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Procédé et appareil pour la fabricàtion de tuyaux à joint soudé par fusion.
La présente invention est relative à la fabrication de tuyaux et de tubes soudés par fusion et consiste d'une manière générale, en un procédé continu dans lequel du métal plat est amené à la forme tubulaire, le métal étant alors usiné de ma- nière que ses bords soient placés dans la position voulue les uns par rapport aux autres et que ces régions soient ensuite soudées par fusion. L'invention a trait, plus particulièrement, à des tuyaux soudés bout à bout, et, spécialement à des tuyaux en hélice.
Il va de soi qu'on connait le mo en d'amener sous forme d'hélices du métal en feuilles ou en planches,, du fait que les
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bords latéraux sont mis en contact, et de souder le joint ou couture en hélice afin de former des tuyaux.
Les procédés connus de fabrication des tuyaux ou tubes soudés par fusion en partant :l'une bande enroulée en hélice ont cependant révélé certaines difficultés d'exécu- tion dans la pratique, surtout dans le cas où il s'agit de tuyaux à parois relativement épaisses. En raison de l'élas- ticité du métal, il a été jusqu' à présent de pratique courante de souder le joint immédiatement après sa formation, c'est pourquoi la soudure devait être effectuée dans l'espace de quelles centimètres, alors que les bords du joint se trou-, vaient encore sous l'influence du grand effort de cintrage.
Alors que le métal résistait encore à la déformation pendant que les bords étaient joints les uns aux autres, le joint nouvellement formé était soumis à de gros efforts internes qui réduisaient sensiblement la résistance du dit joint.
Des essais ont été tentés pour supprimer la néces- sité de placer l'appareil de soudure immédiatement au point oùle métal en planches ou en feuilles était amené de biais dans sa nouvelle forme, en prévoyant un manchon destiné à recevoir l'hélice au fur et à mesure de sa formation et à la guider vers la machine de soudage distante de l'appareil de formation, d'une quantité correspondant à l'espacement d'une spire. Ceci n'a cependant pas donné satisfaction parce qu'il était impossible de maintenir la feuille cihtrée en contact bord a bord et aussi les bords de la dite feuille à l'alignement Le joint, même s'il avait été soudé complètement et avec succès, continuait à souffrir de l'énorie effort auquel le métal était soumis au cours de la formation et présentait moins de solidité et de résistance que le reste du tuyau ou tube.
Les opérations de transformation de lafeuille ou planche en une hélice exigeaint en outre, un réglage extrê- mement précis pour assurer l'alignement eaact et le raccor- dament bout à bout des bords du métal cintré et l'obtention
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d'un tuyau d'un diamètre désirée
Grâce à la présente invention comme cela va être décrit d'une façon plus détaillée ci-après, l'opération de soudure peut être effectuée à toute distance voulue de l'ap- pareil de formation et l'alignement exact et le raccordement bout à bout des bords du joint se trouve assuré quelle que soit l'importance de cette distance.
De plus, les tuyaux fa- briqués présentent tout diamètre uniforme spécifique voulu et ces joints sont soustraits à tout effort pendant et après l'opération de soudure, ce qui, par conséquent, supprime toute faiblesse ultérieure des joints.
Les dessins annexés m&ntrent une forme préférée d'appareil pour la mise en pratique du procédé suivant la présente invention, à titre d'exemple seulement, et, dans ces figures :
La fig. 1 est une élévation d'un appareil destiné à la fabrication de tuyaux soudés suivant la présente invention.
La fig. 2 est une vue de détail en plan d'une partie de la machine à cintrer le métal utilisée dans l'appareil de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue en élévation de l'appareil à souder vu suivant la ligne 3-3 de la fige 1.
La fig. 4 est une élévation de face d'une machine à estemper ou à matricer qui peut être employée comme partie de l'appareil montré sur la fige 1, certaines portions étant arrachées pour en faire voir la construction interne
La fig. 5 est une élévation latérale de la dite machine à estamper ou matricer dont la porte est ouverte pour laisser voir les éléments de la machine.
La fig. 6 est une vue de détail en coupe suivant la ligne 6-6 de la fig. 4 montrant la construction et l'assem- blage de la cage, de la broche et des partie associées.
Les dessins montrent schématiquemen en 10 une partie
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de l'appareil employé d'une façon continue pour recourber une feuille ou bande droite de métal en planche ou en feuille 12 pour lui donner la forme d'une hélice 14 qui s'éloigne de l'ap- pareil à une vitesse constante. En sortant de la machine à cintrer, l'hélice est amenée à une machine à estamper ou à matricer 16, aux fins d'être usinée mécaniquement dans le but d'amener la feuille cintrée ou recourbée à conserver le contour voulu. Le métal rigidement fixé se meut alors vers l'appareil de soudure 18 où le joint 20 est soudé étroitement pour for- mer un tuyau dont les joints forment en substance corps avec les parois de celui-ci.
On peut ensuite faire passer le tuyau soudé 22 à travers une autre machine à matricer 24, après quoi le tuyau continu sortant de la machine à souder peut être, au moyen de toute opération ou appareil convenable, @ débité en longueurs de toutes dimensions voulues.
Considérant que l'appareil servant à donner à la feuille la forme d'une hélice n'entre dans la présente invention qu'autant qu'il est nécessaire pour rouler la feuille ou plaque de métal d'une façon continue sous forme d'une hélice, cette partie de l'appareil pour mettre l'invention en pratique est entièrement représentée d'une façon schématique. Pour mettre cette invention en pratique, on peut employer tout appareil qui convient à la production d'une feuille ou bande en forme d'hélice.
Dans la construction particulière qui est représen- t@e sur le dessin, il est fait usage d'une série de rouleaux affectant une forme pyramidale 26, 28 et 30, pour faire biaiser ou obliquer le métal au degré voulu pour que, après avoir quitté les rouleaux, la feuille ou bande prenne une forme tubulaire dont les parois sont formées par les spires hélicoïdales de la bande de métal. Le diamètre du tube ainsi formé est fonction du degré de cintrage à l'endroit des rouleaux 26 à 30, de même que de l'angle sous lequel la plaque ou feuille 12 rencontre ses rouleaux, et aussi des facteurs d'élasticité et de l'épaisseur du métal employé.
