Arc de soudage: définition, structure et types
Après avoir lu cet article, vous apprendrez: - 1. Définition de l’arc de soudage 2. Structure et caractéristiques de l’arc de soudage 3. Types 4. Rôle de la polarité de l’électrode.
Définition de l'arc de soudage:
Un arc est une décharge électrique entre deux électrodes qui se produit à travers un gaz ionisé chaud électriquement conducteur appelé plasma. Un arc électrique utilisé pour le soudage est appelé arc de soudage et se situe généralement entre une tige mince (ou un fil) et une plaque; il est donc en forme de cloche, comme illustré à la Fig. 3.1 (a).
Structure et caractéristiques de l'arc de soudage:
Un arc de soudage est une décharge électrique à courant fort et basse tension fonctionnant généralement dans la plage allant de 10 à 2000 ampères et entre 10 et 50 volts. Dans un circuit de soudage, l'arc agit comme une résistance de charge.
En gros, l’arc de soudage consiste en un mécanisme d’émission d’électrons de la cathode qui, après passage dans le gaz chaud ionisé, se fondent dans l’anode. Pour l'analyse, l'arc de soudage est généralement divisé en cinq parties, à savoir. le point de cathode, la zone de chute de cathode, la colonne à arc, les zones de dépôt d'anode et le point d'anode. Les chutes de tension sur la cathode et les zones de chute de l'anode sont assez raides, tandis que la chute de tension sur la colonne à arc est plus progressive, comme le montre la figure 3.1 (b). La figure montre clairement que la tension de l’arc (V) est la somme de la chute de cathode (Vc), de la chute de colonne (Vp) et de la chute d’anode (Va).
Il peut donc être exprimé par:
V = Vc + Vp + Va ……. (3-1)
Bien qu’un arc de soudure soit normalement en forme de cloche, sa forme peut varier considérablement dans les processus de soudage où l’électrode-tige (appelée simplement électrode dans le reste du texte) est consommable, par exemple, dans le soudage à l’arc métallique blindé et au gaz soudage à l'arc métallique. Pour avoir une connaissance approfondie du comportement d'un arc de soudage, il est essentiel de connaître les caractéristiques de ses différentes zones.
Le spot cathodique :
C'est la partie de l'électrode négative d'où sont émis les électrons. Trois types de modes de points cathodiques ont été observés.
Ceux-ci sont:
a) mode de point cathodique mobile,
(b) le mode de point cathodique thermoionique, et
(c) Le mode normal.
Dans une cathode mobile, un ou plusieurs très petits points de cathode apparaissent en mode surface à la surface de la cathode et se déplacent à une vitesse élevée de 5 à 10 m / s, et laissent habituellement une trace visible. Le comportement d'un point de cathode mobile dépend du matériau sur lequel il se forme. Par exemple, sur l'aluminium, on observe plusieurs taches générant une série complexe de pistes ramifiées, tandis que sur le cuivre, la trace laissée est généralement unique, sans aucune branche, comme le montre la figure 3.2.
Le film d'oxyde à la surface du métal est détaché par le mouvement d'un point cathodique mobile et parfois une couche du métal est également perdue. Cette caractéristique rend une cathode mobile très importante pour une utilisation dans l'industrie, en particulier pour le soudage de l'aluminium et du magnésium. La densité de courant dans un tel point cathodique est de l'ordre de 10 2 à 10 3 A / mm 2 .
En mode thermoionique, le point cathodique se forme à la pointe d'une tige de tungstène ou de tungstène thorié très pointue utilisée avec un blindage à l'argon. Le spot cathodique reste fixe et présente une densité de courant de l'ordre de 10 2 A / mm 2 . Il est visible sous forme de point lumineux ou peut être localisé par la convergence de la colonne d'arc en un point situé à la surface de la cathode.
En mode normal, le point cathodique ne forme pas de point bien défini. Par exemple, avec une électrode en acier à faible teneur en carbone, le point cathodique semble envelopper toute la pointe fondue de l'électrode. Un type similaire de point cathodique est observé dans le soudage à l'arc au tungstène au gaz avec une électrode en tungstène à extrémité arrondie protégée par de l'argon, comme illustré à la Fig. 3.3.
