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PROCEDE.DE SOUDURE BOUT A BOUT
La presente invention a trait a un procède de soudure de pièces métalliques ferreuses, telles que des rails, plaques, tuyaux, etc., en acier, et plus particulièrement à un procédé de ce genre appliquant une combinaison de soudure par pression et de soudure par fusion.
Dans un procédé de soudure par pression de rails d'acier et analogues, les pièces à souder sont usuellement appliquées l'une contre l'autre en butant bout à bout, et les faces en contact, pendant qu'elles sont sous une pression de contact élevée, sont chauffées indirectement par conduction de chaleur, à travers les corps de ces pièces vers ces faces.
On continue à chauffer et à maintenir la pression élevée bout à bout jusqu'à ce que la surface séparatrice ou interface entre les extrémités ,en contact soit à la température de soudure, après quoi la soudure se produit. On a observé
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que l'application de chaleur et de pression sur l'interface formée par les deux pièces métalliques avait tendance à produire l'évasement des extrémités en contact de l'ouvrage, et qu'en conséquence, les surfaces externes des parties évasées s'épanouissent pour former des crevasses ou fissures, qui sont sujettes à oxydation et par suite nuisent à la solidité de la soudure.
Conformément à la présente invention, on a constaté qu'une légère fusion de l'extérieur du joint, en particulier des parties évasées ou refoulées, pendant que l'ouvrage est encore chaud, non seulement assure une union complète par soudure des pièces de l'ouvrage, mais encore assure l'obtention de la température désirée sur l'interface, pendant la soudure par pression. En outre, la combinaison des soudures par pression et par fusion faite de cette manière donne un joint soudé de plus grande solidité et ductilité que ceux faits par soudure par pression seule.
Les buts de la présente invention sont, entre autres, d'offrir un procédé de soudure de pièces métalliques par soudure par pression dans lequel l'obtention de la température optimum de soudure par pression à l'interface des pièces est assuré; d'offrir un procédé le soudure de pièces métalli- ques dans lequel on remédie à la crevasse ou fissure formée par le refoulement ou l'évasement à l'endroit de l'interface, par suite de la soudure par pression, par une opération supplémentaire superficielle de soudure par fusion; et d'offrir un joint soudé ayant des caractéristiques supérieures de solidité et de ductilité.
Dans le dessin ci-joint:
Figs. 1 et 2 représentent schématiqueruent des étapes successives de la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.
Fig. 3 est une coupe, à plus grande échelle, d'un joint
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partiellement terminé; et
Fig. 4 est une vue analogue à Fig. 3 d'un joint terminé.
Pour la commodité, les principes de l'invention vont être décrits dans leur applicationà la soudure de pièces métalliques creuses, en particulier de corps tubulaires, tels que desfronçons de tube en acier. Cette application n'a été choisie qu'à titre d'exemple, et il doit être en- tendu que l'invention n'est pas limitée à cet exemple, mais est applicable également à la soudure d'autres formes de pièces métalliques telles que plaques, rails et éléments de construction en acier.
Dans la mise en pratique de l'invention telle qu'elle est représentée-dans le dessin, deux pièces tubulaires en acier ou en fer, telles que les,tronçons de tuyaux P, sont fermement maintenues, leurs faces extrêmes adjacentes butant l'une contre l'autre pour former une interface I. De prfé- rence, avant que les pièces P soient mises en place, les faces extrêmes en contact sont convenablement dressées, par exemple par meulage, rabotage, ou tournage, de.façon que les faces/extrêmes, on obtient un contact de surface sensi- blement complet sur la superficie entière de 1'interface, ce qui exclut presqu'entièrement de l'interface l'air et d'autres éléments nuisibles.
Après ' mise en alignement des pièces P, une pression appropriée peut être appliquée dans le sens de leur axe, pour mieux assurer encore l'exclusion de toute matière étrangère de l'interface. La pression dé- siréë est de préférence de 35 à 425 kilogs par centimètre carré:
Il est bon de chauffer l'interface à la température convenable en chauffant le travail, de préférence de part
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et d'autre de l'interface, et dans toute son étendue, et à une distance n'excédant pas 2,5cm., etde préférence 1, 27 cm, ou moins, à partir de l'interface. Toutefois la chaleur peut être appliquée directement sur l'interface.