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Le rouleau 28 est de préférence maintenu dans un palier approprié,porté par un bras fixe en porte-à-faux 3@ feront assujetti au bâti 36 de l'appareil de cintrage. La feuille ou bande passe autour du bras 34 et, du fait de la commande positive des rouleaux associée au ras dont s'agit ou de ce que la feuille est forcée à travers les rouleaux sous l'action d'une pression exercée de manière à agir directement sur la feuille ou bande avant que celle-ci n'ar- rive aux rouleaux en forme de pyramide, la feuille ou planche est cintrée continuellement de telle sorte qu'après qu'elle a subi l'action des rouleaux elle prenne le contour de l'hélice 14, L'hélice 14 tournant continuellement,
le métal nouvellement cintré qui y arrive se meut également dans le sens longitudinal le long de son axe en s'éloignant de l'appareil de cintrage pour aller à la machine à matri er 16 qui est placée en un point immédiatement adjacent à l'ex- trémité de décharge du rouleau 28 duquel l'hélice s'échappe en glissant dans son mouvement longitudinale
La construction spécifique d'une machine à estamper ou à matrice r 16, voire même l'emploimd'une machine de cette nature, n'est pas absolument indispensable au succès de la mise en pratique d'un procédé suivant l'invention.
Assurer le travail ou l'usinage mécanique du métal cintré ou recourbé dans une mesure telle que la formation soit rigidement main- tenue, même lorsque la feuille cintrée est entièrement libre de prendre une forme voulue sous l'action de forces inté- rieures telles que celles résultant des efforts élastiques, tel est le but vers lequel tend cette partie du procédé.
Une machine à estamper du type qui va être décrit ci-après se prête', avec une grande efficacité et une grande facilité de contrôle et de fonctionnement, à ce travail du métal ; en même temps on obtient, grâce à son fonctionnement basique au moyen des hélices dont les diamètres extérieurs varient d'une
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façon appréciable suivant les nrorriAt-,,-, rC m±+>,,w +wm:.1' -
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des tuyaux présentant des dimensions pratiquement exactes,
L'invention peut également être mise en pratique en recou rant à des opérations dans lesquelles la Quille amenée à la forme l'hélice est usinée par laminage ou par un moyen analogue.
L'usinage mécanique effectué par la machine à matricer 16 consiste, de préférence, en une opération de martellement dans laquelle l'hélice métallique, tournant et se déplaçant axialement, est attaquéepar un certain nombre de matrices se mouvant rapidement, la machine comprend un socle 38 duquel partent les montants verticaux 40, à l'extrémité supérieure desquels est supporté le porte- outil ou tête 42. Le sode38, les montants 40 et le porte- outil 42 sont de préférence venus de fonte d'un seul bloc, le porte-Outil étant rercé ou alésé en 44 et fraisé en 46 pour recevoir une broche tubulaire4S. Des coussinets appropriés 50 s'adaptent dans l'orifice 44 pour permettre à la broche de tourner. Une des extrémités de la broche présen- te une tête cylindrique agrandie 52 placée . l'intérieur du fraisage 46.
Les surfaces adjacentes de la tête 52 et du fraisage 46 sont maintenues hors de contact par des rondelles d'espacement 54 prévues entre la surface de la tête et l'extrémité du coussinet 50 , dans des buts bien connus. L'autre extrémité de la broche part de l'orifice 44 et porte, :le préférence, un volant 56 qui, ou bien est actionné directement par une courroie, oubien tire ie l'énergie d'un organe moteur approprié, par l'intermédiaire d'une chaîne 58 venant en prise avec une roue dentée montée sur la broche 48.
La tête cylindrique 52 de la broche est traversée par une ou plusieurs rainures 60 espaces sous des angles égaux, s'étendant complètement en travers de la surface de la tête, se coupant au centre de celle-ci et débouchant dans le trou de la broche tubulaire et sur les côtés de la tête
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dans un second, fraisage 62 ménagé dans le porte-outil 42.
A l'intérieur de chaque rainure est logée une paire de matrices 64, de préférence en acier durci, dont les faces 66 disposées en un point adjacent à l'axe de la broche, reçoivBnt une courbe précise allant du point Initial , ou point 3' en- trée, 68 au point final ou point de décharge 70, pour régler l'usinage du métal en partant d'un diamèyre d'hélice formé originellement, jusqu'au diamètre fournidéfinitivement. Les motrices sont susceptibles de se mouvoir librement à l'in- térieur des rainures 60 dans les limites fixées par les surfaces intérieures adjacentes 72 des matrices associées et les faces internes 74 des marteaux 76.
Les marteaux sont également susceptibles de se mouvoir librement dans des rainures 60, et ce dans des limites fixées par les matrices et un certain nombre de rouleaux 78 montés dans le fraisage 62, comme on le verra ci-après pans le fraisage 62, est montée ,de préférence, étroitement serrée mais de façon à pouvoir être retirée, la bague trempée 80, à l'intérieur de laquelle est étroite- ment montée la cage 82. La cage consiste en une pièce annulaire usinée dans la face de laquelle sont ménagés les évidements cylindres 84 dont les diamètres sont supérieurs à la largeur de la cage, de telle sorte que les dits évide- ments débouchent sur chaque bord de la pièce annulaire.
Dans chaque logement ou évidement est monté un des deux rouleaux 78 dont les diamètres sont supérieurs à la largeur de la cage mais plus petits que celle du logement ou vévidement 84, de manière que les rouleaux puissent se mouvoir transversalement par rapport à la cage suivant un mouvement qui est limité par la bague trempée 80, d'un côté, et la face 86 du marteau de l'autre coté. Une bague 88 fixée à la face de la cage 82 sert à maintenir les rouleaux 78 dans leurs évidements respectifs, tandis qu'une porte 90 montée à pivot sur l'ex- trémité antérieure du porte-outil 42 peut être amenée contre
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celui-ci pour boucher le fraisage 62 et maintenir dans celui- ci les organes respectifs convenablement associés les uns aux autres.