L'arc de tungstène blindé à l'argon fonctionne soit avec le point de cathode bien défini du second type, soit avec le point de cathode mal défini du troisième type et les caractéristiques de volt-ampère sont différentes dans les deux cas.
Mécanismes d'émission d'électrons :
L'émission d'électrons à partir de la cathode peut être effectuée par n'importe lequel des nombreux mécanismes tels que l'émission thermoionique, l'émission autoélectronique ou à émission de champ, l'émission photoélectrique et l'émission secondaire.
une. Emission thermoionique:
Cela implique la libération d'électrons des électrodes chauffées. Lorsque la température de l'électrode est élevée, l'énergie cinétique des électrons libres augmente jusqu'à un point où ils peuvent s'échapper de la surface de l'électrode négative au niveau de la cathode dans l'espace sans champ situé à l'extérieur, dans la surface d'attraction du positif. ions laissés sur la cathode.
On pense que les électrons émis par les cathodes de carbone et de tungstène ont un caractère thermionique, mais la plupart des autres métaux bouillent à des températures bien inférieures à celles requises pour l’émission thermionique.
b. Emission auto-électronique:
Ce type d’émission d’électrons est produit par un champ électrique suffisamment puissant, c’est-à-dire lorsque la tension aux électrodes est si élevée (de l’ordre de 10 4 volts) que l’air qui les sépare est ionisé sous son influence et que la décharge électrique en résulte émission d'électrons de la surface de la cathode.
c. Emission photoélectrique:
Il se produit lorsque l'énergie sous la forme d'un faisceau de lumière tombe sur la surface de la cathode et entraîne une augmentation de l'énergie cinétique des électrons, entraînant ainsi leur émission à partir de la cathode dans le vide ou dans un autre matériau. Un tel mécanisme d’émission d’électrons est utilisé pour générer des rayons X.
ré. Emission secondaire:
Il fait référence à l'émission d'électrons sous l'impact des ions se déplaçant rapidement. Lorsque la vitesse des ions incidents dépasse les vitesses orbitales des électrons dans les atomes du matériau de la cathode, il en résulte une expulsion (ou une émission) d'électrons.
Dans les procédés de soudage, l’émission d’électrons est du type thermo-ionique, par exemple soudage à l’arc gazeux au tungstène, soudage au plasma et soudage au carbone, ou est du type auto-émission en association avec des moyens auxiliaires d’ionisation de l’entrefer la pièce à usiner, par exemple pour le soudage à l'arc avec un métal blindé, le soudage à l'arc sous flux et le soudage à l'arc sous gaz.
L'émission d'électrons à partir d'un point cathodique dépend de l'énergie d'excitation ou de la fonction de travail d'un matériau, définie comme étant l'énergie nécessaire, en électron-volts (eV) ou en Joules, pour qu'un électron soit libéré de la surface du matériau. à l'espace environnant. Le potentiel d'ionisation, qui est défini comme l'énergie par unité de charge en volts, nécessaire pour retirer un électron d'un atome à une distance infinie, joue également un rôle important dans le maintien d'une décharge électrique. Les deux paramètres pour la plupart des matériaux impliqués dans le soudage sont donnés dans le tableau 3.1.
La zone de largage de la cathode :
C'est la région gazeuse immédiatement adjacente à la cathode dans laquelle se produit une chute brutale de la tension. La taille combinée de la zone de goutte cathodique et de la zone de goutte anodique est de l'ordre de 10 2 mm, ce qui est presque égal au libre parcours moyen des électrons. La chute de tension dans la zone de chute de cathode pour l'électrode de tungstène blindée à l'argon s'est avérée être d'environ 8 volts à 100 ampères et augmente à mesure que le courant diminue.