Une source de chaleur préférée est une flamme de gaz oxy-combustible, telle que celle résultant de la combustion de l'acétylène dans une a.tmosphère d'oxygène, quoique d'autres moyens de chauffage, tels qu'un chauffage par résistance électrique ou par induction, puissent être employés. Un procédé préféré d'application de la chaleur consiste à faire aller et venir, ou à f ire osciller, une source unique de chaleur à haute température sur l'ouvrage à l'endroit de l'interface, mais une ou plusieurs sources de chaleur peuvent être utilisées de part et d'autre de l'interface, ou appliquées tant au côté interne qu'au côté externe, ou aux deux côtés opposés, de l'ouvrage, ou bien une source unique de chaleur peut être dirigée vers l'ouvrage directement à l'endroit de l'interface.
Comme on le voit sur la fig. 1, la source de chaleur à haute temuérature peut comporter un brùleur annulaire R auquel un mélange combus- ti:ble peut être fourni par un ajutage approprié B. Si on le désire le brûleur R peut être refroidi par un fluide refroidisseur approprié arrivant aux brûleurs et en partant par les conduits C. L'utilisation d'un second brûleur R', appliqué du même côté de l'ouvrage est représentée en pointillé sur la Fig. 1, et la Fig. 3 représente, en pointillé, l'application d'un second brûleur R' du côté opposé de l'ouvrage.
Pour réaliser le stade initial du procédé de soudure selon l'invention, on allume le brûleur R et on le fait aller et venir ou osciller axialement ou longitudinalement par rapport à l'ouvrage, de sorte que la chaleur est conduite
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à travers le corps de métal des pièces P à l'interface r jusqu'à ce que l'interface atteigne une température de 1000 à 1300 . Une température de soudure appropriée est d'environ 1230 Pendant l'opération de chauffage, la dilatation thermique des pièces P augmente la pression à l'endroit de l'interface, et les faces extrêmes en contact des pièces P sont réunies par soudure sous pression.
Pendant l'opération de chauffage initiale, et une fois que la température à l'endroit de l'interface a atteint une température d'environ 1000 , les parois des tuyaux tendent à s'évaser ou à s'épanouir à l'endroit de l'interface, vers la source de chaleur. Cet évasement ou épanouissement fait qu'un rebord étroit, sur le pourtour de l'interface, est exposé à la chaleur et ainsi s'oxyde en produisant une fissure circonférencielle F. Si on exerce une pression axiale plus grande, ceci n'a pour effet que d'ouvrir davantage le joint et on ne peut pas réaliser la soudure de la partie oxydée de l'interface.-, Cette fissure est représentée, quelque peu exagérée sur la fig. 3 du dessin.
Conformément à la présente invention, on réalise l'ob- 'tention de la température optimum de soudure par pression sur l'interface, l'élimination de la fissure ou crevasse dans l'épanouissement ou évasement, et une amélioration de la solidité et de la ductilité du joint, en soudant par fusion l'interface dans toute la profondeur de la fissure, pendant que l'ouvrage est encore chaud, et de préférence sous pression. La soudure par fusion n'est que superficielle, car seule la surface extrême externe de l'épanouissement ou évasement, c'est-à-dire seul le métal adjacent à la fissure ou crevasse, est fondu, et que la superficie totale de l'inter-
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face correspondant au profil primitif projeté des pièces del'ouvrage n'estsoudée que sous pression, etnon-par fusion.
Comme l'opération initiale de soudure par pression a lieu de préférence une température d'environ 1230 , la soudure par fusion peut être facilement faite en déplaçant le brûleur R pour l'amener dans l'alignement de l'interface, comme on le,voit sur la Fig. 2. On continue à chauffer en ce point pendant le court laps de temps nécessaire pour faire monter à la tempér@ture de fusion la surface extrême externe du métal épanoui ou évasé au voisinage de la fissure F.
Bien que ceci constitue le procédé perfectionné de réalisation du stde de soudure par fusion, il est évident que ce stade peut être réalisé à l'aide d'une source de chaleur d'intensité suffisante pour produire lprofondeur et la largeur voulues de fusion.
Comme l'opération de soudure p@r fusion est effec- tuée immédiatement après l'opération de soudure par pression, pendant que le joint est encore chaud et sous pression, la chaleur résiduelle de l'interface est avantageusement utilisée pour augmenter l'économie totale du procédé. L'apparence du joint terminé est représentée, quelque peu exagérée, ans la Fig. 4, dans laquelle la partie soudée par fusion de l'inter- face I ost indiquée en W.
