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Mélange gazeux ternaire utilisable en soudo-brasage
de pièces galvanisées
La présente invention concerne un mélange gazeux ternaire utilisable en
soudo-brasage de pièces galvanisées.
Actuellement, les problèmes rencontrés lors du soudage des tôles fines
galvanisées sont essentiellement liés aux caractéristiques des tôles.
En effet, l'épaisseur des tôles revêtues utilisées notamment dans le
domaine automobile est habituellement comprise entre 0.5 mm et 1.5 mm.
Des épaisseurs aussi fines nécessitent l'adaptation du procédé de soudage
mis en oeuvre pour les souder afin de réduire l'apport d'énergie et par
conséquent éviter des défauts tels qu'une pénétration excessive de la soudure
au
risque de percer la tôle, une déformation thermique des tôles, une dégradation
du revêtement de zinc à coté et envers, ou une dégradation métallurgique et
chimique des tôles.
Par ailleurs, le zinc, qui est le constituant principal du revêtement des
tôles fines galvanisées, se caractérise par un point de fusion à 402 C plus
bas
(point d'ébullition du zinc : 906 C) que le métal de base et le métal
d'apport.
Pendant le soudage, il est donc vaporisé par action de l'arc électrique ou
par simple conduction thermique et ces vapeurs de zinc peuvent ensuite
engendrer des perturbations.
Ainsi, du zinc vaporisé peut entrer dans l'atmosphère de l'arc électrique et
modifier brutalement les propriétés physiques de l'atmosphère de protection,
notamment la conductibilité électrique et thermique, et par conséquent
provoquer des instabilités du mode de transfert de métal.
De plus, cette vaporisation de zinc dans le métal fondu peut provoquer
des projections de métal fondu, de part et d'autre du cordon de soudure.
En outre, des porosités ou soufflures, qui se forment lorsque du zinc est
vaporisé sous la racine du cordon quand on effectue une soudure à clin,
provoquent souvent une surpression gazeuse sous le bain liquide. Cela se
produit
d'autant plus que l'espacement entre les tôles à assembler est faible et que
l'épaisseur de zinc est importante.
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Si le refroidissement du bain est trop rapide, les vapeurs n'ont pas
suffisamment de temps pour remonter à la surface peuvent, suivant leur
densité,
affecter les propriétés mécaniques de l'assemblage.
Les porosités qui débouchent en surface du cordon posent d'autres
problèmes, en particulier pour la mise en peinture d'une pièce ainsi soudée,
par
exemple lorsque cette pièce constitue une partie apparente de la carrosserie
d'un
véhicule automobile.
Pour tenter de résoudre ces problèmes, la technique de soudo-brasage
par procédé flamme, MIG/MAG, TIG, plasma ou laser constitue une bonne
alternative utilisée depuis plusieurs années dans l'industrie automobile.
Le soudo-brasage fait appel aux métaux d'apport cuivreux avec un point de
fusion plus bas, typiquement entre 890 C et 1080 C, que celui du métal de base
ferreux constituant les pièces à souder mais supérieur à celui du revêtement
de
zinc, c'est-à-dire environ 402 C.
En soudo-brasage, l'assemblage des pièces à souder ensemble ne se fait
pas par une fusion du métal de base et du métal mais par "mouillage" du métal
de base solide par du métal cuivreux liquide apporté sous forme de fil
d'apport.
Le soudo-brasage nécessite un apport d'énergie sensiblement réduit
puisque cette énergie ne sert qu'à fondre le fil d'apport et non pour chauffer
et
fondre la pièce. De fait, la quantité de zinc vaporisée est fortement réduite
par
rapport au soudage classique..
On peut se reporter au document "The welding of galvanized steel and
zin c-rich -pain ted steel", Philips Welding Reporter, 1966, p. 1-10 pour plus
de
détails sur le procédé de soudo-brasage.
Plusieurs types d'alliages peuvent être appliqués en soudo-brasage. Les
alliages type CuAl (CuAl8) sont utilisés principalement pour obtenir un bel
aspect
du cordon et des bonnes caractéristiques mécaniques, alors que les alliages
type
CuSi3 sont utilisés principalement pour leurs coûts plus attractifs et la
facilité de
meulage des projections éventuelles.