Une bague 92 fixée à l'une des extrémités de la broche, maintient en position les matrices et les marteaux, alors qu'une bague de butée 94, disposée entre la bague 88 et la bague 92, d'une part, et la porte, d'autre part, est ,-prévue dans des buts bien connus des hommes du métier.
Le principe du fonctionnement appliqué à une machine à estamper ou à matricer 16 tient compte des rorces centrifuges qui éloigneraient les matrices et les marteaux, se déplaçant librement, :le l'axe de la broche au cas où cette dernière tournerait rapidement* Ce mou vement centrifuge est interrompu par le contact des faces 86 avec les rouleaux 78 dont le mouvement vers l'extérieur est limité par la bague 80. Les rouleaux grimpent le long du plan incliné gradué des faces 86 au fur et à mesure que les rouleaux chassent les marteaux vers l'intérieur pour projeter les matrices à laur, tour, de dehors en dedans vers l'hélicâ 14.
Cette dernière est entrai- née à travers l'ouverture de guidage 93 ménagée dans la porte 90 au-delà des faces 66 des matrices et à travers le passage 95 formé par l'a@ésage central de la tige ou broche. 'Un jeu suffisant, laissé entre les rouleaux 78 et les évidements 84 et entre la cage 82 et la bague 80, met en substance la cage à l'abri de tout choc qui est supporté par les matrices, les marteaux, les rouleaux et les bagues 80. Comme des hélices de diamètres différents peuvent être amenées à la machine en vue de réductions variables, des changements peuvent être apportés aux marteaux, aux matrices et aux rouleaux.
L'étendue de l'usinage ou travail auquel le métal doit être sàumis et la ' réduction de diamètre que l'on veut obtenir sont déterminées avant de commencer l'opération. Ces résultats peuvent alors être obtenus en faisant corroborer correctement avec la puissan- ce de chaque coupla nombre de coups donnés par unité à usiner* ; On peut faire varier le nombre des rouleaux 78 ! en intronisant .
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de nouvelles cages 82, de même qu'on peut faire varier le com- bre des matrices et régler la vitesse de votation- La vitesse de fabrication du tuyau sera fonction des facteurs de la machine conformatrice,de même que de ceux qui ont trait aux vitesses de matricage et de soudure, tous ces facteurs devant être coordonnés.
Dans la matricage, ou estampage, les matrices viennent à chaque coup, en contact de serrage positif avec le métal en- roulé en hélice. La broche, tournant rapidement, entraine les matrices à une vitesse bien plus grande que celle à la- quelletourne l'hélice en cours de formation de sorte que les matrices, saisissant la bande en hélice avec une pression considérable, par suite de la grande énergie cinématique qui leur est originellement communiquéepar les rouleaux, tordent la bande en forme d'hélice à l'endroit où elles sont en con- tact avec celle-ci.
Lorsque les sens de rotation sont dans un rapport convenable les uns par rapport aux autres, le serrage des matrices tend à assurer un mouvement des bords adjacents des enroulements hélicoïdaux pour les rapprocher plus étroitement et les faire buter avec plus de précision les uns contre les autres, de sorte que, lorsque le tube en hélice a été usiné et quitte finalement la machine à souder, les bords adjacents se trouvent être matés les uns tout contre les autres, et demeurent dans cet état jusqu'à ce qu'ils soient soudés en vertu de la rigidité résultant du travail effectué surle métal. Dans ce but, la broche et les matrices tournent dans le même sens que la bande enroulée en hélice, comme l'in- diquent les flèches 96 et 98 figurant sur la broche et sur l'hélice, respectivement.
En même temps qu'à lieu l'accélération du mouvement de rotation de l'hélice au moment où les matrices exercent lour serrage par contact, le mouvement lon- gitudinal de l'hélice cesse, celle-ci ±devant maintenant subir les opérations de soudure et d'usinage final.
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Jusqu'à présent, il a été question de l'usinage d'une bande enroulée en hélice, tournant et se déplaçant dans le sens longitudinal, usinage dans lequel aucun moyen n' est prévu pour maintenir la bande dans son état déformé. En paieil cas, la rigidité du métal cintré et le support offert par les matrices de la machine à matricer constituent les seules influences qui tendent à maintenir la feuille enroulée en gélice suivant le contour correct qui lui a été donné.
Toutefois l'intention n'est pas de Imiter l'applica- tion de l'invention à l'usinage ou façonnage de la feuille cintrée dans une mesure suffisante pour préserver celle-ci de tout effet de séparation. Le but de l'invention est plustôt de réduire sensiblement la tendance qu'aurait le métal cintré à reprendre sa forme plane, au fur et à mesure de la formation du tube ou tuyau. Des moyens supplémentaires peuvent être prévus pour guider ou maintenir le métal de manière à assurer que les bords occupent une position correcte les uns par rapport aux autres au point où se fait la soudure.
Lorsque la surface intérieure de la bande en hélice n'est pas supportée il s'ensuit que, à cnaque coup dematrice, le métal est soumis à un brusque effort de cintrage, en sorte que la surface ex- térieure est soumise aux efforts brusques de compression des coups et que la surface intérieure est également influencée par :le brusques efforts :le cintrage. Dans une forme de l'ap- pareil adoptée de préférence, il est fait usage d'un mandrin 100 concuremment avec les matrices de la machine à estamper ou à matricer.