Comme exemple des résultats améliorés que l'on obtient grâce au procédé selon l'invention, plusieurs soudures de tuyaux ont été faites dans lesquelles la fissure s'étendait sur environ un quart de la circonférence du tuyau. Une fois la fissure soudée par fusion, des essais de cintrage de tron- çons de ce tuyau faits à l'endroit du joint de soudure ont montré -le façon nette que la fissure avait été entièrement éliminée et que le joint était entièrement soudé.
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Les tableaux ci-dessous montrent les résultats d'une série d'essais comparatifs faits sur des joints soudés faits uniquement par soudure par pression et sur des joints faits par le procédé de la présente invention, et ils font ressortir les caractéristiques supérieures de solidité et de ductilité que possèdent les joints faits selon la présente invention.
Joints faits par soudure par pression seulement.
EMI7.1
<tb>
<tb>
Epaisseur <SEP> Résistance <SEP> Pourcentage <SEP> Valeur <SEP> de <SEP> cintrage
<tb> de <SEP> la <SEP> pla- <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> d'allongement <SEP> % <SEP> d'allongement
<tb> que <SEP> essayée <SEP> kg/cmq <SEP> sur <SEP> 51 <SEP> mm. <SEP> sur <SEP> 12mm7
<tb> ---------------------------------------------------------------
<tb> 19 <SEP> mm. <SEP> 3,77 <SEP> S <SEP> 7 <SEP> % <SEP> 20 <SEP> % <SEP> S.S.
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 4,07 <SEP> P <SEP> 15 <SEP> % <SEP> 31 <SEP> % <SEP> S.S.
<tb>
12,7 <SEP> mm. <SEP> 3,78 <SEP> S <SEP> 8,5 <SEP> % <SEP> 30 <SEP> % <SEP> S.P.
<tb>
Joints faits par le procède de la présente invention.
EMI7.2
<tb>
<tb> Epaisseur <SEP> Résistance <SEP> Pourcentage <SEP> Valeur <SEP> de <SEP> cintrage
<tb> de <SEP> la <SEP> pla- <SEP> à <SEP> la <SEP> traction <SEP> d'allongement <SEP> d'allongement
<tb> que <SEP> essayée <SEP> kg/emq <SEP> sur <SEP> 51 <SEP> mm. <SEP> sur <SEP> 12mm7.
<tb>
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 464 <SEP> P <SEP> 7 <SEP> % <SEP> 18 <SEP> % <SEP> S.S.
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 4,6 <SEP> P <SEP> 9 <SEP> % <SEP> 34 <SEP> % <SEP> S.S.
<tb>
12,7 <SEP> mm. <SEP> 4.06 <SEP> P <SEP> 10 <SEP> % <SEP> 48 <SEP> % <SEP> P.P.
<tb>
S = rupture de la soudure
P rupture de la plaque = moyenne de deux valeurs dans tous les cas.
Nota: Dans tous les cas, l'épanouissement avait été éliminé avant l'essai.
On remarquera que les joints soudés faits par le pro- cédé de la présente invention présentent un gain marqué de solidité dans tous les cas, et dans le cas d'une plaque de 19 mm., ce gain s'est élevé à environ 705 kg/ cmq. En outre, l'a valeur moyenne de cintrage a sensiblement augmenté.
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En avant recours à la fusion superficielle du métal immédi@tement après l'opération de soudure sous pression, l'obtention d'une température de l'interface approchent de la température de solidus est assurée. Comme les propriétés de la soudure dépendent de l'obtention de la température optimum à l'interface, les joints soudés faits par le procédé de la présente invention possèdent des caractéristiques de solidité et de ductilité qui sont supérieures à celles qu'on a pu réaliser jusqu'ici.
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END-TO-END WELDING PROCESS
The present invention relates to a process for welding ferrous metal parts, such as rails, plates, pipes, etc., made of steel, and more particularly to such a process applying a combination of pressure welding and pressure welding. fusion.
In a method of pressure welding of steel rails and the like, the parts to be welded are usually pressed against each other abutting end to end, and the faces in contact, while they are under a pressure of. high contact, are indirectly heated by heat conduction, through the bodies of these parts to these faces.
