'arc de la manière la plus efficace d'opérer avec des ajutages ou tuyaux à gaz de grande longueur, dans lesquels le rapport entre la longueur et le diamètre efficace de l'ajutage L/D, a une valeur élevée. Mais cette solution est incommode à cause de la longueur, de l'encombrement et du poids excessifs de ces aju- tages. A l'heure actuelle, on recherche activement des chalumeaux très courts, peu volumineux et légers qui permettent d'accéder aussi facilement que possi ble en des endroits resserrés, en particulier pour exécuter des soudures à la main.
Il en résulte que les soudeurs doivent se préoccuper de rapprocher l'ajutage du chalumeau aussi près que possible de la soudure pour obtenir une protection satisfaisante.
D'autres tentatives en vue d'améliorer la protec tion des soudures ont consisté à choisir des chambres de grand volume comportant parfois des chicanes faisant diminuer progressivement la turbulence du gaz avant qu'il arrive dans l'ajutage aval. Il a aussi été proposé d'intercaler dans le canal de passage du gaz une plaque percée de trous largement espacés, mais sans grand succès.
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités et l'appareil qui en fait l'objet comprend un chalumeau de soudure à l'arc contenant un dispositif venant en contact avec une électrode pour la retenir ou la guider pendant qu'un arc est entretenu entre l'électrode et une pièce, et un dispositif de protection qui dirige un courant de gaz de protection dans la zone de l'arc et comporte un ajutage qui contient un dispositif partageant un courant de gaz qui y passe en plusieurs courants très petits, très rapprochés, qui, en sortant de l'aju- tage,
viennent se confondre en un courant unique pratiquement exempt de turbulence.
Cet appareil est caractérisé par le fait que le dispositif partageant le courant de gaz comprend une plaque d'arrêt perméable aux gaz disposée à l'inté rieur de l'ajutage ou au voisinage de son orifice de sortie et présentant des passages étroitement serrés ou des pores .ayant .un diamètre moyen maximum de 0,5 mm, ledit diamètre moyen étant, pour des passages ou des pores non circulaires, une dimension calculée égale à quatre fois le rapport de leur super ficie à leur périmètre.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, quelques formes d'exécution de l'appareil objet de l'invention.
La fig. la est une coupe transversale partielle d'un chalumeau de soudure à l'arc.
La fig. lb est une coupe semblable d'un chalu meau connu.
La fig. 2a est une vue en perspective de ,la répar tition de l'écoulement d'un gaz sortant du chalumeau connu de la fig. <B>lb.</B>
La fig. 2b est une vue en perspective analogue de la répartition de l'écoulement du gaz sortant du chalumeau de la fig. la.
La fig. 3 est un graphique des courbes caractéris tiques du chemin parcouru par un écoulement homo gène en fonction du débit d'argon, ces courbes per mettant de comparer les résultats obtenus avec le chalumeau de la fig. la avec les résultats obtenus avec le chalumeau connu de la fig. lb.
La fig. 4 est un graphique des courbes caractéris tiques de la longueur de la protection de la soudure en fonction de la distance entre l'ajutage et la pièce, ces courbes permettant de comparer les résultats obtenus avec le chalumeau de la fig. 1a avec les résultats obtenus avec le chalumeau connu de la fig. lb.
La fig. Sa est une vue, en partie en coupe trans versale et en partie en élévation latérale, représentant une lentille à gaz disposée dans l'extrémité d'un tuyau d'arrivée de gaz et servant à régler la direction axiale du courant.
La fig. 5b est une vue analogue d'une lentille à gaz disposée dans l'extrémité d'un tuyau d'arrivée de gaz et servant à régler la direction axiale et radiale du courant.
La fig. Sc représente de la même manière un courant divergent obtenu au moyen d'une lentille à gaz convexe (plaque d'arrêt perméable).
La fig. <I>6a</I> est une coupe transversale d'un ajutage comportant une lentille à gaz de réglage de la vitesse d'un courant de gaz à front plan et qui engendre aussi un courant dirigé suivant l'axe.
La fig. 6b est une coupe semblable d'un ajutage comportant une lentille à gaz de réglage de la vitesse d'un courant de gaz à front parabolique, et qui engendre aussi un courant dirigé suivant l'axe.
La fig. 6c est une coupe semblable d'un ajutage comportant une lentille à gaz de réglage de la vitesse d'un courant de gaz à front parabolique et qui engendre aussi un courant divergent.
La fig. 7a est une vue partielle en coupe d'un chalumeau comportant une lentille à gaz plane.
La fig. 7b est une vue semblable d'un chalumeau comportant une lentille à gaz parabolique.
La fig. 8 est une vue partielle, en élévation laté rale, de la répartition d'un courant de gaz sortant par une lentille à gaz parabolique.
La fig. 9 est une élévation partielle avec coupe transversale partielle d'une autre forme d'exécution. Le gaz inerte de protection des chalumeaux nor maux connus utilisés pour le soudage à l'arc arrive dans un tuyau ou ajutage aval par un ou plusieurs orifices. La section totale de ces orifices est toujours de beaucoup inférieure à celle de l'ajutage ou du tuyau aval qui y fait suite immédiatement. Mais on a constaté, à la suite d'essais au laboratoire, qu'un ajutage ne peut exercer une influence appréciable sur le gaz qui y arrive que lorsqu'il est rempli par un courant de gaz en mouvement.
Si la section des orifices d'arrivée de gaz est inférieure à celle de l'ajutage, celui-ci n'est pas convenablement rempli par le courant de gaz en mouvement sur une distance appréciable à partir des orifices de sortie du gaz.
Le chalumeau 10 de la fig. lb est un exemple de la plupart des chalumeaux connus normaux de soudure à l'arc avec une électrode en tungstène pro tégée par un gaz inerte, en ce sens que les orifices d'arrivée de gaz consistent en quatre trous 12 de 2,4 mm de diamètre, percés dans le corps d'une douille 14. Le diamètre intérieur de l'ajutage 16 du chalumeau représenté est de 16 mm et celui de l'élec trode en tungstène 18 est de 3,2 mm.
Le section droite totale des orifices de sortie du gaz 12 est de 18 mm2. Le débit Q étant de 0,28 m3/h (à 200 et 760 mm de mercure), le fait d'utiliser une faible sec tion des orifices de sortie provoque une arrivée de gaz dans le tuyau 20 à une vitesse<B>18,2</B> fois plus grande que celle qui est nécessaire pour l'ajutage.
Un écoulement cohérent ne peut pas être obtenu dans un tuyau avant que la majeure partie de l'excès d'énergie cinétique ait été dissipée et que le tuyau soit rempli par un courant de gaz en mouvement. Lorsque ces conditions préliminaires sont obtenues, au point d'entrée ou au voisinage du point d'entrée du gaz dans le tuyau, l'écoulement du gaz est dans un état favorable à la formation d'un courant cohé rent. La longueur de l'ajutage qui est nécessaire pour obtenir un écoulement cohérent dépend dans une large mesure de la quantité d'énergie cinétique en excès qui doit "être dissipée.
Afin de déterminer comment une dissipation de l'énergie cinétique obtenue en subdivisant le courant peut affecter la distance d'écoulement cohérent, une série de modifications ont été faites dans l'ajutage de la fig. l b et ont consisté à percer des orifices supplémentaires de sortie du gaz de même diamètre dans le corps de la douille 14. pour faire diminuer la vitesse d'entrée du gaz.