La partie en forme d' enclune 102 du mandrin peut, dans sa construction, suivre de la façon la plus efficace tout dessin mécanique tendant à assurer le bon entraînement de la feuille en hélice, aussi bien dans le sens du mouvement de rotation que dans celui du mouvement longitudinal tout en assurant un support convenable a la feuille déformée et en maintenant les bords de la feuille à l'alignement correct.- Le mandrin sera supporté à l'intérieur des matrice et sera
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maintenu en 1-position par rapport à ces dernières au moyen il'une biellette 104 reliée par des joints à rotule 106 et 108 à l'une :
les extrémités du mandrin et à l'extrémité libre du rouleau 28 , respectivement., Le mandrin a alors la possibilité de prendre toute position nécessaire par rapport à l'hélice passant par la machine à matricer et aussi à tourner par rapport au rouleau 28, tandis que, en même temps, il est dé- finitivement logé à l'intérieur de la feuille enroulée en tout temps et est empêché d'effectuer tout mouvement dans le sens longitudinal.
L'utilisation d'un mandrin, en plus de ce que celui-ci guide les bords de la feuille ou planche de manière qu'ils soient amenés à l'alignement correct les uns des autres et butent convenablement les uns contre les autres, permet de réduire d'une façon appréciable la quantité d'énergie qu'il faut nécessairement dépenser pour fixer les bords dans la position qu'ils occupeht les uns par rapport aux autres et ré- primer la tendance qu'ils auraient à se séparer. Dans le cas d'une hélice supportée librement, le travail se fait sur toute la section transversale du métal comme il est décrit rela- tivement au cintrage effectué.
Toutefois, lorsque le mandrin est utilisé, un cintrage appréciable ou autre déformation de la feuille ne se produit que le long de la surface ou couche extérieure, attendu que la surface du mandrinpréserve la sur- face intérieure contre toute éformation, La surface intérieure de l'hélice @ n'est influencée en pareil cas que par l'effet réactmf de martellement de la face du mandrin qui est,par lui-même insuffisant pour exercer sur cette face un travail appréciable quelconque.
La fa@e extérieure de la feuille cintrée est soumise au contact direct des matrices., Le façonnage intensif de cette surface qui s'étend jusqu'à une certaine profondeur au-dessous :le la surface, fait que le métal est maté au point de pouvoir résister à to te tendance qu'il aurait à quitter la forme (lui lui a été donnée*
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L'hélice estampée, matricée ou façonnée de toute autre manière, passe alors à l'appareil de soulage 18 qui peut affecter une forme similaire à celle du chaluneau à souder et du dispositif de support et de réglage y associé faisant l'objet du brevet français de la Sté dite :
Davis Bournonville Cy, du 20 février 1920, N 510395, ceux-ci étant disposés dans l'ordre convenable les uns par rapport aux autres pour permettre de souder le joint ou couture en hélice en se déplaçant le long de son chemin ou voie en hélice., L'appareil 18 est monté, de préférence, sur un support 110 à l'extrémité supérieure duquel est monté à pivot le bras de support 112.
Le sens dans lequel le bras 112 pivote est tel que l'on peut faire osciller ou basculer le porte- chalumeau ou jet de flamme 114 dans le sens longitudinal le long du joint en hélice 20 pour assurer un réglage limité du chalumeau 116 lorsqu'on veut régler sa position par rapport à la crête du tuyau en rotation comme c'est décrit dans la demande de brevet français de la demanderesse du 13 décembre 1930, pour " Procédé et appareil pour la soudure de joints circulaires ".
Le porte-chalumeau 114 est monté à pivot à l' extré- mité supérieure du bras 122 et se compose d'un bloc 118 auquel sont réunis les organes de réglage décrits dans le brevet français de la Sté dite : Davis Bournonville Cy, du 24 janvier 1920, N 509076,
Au moyen de ce dispositif de réglage, il est possible de fixer avec précision la position du chalumeau dans le sens latéral et vertical du joint. Le chalumeau 116 peut comporter une panne ou tête 120 du genre de celle décrite dans le brevet français de la Sté dite : Davis Bournonville Cy, du 25 février 1920 N 510712, pour assurer une plus grande vitesse de soudure et une plus grande économie des gaz nécessaires dans l'opération de soudure.
Pour compenser
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le déficit de métal à l'endroit de la soudure, ou pour assurer une augmentation de métal de renforcement, comme on le sait très bien, il peut être fait usage d'un mécanisme d'alimentation 122, tirant sa puissance du moteur 124, pour fournir à la panne 120 un fil de soudure continu 126 prove- nant de la bobine 128 portée par un bras de support convent- bl e.
La caractéristique essentielle de l'appareil à souder consiste à produire une haute température le long des bords du joint en hélice :le manière qu'aux points extrêmes de ces bords, le métal de ces derniers soit joint par fusion, avec ou sans addition de métal en laissant ensuite ces bords se solidifier de manière à produire ainsi entre les deux bords un joint qui fasse corps avec eux. Tout procédé ou appareil permattamt d'obtenir ce résultat peut être substitué à celui qui vient d'être décrit ici.
Etant ionné que le méta après qu'il aura été travaillé à la manière décrite, sera arrivé à un état de rigidité dans lequel les bords du joint seront placés en contact les uns avec les autres dans une position à peu près immuable, la distance qui sépare l'appareil de soudure de l'appareil conformateur n'a aucune importance particu- lire,
Lorsque la soudure est achevée, le tuyau soudé se meut de préférence vers la machine à matricer 24 qui peut être de même construction que la machine 16, bien que tout autre dispositif assurant le même résultat puisse être employé. Grâce à cette machine, le métal solidifié à l'endroit au joint est façonné ie manière à donner à la soudure une structure cris- talline plus fine et à augmenter ainsi la soliditié du tuyau fini.
Grâce à un réglage convenable des matrices et autres éléments effectifs de la machine à estamper ou à matricer 16 par rapport aux parties analogues de la machine 24, la fabri-
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dans des propostions correspondantes entre les deux machines.
La phase qui comporte l'usinage du tube soudé peut être réalisée à l'aide d'un rouleau ou d'autres dispositifs ana- logues ou bien encore l'usinage du métal formant le joint après soudure peut être complètement supprimé.