The heating and maintaining the high pressure end to end is continued until the separator surface or interface between the ends in contact is at the solder temperature, after which the solder occurs. We observed
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that the application of heat and pressure on the interface formed by the two metal parts tended to produce the flaring of the ends in contact with the work, and that as a result, the outer surfaces of the flared parts open out to form crevices or cracks, which are subject to oxidation and therefore adversely affect the strength of the weld.
In accordance with the present invention, it has been found that a slight fusion of the exterior of the joint, in particular of the flared or upset parts, while the work is still hot, not only ensures a complete union by welding of the parts of the joint. 'work, but still ensures that the desired temperature is obtained at the interface during pressure welding. Further, the combination of pressure and fusion welds made in this manner results in a welded joint of greater strength and ductility than those made by pressure welding alone.
The aims of the present invention are, inter alia, to provide a method of welding metal parts by pressure welding in which obtaining the optimum pressure welding temperature at the interface of the parts is ensured; to offer a process for the welding of metal parts in which the crevice or crack formed by the upsetting or flaring at the location of the interface, as a result of pressure welding, is remedied by an additional operation superficial fusion weld; and provide a welded joint with superior strength and ductility characteristics.
In the attached drawing:
Figs. 1 and 2 schematically represent successive steps in the implementation of the method according to the invention.
Fig. 3 is a section, on a larger scale, of a joint
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partially completed; and
Fig. 4 is a view similar to FIG. 3 of a finished joint.
For convenience, the principles of the invention will be described in their application to the welding of hollow metal parts, in particular of tubular bodies, such as strings of steel pipe. This application has been chosen only by way of example, and it should be understood that the invention is not limited to this example, but is also applicable to the welding of other shapes of metal parts such as as plates, rails and steel construction elements.
In the practice of the invention as shown in the drawing, two tubular pieces of steel or iron, such as the pipe sections P, are firmly held, their adjacent end faces abutting one another. against the other to form an interface I. Preferably, before the parts P are put in place, the end faces in contact are suitably erected, for example by grinding, planing, or turning, so that the faces At extremes, substantially complete surface contact is obtained over the entire surface area of the interface, which almost entirely excludes air and other deleterious elements from the interface.
After aligning the parts P, an appropriate pressure can be applied in the direction of their axis, to further ensure the exclusion of any foreign material from the interface. The desired pressure is preferably 35 to 425 kilograms per square centimeter:
It is good to heat the interface to the suitable temperature by heating the work, preferably from
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side of the interface, and throughout its extent, and at a distance not exceeding 2.5cm., and preferably 1.27cm, or less, from the interface. However heat can be applied directly to the interface.
A preferred heat source is an oxy-fuel gas flame, such as that resulting from the combustion of acetylene in an oxygen atmosphere, although other means of heating, such as electric resistance heating. or by induction, can be used. A preferred method of applying heat is to move a single source of high temperature heat to and fro, or oscillate on the structure at the interface, but one or more heat sources. can be used on either side of the interface, or applied to both internal and external sides, or both opposing sides, of the structure, or a single heat source can be directed towards the structure. work directly at the interface location.
As seen in fig. 1, the high temperature heat source may comprise an annular burner R to which a combustible mixture can be supplied by a suitable nozzle B. If desired the burner R can be cooled by a suitable coolant arriving at the burners. and starting through ducts C. The use of a second burner R ', applied to the same side of the structure is shown in dotted lines in FIG. 1, and FIG. 3 shows, in dotted lines, the application of a second burner R 'on the opposite side of the structure.
To carry out the initial stage of the welding process according to the invention, the burner R is ignited and it is made to come and go or oscillate axially or longitudinally with respect to the work, so that the heat is conducted
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through the metal body of the P parts at the interface r until the interface reaches a temperature of 1000 to 1300. A suitable soldering temperature is about 1230 During the heating operation, thermal expansion of the P parts increases the pressure at the interface, and the contacting end faces of the P parts are joined by pressure welding .
During the initial heating operation, and once the temperature at the interface location has reached a temperature of about 1000, the walls of the pipes tend to flare or expand at the location of. the interface, towards the heat source. This flaring or expansion causes a narrow rim, on the periphery of the interface, to be exposed to heat and thus oxidize, producing a circumferential crack F. If a greater axial pressure is exerted, this has no effect. the effect of opening the joint further and the oxidized part of the interface cannot be welded. This crack is shown, somewhat exaggerated in fig. 3 of the drawing.
