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Procédé pour supprimer, par voie thermique, les efforts résiduels de pièces métalliques,
La présente invention se rapporte à la suppression des efforts résiduels ou "enfermés", existant dans des or- ganes ou pièces en métal qui ont été soumis à un chauffage intense localisé, tel que celui employé pour la soudure ou le découpage dn métal.
Lorsqu'un organe métallique non libre, c'est-à-dire maintenu rigidement à ses extrémités, est chauffé, la dila- tation normale, du métal, sous linfluence de la chaleur, est empêchée. L'empêchement de la dilatation produit un ef- fort compressif dans l'organe* Si la température de ce der- nier est suffisamment élevée, l'effort de compression de- vient plus grand que la limite d'élasticité du métal et ce dernier cèdera à cet effort, de sorte qu'il sera écrasé.
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Si on laisse ensuite refroidir le métal et que sa contraction normale est empêchée; il se produit en lui un effort de traction. Ainsi, simplement en chauffant et en refroidissant un organe non libre, on crée en lui de grands efforts résiduels.
Lorsqu'on pratique une soudure sur une grande pièce métallique ou lorsqu'on soude ensemble de grosses pièces métalliques, la dilatation et la contraction du métal dans la région de la soudure, sous l'influence du chauffage et du refroidissement, sont empêchées par la grande masse de métal qui n'est pas soumise au chauffage. Dans le cas de soudure par apport de métal fondu, dans lequel on forme un dépôt de métal fondu; la contraction du métal déposé, lors du refroidissement, est empêchée par le métal de base* Il ré- suite de cet empêchement que de grands efforts résiduels sont enfermés dans la construction soudée.
Depuis l'introduction de la soudure dans les procédés de construction, les ingénieurs ont toujours été en présence des problèmes consécutifs aux efforts résiduels. Beaucoup de temps, d'argent et de travail ont été dépensée pour étu- dier laormation et les caractéristiques de ces efforts, pour rechercher à éviter leur formation et pour les suppri- mer. Des progrès considérables ont été réalisés dans l'étude des caractéristiques des efforts résiduels dans les construc- tions soudées, mais aucune méthode pratique pour éviter leur formation ou pour les supprimer ne s'est imposée jusqu'à pré- sent dans les cas de grandes constructions soudées.
On a observé que l'effort principal restant dans une construction soudée, consistant en deux ou plusieurs organes fixée ensemble par des soudures à rapprochement, existe le long de la ligne séparant le métal de soudure déposé du métal --
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qui lui est directement adjacente Cet effort est désigné comme
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"effort longitudinal". oses% un effort de tension et l4sfi'oxt unitaire le plus élevé stapproarie de la limita dtêlaotloltég considérée à la température ordinaire, du métal dont est formée
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la région de la soudure. Parallèlement à cet etfort,,* sur chacun des côtés de la soudure et habituellement à distancée égales de
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celles-ci, se trouvent deux efforts complémentaires de oompres- sion.
La valeur de ces efforts de compression est généralement très faible, car la surface de compression est grande. Trans- versalement à la soufre, se trouvent, des efforts, généralement
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de compression, d'une valeur relativement faible, excepté a cria que extraite de la soudure ou, dans le cas de lonees soudures, l'effort unitaire le plus élevé peut acher de la limite did- last1cité du métal. Cette répartition des efforts se produit dans toutes les constructions soudées à rapprochement, dans lesquelles la zone de soudure est limitée, que la soudure soit faite à la main ou par un procédé automatique.
Divers expédients, pour éviter la formation de gros efforts résiduels dans des constructions soudées, ont été pro- posés. Par exemple, on a proposé de chauffer préalablement les organes métalliques à assembler par soudure; mais un chauffage préalable est impraticable pour de grande organes pour lesquels se posent les problèmes les plus importants des efforts résiduels.
Une autre proposition consiste à effectuer les grandes soudures en déposant plusieurs petites perles de soudure et en liant en- suite ces perles les unes aux autres par un dépôt ,final de métal de soudure. Cette méthode, non seulement n'élimine par les efforts résiduels mais slle enlève au soudage l'un de ses avantages prin- cipaux en construction, à savoir sa rapidité.