Le serrage qu'exercent les coins ou matrices des machines 16 ou 24 exige que, dans la soudure du joint au moyen de l'appareil 18, certains facteurs soient pris en considération. La feuille amenée à la forme d'hélice s'écarte normalement, à une vitesse longitudinale constante, de l'ap- pareil de formation ou de cintrage, tout en tournant en même temps à une vitesse en substance constante. Lorsque les matrices sont en contact avec le métal, le mouvement longitudinal s'ar- rête à ce point, tandis que le mouvement de rotation augmente jusqu'à ce qu'il atteigne celui des matrices tournant rapide- ment.
Les bords du joint à l'endroit de la panne de soudure sont influencés en substance au même degré que deux qui se trouvent dans la machine à matricer, sauf en ce qui concerne l'action de l'inertie dans la métal. Lorsque les coins ou matrices sont desserrés, le métal sur lequel ces matrices viennent justement d'agir, obéit à des forces s'exerçant dans la feuille et tendant à l'obliger à reprendre sa position nor- male dans la dite feuille. Le métal s'éloignant de la machine de cintrage à une vitesse longitudinale constante, fait que le métal arrêté à l'endroit de la machine à matricer, se trouve fortement comprimé et que,par conséquent, le métal arrêté à l'endroit de la panne de soudure avance alors rapi- dement.
Les bords du joint qui s'étaient écartés de la panne de soudure en tournant sous l'action les matricen reviennent alors à leur position sous la flamme. Le degré de changement dans chacun de ces cas est relativement faible. Par exemple, si un tuyau présentant un diamètre extérieur d'environ 10 centimètres est façonné par des matrices tourn ant à la vi- tesse de 300 tours à la minute, et frappant 12'coups à chaque @
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tour, le tube tournant à une vitesse appropriée, les matrices :l'usinage se déplaceront de 1 m/m \8 par exemple , pendant qu'elles sont en contact aveu la surface de l'hélice, ce qui donne un peu plus de 1 m/m5 environ.
En pareil cas, l'hélice a treize fois plus :le temps pour se relever d'un coup que celui pendant lequel les matrices sont réellement en contact avec le tuyau. On peut voir facilement que, comme la déviation totale d'avec la voie fixe du joint ne dépasse pas 1 m/m5 environ, un chauffage précis du joint peut être maintenu en tout temps. Dams le mouvement longitudinal, l'erreur est même plus faible, attendu que le tube ne se meut en pareil cas que de 17 millièmes de m/m environ pendant le temps durant lequel les matrices sont en contact avec le tube.
Afin de réduire davantage l'effet d'une déviation aussi légère qui pourrait se produire, les machines 16 et 24, entre lesquelles est placé l'appareil de soudure 18, peuvent être disposées et la commande des matrices être réglée de telle façon que les mouvements brusques à l'endroit d'une machine à matricer, soit pendant la période de serrage , soit pendant la période :
le récupération, compensent le mouvement complé- mentaire à l'endroit de l'autre machine, c'est-à-dire que, en réglant les matrices des deux. machines de manière qu'elles viennent alternativement en contact avec le tuyau, la récupéra- tion'à l'endroit d'une machine compense dans une certaine mesure la déviation à 1'endroit de l'autre machine. En montant la tête ou panne de soudure sensiblement à mi-chemin entre les deux jeux ou séries de matrices, le point de soudure se trouve être situé au centre du joint vibrant et en un point situé dans une zone pratiquement tranquille iu joint qui, autrement, est dérangé.
La machine à estamper ou matricer 24 peut comporter un mandrin 130 qui lui est associé et qui est du même genre et de même construction que le mandrin 100 auquel il est:le
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préférence fixé au moyen d'une barre 132, les deux mandrins 134 et 136 étant reliés par des joints à rotule 134 et 136.
Il est évident qu'il est possible :J'apporter des changements aux procédé et appareil décrits sans s'écarter du principe de l' invention.
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A method and apparatus for the manufacture of fusion welded joint pipes.
The present invention relates to the manufacture of fusion-welded pipes and tubes and generally consists of a continuous process in which flat metal is brought into tubular form, the metal then being machined in such a way that its edges are placed in the desired position relative to each other and these regions are then fused together. The invention relates more particularly to butt welded pipes, and especially to helical pipes.
It goes without saying that we know how to bring metal in sheets or planks in the form of propellers, because the
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side edges are brought into contact, and weld the joint or helical seam to form pipes.
The known methods of manufacturing pipes or tubes welded by fusion, starting with the one strip wound in a helix, have, however, revealed certain difficulties of execution in practice, especially in the case of pipes with relatively walls. thick. Due to the elasticity of the metal, it has heretofore been common practice to weld the joint immediately after its formation, which is why the weld had to be carried out in the space of what centimeters, while the edges of the joint were still under the influence of the great bending force.
While the metal still resisted deformation as the edges were joined to each other, the newly formed seal was subjected to great internal stresses which significantly reduced the strength of said seal.
Attempts have been made to eliminate the need to place the welding apparatus immediately at the point where the metal in planks or sheets was brought at an angle into its new shape, by providing a sleeve intended to receive the propeller as it went. as it is formed and to guide it to the welding machine remote from the forming apparatus, by an amount corresponding to the spacing of one turn. However, this was not satisfactory because it was impossible to keep the calibrated sheet in edge-to-edge contact and also the edges of said sheet in alignment The joint, even if it had been welded completely and successfully , continued to suffer from the enormous stress to which the metal was subjected during formation and presented less strength and resistance than the rest of the pipe or tube.
The operations of transforming the sheet or plank into a helix also required extremely precise adjustment to ensure eaact alignment and end-to-end connection of the edges of the bent metal and obtaining
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a pipe of the desired diameter
By virtue of the present invention as will be described in more detail hereinafter, the soldering operation can be performed at any desired distance from the forming apparatus and the exact alignment and butt connection. the end of the edges of the joint is ensured whatever the importance of this distance.
