Les performances des électrodes TIG
L’utilisation sans cesse accrue et entièrement automatisée des techniques de soudure TIG a entraîné une exigence d’amélioration des performances des électrodes tungstène.
1. INTRODUCTION
L’utilisation sans cesse accrue et entièrement automatisée des techniques de soudure TIG a entraîné une exigence d’amélioration des performances des électrodes tungstène, telles que :
[*]Meilleure stabilité de l’arc,
[*]Meilleure fiabilité, aussi bien lors d’opérations de longue durée que lors d’amorçages répétés de l’arc.
Le moyen traditionnel d’améliorer les propriétés est d’ajouter de petites quantités d’oxyde de thorium (ThO2) au tungstène avant mise en forme de l’électrode. L'énergie nécessaire au transfert d'électrons de l'oxyde de thorium étant plus faible, l'oxyde de thorium facilite l’amorçage de l’arc et abaisse la température de fonctionnement de l’électrode. Cependant, le tungstène dopé au thorium présente deux inconvénients majeurs :
[*] Des amorçages d’arc répétés ou une utilisation à fort ampérage entraîne rapidement une évaporation du thorium depuis la surface de l’électrode, dont les effets sont l’impossibilité d’amorçage, une usure excessive de l’électrode ou un arc qui devient instable.
[*]Le thorium est un élément radioactif. Bien que son utilisation dans cette application soit largement sans danger, en raison de sa faible concentration et des excellentes propriétés d’absorption des radiations de la matrice en tungstène, même les sources faiblement radioactives posent problème. Le Health and Safety Executive (HSE) britannique a publié un document d’information qui donne des conseils pour le stockage et l’utilisation d’électrodes en tungstène dopé au thorium (1). Il recommande qu’une extraction soit installée à proximité lors des opérations de meulage, et que les poussières provenant de l’équipement de meulage, ainsi que les pointes usées soient récupérées dans un conteneur scellé et envoyées en centre d’enfouissement. De nouvelles restrictions d’utilisation du thorium sont probables. Le HSE recommande à ses inspecteurs en usine de fortement suggérer aux utilisateurs, là où les électrodes en tungstène ne sont pas nécessaires pour assurer la qualité de la soudure, de rechercher des alternatives (2).
Des additifs autres, non radioactifs, pour les électrodes en tungstène, sont disponibles, par exemple l’oxyde de lanthane (La2O3) ou de cerium (CeO2). Par rapport aux électrodes dopées au thorium, ces électrodes sont réputées pour avoir de meilleures caractéristiques d’amorçage d’arc et être consommées moins rapidement sous forte charge (3-9).
Une électrode dopée sans thorium est disponible sur le marché : la MULTISTRIKE® tungstène.
2. OBJECTIF
Comparaison des performances des électrodes MULTISTRIKE® et des électrodes conventionnelles au thorium pour soudage TIG.
3. PROCEDURE
3.1 Produits
On a comparé des électrodes MULTISTRIKE®et des électrodes à 2 % de thorium, de 2,4 mm de diamètre. Les électrodes MULTISTRIKE® ont été prises au hasard dans un lot représentatif. Les embouts d’électrode ont été meulés pour donner un angle de 45°.Le gaz de protection était de l’argon. Un acier inoxydable était le matériau de base.
3.2 Equipement
Le poste de soudage était un Miller SYNCROWAVE 300. Ce poste utilise quatre redresseurs silicium (SCR) sur une phase, en configuration redressé deux alternances. Ses caractéristiques :
[*]Tension maximale en circuit ouvert : 80 volts,
[*]Temps de montée : environ 35 millisecondes,
[*]Gammes d’intensité de soudage : basse, de 5 à 75 A, haute de 15 à 375 A,
[*]Courant de soudage nominal : 300 A @32 volts, avec un cycle d’utilisation de 60 %.
Le courant de soudage est stable à 1 % près pour des variations de tension réseau de 10 %. Ce poste a de bonnes caractéristiques d’amorçage d’arc.
Des tests supplémentaires d’amorçage ont été effectués en utilisant un générateur OTC ACCUTIG 300P à onduleur. Ce poste a pour caractéristiques :
[*] Tension maximale en circuit ouvert : 60 volts,
[*]Fréquence maximale d’impulsions : 500 Hz,
[*]Gamme d’intensité de soudage : de 4 à 300 A,
[*]Courant de soudage nominal : 300 A @ 20 volts, avec un cycle d’utilisation de 40 %.