Une autre solution a consisté à monter une plaque d'arrêt perméable aux gaz 22, par exemple en matière plastique poreuse (fig. la), dans le chalumeau 24 au moyen d'un dis positif de montage formant un joint hermétique et comprenant un collier en matière céramique 25 et des garnitures en caoutchouc 26 et 27 disposées à ses extrémités. Le point d'arrivée du gaz dans l'aju- tage 16 de cette dernière variante se trouve dans la face aval de la plaque d'arrêt perméable 22.
On a comparé les répartitions de l'écoulement du courant de gaz obtenu avec les chalumeaux ainsi modifiés à celles qu'on obtient avec un chalumeau normal connu. On a rendu visible la répartition des écoulements en ajoutant d'abord au gaz une vapeur d'huile et en faisant passer le courant de gaz de sortie dans un faisceau lumineux intense, en réalisant ainsi un notable perfectionnement par rapport aux résul tats obtenus avec l'instrument de Schlieren. On a effectué avec chacun des chalumeaux des mesures de la distance d'écoulement cohérent, c'est-à-dire la distance à laquelle on peut projeter le gaz sous forme d'un courant plein dans l'espace sans qu'il se mélange avec l'air.
Le tableau 1 donne les résultats obtenus par ces essais avec un débit d'argon de 0,57 m3/h pour un chalumeau comportant l'ajutage de la fig. lb, ayant les dimensions indiquées ci-dessus et comportant nna électrode d'un diamètre de 3,2 mm.
EMI0003.0000
Tableau <SEP> 1
<tb> <I>Effet <SEP> produit <SEP> par <SEP> la <SEP> diminution <SEP> de <SEP> la <SEP> vitesse <SEP> du <SEP> gaz</I>
<tb> <I>arrivant <SEP> dans <SEP> un <SEP> ajutage</I>
<tb> Dispositif <SEP> faisant <SEP> Rapport <SEP> Longueur <SEP> de
<tb> <U>arriver <SEP> le <SEP> gaz</U> <SEP> des <SEP> sections <SEP> l'écoulement
<tb> section <SEP> ou <SEP> homogène <SEP> **
<tb> Type <SEP> cm2 <SEP> des <SEP> vitesses <SEP> * <SEP> cm
<tb> Trous <SEP> percés
<tb> Normal, <SEP> 4 <SEP> trous <SEP> 0,18 <SEP> 18,2 <SEP> 1,3
<tb> Modifié, <SEP> 8 <SEP> trous <SEP> 0,36 <SEP> 9,1 <SEP> 1,6
<tb> Modifié, <SEP> 16 <SEP> trous <SEP> 0,72 <SEP> 4,5 <SEP> 1,9
<tb> Plaque <SEP> d'arrêt
<tb> perméable <SEP> *** <SEP> 1,00 <SEP> 3,2 <SEP> 7,6
<tb> * <SEP> Basé <SEP> sur <SEP> une <SEP> section <SEP> du <SEP> tuyau <SEP> de <SEP> 3,
28 <SEP> cm2 <SEP> en <SEP> un <SEP> point
<tb> situé <SEP> juste <SEP> au-dessous <SEP> du <SEP> corps <SEP> de <SEP> la <SEP> douille.
<tb> ** <SEP> Obtenue <SEP> avec <SEP> 0,57 <SEP> m3/h <SEP> d'argon <SEP> par <SEP> l'ajutage <SEP> spécial
<tb> du <SEP> type <SEP> de <SEP> la <SEP> fig. <SEP> lb.
<tb> *** <SEP> En <SEP> supposant <SEP> que <SEP> la <SEP> face <SEP> aval <SEP> non <SEP> obstruée <SEP> de <SEP> la
<tb> plaque <SEP> d'arrêt <SEP> de <SEP> 2,86 <SEP> cm2 <SEP> comporte <SEP> 35 <SEP> % <SEP> de <SEP> surface
<tb> ouverte. Il ressort du tableau 1 que chaque fois que la vitesse d'entrée du gaz diminue, la distance d'écou lement cohérent augmente notablement.
Quoique avec la forme de construction normalisée à 4 trous (rapport des surfaces ou des vitesses de 18,2) on n'obtienne un écoulement cohérent que sur une dis tance de 1,3 cm, avec 16 trous (:rapport de 4,5) on obtient une distance de 1,9 cm, soit une fois et demie celle du chalumeau connu normalisé. S'il existe une plaque d'arrêt perméable (rapport 3,2) la distance est de 7,6 cm, soit six fois celle du chalumeau nor malisé. Il ressort de ce tableau que la longueur de l'écoulement cohérent augmente nettement lorsque le rapport des vitesses du gaz devient égal ou infé rieur à 5. Mais l'augmentation est extraordinaire lorsqu'il existe une plaque d'arrêt perméable.
Il semble que cette plaque a pour effet non seulement de faire diminuer la vitesse d'entrée du gaz dans l'ajutage, mais encore d'exercer une certaine action de réglage additionnelle sur le gaz, favorisant la for mation d'un écoulement cohérent.
Les fig. <I>2a</I> et<I>2b</I> sont des dessins au trait, basés sur des photographies effectivement obtenues, des formes d'écoulement du gaz dans un chalumeau connu et un chalumeau selon la fig. la, à peu près en vraie grandeur. On remarquera que la longueur de l'écoulement cohérent 28 du gaz sortant du cha lumeau 24 (fig. 2b) est beaucoup plus grande que celle de l'écoulement 29 sortant du chalumeau 10 (fig. 2a).
D'autres mesures de la longueur de l'écoulement cohérent ont été effectuées avec divers chalumeaux normaux et modifiés, avec des débits d7'argon com pris entre 0,28 et 1,70 m3/heure. Les résultats de ces mesures sont représentés par les courbes caractéristi ques de la fig. 3. Il ressort de ces courbes que les avantages des chalumeaux modifiés se conservent dans toute la gamme des débits, quoique les lon gueurs de l'écoulement cohérent soient moindres lorsque le débit augmente.
On observe des améliora tions analogues avec d'autres gaz que l'argon, tels que He, N2, 02 et C02. Les essais sont plus commo des à effectuer en disposant les chalumeaux et par suite les courants de gaz en position horizontale. L'abaissement, observé à l'extrémité correspondant à un faible débit, de la courbe pour la plaque d'arrêt perméable est dû à l'action de la pesanteur et d'une légère contraction s'exerçant sur le courant cohérent de grande longueur à petite vitesse.
En généras, un débit faisant -prendre au gaz une vitesse supérieure à 0,3 m/sec. est nécessaire pour lui faire acquérir une rigidité suffisante pour compenser l'action de la pesanteur et de la contraction sur une longueur d'écoulement supérieure à 2,5 cm.
On .a effectué des, essais de soudure à l'arc avec une électrode ne se consumant pas et avec protection par un gaz inerte avec diverses sortes de chalu meaux. On a effectué des soudures par points sur une plaque en acier laminé à froid d'une épaisseur de 1,6 mm avec un courant continu de 150 ampères, électrode négative, sous 10 volts, à raison de 63,5 cm par minute et avec un débit d'argon de 0,71 m3/h.
Lorsque la distance entre l'ajutage et la pièce est de 1,6 cm, on n'obtient avec le chalumeau nor mal connu qu'une très. faible protection de la sou dure. La protection dépend alors presque complète ment de l'action d'aspiration du gaz exercée par l'arc.