En soudo-brasage MIG, le transfert de métal peut se faire en régime
court-circuit ou puisé.
Le transfert en court-circuit (short arc en anglais) est utilisé pour les
applications qui nécessitent un apport d'énergie minimal et pour des cordons
"esthétiques" sans projection et avec déformation limitée. Ce transfert est
limité
à une certaine vitesse de fil, à laquélle va répondre une plage donnée de
vitesse
de soudage.
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Le transfert en courant pulsé est utilisé pour des applications à vitesse de
fil et vitesse de soudage plus élevée que le soudage par court-circuit. Il
conduit à
un bain de fusion plus chaud qui engendre des avantages en termes de
mouillage et tolérance de jeux d'assemblage. Le courant pulsé respecte la
règle
d'une goutte par pulsation qui doit se détacher en intensité de base (Ibase),
la
plus basse et la plus stable possible.
Par ailleurs, de façon connue, le gaz de protection utilisé en procédé
MIG/MAG joue un rôle important pour le procédé car il a une influence notable
sur les propriétés électrique et thermique de l'atmosphère de l'arc
électrique,
d'une part, et sur la protection du bain.
Comme expliqué ci-dessus, le soudo-brasage s'utilise avec l'objectif d'une
réduction d'apport d'énergie. On va donc faire appel à des gaz plutôt inertes
et
peu actifs.
Le gaz généralement recommandé pour le soudobrasage est l'argon pur.
Toutefois, d'autres gaz ou mélanges gazeux ont déjà été décrits comme
pouvant être utilisés en soudo-brasage.
Ainsi, des mélanges binaires d'argon avec de faibles teneurs en oxygène
ou en dioxyde de carbone sont connus notamment des documents suivants : MIG
Lôten verzinkter Dünnbleche und Profile. Schwei(3en und Schneiden, H. Hackl,
6.1998, Düsseldorf 1998 ; MIG Lôtverbindungen, Besonderheiten und
Eigenschaften, H. Herold, DVS Berich 204, Düsseldorf 1999 ; et Beitrag zum MSG
Impulslichtbogenschweissen von unbeschichteten und beschichteten Feinbleche,
G. Groten, DVS Band 35, Dissertation ISF Aachen 1991, Düsseldorf 1991.
Cependant, d'autres documents concluent à l'inefficacité de la présence de
l'hydrogène. A ce titre, on peut citer le document de A. Kersche, S.Trube,
Schutzgase zum Lôten, Neue Technologien für den Dünnblechbereich, SLV
München 2000, qui enseigne que la présence de faibles pourcentages
d'hydrogène engendrent des porosités et un mauvais mouillage.
En outre, on connaît aussi le document de Hauck, G. Hiller,
Lichtbogenschweissen verzinkter Stahlbleche, DVS Berich 105, Düsseldorf 1986,
qui décrit un mélange d'argon avec 30% en vol. d'hélium pour fil CuAI8 ou avec
5% d'oxygène pour fil CuSi3.
La présente invention vise donc à améliorer le procédé MIG de soudo-
brasage en proposant un mélange gazeux permettant, lors de sa mise en oeuvre
en soudo-brasage de tôles revêtues, d'obtenir
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- une réduction de l'apport d'énergie pour réduire le volume de zinc
volatilisé et les déformations,
- la stabilisation de l'arc pour éviter les projections, et
- un bon mouillage et une bonne compacité du cordon dans toutes les
positions de soudage avec absence de porosités.
La solution de l'invention concerne un mélange gazeux ternaire constitué
d'hydrogène, de dioxyde de carbone et d'argon dans les proportions en volume
suivantes
- de 0.4 à 2% d'hydrogène,
- de 0.3 à 2% de dioxyde de carbone, et
- de l'argon pour le reste (jusqu'à 100%).
Selon le cas, le mélange gazeux de l'invention peut comprendre l'une ou
plusieurs des caractéristiques techniques suivantes
- il contient au plus 1.95% d'hydrogène, de préférence au plus 1.5%
d'hydrogène, de préférence encore au plus 1.3% d'hydrogène.
- il contient au moins 0.5% d'hydrogène, de préférence au moins de 0.7%
d'hydrogène.
- il contient au plus 1% de dioxyde de carbone, de préférence au plus
0.8% de dioxyde de carbone.
