Contribution to study of phenomena related to anodic and cathodic effects in GMAW
Contribution à l'étude des phénomènes liés aux effets anodiques et cathodiques en soudage MIG-MAG
Résumé
The gas metal arc welding (GMAW) process is based on the use of an electric arc to transfer melted metal droplets from a consumable electrode (the anode) to the welded plate (the cathode) under controlled shielding gas. Various transfer modes can occur, according in particular to the choice of the welding current and shielding gas composition. The spray transfer mode, that users prefer, is obtained for a high enough current under pure argon; For a lower current or when CO2 is added in the gas in sufficient concentration, the transfer becomes globular, with a lower quality. The purpose of the work presented in this memoir is to define the conditions allowing to get the spray transfer mode for the highest possible CO2 concentration in the shielding gas and/or the lowest possible arc current value. The study is based on high-speed arc image observation to characterize the conditions of transition between the two transfer modes. The plasma column diagnosis has been carried on by optic emission spectroscopy using an original method leading to get electronic temperature and density without hypothesis on the equilibrium state of the plasma. The data obtained allowed to map the metallic vapours repartition in the column for various working modes. Scanning electron microscopy analysis of the consumable electrode led to the understanding of the phenomenon occurring at electrodes during the transition between globular and spray transfer modes. In particular, it appears that the alloying elements present in consumable electrode's steel have a large influence on the obtained results and that their control allows a significant improvement of the welding process performances.
Le procédé de soudage MIG-MAG repose sur l'utilisation d'un arc électrique pour transférer des gouttes de métal fondu d'une électrode consommable (l'anode) vers la pièce à souder (la cathode) sous protection gazeuse contrôlée. Différents régimes de transfert peuvent exister, selon le choix notamment du courant et la composition du gaz de protection : le régime pulvérisation axiale, préféré par les utilisateurs, est obtenu pour un courant suffisamment élevé sous argon seul ; Pour un courant plus faible ou lorsque du CO2 est ajouté en quantité suffisante dans le gaz, le transfert devient globulaire, de moindre qualité. L'objectif du travail présenté dans ce mémoire est de définir les conditions permettant d'obtenir le régime de pulvérisation axiale pour le taux de CO2 dans le gaz de protection le plus élevé possible et/ou un courant d'arc le plus faible possible. Les travaux réalisés sont basés sur l'observation de l'arc par imagerie rapide pour déterminer les conditions de la transition entre les deux régimes de soudage. Le diagnostic de la colonne de plasma a été réalisé par spectroscopie optique d'émission en utilisant une méthode originale donnant accès à la température et la densité électronique sans hypothèse sur l'état d'équilibre du milieu. Les résultats obtenus ont permis de déterminer la répartition des vapeurs métalliques dans la colonne pour différents régimes de fonctionnement. L'analyse en microscopie électronique à balayage de l'électrode consommable a permis de comprendre les phénomènes se produisant aux électrodes lors de la transition entre les régimes globulaires et de pulvérisation axiale. En particulier, il s'avère que les éléments minoritaires de l'acier constituant l'électrode consommable ont une grande influence sur les résultats obtenus, et que leur contrôle permet une amélioration significative des performances du procédé de soudage.