Lorsqu'on dispose l'ajutage 3,2 mm plus haut, l'air vient en contact avec la pointe de l'électrode et est aspiré dans la soudure en formant des sou dures à surface rugueuse et fortement souillée. On obtient avec un chalumeau à 16 trous une protection satisfaisante à une hauteur de 1,6 cm, tandis que le chalumeau qui comporte une plaque d'arrêt per méable assure une excellente protection sur une sur face étendue qui englobe la partie brassée de la soudure et une partie étendue de la zone subissant l'action de la chaleur.
Lorsque la hauteur de l'ajutage devient égale à 2,2 cm, la limite de fonctionnement du chalumeau à 16 trous est dépassée, tandis que le chalumeau à plaque d'arrêt perméable continue à assurer une protection satisfaisante. On obtient avec ce dernier chalumeau une excellente protection à une distance supérieure à 3,2 cm, mais la stabilité de l'arc pose un problème résultant de l'allongement excessif de l'électrode. On peut remédier à cette difficulté en prolongeant le corps de la douille pour refroidir l'électrode en un point plus rapproché de son extré mité du côté de l'arc.
La fig. 4 est un graphique de la longueur de protection de la soudure en fonction de la distance entre l'ajutage et la pièce obtenue dans les condi tions de ces essais. On voit qu'en faisant diminuer la vitesse du gaz :arrivant dans un ajutage de courte longueur on réalise deux améliorations importantes 1. On peut augmenter notablement la distance entre l'ajutage et la pièce pour laquelle on obtient une protection satisfaisante de la soudure. 2. La longueur de protection de la soudure aug mente notablement pour toutes les distances entre l'ajutage et la pièce.
Un autre résultat secondaire important obtenu en augmentant la section des orifices de gaz consiste dans la suppression du problème de la projec tion . Les chalumeaux normaux du type de la fig. 1 b comportent dans le corps de la douille 14 un intervalle annulaire de 3,3 mm de diamètre dans lequel on introduit .toutes les électrodes d'un diamè tre égal et inférieur à 3,2 mm.
Lorsque le diamètre de l'électrode est égal ou inférieur à 2,4 mm, des jets de gaz passent à grande vitesse dans l'intervalle annulaire en compromettant sérieusement et suppri mant souvent complètement la protection de la sou dure. On a constaté au cours des essais précités que le chalumeau à 16 trous supprime d'une manière inattendue le problème de la projection, quelles que soient les dimensions de l'électrode.
En augmentant la section des orifices de sortie du gaz, on établit un trajet de moindre résistance, de sorte qu'il ne sort plus ou presque plus de gaz par ledit intervalle.
Au contraire, si on pose des plaques d'arrêt per méables dans le chalumeau, le trajet du gaz y pas sant est généralement un trajet de résistance relative ment forte et il en résulte que le problème de la projection devient plus grave. Des. jets de gaz peu vent aussi se produire en un point quelconque où le gaz fuit au-delà de la plaque.
On a constaté que, pour obtenir des résultats satisfaisants avec ces pla ques, il est nécessaire de les monter dans un joint étanche (fig. la) pour diminuer le jeu de l'électrode et avoir la certitude que la matière de la plaque ne comporte pas de crevasses ou cavités relativement grandes par lesquelles le gaz risquerait de passer.
De même, lorsque la soudure s'effectue avec une électrode fusible et que le chalumeau contient une plaque d'arrêt perméable, il est également nécessaire d'empêcher les projections de gaz par la pointe de contact du fil. On arrive à ce résultat en introduisant l'enrobage du fil dans un .siège de la pointe d'un tube de guidage qui sert de joint hermétique.
Il est probable que si on considère le problème rétrospec tivement, une des principales raisons pour lesquelles les essais antérieurs avec des plaques d'arrêt per méables n'ont pas donné de résultats particulière ment satisfaisants réside dans le fait qu'on n'a pas reconnu l'importance du problème de la projection.
De nombreux essais ont été effectués au cours desquels on a examiné la forme des courants de gaz sortant par la surface de plaques d'arrêt perméables.
Ils ont porté sur des matières filtrantes de forte densité et de porosité ultra fine, qui ne pouvaient être considérées normalement comme pouvant servir dans un chalumeau de soudure à l'arc, car on suppo sait qu'elles étaient insuffisamment perméables et opposaient une trop forte résistance à l'écoulement du gaz. On a monté ces matières avec soin dans un appareil d'essai en formant un joint étanche pour déterminer leur comportement, non compromis par les projections.
On a constaté avec surprise qu'elles permettent de régler l'écoulement du gaz bien au- delà d'une simple atténuation de la turbulence. Il a aussi été possible de régler complètement la forme de l'écoulement d'un gaz sortant d'une plaque per méable d'une catégorie spéciale quelle que soit la turbulence du courant de gaz y arrivant. On obtient un écoulement cohérent sur une très longue distance avec la plaque perméable seule, ce qui rend inutile tout tuyau aval.
On a constaté aussi que si la forme de construc tion de la plaque d'arrêt perméable est convenable, le gaz en sort dans une direction perpendiculaire à la surface locale de la plaque. Ce résultat est indé pendant de la direction suivie par le courant de gaz arrivant dans la plaque ou de son état. Les fig. 5a, <I>5b</I> et<I>5c</I> représentent des dispositifs de réglage de la direction des courants de gaz avec des plaques perméables de diverses formes. Les fig. 5a et 5b représentent les courants de gaz 30 et 32-34 obtenus avec un bouchon ou lentille cylindrique 36 en fibres de feutre fortement tassées.
Lorsque le bouchon est monté de façon à affleurer l'extrémité du tuyau d'ar rivée du gaz 31, on obtient un courant axial. Si le bouchon se prolonge en partie au-delà de cette extrémité, on obtient simultanément des courants respectifs axial et radial 32 et 34. Enfin (fig. 5c), en donnant une forme convexe à une plaque ou len tille 38 en feutre, on obtient un courant divergent 40. On constate avec surprise que ce dernier courant reste cohérent sur une distance appréciable au-delà de la surface extérieure (de sortie) de la plaque ou lentille.
Le degré de réglage de la direction du courant de gaz obtenu avec une plaque d'arrêt perméable dépend principalement de la finesse des pores, plutôt que de l'épaisseur de la plaque. Par exemple, on peut remplacer la ,partie relativement épaisse de fibres fortement tassées par une seule couche d'un tissu filtrant en toile métallique fine ou par un élé ment poreux en métal, matière céramique ou verre fritté. Des essais ont démontré ces résultats. Une toile métallique en cuivre à ouverture de mailles de 0,25 mm en fils de 0,19 mm de diamètre n'exerce qu'une légère action sur la direction.
Cette action est plus forte avec une toile métallique en cuivre à ouverture de mailles de 0,074 mm en fils de 0,05 mm de diamètre. En général, plus l'ouverture de mailles est faible, plus l'action de direction exer cée sur le gaz traversant la plaque perméable est forte.
L'action de commande exercée sur l'écoulement par les plaques perméables est cumulative, en ce sens qu'on peut assembler plusieurs couches, séparées de préférence l'une de l'autre par un intervalle étroit, en rendant plus précis le réglage de la direction. Ainsi des toiles métalliques à plus grande ouverture de mailles peuvent être utilisées si on les superpose en couches multiples.