On a encore proposé
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de faire des soudures "par tronçons., ee8t-à.-dlre dans lesquel- les des tronçons ou des sections alternante dtune;eouc1u.rs sont
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produits à distance les uns des autres, et de foire des soudures
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par "pas rétrograde";, c'est-à-dire dans lesquelles on fait des dépôts successifs, chaque dépôt ±tant commence en avant du dapôt précèdent et travaille en reculant jusqu'au dr-p5t pr!-ctdent. Ces deux méthodes sont lentes et ni l'une ni l'autre n'empêchent la formation d'efforts résiduels.
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On a également propos un très grand nombre de métho- des pour supprimer les efforts résiduels existant d'3à dans des constructions soudées, mais usc7u'à maintenant aucune méthode complètement satisfaisante et adaptable au traite- ment de grandes constructions, n'a été proposée. Une dimi- nution considérable des efforts résiduels peut être obtenue en chauffante dans un four, une construction soudée à une température à laquelle la résistance élastique du métal dont est formée la construction, est très faible (pour l'acier, cette température est habituellement aux environs de 600 à 650 C) et en refroidissant lentement la construction, mais cett:
mé-
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thode est coûteuse, elle produit un c"c^illement du iïi-t-21 et une distorsion de la construction traitée; de plus, elle est inapplicable à la plupart des grandes constructions établies
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actuellement par soudure. Un traitement thermique dit "10cn1" de suppression des efforts . t; propos pour être applique a de grandes constructions; selon ce traitement, la soudure et les surfaces qui lui sont adjacentes sont chauffées à une température
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élevée et refroidies lentement.
Ce traitement thermique locnl à, été employé dans une très grande mesure pour traiter certains tyres de soudure, par exemple les soudures circonfr-rentielles de réci- pients destinas à supporter des pressions, mais il n'est pas sa-
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tisfaisant pour un usage général, parce qu-au lieu de d-iiuinu;r la tension unitaire longitudinale existant dans les soudures à rapprochement, il tend simplement à augmenter la surface soumise
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la tension emprisonnée dans 1; pièce. Un autre expédient, ctui
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a eu un certain succès, est le martelage des zones de soudure.
S'il est correctement exécuté, le martelage supprime dans une certaine mesure les efforts résiduels, mais il est difficile à contrôler. Le martelage peut produire un durcissement par fa- tigue ou des fissures, et il peut même créer d'autres efforts ré- siduels.
On constate que, jusque présent, aucune solution tota- lement satisfaisante n'a été donnée aux problèmes soulevés par les efforts résiduels présente dans les grandes constructions soudées, malgré des années de travail des ingénieurs de la par- tie. Les problèmes sont Importants, car les efforts résiduels peuvent quelquefois être la cause d'insuccès de constructions soudées qui n'ont pas répondu aux propriétés et à la durée de vie que itou pouvait en attendre. Par exemple, la construction des navires par soudure a été un échec dû très certainement aux efforts résiduels, bien que ceux-ci n'aient pas été la cause primairemais un facteur important de cet échec.
Quoique ces échecs soient peu nombreux comparés au très grand nombre de gran- des constructions soudées, la fait qu'ils peuvent se présenter constitue un obstacle, dans une certaine mesure, à la grande e xtenelon de la soudure comme procédé de construction. En consé- quence, la solution du problème des efforts résiduels est de toute importance.
Le but principal de la présente invention est de donner satisfaction à ce problème. La présente invention a plus spéciale- ment pour objet un procédé pour supprimer, par voie thermique, les efforts résiduels dans des constructions soudées et, d'une manière générale, dans des constructions de n'importe quelle formas et dimension.
En conséquence, la présente Invention a pour objet un procédé de suppression, par voie thermique, des efforts ré- alduela présente dans des organes ou des constructions métalli-
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ques en particulier dans des organes ou des constructions soudées, présentant une surface d'effort de tension résiduel et une sur- face complémentaire d'effort de compression résiduel.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on crée, dans ces organes ou construc- tions, une échelle de température telle que la surface de ten- sion résiduelle ee trouve à une température suffisamment au- dessous de celle de la surface de l'effort de compression rési- duel pour provoquer une déformation permanente du métal dans une telle surface de la tension résiduelle.
La différence de température peut être réalisée par un très grand nombre de moyens différents. Par exemple, la surface intéressée par l'effort de tension peut être refroi- die,ou bien les surfaces intéressées par les efforts de com- pression ou le voisinage de ces surfaces pouvant être chauffées.
Dans certaine cas, il peut être désiraole à la fois de refroidir les surfaces intéressées per la tension et de chauffer les sur- faces intéressées par les efforts de compression. Dans chaque cas, une échelle de température, qui en générale n'est pas né- cessairement très abrupte, est établie entre la surface infères-' sée par l'effort de tension et les surfaces intéressées par les efforts de compression, la surface de l'effort de tension étant une température Inférieure, habituellement légèrement supérieure à la température ordinaire.