- il contient au moins 0.35% de dioxyde de carbone, de préférence au
moins 0.4% de dioxyde de carbone.
- il contient de 0.8 à 1.1 % d'hydrogène, de 0.4 à 0.7% de dioxyde de
carbone et de l'argon pour le reste (jusqu'à 100%).
- il contient approximativement 1 % d'hydrogène, 0.5% de dioxyde de
carbone et de l'argon pour le reste (jusqu'à 100%).
- la protection gazeuse est constituée d'un mélange ternaire formé
exclusivement d'argon, d'hydrogène et ' de dioxyde de carbone. Toutefois, des
impuretés inévitables peuvent s'y trouver en faibles proportions, par exemple
jusqu'à 20 ppm en volume d'oxygène, jusqu'à 20 ppm d'azote, jusqu'à 50 ppm
de CnHm, et jusqu'à 30ppm de vapeur d'eau.
L'invention porte aussi sur un procédé de soudo-brasage de pièces
métalliques galvanisées, dans lequel on réalise un brasage entre les pièces à
assembler par fusion, au moyen d'au moins un arc électrique, d'un fil
métallique
d'apport avec mise en oeuvre d'une protection gazeuse du brasage, caractérisé
en ce que la protection gazeuse est formée d'un mélange gazeux tel que donné
ci-dessus.
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Selon le cas, le procédé de soudo-brasage de l'invention peut comprendre
l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes :
- les pièces à assembler ont une épaisseur inférieure à 3 mm, de
5 préférence comprise entre 0.5 et 2 mm, de préférence encore comprise entre
0.6
et 1.5 mm.
- le fil d'apport est en alliage de cuivre et d'aluminium (alliage CuAI) ou
de silicium (alliage CuSi.)
- les pièces métalliques sont en acier au carbone non allié, de préférence
à haute limite élastique (HLE) ou à très haute limite élastique (THLE).
- l'intensité du courant servant à générer le ou les arcs est Inférieure à
200 A pour un fil de 1 mm de diamètre.
- le courant est à polarité variable ou non.
- le régime de transfert est de type pulsé ou par court-circuit.
- les pièces sont galvanisées par électro-zingage ou galvanisées à chaud.
- il met en oeuvre 1 ou 2 fils d'apport.
L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'éléments de
véhicule automobile formés de plusieurs pièces assemblées par un procédé de
soudo-brasage selon l'invention, en particulier d'éléments de véhicule
automobile
choisis dans le groupe formé par la caisse du véhicules, les jonctions sol,
les
charnons, le berceau moteur, les traverses de planches, de bord, les
longerons,
les traverses sous sièges et les composants hydroformés.
Selon un autre aspect, L'invention porte aussi un procédé de
fabrication d'un conteneur formé de plusieurs pièces assemblées par un procédé
de soudo-brasage selon l'une l'invention.
Le procédé de soudo-brasage de l'invention pourra aussi être utilisé pour
assembler des pièces servant à fabriquer d'autres structures, telles que des
armatures de serres ou similaires, des gaines de ventilation, des coffrets
électriques...
Brève description des Figures
Figure 1 est une comparaison de la stabilité d'arc en soudage pulsé avec
de l'argon et avec le mélange gazeux selon la présente invention.
Figure 2 est une coupe macrographique comparant le mouillage obtenu en
soudage pulsé avec de l'argon et avec le mélange gazeux de la présente
invention.
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5a
Exemoles
Pour démontrer la faisabilité et l'efficacité du mélange gazeux selon
l'invention lors de son utilisation en soudo-brasage, des essais comparatifs
ont
été réalisés dans les conditions suivantes.
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L'assemblage à souder est formé des tôles DX54D+Z120 d'épaisseur de
0.8 mm et de 1.5 mm selon la norme EN10142, galvanisées à chaud des deux
côtés, c'est-à-dire ayant une double face de zinc de 10 m d'épaisseur.
Les assemblages sont positionnés à clin et à plat.
Des fils d'apport de type CuAI8 et de type CuSi3 et de diamètres de 1 mm et de
1.2 mm sont mis en oeuvre selon les deux types de transfert, court circuit et
pulsé.
L'influence de la nature du gaz de protection a été évaluée en utilisant de
l'argon pur comme référence.