Par exemple, trois couches de toile métallique à ouverture de mailles de 0,25 mm séparées par un intervalle de 3,2 mm équivalent à une seule couche de toile métallique à ouverture de mailles de 0,04 mm. Lorsqu'il s'agit d'éléments métal liques poreux tassés, de garnitures fibreuses, etc., d'une épaisseur de 1,6 et de 3,2 mm, les essais ont démontré que des pores d'une dimension moyenne de l'ordre de 0,102 mm au plus sont nécessaires pour obtenir des résultats satisfaisants. L'épaisseur de la matière plastique constituant la paroi perméable uti lisée pour les essais de soudure du tableau 1 est de 1,6 mm. et le diamètre moyen des pores de 0,13 mm.
En comparant les résultats obtenus respective ment avec une toile métallique filtrante fine, avec des fibres fortement tassées et avec des éléments poreux en métal fritté, on a pu se rendre compte des condi tions fondamentales qui doivent être remplies pour obtenir un écoulement cohérent.
On a constaté qu'avec les toiles métalliques on obtient une réparti tion uniforme de la valeur et de la direction de la vitesse du courant de gaz principalement parce que les dimensions des pores sont constantes et qu'ils sont rapprochés. Mais avec les plaques perméables en fibres et métal poreux, on obtient souvent une répartition irrégulière des vitesses, à moins qu'on ne prenne des précautions spéciales au cours de la cons truction, pour régler la répartition de la perméabilité aux gaz.
Les fig. 6a, 6b et 6c représentent des dispositifs réglant la répartition des vitesses des courants de gaz, en faisant varier l'épaisseur, et par suite la perméabi lité aux gaz, des lentilles. Suivant la fig. 6a, en dis posant une lentille 42 en forme de disque plat à la sortie d'une chambre à gaz cylindrique 44, on obtient un écoulement cohérent 46 de gaz à vitesse en prin cipe constante dans toute la section droite, comme l'indiquent les vecteurs 47. Suivant la fig. 6b, on obtient, avec une lentille 48 à face aval plane et face amont concave 49, un courant cohérent 50, dont les vitesses se répartissent sous forme de para bole 51. Avec une lentille concave-convexe 52 (fig.
6c), on obtient un écoulement cohérent divergent 53, dont les vitesses sont réparties sous forme de para bole 54. Les courants à profil de vitesse parabolique sont plus stables et leur écoulement est cohérent sur des distances plus grandes que celui des courants à profil de vitesses plan. On donne souvent la préfé rence à de tels courants pour régler dans les meilleu res conditions l'atmosphère protectrice, surtout aux points où le courant rencontre une surface pleine.
Lorsque le chalumeau comporte une lentille à gaz, on peut obtenir des écoulements cohérents quelle que soit la valeur du nombre de Reynolds ou du rapport qui ont souvent servi jusqu'à présent à déterminer
EMI0005.0023
mathématiquement les conditions de l'écoulement. On a constaté que ces valeurs ne don nent pas la certitude qu'un écoulement est laminaire ou non turbulent, mais indiquent plutôt qu'un écou lement laminaire est possible.
Des essais de labora- toire ont permis d'obtenir des distances d'écoulement cohérent de 7,6 à 15,2 cm dans des. conditions cor respondant à des valeurs du nombre de Reynolds de l'ordre de 5000 et du rapport
EMI0005.0030
égal à zéro. A l'heure actuelle, de fortes présomptions semblent indiquer qu'on peut obtenir un écoulement cohérent sur une distance appréciable avec une valeur du nombre de Reynolds atteignant au moins 15 000 au moyen de lentilles à gaz.
Il y a lieu cependant de noter que le calcul du nombre de Reynolds ne s'applique qu'à la section droite d'un courant de gaz passant entre les parois d'un tuyau. Par suite, lorsqu'on fait usage de plaques d'arrêt perméables sans tuyau aval, par exemple lorsque le rapport
EMI0005.0039
les nombres de R.ey- nolds ne s'appliquent pas.
Etant donné que ces plaques perméables exer cent sur le gaz une action tout à fait analogue à celle qu'une lentille en verre exerce ,sur la forme d'un faisceau lumineux, on a choisi l'expression analogi que de lentille à gaz . La fig. 7a représente un chalumeau à arc conte nant une lentille à gaz plane 56, et la fig. 7b un chalumeau à arc contenant une lentille parabolique 58, toutes deux d'épaisseur constante.
L'écoulement du gaz et la protection de la soudure obtenus avec la lentille plane 56 seule donnent des résultats com parables à ceux qu'on a obtenus antérieurement en montant les lentilles à l'intérieur<B>-</B>et en amont de l'ajutage 16 (fig. 1a).
La fig. 8 est un croquis, tracé d'après une photo graphie, d'un courant de gaz divergent 59 obtenu avec la lentille parabolique 58 .die la fig. 7b. On obtient avec cette lentille une augmentation extra ordinaire de l'étendue de la surface de protection d'une pièce B.
La protection obtenue avec un ajutage compor tant une lentille à gaz plane est plus large que celle qu'on obtient avec l'ajutage connu normal seul. Mais on obtient avec la lentille à gaz parabolique une pro tection sensiblement plus large que celle qu'on peut obtenir avec n'importe quel dispositif connu de dimensions comparables.
La surface maximale de protection parfaite qu'on peut obtenir avec un simple ajutage dans les condi tions les plus favorables n'est que légèrement plus grande que la section de l'ajutage. Mais quoique le diamètre de la lentille :parabolique soit de 2,9 cm au point de jonction avec le chalumeau, on obtient avec cette lentille une surface de protection parfaite d'un diamètre de 7,6 cm.
La surface de protection parfaite obtenue avec la .lentille parabolique est donc égale à environ huit fois la surface de la lentille. Le résultat est analogue à celui qu'on obtient avec une ,protec tion antéro-postérieure, mais sans aucune des res trictions habituelles concernant la visibilité de l'arc;
la manipulation du chalumeau ou l'accessibilité au joint soudé. Cette lentille parabolique est donc très avantageuse dans l'exécution des soudures à l'arc protégées par un gaz, de métaux réactifs tels. que le titane, le molybdène, etc.
Il ressort de ces résultats qu'il devient possible de construire des appareils comprenant des disposi tifs de protection permettant d'obtenir une protection aussi parfaite que possible des soudures et facilitant autant que passible le travail de l'opérateur. Les len- tilles à gaz peuvent accompagner ou remplacer les ajutages normaux antérieurs ou les chalumeaux à parois multiples.
Ils peuvent aussi servir de disposi tifs de protection auxiliaires par les mêmes gaz ou par des gaz différents utilisés dans le chalumeau.
Par ailleurs, 'd a été découvert que 1. On peut régler complètement la forme de l'écoulement du gaz, sans ajutage aval par exem ple, au moyen de plaques d'arrêt perméables, ou lentilles à gaz en fibres fortement tassées, en toile métallique filtrante fine ou en éléments poreux tassés en métal, matières céramiques ou verre fritté, lorsque le diamètre moyen calculé des pores de ces matières est de l'ordre de 0,25 mm. ou moins.
2. On peut obtenir une longueur de l'écoulement cohérent de l'ordre de 7,6 à 15,2 cm dans des conditions d'écoulement correspondant à un nom bre de Reynolds supérieur à 5000 et un rapport
EMI0006.0026
égal .à zéro.
3. On obtient avec une lentille à gaz de forme para bolique montée dans un chalumeau normal une protection parfaite sur une large surface égale à huit fois la section de la lentille.
4. En remplaçant un ajutage par une lentille para- bolique, on ne modifie pas en principe la visibi lité de l'arc et l'accessibilité du joint, à l'encontre des conditions qui doivent être tolérées avec des ajutages antérieurs.