In addition, the manufactured pipes have any desired specific uniform diameter and these joints are relieved of any stress during and after the welding operation, which therefore eliminates any subsequent weakness of the joints.
The accompanying drawings show a preferred form of apparatus for practicing the method according to the present invention, by way of example only, and, in these figures:
Fig. 1 is an elevation of an apparatus for manufacturing welded pipes in accordance with the present invention.
Fig. 2 is a detail plan view of part of the metal bending machine used in the apparatus of FIG. 1.
Fig. 3 is an elevational view of the welding apparatus seen along line 3-3 of fig 1.
Fig. 4 is a front elevation of a stamping or die-forging machine which may be used as part of the apparatus shown in fig 1, certain portions being cut away to show the internal construction thereof.
Fig. 5 is a side elevation of said stamping or die-forging machine, the door of which is open to reveal the elements of the machine.
Fig. 6 is a detailed sectional view taken along line 6-6 of FIG. 4 showing the construction and assembly of the cage, spindle and associated parts.
The drawings show schematically a part
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of the apparatus continuously employed to bend a straight sheet or strip of plank or foil metal 12 into the shape of a helix 14 which moves away from the apparatus at a constant speed. On exiting the bending machine, the helix is taken to a stamping or die-forging machine 16, for the purpose of being mechanically machined in order to cause the bent or bent sheet to maintain the desired contour. The rigidly attached metal then moves towards the welding apparatus 18 where the joint 20 is welded tightly to form a pipe, the joints of which form substantially one body with the walls thereof.
The welded pipe 22 can then be passed through another die-forging machine 24, after which the continuous pipe exiting the welding machine can be, by any suitable operation or apparatus, cut into lengths of any desired size.
Whereas the apparatus for forming the sheet into the shape of a helix comes within the present invention only so far as is necessary to roll the sheet or plate of metal continuously into a propeller, this part of the apparatus for putting the invention into practice is entirely represented in a schematic manner. In order to practice this invention, any apparatus which is suitable for the production of a helical sheet or strip can be employed.
In the particular construction which is shown in the drawing, use is made of a series of rollers having a pyramidal shape 26, 28 and 30, to skew or oblique the metal to the desired degree so that, after having left the rolls, the sheet or strip takes a tubular shape, the walls of which are formed by the helical turns of the metal strip. The diameter of the tube thus formed is a function of the degree of bending at the location of the rollers 26 to 30, as well as the angle at which the plate or sheet 12 meets its rolls, and also of the elasticity factors and the thickness. thickness of the metal used.
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The roller 28 is preferably held in a suitable bearing, carried by a fixed cantilever arm 3 @ will be secured to the frame 36 of the bending apparatus. The sheet or strip passes around the arm 34 and, due to the positive control of the rollers associated with the level in question or that the sheet is forced through the rollers under the action of a pressure exerted so as to act directly on the sheet or strip before it reaches the pyramid-shaped rollers, the sheet or board is continuously bent so that after it has undergone the action of the rollers it takes the contour of the propeller 14, The propeller 14 rotating continuously,
the newly bent metal arriving there also moves longitudinally along its axis away from the bending apparatus to go to the die machine 16 which is placed at a point immediately adjacent to the former - discharge end of the roller 28 from which the propeller escapes by sliding in its longitudinal movement
The specific construction of a stamping or die r 16 machine, or even the use of a machine of this nature, is not absolutely essential to the successful implementation of a process according to the invention.
Provide for the working or mechanical machining of the bent or bent metal to such an extent that the formation is rigidly maintained, even when the bent sheet is entirely free to assume a desired shape under the action of internal forces such as those resulting from elastic forces, such is the goal towards which this part of the process tends.
A stamping machine of the type which will be described below lends itself, with great efficiency and great ease of control and operation, to this metalworking; at the same time one obtains, thanks to its basic functioning by means of the propellers whose outer diameters vary from one
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appreciably following the nrorriAt - ,, -, rC m ± +> ,, w + wm:. 1 '-
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pipes with practically exact dimensions,
The invention can also be put into practice by resorting to operations in which the keel brought into the shape of the propeller is machined by rolling or by the like means.
The mechanical machining carried out by the die-forging machine 16 preferably consists of a hammering operation in which the metal helix, rotating and moving axially, is attacked by a number of rapidly moving dies, the machine comprises a base 38 from which the vertical uprights 40 depart, at the upper end of which the tool holder or head 42 is supported. The sode 38, the uprights 40 and the tool holder 42 are preferably made of cast iron in one piece, the holder -Tool being drilled or bored in 44 and milled in 46 to receive a tubular spindle 4S. Appropriate bearings 50 fit into port 44 to allow the spindle to rotate. One end of the spindle has an enlarged cylindrical head 52 placed. inside the milling 46.
Adjacent surfaces of head 52 and mill 46 are held out of contact by spacers 54 provided between the surface of the head and the end of bushing 50, for well known purposes. The other end of the spindle starts from orifice 44 and carries, preferably, a flywheel 56 which, either is actuated directly by a belt, or draws the energy from a suitable motor member, by the intermediate of a chain 58 engaging with a toothed wheel mounted on the spindle 48.
The cylindrical head 52 of the spindle is traversed by one or more grooves 60 at equal angles, extending completely across the surface of the head, intersecting at the center thereof and opening into the hole of the spindle tubular and on the sides of the head
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in a second, milling 62 provided in the tool holder 42.
Inside each groove is housed a pair of dies 64, preferably of hardened steel, whose faces 66 disposed at a point adjacent to the axis of the spindle, receive a precise curve going from the Initial point, or point 3. The input, 68 at the end point or discharge point 70, to regulate the machining of the metal from an originally formed helix diameter to the finally supplied diameter. The drives are able to move freely within the grooves 60 within the limits set by the adjacent interior surfaces 72 of the associated dies and the internal faces 74 of the hammers 76.