In accordance with the present invention, the optimum weld temperature is obtained by pressure on the interface, the elimination of the crack or crevice in the flare or flare, and an improvement in strength and reliability. the ductility of the joint, by fusion welding the interface throughout the depth of the crack, while the structure is still hot, and preferably under pressure. Fusion welding is only superficial because only the outer end surface of the flare or flare, that is, only the metal adjacent to the crack or crevice, is melted, and the total area of the l 'inter-
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face corresponding to the projected primitive profile of the work pieces is welded only under pressure, and not by fusion.
As the initial pressure welding operation preferably takes place at a temperature of about 1230, the fusion welding can be easily done by moving the burner R to bring it into alignment with the interface, as it is, seen in Fig. 2. Heating is continued at this point for the short time necessary to bring the outer extreme surface of the expanded or flared metal in the vicinity of crack F. to the melting temperature.
While this is the improved method of making the fusion weld process, it is evident that this stage can be accomplished using a heat source of sufficient intensity to produce the desired depth and width of fusion.
Since the fusion welding operation is carried out immediately after the pressure welding operation, while the joint is still hot and under pressure, the residual heat of the interface is advantageously used to increase economy. total process. The appearance of the finished joint is shown, somewhat exaggerated, in FIG. 4, in which the fusion welded part of the interface I is indicated in W.
As an example of the improved results obtained by the method according to the invention, several pipe welds have been made in which the crack extended over about a quarter of the circumference of the pipe. After the crack was fusion welded, bending tests of sections of this pipe made at the weld joint clearly showed that the crack had been completely eliminated and the joint was fully welded.
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The tables below show the results of a series of comparative tests made on welded joints made only by pressure welding and on joints made by the process of the present invention, and they bring out the superior characteristics of strength and ductility possessed by joints made according to the present invention.
Joints made by pressure welding only.
EMI7.1
<tb>
<tb>
Thickness <SEP> Resistance <SEP> Percentage <SEP> Value <SEP> of <SEP> bending
<tb> of <SEP> the <SEP> set <SEP> to <SEP> the <SEP> traction <SEP> elongation <SEP>% <SEP> elongation
<tb> that <SEP> tried <SEP> kg / cmq <SEP> on <SEP> 51 <SEP> mm. <SEP> on <SEP> 12mm7
<tb> ----------------------------------------------- ----------------
<tb> 19 <SEP> mm. <SEP> 3.77 <SEP> S <SEP> 7 <SEP>% <SEP> 20 <SEP>% <SEP> S.S.
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 4.07 <SEP> P <SEP> 15 <SEP>% <SEP> 31 <SEP>% <SEP> S.S.
<tb>
12.7 <SEP> mm. <SEP> 3.78 <SEP> S <SEP> 8.5 <SEP>% <SEP> 30 <SEP>% <SEP> S.P.
<tb>
Seals made by the method of the present invention.
EMI7.2
<tb>
<tb> Thickness <SEP> Resistance <SEP> Percentage <SEP> Value <SEP> of <SEP> bending
<tb> of <SEP> the <SEP> set <SEP> to <SEP> the <SEP> traction <SEP> of elongation <SEP> of elongation
<tb> that <SEP> tried <SEP> kg / emq <SEP> on <SEP> 51 <SEP> mm. <SEP> on <SEP> 12mm7.
<tb>
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 464 <SEP> P <SEP> 7 <SEP>% <SEP> 18 <SEP>% <SEP> S.S.
<tb>
19 <SEP> mm. <SEP> 4.6 <SEP> P <SEP> 9 <SEP>% <SEP> 34 <SEP>% <SEP> S.S.
<tb>
12.7 <SEP> mm. <SEP> 4.06 <SEP> P <SEP> 10 <SEP>% <SEP> 48 <SEP>% <SEP> P.P.
<tb>
S = weld failure
P rupture of the plate = mean of two values in all cases.
Note: In all cases, the bloom had been eliminated before the test.
It will be appreciated that the welded joints made by the process of the present invention show a marked gain in strength in all cases, and in the case of a 19 mm plate, this gain amounted to about 705 kg. / cmq. In addition, the average bending value has significantly increased.
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Before resorting to the surface melting of the metal immediately after the pressure welding operation, obtaining an interface temperature approaching the solidus temperature is ensured. Since the properties of the weld depend on obtaining the optimum temperature at the interface, the welded joints made by the process of the present invention have characteristics of strength and ductility which are superior to those which have been achieved. so far.