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WO2001066298A1 - Torche double-flux pour soudage a l'arc - Google Patents

Torche double-flux pour soudage a l'arc Download PDF

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Publication number
WO2001066298A1
WO2001066298A1 PCT/FR2001/000503 FR0100503W WO0166298A1 WO 2001066298 A1 WO2001066298 A1 WO 2001066298A1 FR 0100503 W FR0100503 W FR 0100503W WO 0166298 A1 WO0166298 A1 WO 0166298A1
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WO
WIPO (PCT)
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gas
central
torch
torch according
nozzle
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2001/000503
Other languages
English (en)
Inventor
Francis Briand
Georges Caillibotte
Christophe Mas
Guy Missiaen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Lincoln Electric Company France SA
Original Assignee
La Soudure Autogene Francaise
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by La Soudure Autogene Francaise, Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude, LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical La Soudure Autogene Francaise
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Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K9/00—Arc welding or cutting
    • B23K9/16—Arc welding or cutting making use of shielding gas
    • B23K9/167—Arc welding or cutting making use of shielding gas and of a non-consumable electrode

Definitions

  • the present invention relates to an electric arc welding torch, in particular of the TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Metal Inert Gas) or MAG (Metal Active Gas) type, with gas protection double-flux intended to protect the area. welding during the welding operation.
  • TIG Transmission Inert Gas
  • MIG Metal Inert Gas
  • MAG Metal Active Gas
  • Arc welding processes under protective gas flow are widely used in industry.
  • the installation of a gaseous protection during the arc welding operation is therefore intended to avoid or minimize any contamination of the weld bead by said atmospheric impurities.
  • the gaseous protection is not neutral with respect to the welding results thus obtained and in particular influences the welding speed, the penetration, the shape of the weld bead, the quantity smoke released during welding and the greater or lesser number of splashes of molten metal.
  • the physicochemical properties of the gases or gas mixtures used as a shielding gas generate differences in the behavior of the electric arc, of the molten metal bath and, in the case of a MIG type welding, the fusion of the fusible wire, leading to very variable welding results depending on the type of gas used;
  • the protective gas flow also called protective gas atmosphere
  • the first arc zone or zone comprises the electric arc itself, the part of the welding bath situated substantially below the electric arc and the end of the welding electrode or fuse wire located near the welding bath.
  • the second zone or protection zone encompasses the rest of the gas flow, that is to say, a zone substantially peripheral to the arc zone, in which the action of the gas protection is substantially limited protection of the weld bead.
  • the gas or the gas mixture is identical or different in these two zones, for example, it is known to use carbon dioxide (C0 2 ) gas distributed indifferently in the arc zone and in the zone of protection proper.
  • C0 2 carbon dioxide
  • a double-flux welding torch usually consists of a torch body provided with two concentric nozzles, namely a central gas distribution nozzle for delivering a first gas flow in the arc zone, and a peripheral part forming a sleeve external arranged around at least part of the central distribution nozzle and making it possible to distribute a second gas flow peripherally to said first gas flow, that is to say in the protection zone.
  • the object of the present invention is therefore to solve the aforementioned problem by proposing an improved double-flux welding torch compared to existing torches, that is to say which allows to have a gaseous mixture in the arc zone with low external gas content while having a low internal gas flow.
  • the invention therefore relates to an electric arc welding torch comprising:
  • a central gas distribution nozzle for delivering a first gas flow
  • a peripheral piece forming an external sleeve arranged around at least a portion of said central distribution nozzle and making it possible to distribute a second gas flow peripherally to said first gas flow, characterized in that the thickness (e) of the central nozzle is between 3 and 6 mm.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that the thickness (e) has a non-negligible influence on the effectiveness of the control of the gas mixture in the arc zone.
  • the torch of the invention may include one or more of the following characteristics: - the downstream end of the peripheral part is set back (£) by at least 1 mm relative to the downstream end of the central distribution nozzle.
  • the distance (d) is at least 1 mm and preferably between 2 and 10 mm.
  • the distance (d) is between 2 mm and 9 mm, preferably between 3 mm and 5 mm.
  • the downstream end of the peripheral part is set back (£) from 2 to 15 mm from the downstream end of the central distribution nozzle, preferably from 5 mm to 10 mm.
  • the peripheral part forming the sleeve has a substantially cylindrical or cylindrical-frustoconical shape.
  • the central gas distribution nozzle and the peripheral part forming an external sleeve arranged around said central distribution nozzle are concentric.
  • It further comprises at least one electrode and / or at least one fusible wire, means for supplying electric current connected to said electrode or to said fusible wire, and means for holding said electrode or of said fusible wire.
  • TIG TIG
  • MIG MIG
  • MAG MAG torches
  • Figures 1, 2a, 2b, 3 and 5 show partial diagrams of welding torches according to the invention, that is to say showing the active end of the torch comprising the two concentric gas distribution nozzles.
  • the torch of the double-flux type is provided with a central contact tube 3 intended to carry an electrode 10 or a fusible wire.
  • a central distribution nozzle 1 is arranged peripherally to the contact tube 3 and is connected to means for supplying a first gas (Gl) making it possible to distribute this first gas (Gl) in the arc zone ZA.
  • Another nozzle or peripheral part 2 forms an external sleeve around a part of the nozzle of distribution 1; the peripheral part 2 and the central distribution nozzle 1 being concentric.
  • the peripheral part 2 is also connected to means for supplying a second gas G2 intended to be distributed in at least part of the protection zone ZP.
  • the arc zone ZA which contains the electric arc AE is situated substantially between the electrode 10 and the weld S carried by the material M to be welded, while the protection zone ZP is located substantially around said arc zone ZA.
  • the thickness (e) of the central nozzle is between 2 and 10 mm, preferably between 3 and 6 mm.
  • the distance (d) separating the surface of the internal wall of the peripheral part 2 from the surface of the external wall of the central nozzle 1 is at least 1 mm, preferably 2 to 10 mm.
  • the end 2 ′ of the peripheral part 2 is set back (£) by at least 2 mm, and preferably by 5 mm to 10 mm, relative to the end l ′ of the dispensing nozzle 1.
  • the inventors of the present invention have demonstrated that the thickness (e) of the central nozzle controlled, to a very large extent, the amount of external gas in the arc zone. The greater this distance, the lower the concentration of external gas in the arc zone, in particular for rather low internal gas flow rates. Likewise, the inventors of the present invention have demonstrated that the distance (d) and / or the shrinkage of length ⁇ £ ⁇ have a significant influence on the quality of the gas protection of the weld bead and even if the thickness (e) of the internal nozzle is correctly dimensioned.
  • the distance (d) is too small, which is naturally sought for reasons of flow minimization, the outside air arrives at the level of the welding bath, and thus induces protection faults such as by example of porosities.
  • this distance (d) is suitably chosen, it may happen that welding splashes reduce the apparent length thereby causing the same defect in gas protection.
  • said thickness (e) is varied, all other things being equal, and then the concentration of gas G2 in the arc area, 10mm below the nozzle.
  • the gases Gl and G2 are different and are chosen from argon, helium, carbon dioxide, oxygen, hydrogen and their mixtures.
  • the thickness (e) is between approximately 3 and 6 mm approximately.
  • the torch of the invention is particularly suitable for use in a TIG, MIG or MAG welding operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Arc Welding In General (AREA)