La colonne d'arc:
C'est la partie visible de l'arc qui a une température élevée et un faible gradient de potentiel. La température de la colonne à arc dépend des gaz présents dans celle-ci et de la quantité de courant de soudage circulant dans le circuit. Habituellement, la température de la colonne varie de 6 000 ° C pour les vapeurs de fer à environ 20 000 ° C pour l’arc de tungstène blindé à l’argon. À une température aussi élevée, tous les gaz moléculaires présents dans la colonne sont scindés en une forme atomique et les atomes eux-mêmes sont dissociés en électrons et en ions. Cependant, le nombre d'électrons et d'ions dans un volume donné de l'arc reste le même, gardant ainsi l'arc électriquement neutre.
Comme l'ion moyen est environ mille fois plus lourd qu'un électron, les électrons sont beaucoup plus mobiles et transportent donc la majeure partie du courant dans la colonne d'arc. Le gradient de potentiel dans la colonne est inférieur à celui observé dans la zone de dépôt de cathode ou la zone de dépôt d’anode et varie généralement entre 0, 5 et 5 volts / mm pour les arcs de tungstène blindés à l’argon, tandis qu’il est normalement de l’ordre de 1 volt pour le soudage à l’arc métallique blindé / mm.
L'arc de soudure se situe presque invariablement entre une tige ou un fil-électrode et une pièce à usiner plate ou large. Ceci, quelle que soit la polarité de l'électrode, donne une cloche ou un arc en forme de cône avec le sommet du cône à l'extrémité de l'électrode-tige ou à proximité de celle-ci. En raison de cette contraction de l'arc près de l'électrode tige, celle-ci y possède la plus grande densité d'énergie, mais en raison de l'effet de refroidissement dû à la proximité de l'électrode, la température maximale se situe au cœur de la colonne.
La région dans laquelle la colonne étranglée rencontre l'électrode s'appelle la racine de l'arc. La distribution des températures dans la colonne d'arc pour un arc de tungstène blindé à 200 argères sous argon est illustrée à la Fig. 3.4.
Fig. 3.4 Distribution de la température dans une colonne à arc
Le flux de courant dans la colonne d'arc entraîne le développement de forces électromagnétiques. Or, il est également bien connu que deux conducteurs parallèles transportant du courant dans la même direction s’attirent.
Si le courant est conduit par un cylindre gazeux, il peut être considéré comme composé d'un grand nombre de conducteurs cylindriques annulaires, d'où une attraction mutuelle entre les différents cylindres gazeux, toutes les forces agissant vers l'intérieur du fait de la densité de courant élevée au coeur du conducteur. .
Ces forces de constriction sont compensées par un gradient de pression statique établi dans le conducteur gazeux avec une pression nulle à la périphérie externe et un maximum le long de l'axe.
Cependant, dans le cas présent, du fait de la forme en cône de l'arc, les forces électromagnétiques agissant sur celui-ci ont deux composantes, la pression statique ayant les deux composantes opposées dont l'une est le long de l'axe de l'arc et est à l'origine de la formation de jet de plasma. qui s'écoule avec une vitesse d'environ 10 4 cm / sec vers la pièce. La vitesse axiale du plasma diminue au fur et à mesure que l'on approche de la périphérie de l'arc, comme le montre la figure 3.5.
En régime établi, le jet de plasma a un écoulement fluide avec une vitesse d’écoulement approximativement proportionnelle au courant de soudage. La figure 3.6 montre la configuration des lignes d'écoulement de gaz et des lignes de vitesse dans un arc de carbone de 200A. On pense qu'une quantité considérable d'énergie thermique est transmise à la pièce par les courants de convection du jet de plasma.
Fig. 3.6 Lignes de flux de gaz et modèles de lignes de vitesse du plasma dans le soudage à l'arc au carbone
Lorsque le courant dans l'arc n'est pas symétrique, il en résulte la création de forces magnétiques qui dévient la colonne de l'arc. Si cela se produit dans un arc de soudage, on parle de soufflage d'arc et il en résulte souvent des soudures inconvenantes et mal placées.