Durant les tests, les critères d'évaluation suivants ont été adoptés
- absence de projections,
- absence de porosités débouchantes (vérification des porosités non-
débouchantes par radiographié),
- bon mouillage : cordon plat, peu de pénétration, angle de raccordement,
- pas de défauts métallurgiques :fissuration, grossissement de grains,
- peu de dégradation de revêtement de zinc,
- aspect du cordon : peu de dépôt d'oxydes adhérents.
Dans le but de chasser les vapeurs de zinc en amont du bain de soudage
et pour les empêcher de rentrer dans l'atmosphère gazeuse de protection de
l'arc
électrique, il est préférable en procédé MIG de souder dans le sens en
poussant
avec une inclinaison de torche de 25 environ. En dessous de cette valeur,
l'évacuation de vapeurs de zinc n'est pas aussi efficace, ce qui se manifeste
par
des instabilités d'arc et des projections. Au dessus de la valeur de 25 , il
apparaît
d'es perturbations lorsque du métal fondu est éjecté par le jet de gaz.
D'autre
part, le jet de gaz avec une orientation horizontale risque d'entraîner de
l'air
ambiant derrière l'arc, ce qui dégrade la protection du bain de soudage.
Le débit de gaz idéal pour la protection de l'arc et du bain de soudage est
donné par une valeur normalisée à la surface d'environ 0.05 I/min x mm2.
Ainsi,
pour une buse de 20 mm de diamètre, en soudage automatique, le débit est de
30 I/min, alors que pour une buse de 16 mm de diamètre, en soudage manuel,
le débit est de 20 I/min.
Exemple 1 : choix d'un mélange gazeux
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Dans un premier temps, les inventeurs de la présente invention ont
cherché à déterminer des effets de plusieurs composés gazeux contenus dans un
mélange de gaz de protection à base d'argon.
Les composants de mélange ayant été testés et les résultats obtenus. sont
donnés dans le tableau I ci-après.
Tableau I
Gaz Stabilité d'arc Compacité / Mouillage Oxydation Autres / risques
Porosités
argon + 0 0 +
Col +++ + - -
02 +++ - + -- Porosité / racine
Hz ++ - ++ +
He 0 + ++ + arc évasé
N2 + 0 0 +
Dans le tableau I, "+++" signifie excellent, "++" très bon, "+" signifie
bon; "0" signifie moyen, "-" signifie mauvais et , "--" signifie très mauvais.
En ce qui concerne la stabilité d'arc, on voit dans le tableau I que,
lorsqu'on on rajoute des élément oxydants à l'argon, tels que le 02 et le C02,
la
stabilité d'arc est augmentée de par la formation des oxydes superficiels plus
émissifs. L'azote peut amener également un effet de stabilisation mais dans
une
moindre mesure.
Certains éléments, tels que He ou H2 dans l'argon, ont une contribution
positive sur l'aspect et la morphologie du cordon.
L'arc sous hélium nécessite une tension plus élevée et donc une énergie
apportée au bain de fusion plus importante -qui peut améliorer les conditions
de
mouillage du cordon mais rendre plus difficile ma maîtrise de la pénétration
sur
les tôles fines.
L'hydrogène contribue à une amélioration de la morphologie et de l'aspect
de cordon.
La première propriété est liée à un effet de constriction de l'arc dans la
zone proche de l'extrémité du fil, c'est-à-dire une dissociation endothermique
qui
provoque un refroidissement important de la périphérie externe et donc la
constriction, et à un effet de restitution de chaleur importante au niveau de
la
pièce à souder, à savoir une recombinaison sur la surface avec libération
d'énergie.
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La seconde propriété, par effet réducteur de l'hydrogène, permet
d'obtenir des cordons exempts d'oxydes de surface.