Ce poste présente d’excellentes caractéristiques d’amorçage d’arc.
3.3 Programme de travail
Le programme de travail comportait deux phases :
[*]Caractéristiques d’amorçage,
[*]Tenue de l’électrode aux fortes charges.
[INDENT]3.3.1 Phase 1 : Caractéristiques d’amorçage de l’arc
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[INDENT]
[/INDENT]
Les caractéristiques d’amorçage du matériau de chaque électrode ont été mesurées sur vingt cycles de soudage. Chaque cycle comprenait un soudage de trente secondes, suivi de trente secondes de refroidissement.
Les paramètres de soudage de ce test figurent dans le Tableau 1.
Avec le Miller Syncrowave 300, des longueurs d’arc de 1,5 et 3 mm ont été essayées.
Avec l’ACCUTIG 300P, des arcs longs de 2 mm et 6 mm ont été essayés.
Chaque test était classé comme générant un arc stable, après initialisation par haute fréquence, une fois la haute fréquence coupée, ou comme mauvais, si aucun arc n’était amorcé.
Tableau 1: Paramètres de soudage pour les caratéristiques d’amorçage de test:
[LIST=1]
[*=1]Phase 2 : Tenue de l’électrode aux fortes charges
La capacité du matériau de chaque électrode de tenir aux fortes charges (courants élevés) a été vérifiée lors d’un essai en continu.
Les paramètres de soudage mis en œuvre pour ces essais sont détaillés dans le Tableau 2. La longueur de l’arc a été maintenue à 3 mm pendant l’essai.
Le poids de chaque électrode a été mesuré avant et après essai.
Tableau 2 : Paramètres de soudage pour les essais sous forte charge
4. RESULTATS
On a remarqué que la tension de l’arc pour maintenir la même longueur d’arc était plus faible pour les électrodes MULTISTRIKE®que pour les électrodes thoriées à 2 %. Le travail de sortie des électrodes MULTISTRIKE®en est probablement la raison; cet argument est en ligne avec la revendication d’un abaissement de la température de l’électrode, lorsqu’on passe d’une électrode à 2 % de thorium à des électrodes contenant d’autres additifs (5). Cependant, il faut être conscient que si la tension de l’arc va en-dehors de la fourchette spécifiée dans la procédure de soudage, il sera nécessaire de qualifier une nouvelle procédure de soudage.
4.1 Phase 2 : Caractéristiques d’amorçage de l’arc
Le Tableau 3 montre les résultats des essais de détermination des caractéristiques de l’amorçage d’arc.
Avec le poste Miller Syncrowave 300, il a été nécessaire de procéder à une légère abrasion de l’embout des électrodes entre chaque essai pour faciliter l’amorçage de l’arc. Sans abrasion, il était impossible de réamorcer, pour les deux types d’électrode, même la longueur de l’arc était réduite à un millimètre. Avec l’abrasion de l’extrémité, un arc a été amorcé à chaque essai.
Avec l’ACCUTIG 300P, un arc a été amorcé à chaque essai, sans aucune abrasion de l’embout.
Tableau 3 : Résultats des essais sur les caractéristiques d’amorçage de l’arc:
4.2 Phase 2 : Performance de l’électrode sous charge élevée.
Le Tableau 4 indique les changements de poids des électrodes sur l’ensemble de l’essai. Aucun changement notable de poids n’a pu être mesuré sur les électrodes MULTISTRIKE® et une très faible variation a été enregistrée pour les électrodes à 2 % de thorium.
Les Figure 1 et 2 montrent respectivement les électrodes thoriées à 2 % et les électrodes MULTISTRIKE®, avant et après l’essai. On voit bien que les électrodes MULTISTRIKE® ont conservé leur profil bien mieux que les électrodes thoriées à 2 %.
Le soudeur a remarqué que l’arc a été très stable pendant tout l’essai avec les électrodes MULTISTRIKE®alors que, vers la fin de l’essai avec les électrodes thoriées à 2 %, l’arc était quelque peu instable.