Le courant de gaz arrivant dans un ajutage rela tivement court est mis dans un état favorable au moyen de plaques d'arrêt perméables comportant un grand nombre de très petits passages ou de pores d'un diamètre moyen égal ou inférieur à 0,5 min. Lorsque les passages ou les pores ne sont .pas circu laires, ce diamètre moyen est une dimension calculée obtenue à l'aide de la formule
EMI0006.0036
dans laquelle A = la surface de la section plane moyenne des pores, P = le périmètre moyen des pores.
Les plaques perméables peuvent être en fibres, poudres, grains ou perles d'une matière .résistant de préférence à une température égale ou supérieure à 150 C, métallique ou non, ou en une matière solide ayant été perforée mécaniquement par perçage ou poinçonnage, ou par attaque chimique.
En général, on peut dire que mm; supérieure maximum - des plaques perméables sous forme d'une paroi simple, d'une couche ou d'une membrane ayant une épaisseur constante ou variant uniformément et légèrement, ne doivent pas dépasser 6,4, de préférence 2,4 mm ; - des plaques perméables peuvent être formées de plusieurs couches ou membranes qui doivent être séparées l'une de l'autre par un intervalle étroit, de l'ordre de cinq fois le diamètre moyen des pores, mais non inférieur à 0,5 - la section totale équivalente des pores est de pré férence égale ou supérieure à 20 % de la section droite totale de la plaque perméable ;
- les pores doivent être très rapprochés des pares adjacents et séparés par un intervalle d'axe en axe ne .dépassant pas dix fois le diamètre moyen des pores ou au maximum 1 mm, quelle que soit la dimension la plus faible des pores.
soient visibilité Suivant la fig. 9, une lentille à gaz 60 est fixée sur un support 62, de préférence non perméable, qui se visse sur le corps 64 de la douille du chalu meau jusqu'à ce qu'il vienne en contact étanche avec des garnitures 66, 68 empêchant la projection de gaz.
De même, une douille individuelle interchan geable 70 dans laquelle s'ajuste l'électrode avec pré cision est prévue pour chaque dimension d'électrode 72 pour empêcher la projection de gaz par le trou 74 de passage entre le corps de la douille et l'électrode. Cette lentille à gaz présente des surfaces courbes 76 qui ont pour but de former un courant de gaz hété rogène possédant simultanément des parties diver gentes, de section constante et convergente.
La partie divergente du courant détermine l'étendue maximale de la protection de la surface de la pièce pour une lentille à gaz de dimensions minimales. Les parties de surface constante et convergente du cou rant de gaz déterminent les distances maximales d'écoulement cohérent.
La fig. 9 représente également en pointillé, à titre de comparaison, deux ajutages normaux, relati vement petits, d'un diamètre intérieur de 13 mm et de 8 mm, respectivement. La zone de protection de la pièce autour de l'arc obtenue par ces ajutages est beaucoup plus petite et ils ne .peuvent servir qu'à des distances relativement courtes entre l'ajutage et la pièce.
Quoique ces ajutages soient relativement petits, ils sont cependant très volumineux et en combinaison avec les résultats limités de protection qu'ils donnent, ils compromettent la de l'arc et la maniabilité du chalumeau, en particulier lors qu'il s'agit d'exécuter des soudures dans des endroits resserrés. Au contraire,
la lentille à gaz 60 est sen siblement moins volumineuse et comme elle assure une zone de protection plus large et permet d'exé cuter la soudure à une distance relativement grande entre la lentille et la pièce, elle supprime les restric tions de l'ajutage normal antérieur.
En général, la longueur de l'ajutage de l'appa reil décrit est beaucoup plus courte que celle des types connus à écoulement non turbulent, qui doivent contenir une colonne de gaz intérieure d'une longueur supérieure à 20 fois le diamètre de la colonne exté rieure. Dans la plupart des cas, il n'est pas nécessaire que la longueur de la colonne de gaz intérieure dépasse 5 fois ce diamètre.
L'appareil décrit s'applique non seulement à la soudure à l'arc électrique au moyen d'une électrode ne se consumant pas, ou réfractaire, mais aussi à la soudure à l'arc au moyen d'une électrode en fil métallique consumable, ainsi qu'à des opérations de soudure d'autres sortes, qui doivent s'exécuter à l'abri de l'atmosphère grâce à une protection au moyen d'un gaz.
Apparatus for probing by means of an arc protected by a current of gas The present invention relates to an apparatus for welding by means of an arc protected by a current of gas.
It has heretofore been generally recommended to protect an arc weld in the most efficient way to operate with nozzles or gas pipes of great length, in which the ratio between the length and the effective diameter of the nozzle L / D, has a high value. But this solution is inconvenient because of the excessive length, bulk and weight of these fittings. At the present time, very short, not very bulky and light torches are actively sought which allow access as easily as possible in confined spaces, in particular for carrying out welds by hand.
As a result, welders must be concerned with bringing the nozzle of the torch as close as possible to the weld to obtain satisfactory protection.
Other attempts to improve the protection of the welds have consisted in choosing large volume chambers sometimes comprising baffles which gradually reduce the turbulence of the gas before it arrives in the downstream nozzle. It has also been proposed to insert a plate pierced with widely spaced holes in the gas passage channel, but without much success.
The object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks and the apparatus which is the subject thereof comprises an arc welding torch containing a device coming into contact with an electrode to retain it or guide it during an arc. is maintained between the electrode and a workpiece, and a protective device which directs a current of shielding gas into the arc zone and has a nozzle which contains a device which divides a current of gas which passes through it into several very currents. small, very close together, which, coming out of the fitting,
merge into a single current practically free from turbulence.
This apparatus is characterized by the fact that the device for sharing the gas stream comprises a gas permeable stop plate disposed inside the nozzle or in the vicinity of its outlet and having tightly tight passages or holes. pores. having .a maximum average diameter of 0.5 mm, said average diameter being, for passages or non-circular pores, a dimension calculated equal to four times the ratio of their area to their perimeter.
The appended drawing represents, by way of example, some embodiments of the apparatus which is the subject of the invention.
Fig. 1a is a partial cross section of an arc welding torch.
Fig. lb is a similar section of a known chalu meau.
Fig. 2a is a perspective view of the distribution of the flow of a gas exiting the known torch of FIG. <B> lb. </B>
Fig. 2b is a similar perspective view of the distribution of the flow of the gas exiting the torch of FIG. the.
Fig. 3 is a graph of the characteristic curves of the path followed by a homogeneous flow as a function of the argon flow, these curves making it possible to compare the results obtained with the torch of FIG. 1a with the results obtained with the known torch of FIG. lb.
Fig. 4 is a graph of the characteristic curves of the length of the weld protection as a function of the distance between the nozzle and the part, these curves making it possible to compare the results obtained with the torch of FIG. 1a with the results obtained with the known torch of FIG. lb.
Fig. Sa is a view, partly in cross section and partly in side elevation, showing a gas lens disposed in the end of a gas inlet pipe and used to adjust the axial direction of the current.
Fig. 5b is a similar view of a gas lens arranged in the end of a gas inlet pipe and serving to adjust the axial and radial direction of the flow.
Fig. Sc similarly represents a divergent current obtained by means of a convex gas lens (permeable stop plate).
Fig. <I> 6a </I> is a cross section of a nozzle having a gas lens for adjusting the speed of a flat front gas stream and which also generates an axis directed current.