L'anode et la zone de dépôt d'anode:
En atteignant l'anode, les électrons perdent leur chaleur de condensation. Cependant, contrairement au point cathodique, il est rare d'observer un point anodique bien défini et la densité de courant est également faible, comme le montre la figure 3.7 pour une cathode en tungstène blindée à l'argon 200A et une anode en plaque de cuivre. La zone de transport de courant d'une anode est légèrement inférieure à la plus grande étendue de l'arc à l'extrémité de l'anode, et la densité de courant moyenne est également assez faible.
La chute de tension dans la zone de chute d'anode de ce type d'arc semble être comprise entre 1 et 3 volts. La profondeur de la zone de dépôt de l'anode est de l'ordre de 10 -2 à 10 -1 mm. Lorsque l'électrode-tige joue le rôle d'anode, elle occupe alors l'hémi-sphère inférieure de la gouttelette fondue à la pointe de l'électrode. Cependant, pour un jet de plasma à basse pression, l'anode semble envelopper la gouttelette fondue.
L'apport total de chaleur à l'anode est dû à la condensation des électrons ainsi qu'à la conduction et à la convection dues au jet de plasma. En arc continu avec une électrode non consommable comme celle du tungstène ou du carbone, la chaleur de l'anode est supérieure à la chaleur libérée. à la cathode comme indiqué à la Fig. 3.8.
Avec l'augmentation de la longueur de l'arc de soudage, la tension de l'arc augmente et, par conséquent, pour un courant supérieur à environ 100A, l'apport de chaleur augmente avec l'augmentation de la colonne d'arc, en particulier pour le mode de point cathodique, comme illustré à la Fig. 3.9. Cependant, avec l’augmentation de la longueur de la colonne, la largeur de la colonne augmente également, ce qui se traduit par une densité de courant encore plus faible au niveau de l’anode et, par conséquent, celle-ci devient plus diffuse.
Efficacité de l'Arc:
À partir de la description des caractéristiques de différentes parties d’un arc de soudage, il est possible de déterminer le rendement de l’arc, dont le traitement mathématique suit:
Or, l’énergie thermique totale développée à l’anode, q a, est donnée par la somme de l’énergie reçue par les électrons et de l’énergie obtenue en passant par la zone de largage de l’anode, c’est-à-dire:
Problème 1:
Déterminez l'efficacité de l'arc pour le procédé GTAW si le courant de soudage est de 150 ampères et la tension de l'arc de 20 volts. Supposons une chute de cathode de 8 volts et une chute d'anode de 3 volts avec 30% de l'énergie de la colonne d'arc transférée à l'anode. Prendre la température de l’arc à 15000K. Fonction de travail, 0 pour le tungstène = 4, 5 eV et la constante de Boltzmann = 8, 62 x 10 -5 eV / K.
Solution:
Problème 2:
Dans le soudage à l'arc sous tungstène avec protection d'argon, il a été constaté que la chute de cathode était de 10 volts pour un courant de soudage de 120 volts et une tension d'arc de 18 volts. Déterminez (a) la longueur de l’arc, si son efficacité est de 55% avec une température de 10000 Kelvin.
Supposons que la chute de tension de la colonne est de 1, 2 volt I mm et que 20% de la chaleur de la colonne est transférée à l'anode.
(b) L'efficacité de l'arc si les mêmes paramètres de processus s'appliquent au procédé GMAW et que le fil-électrode est transformé en anode.
Prendre la fonction de travail pour le tungstène à OK = 4, 5 eV et la constante de Boltzmann. K '= 8-60 x10 -5 eVIK
Solution:
Types d'arcs de soudage:
Du point de vue de la soudure, les arcs sont de deux types: un arc immobile ou stationnaire ou fixe et un arc mobile ou en mouvement ou en déplacement. Un arc fixe est formé entre une électrode non consommable et une pièce à usiner. L'arc peut être utilisé avec ou sans charge. Dans le premier cas, un fil séparé est introduit dans la colonne à arc et est ainsi fondu pour être transféré dans le bain de soudure sous l'action combinée de la gravité, des forces électromagnétiques et de la force mécanique exercée par le jet de plasma, dans un arc fixe assurant la majeure partie de la chaleur L’électrode non consommable reste inutilisée et doit en fait être éliminée par l’eau de refroidissement ou le gaz de protection. Ainsi, le rendement thermique d'un tel arc est faible et peut être compris entre 45 et 60%. Ce type d’arc est observé dans les procédés de soudage à l’arc au carbone, à l’arc au tungstène au gaz et à l’arc au plasma.