Abstract

Torche de soudage à l'arc électrique comportant une buse de distribution centrale (1) de gaz pour délivrer un premier flux gazeux, et une pièce périphérique formant manchon (2) externe agencé autour d'au moins une partie de ladite buse de distribution centrale (1) et permettant de distribuer un deuxième flux gazeux périphériquement audit premier flux gazeux. Selon l'invention, la buse de distribution centrale (1) et ladite pièce périphérique (2) sont espacées d'une distance (d) comprise entre 3 mm et 6 mm. La torche de l'invention est particulièrement adaptée à une utilisation dans une opération de soudage TIG, MIG ou MAG.

Description

TORCHE DOUBLE-FLUX POUR SOUDAGE A L'ARC
La présente invention concerne une torche de soudage à l'arc électrique, notamment de type TIG (Tungsten Inert Gas), MIG (Métal Inert Gas) ou MAG (Métal Active Gas), avec double-flux de protection gazeuse destiné à protéger la zone de soudage durant l'opération de soudage.
Les procédés de soudage à l'arc sous flux gazeux de protection sont largement utilisés dans l'industrie.
De manière schématique, utiliser une protection gazeuse, lors d'une opération de soudage, permet d'éviter une contamination du cordon de soudure ainsi réalisé de toute contamination par des impuretés susceptibles d'être présentes dans l'air atmosphérique ambiant.
En effet, il est connu que, notamment l'azote et l'oxygène contenus dans l'air ambiant sont nuisibles à la qualité des cordons de soudure, lesquels subissent une détérioration de leur aspect de par des phénomènes d'oxydation et de nitruration, et de leur intégrité, c'est-à-dire de leurs caractéristiques de résistance et de performances mécaniques.
La mise en place d'une protection gazeuse durant l'opération de soudage à l'arc est donc destinée à éviter ou minimiser toute contamination du cordon de soudure par lesdites impuretés atmosphériques. Néanmoins, il est connu que la protection gazeuse n'est pas neutre vis-à-vis des résultats de soudage ainsi obtenus et influence notamment la vitesse de soudage, la pénétration, la forme du cordon de soudure, la quantité de fumée dégagée lors du soudage et le nombre plus ou moins important de projections de métal fondu.
En d'autres termes, les propriétés physico-chimiques des gaz ou mélanges gazeux utilisés en tant que gaz de protection engendrent des différences de comportement de l'arc électrique, du bain de métal en fusion et, dans le cas d'un procédé de soudage de type MIG, de la fusion du fil fusible, conduisant alors à des résultats de soudage très variables en fonction du type de gaz utilisé; En général, dans le flux gazeux de protection, encore appelé atmosphère gazeuse de protection, on distingue deux zones principales, à savoir la zone d'arc et la zone de protection proprement dite.
Plus précisément, la première zone ou zone d'arc comprend l'arc électrique lui-même, la partie du bain de soudage située sensiblement en dessous de l'arc électrique et l'extrémité de l'électrode ou du fil fusible de soudage se trouvant à proximité du bain de soudage . En outre, la deuxième zone ou zone de protection englobe le reste de l'écoulement gazeux, c'est-à-dire, une zone sensiblement périphérique à la zone d'arc, dans laquelle l'action de la protection gazeuse se limite sensiblement à une protection du cordon de soudure. Selon le cas, le gaz ou le mélange gazeux est identique ou différent dans ces deux zones, par exemple, il est connu d'utiliser du dioxyde de carbone (C02) gazeux distribué indifféremment dans la zone d'arc et dans la zone de protection proprement dite. Lorsqu'on souhaite distribuer deux gaz de natures ou de compositions différentes dans la zone d'arc centrale et dans la zone de protection périphérique, il est habituel d'utiliser une torche de soudage dite à "double flux" .
Une torche de soudage double-flux se compose habituellement d'un corps de torche muni de deux buses concentriques, à savoir une buse de distribution centrale de gaz pour délivrer un premier flux gazeux dans la zone d'arc, et une pièce périphérique formant manchon externe agencé autour d'au moins une partie de la buse de distribution centrale et permettant de distribuer un deuxième flux gazeux périphériquement audit premier flux gazeux, c'est-à-dire dans la zone de protection.