Fig. 6b is a similar section of a nozzle comprising a gas lens for adjusting the speed of a parabolic front gas stream, and which also generates a current directed along the axis.
Fig. 6c is a similar section of a nozzle having a gas lens for adjusting the speed of a parabolic front gas stream and which also generates a diverging stream.
Fig. 7a is a partial sectional view of a torch comprising a planar gas lens.
Fig. 7b is a similar view of a torch including a parabolic gas lens.
Fig. 8 is a partial view, in side elevation, of the distribution of a gas stream exiting through a parabolic gas lens.
Fig. 9 is a partial elevation with partial cross section of another embodiment. The inert protective gas of the known normal torches used for arc welding enters a downstream pipe or nozzle through one or more orifices. The total section of these orifices is always much smaller than that of the nozzle or the downstream pipe which immediately follows them. But it has been found, after laboratory tests, that a nozzle can exert an appreciable influence on the gas which arrives there only when it is filled by a current of moving gas.
If the section of the gas inlet orifices is smaller than that of the nozzle, the latter is not adequately filled by the flow of gas moving a substantial distance from the gas outlet ports.
The torch 10 of FIG. lb is an example of most known normal arc welding torches with an inert gas shielded tungsten electrode, in that the gas inlet ports consist of four holes 12 of 2.4 mm in diameter, drilled in the body of a socket 14. The internal diameter of the nozzle 16 of the torch shown is 16 mm and that of the tungsten electrode 18 is 3.2 mm.
The total cross section of the gas outlet orifices 12 is 18 mm2. The flow rate Q being 0.28 m3 / h (at 200 and 760 mm of mercury), the fact of using a small section of the outlet openings causes gas to flow into the pipe 20 at a speed <B> 18 , 2 </B> times larger than that required for the nozzle.
Coherent flow cannot be achieved in a pipe until most of the excess kinetic energy has been dissipated and the pipe is filled with a flow of moving gas. When these preliminary conditions are obtained, at the point of entry or in the vicinity of the point of entry of the gas into the pipe, the gas flow is in a condition favorable to the formation of a coherent current. The length of the nozzle which is required to achieve coherent flow depends to a large extent on the amount of excess kinetic energy which must "be dissipated.
In order to determine how dissipation of kinetic energy obtained by subdividing the current can affect the coherent flow distance, a series of modifications were made in the nozzle of fig. 1 b and consisted in drilling additional gas outlet orifices of the same diameter in the body of the sleeve 14. to reduce the gas inlet speed.
Another solution has been to mount a gas permeable stop plate 22, for example of porous plastic (fig. La), in the torch 24 by means of a mounting device forming a hermetic seal and comprising a collar. ceramic material 25 and rubber gaskets 26 and 27 arranged at its ends. The point of entry of the gas into the nozzle 16 of the latter variant is located in the downstream face of the permeable stop plate 22.
The distributions of the flow of the gas stream obtained with the torches thus modified were compared with those obtained with a known normal torch. The distribution of the flows was made visible by first adding an oil vapor to the gas and passing the outlet gas stream in an intense light beam, thus achieving a notable improvement over the results obtained with the gas. 'Schlieren instrument. Measurements were made with each torch of the coherent flow distance, that is to say the distance at which the gas can be projected as a full stream into space without it mixing. with air.
Table 1 gives the results obtained by these tests with an argon flow rate of 0.57 m³ / h for a torch comprising the nozzle of FIG. lb, having the dimensions indicated above and comprising nna electrode with a diameter of 3.2 mm.
EMI0003.0000
Table <SEP> 1
<tb> <I> Effect <SEP> produced <SEP> by <SEP> the <SEP> decrease <SEP> of <SEP> the <SEP> speed <SEP> of the <SEP> gas </I>
<tb> <I> arriving <SEP> in <SEP> a <SEP> nozzle </I>
<tb> Device <SEP> making <SEP> Report <SEP> Length <SEP> of
<tb> <U> arrive <SEP> the <SEP> gas </U> <SEP> from the <SEP> sections <SEP> the flow
<tb> section <SEP> or <SEP> homogeneous <SEP> **
<tb> Type <SEP> cm2 <SEP> of the <SEP> speeds <SEP> * <SEP> cm
<tb> Drilled <SEP> holes
<tb> Normal, <SEP> 4 <SEP> holes <SEP> 0.18 <SEP> 18.2 <SEP> 1.3
<tb> Modified, <SEP> 8 <SEP> holes <SEP> 0.36 <SEP> 9.1 <SEP> 1.6
<tb> Modified, <SEP> 16 <SEP> holes <SEP> 0.72 <SEP> 4.5 <SEP> 1.9
<tb> Stop plate <SEP>
<tb> permeable <SEP> *** <SEP> 1.00 <SEP> 3.2 <SEP> 7.6
<tb> * <SEP> Based <SEP> on <SEP> a <SEP> section <SEP> of <SEP> pipe <SEP> of <SEP> 3,
28 <SEP> cm2 <SEP> in <SEP> a <SEP> point
<tb> located <SEP> just <SEP> below <SEP> of the <SEP> body <SEP> of <SEP> the <SEP> socket.
<tb> ** <SEP> Obtained <SEP> with <SEP> 0.57 <SEP> m3 / h <SEP> of argon <SEP> by <SEP> the special <SEP> nozzle
<tb> of <SEP> type <SEP> of <SEP> the <SEP> fig. <SEP> lb.
<tb> *** <SEP> In <SEP> assuming <SEP> that <SEP> the <SEP> face <SEP> downstream <SEP> not <SEP> obstructed <SEP> of <SEP> the
<tb> stop plate <SEP> <SEP> of <SEP> 2.86 <SEP> cm2 <SEP> includes <SEP> 35 <SEP>% <SEP> of <SEP> surface
<tb> open. It can be seen from Table 1 that each time the gas inlet velocity decreases, the coherent flow distance increases markedly.
Although with the standard construction form with 4 holes (ratio of areas or velocities of 18.2) a coherent flow is only obtained over a distance of 1.3 cm, with 16 holes (: ratio of 4.5 ) a distance of 1.9 cm is obtained, or one and a half times that of the known standardized torch. If there is a permeable stop plate (ratio 3.2) the distance is 7.6 cm, six times that of the standard torch. It can be seen from this table that the length of the coherent flow increases markedly when the gas velocity ratio becomes equal to or less than 5. But the increase is extraordinary when there is a permeable stop plate.
It appears that this plate has the effect not only of reducing the speed of entry of the gas into the nozzle, but also of exerting some additional control action on the gas, promoting the formation of a coherent flow.
Figs. <I> 2a </I> and <I> 2b </I> are line drawings, based on photographs actually obtained, of the forms of gas flow in a known torch and a torch according to fig. there, roughly in full size. It will be noted that the length of the coherent flow 28 of the gas exiting the torch 24 (FIG. 2b) is much greater than that of the flow 29 exiting the torch 10 (FIG. 2a).
Further measurements of the length of the coherent flow were made with various normal and modified torches, with argon flow rates ranging from 0.28 to 1.70 m3 / hour. The results of these measurements are represented by the characteristic curves in fig. 3. It can be seen from these curves that the advantages of the modified torches are maintained over the full range of flow rates, although the coherent flow lengths are less as the flow rate increases.
Similar improvements are observed with gases other than argon, such as He, N2, 02 and CO2. The tests are more convenient to carry out by placing the torches and consequently the gas streams in a horizontal position. The decrease, observed at the end corresponding to a low flow, of the curve for the permeable stop plate is due to the action of gravity and a slight contraction exerted on the coherent current of great length at low speed.