Tableau 4 : Modification du poids des électrodes lors de l’essai sous charge élevée:
Discussion
4.3 Caractéristiques d’amorçage
Dans les conditions d’utilisation choisies, les performances des électrodes MULTISTRIKE®et des électrodes à 2 % de thorium ont été identiques. Cela est conforme avec les travaux publiés (3,4).
4.4 Performance des électrodes sous charge élevée
Sous charge élevée, les électrodes MULTISTRIKE® ont conservé leur profil mieux que les électrodes à 2 % de thorium. Cela veut dire que l’embout des électrodes MULTISTRIKE®fond nettement moins que celui des électrodes thoriées à 2 %. C’est en accord avec les travaux publiés (3,4,9). La modification du profil de l’électrode peut probablement être la cause de l’instabilité de l’arc observée avec les électrodes à 2 % de thorium.
(a) 
(b)Fig. 1 Aspect des électrodes à 2 % de thorium, 2,4 mm de diamètre, (a) avant et (b) après une heure d’utilisation continue à 180 A.
(a) 
(b) Fig. 2 Aspect des électrodes MULTISTRIKE®, 2,4 mm de diamètre, (a) avant et (b) après une heure d’utilisation continue à 180 A.
5. CONCLUSIONS
On a comparé les caractéristiques d’amorçage d’arc et de consommation d’électrodes sous charge élevée, pour des électrodes à 2 % de thorium, et pour des électrodes MULTISTRIKE®.
No us en avons conclus que :
Avec une tension en circuit ouvert de 80 volts, une valeur courante au Royaume-Uni pour des postes de soudage, les caractéristiques d’amorçage des électrodes à 2 % de thorium et des électrodes tungstène MULTISTRIKE® sont similaires.
Sous charge élevée, avec un arc continu de 180 A pendant une heure, les électrodes tungstène MULTISTRIKE®ont moins fondu, et leur profil est resté bien meilleur.
6. RECOMMANDATIONS
Les électrodes tungstène MULTISTRIKE® pourraient être envisagées pour remplacer efficacement les électrodes tungstène à 2 % de thorium.
7. CONDITIONS CONTRACTUELLES
Veuillez noter que la politique de TWI interdit qu’on utilise son nom pour appuyer des documents commerciaux.
Si les résultats de cette étude sont diffusés en-dehors de Huntingdon Fusion Techniques, il faut spécifier les conditions dans lesquelles ces essais ont été menés.
8. REMERCIEMENTS
L’auteur tient à remercier R.A. Sewell (Huntingdon Fusion Techniques) pour nos échanges utiles, et pour avoir fourni les électrodes MULTISTRIKE®, et C. Hardy (TWI) pour son aide lors des essais de soudage.
Références
[LIST=1]
[*]Health and Safety Executive: 'Storage and use of thoriated tungsten electrodes'. Information document HSE 564/5.
[*]Health and Safety Executive: 'Thoriated tungsten electrodes'. Document OC 564/5.
[*]Ushio M and Matsuda K: 'Study on gas-tungsten-arc electrode'. IIW document 212-648-80.
[*]Matsuda K, Ushio M and Kumagi T: 'Study on gas-tungsten-arc electrode (Report 1)'. Trans. JWRI, Vol. 15, No. 1, 1986, pp13-19.
[*]Matsuda K, Ushio M and Fujii H: 'Study on gas-tungsten-arc electrode (Report 2)'. Trans. JWRI, Vol. 15, No. 2, 1986, pp7-10.
[*]Matsuda K, Ushio M, Kiriishi D and Sadek A: 'Direct observation of cathode surface'. Trans. JWRI, Vol. 16, No. 2, 1987, pp19-26.
[*]Matsuda K, Ushio M and Sadek A: 'Study on gas-tungsten-arc electrode (Report 4)'. Trans. JWRI, Vol. 18, No. 1, 1989, pp1-4.
[*]Matsuda K, Ushio M and Sadek A: 'Study on gas-tungsten-arc electrode (Report 5)'. Trans. JWRI, Vol. 18, No. 1, 1989, pp5-12.
[*]Castner H: 'New developments in gas tungsten arc welding electrodes', Edison Welding Institute report.
Text d'origine sur le Performance of TIG Electrodes
Text traduit par M. P.Dubosc
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