The hammers are also able to move freely in grooves 60, and this within limits set by the dies and a certain number of rollers 78 mounted in the milling 62, as will be seen below in the milling 62, is mounted preferably, tightly tightened but so that it can be removed, the hardened ring 80, within which the cage 82 is closely mounted. The cage consists of an annular part machined in the face of which are formed. cylinder recesses 84, the diameters of which are greater than the width of the cage, so that said recesses open out on each edge of the annular part.
In each housing or recess is mounted one of the two rollers 78 whose diameters are greater than the width of the cage but smaller than that of the housing or recess 84, so that the rollers can move transversely with respect to the cage following a movement which is limited by the hardened ring 80 on one side and the face 86 of the hammer on the other side. A ring 88 fixed to the face of the cage 82 serves to hold the rollers 78 in their respective recesses, while a door 90 pivotally mounted on the anterior end of the tool holder 42 can be brought against.
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the latter to plug the milling 62 and maintain therein the respective members suitably associated with each other.
A ring 92 fixed to one of the ends of the spindle, holds the dies and the hammers in position, while a stop ring 94, disposed between the ring 88 and the ring 92, on the one hand, and the door , on the other hand, is -provided for purposes well known to those skilled in the art.
The principle of operation applied to a stamping or die-forging machine 16 takes into account the centrifugal rorces which would move the dies and the hammers away, moving freely,: the axis of the spindle in case the latter turns quickly * This movement centrifugal is interrupted by the contact of the faces 86 with the rollers 78 whose outward movement is limited by the ring 80. The rollers climb along the graduated inclined plane of the faces 86 as the rollers drive the hammers inwards to project the dies to laur, turn, from outside to inside towards the helix 14.
The latter is entrained through the guide opening 93 made in the door 90 beyond the faces 66 of the dies and through the passage 95 formed by the central bore of the rod or pin. 'Sufficient clearance, left between the rollers 78 and the recesses 84 and between the cage 82 and the ring 80, essentially protects the cage from any impact which is supported by the dies, hammers, rollers and bushings 80. As propellers of different diameters can be fed to the machine for varying reductions, changes can be made to hammers, dies and rollers.
The extent of the machining or work to which the metal is to be sampled and the reduction in diameter desired are determined before starting the operation. These results can then be obtained by correctly corroborating with the power of each coupla the number of strokes given per unit to be machined *; We can vary the number of rollers 78! by inducting.
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new cages 82, just as the die count can be varied and the voting speed adjusted. The production speed of the pipe will depend on the factors of the shaping machine, as well as those relating to the die and weld speeds, all of which must be coordinated.
In die forging, or stamping, the dies come with each stroke in positive clamping contact with the helically wound metal. The spindle, rotating rapidly, drives the dies at a speed much greater than that at which the helix being formed turns so that the dies, gripping the helical strip with considerable pressure, as a result of the great energy kinematics which are originally communicated to them by the rollers, twist the strip in the form of a helix at the point where they are in contact with it.
When the directions of rotation are in a suitable relationship to each other, the clamping of the dies tends to provide movement of the adjacent edges of the helical windings to bring them closer together and to abut them more precisely against each other. , so that when the helical tube has been machined and finally leaves the welding machine, the adjacent edges are found to be matted against each other, and remain in this state until they are welded in by virtue of the rigidity resulting from the work carried out on the metal. For this purpose, the spindle and dies rotate in the same direction as the helically wound web, as indicated by arrows 96 and 98 on the spindle and on the helix, respectively.
At the same time that the acceleration of the rotational movement of the propeller takes place at the moment when the dies exert heavy contact tightening, the longitudinal movement of the propeller ceases, the latter ± now having to undergo the operations of welding and final machining.
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Hitherto, there has been talk of the machining of a spiral wound strip, rotating and moving in the longitudinal direction, machining in which no means is provided to maintain the strip in its deformed state. In paieil case, the rigidity of the bent metal and the support offered by the dies of the forging machine constitute the only influences which tend to maintain the sheet wound in gelice according to the correct contour which has been given to it.
However, it is not the intention to imitate the application of the invention to the machining or shaping of the bent sheet to an extent sufficient to preserve the latter from any separation effect. The object of the invention is moretôt to significantly reduce the tendency that the bent metal would have to resume its planar shape, as the tube or pipe is formed. Additional means may be provided to guide or hold the metal so as to ensure that the edges occupy a correct position relative to each other at the point where the weld is made.
When the inner surface of the helical strip is not supported, it follows that, at any blow to the matrix, the metal is subjected to a sudden bending force, so that the outer surface is subjected to the sudden forces of compression of blows and that the inner surface is also influenced by: sudden forces: bending. In a preferred form of the apparatus, use is made of a mandrel 100 concurrently with the dies of the stamping or die-forging machine.
The enclune-shaped part 102 of the mandrel can, in its construction, follow in the most effective way any mechanical design tending to ensure the good driving of the helical sheet, both in the direction of the rotational movement and in that longitudinal movement while ensuring proper support for the deformed sheet and keeping the edges of the sheet in the correct alignment - The mandrel will be supported inside the dies and will be
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maintained in 1-position relative to the latter by means of a link 104 connected by ball joints 106 and 108 to one:
the ends of the mandrel and at the free end of the roll 28, respectively., The mandrel then has the possibility of taking any necessary position relative to the helix passing through the die-forging machine and also to rotate relative to the roll 28, while, at the same time, it is permanently housed inside the rolled-up sheet at all times and is prevented from making any movement in the longitudinal direction.
The use of a mandrel, in addition to guiding the edges of the sheet or board so that they are brought into the correct alignment with each other and properly abut against each other, allows to reduce appreciably the quantity of energy which must necessarily be expended to fix the edges in the position which they occupy with respect to one another and to suppress the tendency which they would have to separate. In the case of a freely supported helix, the work is done over the entire cross section of the metal as described in relation to the bending performed.