Exemple 2 : test du mélange gazeux 98.5% Ar + 1% H2 + 0.5% CO,
Dans cet exemple, le mélange gazeux mélange formé de 98.5% Ar + 1%
H2 + 0.5% C02 (% volumiques) est évalué en soudage automatique et en
soudage manuel en adoptant les paramètres suivants
En soudage automatique
- distance buse-pièce (d) :15 mm
- débit de gaz (Q) : 30 I/min
- vitesse de soudage (Vs) : 50 cm/min
- angle torche/verticale : 25
En soudage manuel
- distance buse-pièce (d) :12 mm
- débit de gaz (Q) : 20 I/min
- vitesse de soudage (Vs) : 40 cm/min
- angle torche/verticale: 25
Les autres paramètres adoptés (type de fil d'apport, régime de transfert...)
sont donnés dans le tableau II ci-après pour le mélange 98.5% Ar + 1% H2 +
0.5% C02-
30
Tableau II
VFI Umoy Imoy Vs Pmoy Elin
m/min V A cm/min [kW] J/mm
Q, CuAI8
c ^ 0.8 mm 4 19 (17.6) 72 75 1.37 110
1.5 mm 5 19.4 17.6 95 50 1.94 233
CuSi3
0.8 mm 2.7 19 44 50 0.84 101
1.5 mm 5 20.2 86 50 1.74 209
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ufil Umoy Imoy vs (3) Pmoy Elin (3)
[m/min) V A cm min [kW] [3/mm]
CuAIB
u 0.8 mm 3.6 15.6 87 =70 1.36 116
i v 1.5 mm 4.6 16.3 106 =70 1.73 148
CuSi3
0.8 mm 3.7 14.9 79 =70 1.18 101
1.5 mm 5.5 15.2 106 =70 1.61 138
(1) essais faits en soudage automatique avec générateur de courant
480TR16 commercialisé par la société LA SOUDURE AUTOGENE FRANCAISE.
(2) essais faits en soudage manuel avec générateur de courant TPS2700
commercialisé par la société FRONIUS.
(3) vitesse en soudage manuel estimée à titre indicative.
Dans la colonne (Umoy), les nombres entre parenthèses correspondent à
la tension pour de l'argon pur.
La comparaison des résultats obtenus se fait sur l'aspect métallurgique et
sur les conditions opératoires : facilité de mise en oeuvre, fusion du fil,
stabilité
de l'arc et taux de projections.
La figure 1 permet de comparer la stabilité d'arc en soudage pulsé avec
de l'argon (graphe du haut) ou, à titre comparatif, le mélange gazeux Ar-H2-
CO2
de l'invention (graphe du bas). Comme on peut le voir, en soudage pulsé,
l'amélioration de la stabilité d'arc se traduit par une dispersion réduite de
la
tension (U) crête et de la tension de détachement de goutte en tension basse.
En soudage court-circuit, on apprécie essentiellement la régularité de la
fréquence de court-circuit, du rapport temps d'arc et temps de court-circuit,
et
l'intensité de court-circuit.
Le mouillage a un intérêt particulier pour le soudo-brasage.
La figure 2 permet de comparer le mouillage obtenu en soudage pulsé
avec de l'argon (graphe du haut) ou, à titre comparatif, le mélange gazeux Ar-
H2-CO2 de l'invention (graphe du bas).
Sur les coupes macrographiques de la figure 2, le mouillage est
caractérisé par la largeur (L), l'épaisseur (H), la pénétration (P) et l'angle
de
raccordement (a). Un exemple de cette évaluation se trouvent en annexe
(fig.2).
Les performances mécaniques des assemblages des tôles d'épaisseur
0.8mm obtenus sont évaluées par la résistance à la rupture (Rm) déterminée en
essai de traction 'guidée'.
Les résultats sont donnés dans le tableau III ci-après pour le mélange
gazeux ternaire de l'invention (Ar/COz/O2 de composition 98.5% Ar + 1% H2 +
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0.5% COz) et, à titre comparatif, un mélange gazeux binaire d'argon additionné
de 2% en vol. de C02 (Ar+2%CO2).
Tableau III
5
U) N C .U dl (n L 0
01 m Ç f0 7 f~0 v (^6
E N E
Ul \ ~\ N X N L E
CuAI8
mélange +++ + + + + 304.4
Argon + + 0 0 + 296.8
0
U Ar/H2/N2 ++ - 0 0 - 303.0
CuSi3
ai -
U) Mélange +++ + + + + 272.3
c Ar+2% CO2 ++ 0 0 0 + 275.4
Ar/CO2/O2 0 0 0 - -- 271.4
U)
X r_ 0 cm
.iJ m =- 4 U 0 N 0 L (`~ f0
N EE U W 0 "n.