De telles torches sont notamment décrites dans les documents suivants : GB-A-2059846 et US-A-2, 919, 341.
Or, en pratique, il a été constaté qu'avec ce type de torche se posait le problème du contrôle du mélange gazeux au niveau de la zone d'arc, car en effet, si aucune précaution n'est prise, il est très difficile d' avoir dans la zone d' arc un mélange dont la teneur en gaz circulant dans la buse externe est faible et notamment en présence d'un débit de gaz circulant dans la buse interne faible.
En effet, le seul moyen pour doser le mélange est d' agir sur les débits circulant dans chacune des buses :
- si le débit du gaz externe est trop important on, obtient alors un mélange gazeux dans la zone d'arc avec une forte proportion en gaz externe ;
- si on essaie de le réduire, alors très rapidement le débit de gaz externe est trop faible et la soudure est alors mal protégée. Le but de la présente invention est donc de résoudre le problème précité en proposant une torche de soudage double-flux améliorée par rapport aux torches existantes, c'est-à-dire qui permette d'avoir un mélange gazeux dans la zone d' arc à faible teneur en gaz externe tout en ayant un faible débit de gaz interne.
Les inventeurs de la présente invention ont maintenant mis en évidence que le problème susmentionné peut être résolu ou minimisé grâce à une torche de soudage double-flux.
L'invention concerne alors une torche de soudage à l'arc électrique comportant :
- une buse de distribution centrale de gaz pour délivrer un premier flux gazeux, et
- une pièce périphérique formant manchon externe agencé autour d'au moins une partie de ladite buse de distribution centrale et permettant de distribuer un deuxième flux gazeux périphériquement audit premier flux gazeux, caractérisée en ce que l'épaisseur (e) de la buse centrale est comprise entre 3 et 6 mm.
En effet, comme détaillé ci-après, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que l'épaisseur (e) a une influence non négligeable sur l'efficacité du contrôle du mélange gazeux dans la zone d'arc.
Selon le cas, la torche de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'extrémité aval de la pièce périphérique est en retrait (£) d'au moins 1 mm par rapport à l'extrémité aval de la buse de distribution centrale. la distance (d) est d'au moins 1 mm et de préférence comprise entre 2 et 10 mm. - la distance (d) est comprise entre 2 mm et 9 mm, préférentiellement entre 3 mm et 5 mm.
- 1 ' extrémité aval de la pièce périphérique est en retrait {£) de 2 à 15 mm par rapport à l'extrémité aval de la buse de distribution centrale, de préférence de 5 mm à 10 mm.
- la pièce périphérique formant manchon a une forme sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique . - la buse de distribution centrale de gaz et la pièce périphérique formant manchon externe agencé autour de ladite buse de distribution centrale sont concentriques .
- elle comporte, en outre, au moins une électrode et/ou au moins un fil fusible, des moyens d'alimentation en courant électrique reliés à ladite électrode ou audit fil fusible, et des moyens de maintien de ladite électrode ou dudit fil fusible.
- elle est choisie parmi les torches TIG, MIG ou MAG.
L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide des figures annexées, données à titre illustratif mais non limitatif.
Les figures 1, 2a, 2b, 3 et 5 représentent des schémas partiels de torches de soudage selon l'invention, c'est-à-dire montrant l'extrémité active de la torche comprenant les deux buses concentriques de distribution de gaz.
Comme montré sur la figure 1, la torche de type double-flux est munie d'un tube contact 3 central destiné à porter une électrode 10 ou un fil fusible.
Une buse de distribution centrale 1 est agencée périphériquement au tube contact 3 et est reliée à des moyens d'alimentation en un premier gaz (Gl) permettant de distribuer ce premier gaz (Gl) dans la zone d'arc ZA.