In general, a flow-rate making the gas a speed greater than 0.3 m / sec. is necessary to make it acquire sufficient rigidity to compensate for the action of gravity and contraction over a flow length greater than 2.5 cm.
Arc welding tests were carried out with a non-smoldering electrode and protected by an inert gas with various kinds of heat. Spot welds were made on a cold rolled steel plate 1.6 mm thick with a direct current of 150 amps, negative electrode, at 10 volts, at a rate of 63.5 cm per minute and with an argon flow rate of 0.71 m3 / h.
When the distance between the nozzle and the part is 1.6 cm, one obtains with the nor badly known torch only a very. weak protection of hard penny. Protection then depends almost entirely on the gas suction action exerted by the arc.
When the nozzle is placed 3.2 mm higher, the air comes into contact with the tip of the electrode and is sucked into the weld forming hard welds with a rough surface and heavily soiled. With a 16-hole torch, satisfactory protection is obtained at a height of 1.6 cm, while the torch which has a permeable stop plate provides excellent protection over an extended surface which encompasses the patched part of the weld. and a large part of the area undergoing the action of heat.
When the nozzle height becomes 2.2 cm, the operating limit of the 16-hole torch is exceeded, while the permeable stop plate torch continues to provide satisfactory protection. Excellent protection is obtained with the latter torch at a distance greater than 3.2 cm, but the stability of the arc poses a problem resulting from the excessive elongation of the electrode. This difficulty can be remedied by extending the body of the sleeve to cool the electrode at a point closer to its end on the arc side.
Fig. 4 is a graph of the weld protection length as a function of the distance between the nozzle and the part obtained under the conditions of these tests. It can be seen that by reducing the speed of the gas: arriving in a short length nozzle, two important improvements are achieved 1. The distance between the nozzle and the part can be significantly increased for which satisfactory protection of the weld is obtained. 2. The weld protection length increases significantly for all distances between the nozzle and the workpiece.
Another important secondary result obtained by increasing the cross section of the gas orifices is the elimination of the problem of projection. Normal torches of the type in fig. 1 b comprise in the body of the sleeve 14 an annular gap of 3.3 mm in diameter into which one introduces. All the electrodes with a diameter equal to and less than 3.2 mm.
When the diameter of the electrode is equal to or less than 2.4 mm, high velocity jets of gas pass through the annular gap, seriously compromising and often completely removing the protection of the hardness. It has been observed during the above tests that the 16-hole torch unexpectedly eliminates the problem of projection, whatever the dimensions of the electrode.
By increasing the section of the gas outlet orifices, a path of least resistance is established, so that no more or almost no gas comes out through said gap.
On the contrary, if permanent stop plates are placed in the torch, the path of the passing gas is generally a path of relatively strong resistance and as a result the problem of the projection becomes more serious. Of. Jets of gas can also occur at any point where the gas leaks beyond the plate.
It has been observed that, to obtain satisfactory results with these plates, it is necessary to mount them in a tight seal (fig. La) in order to reduce the play of the electrode and to be certain that the material of the plate does not contain no relatively large crevices or cavities through which gas could pass.
Likewise, when the welding is carried out with a fusible electrode and the torch contains a permeable stop plate, it is also necessary to prevent gas projections through the contact tip of the wire. This is achieved by introducing the coating of the wire in a seat of the tip of a guide tube which serves as a hermetic seal.
It is likely that, looking at the problem in retrospect, one of the main reasons why previous tests with permanent stop plates have not given particularly satisfactory results is that we have not. recognized the importance of the projection problem.
Numerous tests have been carried out in which the shape of the gas streams exiting the surface of permeable stop plates has been examined.
They focused on filter materials of high density and ultra fine porosity, which could not normally be considered suitable for use in an arc welding torch, because it is assumed that they were insufficiently permeable and opposed too much resistance to gas flow. These materials were carefully mounted in a testing apparatus forming a tight seal to determine their behavior, unaffected by spatter.
Surprisingly, it has been found that they allow the gas flow to be regulated far beyond simple turbulence attenuation. It has also been possible to completely control the shape of the flow of a gas exiting from a permeable plate of a special grade regardless of the turbulence of the gas stream arriving therein. A consistent flow is obtained over a very long distance with the permeable plate alone, which eliminates any downstream pipe.
It has also been found that if the form of construction of the permeable stopper plate is suitable, gas exits therefrom in a direction perpendicular to the local surface of the plate. This result is independent of the direction followed by the flow of gas entering the plate or of its state. Figs. 5a, <I> 5b </I> and <I> 5c </I> represent devices for adjusting the direction of gas streams with permeable plates of various shapes. Figs. 5a and 5b show the gas streams 30 and 32-34 obtained with a plug or cylindrical lens 36 of strongly packed felt fibers.
When the plug is mounted so as to be flush with the end of the gas inlet pipe 31, an axial current is obtained. If the stopper extends partly beyond this end, respective axial and radial currents 32 and 34 are obtained simultaneously. Finally (fig. 5c), by giving a convex shape to a sheet or sheet 38 of felt, we obtain a divergent current 40 is obtained. It is surprisingly noted that this latter current remains coherent over an appreciable distance beyond the exterior (exit) surface of the plate or lens.
The degree of control of the direction of gas flow obtained with a permeable stopper plate depends primarily on the fineness of the pores, rather than the thickness of the plate. For example, the relatively thick portion of strongly packed fibers can be replaced by a single layer of a fine wire mesh filter cloth or by a porous member of metal, ceramic material or sintered glass. Tests have demonstrated these results. A copper wire mesh with 0.25 mm mesh opening in 0.19 mm diameter wires exerts only a slight action on the steering.
This action is stronger with a copper wire mesh opening of 0.074 mm mesh in wires of 0.05 mm in diameter. In general, the smaller the mesh opening, the stronger the directing action exerted on the gas passing through the permeable plate.
The control action exerted on the flow by the permeable plates is cumulative, in that it is possible to assemble several layers, preferably separated from each other by a narrow gap, making the adjustment of the flow more precise. The direction. Thus, wire mesh with a larger mesh opening can be used if they are superimposed in multiple layers.
For example, three layers of 0.25 mm mesh size wire mesh separated by a 3.2 mm gap is equivalent to a single layer of 0.04 mm mesh size wire mesh. In the case of packed porous metal elements, fibrous linings, etc., with a thickness of 1.6 and 3.2 mm, tests have shown that pores with an average size of 1 of the order of 0.102 mm at most are necessary to obtain satisfactory results. The thickness of the plastic material constituting the permeable wall used for the welding tests of Table 1 is 1.6 mm. and the average pore diameter of 0.13 mm.
By comparing the results obtained respectively with a fine metal filter cloth, with strongly packed fibers and with porous elements of sintered metal, it was possible to realize the fundamental conditions which must be fulfilled in order to obtain a coherent flow.
It has been found that with wire mesh a uniform distribution of the value and direction of the speed of the gas flow is obtained mainly because the dimensions of the pores are constant and they are close together. However, with permeable fiber and porous metal sheets, an uneven distribution of velocities is often achieved, unless special precautions are taken during construction to adjust the distribution of gas permeability.