Un arc mobile est formé entre une électrode consommable et une pièce à travailler. Au fur et à mesure que le fil de charge fond, le métal en fusion à la pointe de l'électrode est détaché par l'action de la gravité, des forces électromagnétiques, de la force exercée par le jet de plasma et de l'effet de pincement. Cependant, une force de retenue due à la tension superficielle agit également sur la gouttelette. À mesure que l'électrode fond, l'arc continue à monter le long de l'électrode. L'arc mobile est associé à des processus tels que le soudage à l'arc avec un métal blindé, le soudage à l'arc sous gaz avec un métal et le soudage à l'arc sous flux.
Un arc dans lequel le métal en fusion provenant de la pointe de l'électrode est transporté à travers celle-ci pour devenir une partie du pool de soudure est appelé «arc métallique». Un arc mobile est un arc métallique.
La majeure partie de la chaleur transmise à l'électrode dans l'arc mobile est utilisée pour fondre le métal et est donc utilisée efficacement. Le rendement thermique du procédé, utilisant un arc mobile, est donc élevé et se situe normalement entre 75 et 90%. Les procédés de soudage utilisant un arc mobile sont donc thermiquement plus efficaces que ceux utilisant un arc immobile ou fixe.
Rôle de la polarité des électrodes dans le soudage à l'arc:
Le soudage à l'arc peut être effectué en courant alternatif ou courant continu. Si le courant alternatif est utilisé, la polarité des électrodes n’est pas une question car elle change tous les demi-cycles. Cependant, si le courant continu est utilisé, il est possible de créer une électrode négative ou positive.
Une plus grande quantité de chaleur est produite à l'anode. Par conséquent, dans tous les processus utilisant des électrodes non consommables, il est préférable de connecter l'électrode à la borne négative pour minimiser les pertes de chaleur. Cependant, cela n’est peut-être pas toujours possible, car il faut parfois utiliser l’action de nettoyage du point de cathode mobile pour libérer la couche d’oxyde réfractaire tenace du métal, par exemple lors du soudage de l’aluminium et du magnésium.
Dans de tels cas, il est préférable d'utiliser un courant alternatif afin de trouver un compromis entre efficacité thermique et action de nettoyage. Ainsi, les procédés de soudage à l'arc sous gaz tungstène et les procédés de soudage à l'arc au carbone utilisent normalement des sources de courant alternatif lorsqu'il est nécessaire d'agir sur la pièce. Quand une telle contrainte n'existe pas, on peut utiliser le dcen.
Cependant, pour le soudage à l'arc avec électrode enrobée, le transformateur de soudage à courant alternatif est très populaire et, dans le même temps, pour les mêmes spécifications, il est beaucoup moins cher que le groupe électrogène de soudage à cc ou le groupe redresseur-transformateur requis pour obtenir un approvisionnement en courant continu. De plus, avec le soudage CC, il existe un changeur de soufflage d'arc qui peut provoquer une soudure en zigzag inconvenante de mauvaise qualité.
En raison de l’interruption régulière d’un arc en courant alternatif, il n’est pas recommandé d’utiliser du fil nu, par exemple pour le soudage à l’arc sous forme de gaz. Cependant, pour le soudage à l'arc avec un métal blindé, des revêtements d'électrode appropriés ont été développés, ce qui facilite l'initiation et la maintenance de l'arc de soudage.
Lorsqu'on utilise une électrode consommable, le transfert de métal de l'électrode filaire à la pièce à usiner est plus uniforme, fréquent et mieux dirigé si l'électrode est rendue positive. Le DCEP ou inversion de polarité est donc populaire avec GMAW, qui fournit également l’action de nettoyage nécessaire sur les métaux avec une couche d’oxyde tenace telle que l’aluminium.