Une autre buse ou pièce périphérique 2 forme un manchon externe autour d'une partie de la buse de distribution 1 ; la pièce périphérique 2 et la buse de distribution centrale 1 étant concentriques.
La pièce périphérique 2 est, par ailleurs, reliée à des moyens d'alimentation en un deuxième gaz G2 destiné à être distribué dans au moins une partie de la zone de protection ZP.
Sur la figure 5, on peut voir que la zone d'arc ZA qui contient l'arc électrique AE est située sensiblement entre l'électrode 10 et la soudure S portée par le matériau M à souder, alors que la zone de protection ZP est située sensiblement autour de ladite zone d'arc ZA.
Conformément à l'invention, l'épaisseur (e) de la buse centrale est comprise entre 2 et 10 mm, de préférence entre 3 et 6 mm. En outre, la distance (d) séparant la surface de la paroi interne de la pièce périphérique 2 de la surface de la paroi extérieure de la buse centrale 1 est d'au moins 1 mm, de préférence de 2 à 10 mm.
Enfin, il est préférable que l'extrémité 2' de la pièce périphérique 2 soit en retrait {£) d'environ au moins 2 mm, et de préférence de 5 mm à 10 mm, par rapport à l'extrémité l' de la buse de distribution 1.
En effet, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que l'épaisseur (e) de la buse centrale contrôlait, dans une très large mesure, la quantité de gaz externe dans la zone d'arc. Plus cette distance est importante, plus la concentration de gaz externe dans la zone d'arc est faible, en particulier pour des débits de gaz internes plutôt faibles. De même, les inventeurs de la présente invention ont mis en évidence que la distance (d) et/ou le retrait de longueur {£} ont une influence non négligeable sur la qualité de la protection gazeuse du cordon de soudure et cela, même si l'épaisseur (e) de la buse interne est correctement dimensionnée .
En effet, si la distance (d) est trop petite, ce qui est naturellement recherché pour des raisons de minimisation de débit, l'air extérieur arrive à rentrer au niveau du bain de soudage, et induit ainsi des défauts de protection tels que par exemple des porosités. De même, quand cette distance (d) est convenablement choisie, il peut arriver que des projections de soudage viennent en diminuer la longueur apparente provoquant ainsi le même défaut de protection gazeuse. Aussi, il est préférable d'introduire un retrait de longueur {£) de manière à ce que les projection de soudage, qui proviennent en général de la zone d'arc, ne puissent adhérer sur la surface intérieure de la buse externe, et ne provoquent donc pas une obturation prématurée du conduit de gaz externe.
Afin d'évaluer l'influence de l'épaisseur (e) sur les teneurs du mélange dans la zone d'arc, on fait varier ladite épaisseur (e) toutes choses égales par ailleurs, et on détermine alors la concentration de gaz G2 dans la zone d'arc, 10mm en dessous de la buse.
Dans tous les essais, les gaz Gl et G2 sont différents et sont choisis parmi le l'argon, l'hélium le dioxyde de carbone, l'oxygène, l'hydrogène et leurs mélanges .
Pour ce faire, on utilise une buse de soudage analogue à celle de la figure 1, pour laquelle el = 1,25 mm environ et e2 = d = 3,5 mm environ (el et e2 étant maintenues constantes).
En outre, le débit de gaz Gl est de 2,5 l.min_± et le débit de gaz G2 est de 15 l.min'A Les résultats obtenus sont représentés sur la figure
4 où l'on voit que, plus l'épaisseur (e) (représentée sur l'axe des x par la distance entre les 2 flux) augmente, plus la proportion de G2 dans le mélange G1/G2 réalisé in situ dans la zone d'arc diminue.
Il en résulte qu'il est souhaitable pour obtenir un mélange G1/G2 adéquat, que l' épaisseur (e) soit d'au moins
1 mm, voire même d'au moins 2 mm et, dans tous les cas, inférieure à 10 mm. De préférence, l'épaisseur (e) est comprise entre environ 3 et 6 mm environ.
La torche de 1 ' invention est particulièrement adaptée à une utilisation dans une opération de soudage TIG, MIG ou MAG.