Figs. 6a, 6b and 6c represent devices regulating the distribution of the velocities of the gas streams, by varying the thickness, and consequently the gas permeability, of the lenses. According to fig. 6a, by arranging a lens 42 in the form of a flat disk at the outlet of a cylindrical gas chamber 44, a coherent flow 46 of gas is obtained at a speed in principle constant throughout the cross section, as indicated by the vectors 47. According to FIG. 6b, with a lens 48 with a planar downstream face and concave upstream face 49, a coherent current 50 is obtained, the speeds of which are distributed in the form of a parabola 51. With a concave-convex lens 52 (fig.
6c), a coherent divergent flow is obtained 53, the velocities of which are distributed in the form of a parabolic 54. Currents with a parabolic velocity profile are more stable and their flow is coherent over greater distances than that of currents with a parabolic velocity profile. plane speeds. Preference is often given to such currents in order to regulate the protective atmosphere under the best conditions, especially at points where the current meets a solid surface.
When the torch has a gas lens, one can obtain coherent flows whatever the value of the Reynolds number or the ratio which has often been used until now to determine
EMI0005.0023
mathematically the flow conditions. It has been found that these values do not give certainty that flow is laminar or non-turbulent, but rather indicate that laminar flow is possible.
Laboratory tests have obtained coherent flow distances of 7.6 to 15.2 cm in. conditions corresponding to values of the Reynolds number of the order of 5000 and of the ratio
EMI0005.0030
equal to zero. At present, there are strong assumptions that consistent flow can be achieved over an appreciable distance with a Reynolds number of at least 15,000 by means of gas lenses.
It should be noted, however, that the calculation of the Reynolds number only applies to the cross section of a gas stream passing between the walls of a pipe. Consequently, when permeable stop plates without downstream pipe are used, for example when the ratio
EMI0005.0039
R.eynolds numbers do not apply.
Since these permeable plates exert on the gas an action quite analogous to that which a glass lens exerts on the shape of a light beam, the analogy expression of gas lens has been chosen. Fig. 7a shows an arc torch containing a planar gas lens 56, and FIG. 7b an arc torch containing a parabolic lens 58, both of constant thickness.
The gas flow and the protection of the weld obtained with the plane lens 56 alone give results comparable to those obtained previously by mounting the lenses inside <B> - </B> and upstream. of the nozzle 16 (fig. 1a).
Fig. 8 is a sketch, drawn from a photograph, of a divergent gas stream 59 obtained with the parabolic lens 58 .die in FIG. 7b. With this lens an extra ordinary increase in the extent of the protective surface of a part B is obtained.
The protection obtained with a nozzle comprising a planar gas lens is wider than that obtained with the normal known nozzle alone. However, with the parabolic gas lens, a protection which is appreciably wider than that which can be obtained with any known device of comparable dimensions is obtained.
The maximum surface of perfect protection which can be obtained with a single nozzle under the most favorable conditions is only slightly larger than the section of the nozzle. But although the diameter of the lens: parabolic is 2.9 cm at the junction point with the torch, with this lens we obtain a perfect protective surface with a diameter of 7.6 cm.
The perfect protective surface obtained with the parabolic lens is therefore equal to approximately eight times the surface of the lens. The result is analogous to that obtained with anteroposterior protection, but without any of the usual restrictions concerning the visibility of the arch;
handling the torch or accessibility to the welded joint. This parabolic lens is therefore very advantageous in the execution of arc welds protected by a gas, of reactive metals such. than titanium, molybdenum, etc.
It emerges from these results that it becomes possible to construct devices comprising protective devices making it possible to obtain as perfect protection as possible of the welds and making the work of the operator as easy as possible. Gas lenses can accompany or replace previous normal nozzles or multi-wall torches.
They can also serve as auxiliary protection devices by the same gases or by different gases used in the torch.
On the other hand, it has been discovered that 1. The shape of the gas flow can be completely regulated, without a downstream nozzle, for example, by means of permeable stop plates, or gas lenses of strongly packed fibers, made of fabric. fine filter metal or packed porous elements of metal, ceramic materials or sintered glass, when the calculated average pore diameter of these materials is of the order of 0.25 mm. or less.
2. A coherent flow length of the order of 7.6 to 15.2 cm can be obtained under flow conditions corresponding to a Reynolds number greater than 5000 and a ratio of
EMI0006.0026
equal to zero.
3. With a gas lens of para bolic shape mounted in a normal torch, perfect protection is obtained over a large area equal to eight times the section of the lens.
4. Replacing a nozzle with a parabolic lens does not in principle change the visibility of the arc and the accessibility of the joint, contrary to the conditions that must be tolerated with previous nozzles.
The gas stream arriving in a relatively short nozzle is brought into a favorable state by means of permeable stop plates having a large number of very small passages or pores with an average diameter of 0.5 min or less. When the passages or the pores are not circular, this mean diameter is a calculated dimension obtained using the formula
EMI0006.0036
where A = the area of the average planar section of the pores, P = the average perimeter of the pores.
The permeable plates may be made of fibers, powders, grains or beads of a material preferably resistant to a temperature equal to or greater than 150 ° C., metallic or not, or of a solid material which has been mechanically perforated by drilling or punching, or by chemical attack.
In general, we can say that mm; maximum upper - permeable plates in the form of a single wall, layer or membrane having a constant thickness or varying uniformly and slightly, should not exceed 6.4, preferably 2.4 mm; - permeable plates can be formed of several layers or membranes which must be separated from each other by a narrow gap, of the order of five times the average pore diameter, but not less than 0.5 - the total equivalent pore section is preferably equal to or greater than 20% of the total cross section of the permeable plate;
- The pores must be very close to the adjacent pares and separated by an interval from axis to axis not exceeding ten times the average diameter of the pores or at most 1 mm, whatever the smallest dimension of the pores.
are visible According to fig. 9, a gas lens 60 is attached to a support 62, preferably non-permeable, which screws onto the body 64 of the heat sink socket until it comes into tight contact with gaskets 66, 68 preventing gas projection.
Likewise, an individual interchangeable socket 70 in which the electrode fits with precision is provided for each dimension of electrode 72 to prevent the projection of gas through the passage hole 74 between the body of the socket and the socket. electrode. This gas lens has curved surfaces 76 which are intended to form a stream of heterogeneous gas simultaneously having divergent parts, of constant and converging section.
The diverging portion of the current determines the maximum extent of protection of the workpiece surface for a gas lens of minimum dimensions. The constant and converging surface parts of the gas stream determine the maximum coherent flow distances.
Fig. 9 also shows in dotted lines, for comparison, two normal nozzles, relatively small, with an internal diameter of 13 mm and 8 mm, respectively. The part protection area around the arc obtained by these nozzles is much smaller and they can only be used at relatively short distances between the nozzle and the workpiece.
Although these nozzles are relatively small, they are however very bulky and in combination with the limited protection results which they give, they compromise the arc and the handling of the torch, particularly when it comes to perform welds in tight spots. On the contrary,
the gas lens 60 is significantly less bulky and since it provides a larger protection zone and allows welding to be carried out at a relatively large distance between the lens and the workpiece, it eliminates the restrictions of the normal nozzle prior.
In general, the length of the nozzle of the apparatus described is much shorter than that of known non-turbulent flow types, which must contain an inner column of gas longer than 20 times the diameter of the column. exterior. In most cases, the length of the inner gas column need not exceed 5 times this diameter.
The apparatus described is applicable not only to electric arc welding by means of a non-smoldering or refractory electrode, but also to arc welding by means of a consumable wire electrode. , as well as welding operations of other kinds, which must be carried out sheltered from the atmosphere by means of protection by means of a gas.