However, when the mandrel is in use, appreciable bending or other deformation of the sheet occurs only along the outer surface or layer, since the surface of the mandrel preserves the inner surface against warping. The propeller @ is only influenced in such a case by the reactmf hammering effect of the face of the mandrel which is, by itself insufficient to exert any appreciable work on this face.
The outer face of the curved sheet is subjected to direct contact with the dies., The intensive shaping of this surface which extends to a certain depth below: the surface, causes the metal to be matured to the point to be able to resist your tendency to leave the form (he was given *
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The stamped, die-stamped or otherwise shaped propeller then passes to the relief apparatus 18 which may have a shape similar to that of the welding torch and the associated support and adjustment device which is the subject of the patent. French company called:
Davis Bournonville Cy, February 20, 1920, N 510395, these being arranged in the proper order with respect to each other to allow the joint or seam to be helically welded while moving along its path or helix track ., The apparatus 18 is preferably mounted on a support 110 at the upper end of which the support arm 112 is pivotally mounted.
The direction in which the arm 112 rotates is such that the torch or flame holder 114 can be oscillated or tilted lengthwise along the helical seal 20 to provide limited adjustment of the torch 116 when wants to adjust its position relative to the crest of the rotating pipe as described in the applicant's French patent application of December 13, 1930, for "Method and apparatus for welding circular joints".
The torch holder 114 is pivotally mounted at the upper end of the arm 122 and consists of a block 118 which is joined to the adjustment members described in the French patent of the Company known as: Davis Bournonville Cy, of 24 January 1920, N 509076,
By means of this adjustment device it is possible to precisely fix the position of the torch in the lateral and vertical direction of the joint. The torch 116 may include a tip or head 120 of the kind described in the French patent of the Company known as: Davis Bournonville Cy, of February 25, 1920 N 510712, to ensure a greater welding speed and greater economy of gas necessary in the welding operation.
To compensate
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the metal deficit at the place of the weld, or to ensure an increase in reinforcing metal, as is well known, use can be made of a feed mechanism 122, drawing its power from the motor 124, to supply tip 120 with continuous solder wire 126 from spool 128 carried by a conventional support arm.
The essential characteristic of the welding apparatus is to produce a high temperature along the edges of the helical joint: so that at the extreme points of these edges the metal of the latter is joined by fusion, with or without the addition of metal, then allowing these edges to solidify so as to produce a joint between the two edges which is integral with them. Any method or apparatus permitting to obtain this result can be substituted for that which has just been described here.
Considering that the meta, after it has been worked in the manner described, will have arrived at a state of rigidity in which the edges of the joint will be placed in contact with each other in an almost immutable position, the distance which separating the welding device from the shaping device is of no particular importance,
When the weld is complete, the welded pipe preferably moves towards the die-forging machine 24 which may be of the same construction as the machine 16, although any other device providing the same result may be employed. With this machine, the solidified metal at the location of the joint is shaped so as to give the weld a finer crystalline structure and thus increase the strength of the finished pipe.
By properly adjusting the dies and other effective elements of the stamping or die-forging machine 16 with respect to like parts of the machine 24, the manufacturer
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in corresponding proposals between the two machines.
The phase which comprises the machining of the welded tube can be carried out using a roller or other similar devices or else the machining of the metal forming the joint after welding can be completely eliminated.
The tightening exerted by the wedges or dies of the machines 16 or 24 requires that in welding the joint by means of the apparatus 18 certain factors be taken into consideration. The helically shaped sheet normally moves away at a constant longitudinal speed from the forming or bending apparatus, while at the same time rotating at a substantially constant speed. When the dies are in contact with the metal, the longitudinal movement stops at this point, while the rotational movement increases until it reaches that of the rapidly rotating dies.
The edges of the joint at the spot of the solder tip are influenced in substance to the same degree as two in the die forging machine, except for the action of inertia in the metal. When the wedges or dies are loosened, the metal on which these dies have just acted obeys forces exerted in the sheet and tending to force it to resume its normal position in said sheet. As the metal moves away from the bending machine at a constant longitudinal speed, the metal stopped at the location of the die forging machine is strongly compressed and, consequently, the metal stopped at the location of the die. solder tip then advances rapidly.
The edges of the joint which had moved away from the solder tip while rotating under the action of the matricen then return to their position under the flame. The degree of change in each of these cases is relatively small. For example, if a pipe with an outside diameter of about 10 centimeters is shaped by dies rotating at a speed of 300 revolutions per minute, and striking 12 'strokes each @
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rotation, the tube rotating at an appropriate speed, the dies: the machining will move 1 m / m \ 8 for example, while they are in contact with the surface of the propeller, which gives a little more 1 m / m5 approximately.
In such a case, the propeller has thirteen times more time to rise suddenly than that during which the dies are actually in contact with the pipe. It can easily be seen that, since the total deviation from the fixed path of the seal does not exceed approximately 1 m / m5, precise heating of the seal can be maintained at all times. In the longitudinal movement, the error is even smaller, since the tube in such a case only moves about 17 thousandths of a m / m during the time during which the dies are in contact with the tube.
In order to further reduce the effect of such a slight deflection which might occur, the machines 16 and 24, between which the welding apparatus 18 is placed, can be arranged and the die control adjusted so that the sudden movements at the location of a die-forging machine, either during the clamping period or during the period:
recovery, compensate for the complementary movement towards the other machine, that is to say, by adjusting the dies of both. machines so that they alternately come into contact with the pipe, the recovery at one machine compensates to some extent for the deflection at the other machine. By mounting the solder head or tip substantially halfway between the two sets or series of dies, the solder point is found to be located in the center of the vibrating joint and at a point in a practically quiet area of the joint which would otherwise , is disturbed.
The stamping or die-forging machine 24 may include a mandrel 130 which is associated with it and which is of the same type and of the same construction as the mandrel 100 to which it is: the
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preferably fixed by means of a bar 132, the two mandrels 134 and 136 being connected by ball joints 134 and 136.
Obviously, it is possible: I make changes to the method and apparatus described without departing from the principle of the invention.