N\ N X to E
CD > E O O 0 L .0 R
i
M U
â
CuAIS -
0 Mélange + ++ ++ ++ +++ -
gazeux
Argon 0 + + + ++ -
CuSi3 -
Ar+2% CO2 0 0 0 0 ++ -
+`+ mélange + ++ ++ 0 +++ -
(1) et (2) voir légende sous Tableau II.
(3) Rupture systématique dans le métal de base
Echelle d'évaluation voir légende sous Tableau II.
10 Comme on le voit, le mélange gazeux ternaire de l'invention (98.5% Ar
1% H2 + 0.5% C02) conduit comparativement à de très bons résultats par
rapport au mélange binaire de référence.
Des essais complémentaires réalisés dans des ont montrés que, dans une
plage de 0.3% à 2% en volume de C02, on obtient un effet satisfaisant de
stabilisation de l'arc pour une teneur en C02 d'environ 0.5 %. Cependant, une
augmentation de cette teneur en C02 n'est pas désirable car elle engendre des
effets négatifs d'oxydation du joint de soudure, notamment dépôts d'oxydes et
fumées.
De même, dans une plage de 0.5% à 10% en H2, la limite supérieure est
déterminée par la solubilité maximale de l'hydrogène dans le métal fondu qui
se
traduit par un risque d'apparition de porosités dès que la limite haute, est
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franchie. A l'aide d'un dépôt multicouche, simulant une reprise,- une
répartition
ou une consolidation locale, on a montré que ce risque n'existe pas pour un
pourcentage d'hydrogène inférieur à environ 2%. Par sécurité, la teneur en H2
a
été limitée à 1% en vol., ce qui représente aussi un bon compromis entre
l'amélioration de la forme et de l'aspect du cordon, et l'accroissement de la
vitesse de soudage. Des dosages d'hydrogène total dans le métal déposé ont
montré un taux de 6 gg/g, ce qui correspond à 0.067g/cm3, sachant que la
valeur maximale de solubilité admise au plan industriel est de 0.100 g/cm3
pour
un alliage de cuivre et d'aluminium
Un critère spécifique pour l'industrie automobile est l'aptitude du procédé
à absorber des jeux entre les tôles, c'est-à-dire des tolérances d'assemblage.
Pour les pièces de fines épaisseurs (<1.5mm), le jeu peut être égal à
l'épaisseur.
De manière particulièrement avantageuse, les assemblages soudés avec
le mélange de gaz ternaire de l'invention ont toléré un jeu allant jusqu'à 2mm
pour une épaisseur de 1.5mm, soit un jeu, supérieur à l'épaisseur des pièces
soudées.
A titre comparatif, l'utilisation de mélanges de gaz à base d'argon
additionné de quelques pourcentages d'oxygène ou d'azote amènent plus
d'énergie dans le bain de soudage et engendre rapidement un risque de perçage
indésirable de la tôle supérieure de l'assemblage.
En outre, lors d'un assemblage soudo-brasé, il est souhaitable de créer un
assemblage avec dilution minimale du métal de base, typiquement le fer.
Cependant, on tolère une légère fusion de ce métal de base afin d'éviter un
simple collage du cordon.
Durant les essais réalisés dans le cadre de la présente invention, il a été
constaté que le taux de dilution du fer dans le métal déposé, calculé selon
les
contributions volumiques, reste en dessous de 5% pour les tôles de 1.5 mm
épaisseur, qui est un valeur tout à fait admissibles au plan industriel.
Le mélange de gaz de l'invention a montré, en outre, une aptitude à
conférer une bonne maniabilité en soudage manuel puisque le soudage en
verticale descendante et en corniche ne nécessitent pas d'adaptation de
paramètres particuliers par rapport à un soudage en position à plat.
Il est à noter que l'aspect de surface du cordon peut être encore amélioré
en utilisant un "traînard" qui prolonge la zone de protection de 5Omm environ
pour optimiser la protection gazeuse du bain de soudage pendant le
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refroidissement car cela permet d'éliminer les oxydes de cuivre formés sur le
cordon, phénomène ayant essentiellement lieu avec le métal d'apport CuSi3.
Si la buse annulaire est alimentée avec le mélange gazeux ternaire de
protection de l'invention, le "traînard" peut être alimenté de préférence avec
le
même mélange ou en argon pur (débit 101/min environ).