Claims

Revendications
1. Torche de soudage à l'arc électrique comportant - une buse de distribution centrale (1) de gaz pour délivrer un premier flux gazeux, et
- une pièce périphérique formant manchon (2) externe agencé autour d'au moins une partie de ladite buse de distribution centrale (1) et permettant de distribuer un deuxième flux gazeux périphériquement audit premier flux gazeux, caractérisée en ce que l'épaisseur (e) de la buse centrale est comprise entre 3 et 6 mm.
2. Torche selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'extrémité aval (2') de la pièce périphérique (2) est en retrait (£) d'au moins 1 mm par rapport à l'extrémité aval (I1) de la buse de distribution centrale
(1) .
3. Torche selon l'une des revendications 1 ou 2 , caractérisée en ce que la distance (d) est d'au moins 1mm et de préférence comprise entre 2 et 10 mm.
4. Torche selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la distance (d) est comprise entre 2 mm et 9 mm, préférentiellement entre 3 mm et 5 mm.
5. Torche selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que l'extrémité aval (2') de la pièce périphérique (2) est en retrait {£) de 2 à 15 mm par rapport à l'extrémité aval (I1) de la buse de distribution centrale (1), de préférence de 5 mm à 10 mm.
6. Torche selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la pièce périphérique formant manchon (2) a une forme sensiblement cylindrique ou cylindro-tronconique .
7. Torche selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la buse de distribution centrale (1) de gaz et la pièce périphérique formant manchon (2) externe agencé autour de ladite buse de distribution centrale (1) sont concentriques.
8. Torche selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une électrode (10) et/ou au moins un fil fusible, des moyens d'alimentation en courant électrique reliés à ladite électrode (10) ou audit fil fusible, et des moyens de maintien (3) de ladite électrode (10) ou dudit fil fusible .
9. Torche selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle est choisie parmi les torches TIG, MIG ou MAG.
10. Utilisation d'une torche selon l'une des revendications 1 à 9 dans une opération de soudage TIG, MIG ou MAG.
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