Lorsque la construction soudée est ramenée à la température ordinaire uniforme, une diminution con- sidérable des efforts résiduels a été réalisée.
Loraquon chauffe, le métal des zones chauffées se di- late. Comme ces zones sont liées rigidement par la soudure au métal se trouvant sous tension et que: ce-, dernier n'est pas dilaté par la chaleur d'une manière correspondante, la dilatation créa une charge supplémentaire dans le métal déjà sous tension. L'et- fort résiduel, dans le métal sous tension, est déjà. voisin de la
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limite d'élasticité de ce métal* En conséquence, le métal sous tension doit céder sous l'influence de la tension enfermée en lui et sous la charge supplémentaire qu'il reçoit par suite de la dilatation du métal chauffé.
Dans certaines circonstances, les surfaces comprimées peuvent s'écraser,, Bien qu'en cédant, le métal ne se déforme.que très peu d'une manière permanente, par rapport aux dimensions de la construction soudée, lorsque les parties sont revenues à la même température, on constate que les efforts résiduels ont con- aidérablement diminué:, d'intensité et que les efforts unitaires les plus hauts sont bien au-dessous de la limite d'élasticité du métal.
Un résultat semblable est obtenu lorsqu'on refroidit la surface, intéressée par l'effort dé tension, d'une construction soumise à des efforts résiduels. Dans ce cas, le refroidissement du métal sous tension l'oblige à se contracter et lui donne une charge supplémentaire qui, avec 1ét'Port de tension déjà. présent, est suffisante pour provoquer une déformation permanente et, par conséquent, une suppression des efforts. on a démontré, par un très grand nombre d'expériences, que le procédé de l'invention réalise effectivement la suppres- sion des efforts résiduels, des diminutions de 50 % et plus des efforts résiduels unitaires ayant été ainsi obtenues.
Une telle réduction des efforts est de ltordre de celle obtenue par le traitement thermique de suppression des efforts, selon lequel, une construction soudée entièrement chauffée dans un four. Dans des conditions favorables, on obtient une libéra- tion complète des efforts de tension résiduels dans le métal soudé, résultat qui ne peut pas être obtenu par n'importe la- quelle des méthodes connues précédemment pour la suppression des efforts résiduels dans les soudures.
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Pour réaliser les mineures conditions de suppression des efforts résiduels, salon le procédé de la présente invention, le schéma des efforts de l'organe à traiter doit être connu. Une méthode satisfaisante, pour déterminer le schéma des efforts, est de préparer un échantillon de la construction soudée du type à fabriquer en employant les conditions de la soudure et les ma- tériaux qui doivent être utilisée pour la construction à établir, et d'effectuer des mesures de l'intensité de la tension dans l'é- chantlllon soudé* Les parties mesurées sont ensuite enlevées de la construction,
comme par exemple par découpage et des mesures de l'intensité de la tension sont de nouveau faites en employant les mêmes références* Les différences dans les tensions obser- vées sont des indications aux les efforts présents à l'origine dans la construction échantillon de laquelle le des efforts de la. construction peut être établi de la manière connue. Comme ce schéma se reproduira pour chaque construction faite de la même manière, il n'est nécessaire de le déterminer qu'une seule fois.
Par inexécution pratique de l'invention. l'effort lon- gitudinal à la zone de soudure a été réduit de 50 % ou plus. La réduction des efforts a été réalisée à Ici foie par refroidisse- ment de la surface soumise à la tension et par chauffage de ban- des se trouvant 4 l'intérieur ou recouvrant les surfaces soumises aux efforts de compression, ainsi que par une combinaison de ces opérations. En général, on a trouvé que l'on obtient une suppres- sion adéquate des efforts dans des plaques soudées à rapprochement si la surface soumise aux efforts de tension est de 50 à 175 C.
plus froide que les surfaces soumises aux efforts de compression.
Dans une plaque d'une épaisseur d'environ 2,5 cm., ce résultat peut être obtenu en chauffant une étroite Dande de chaque côté de la soudure, à une température d'environ 150 à 200 supérieure à celle du métal de la soudure, la bande chauffée étant éloignée d'environ ?,5 à 12,5 cm. de la soudure.
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Un moyen de refroidissement commode, utilisable pour la mise en pratique de l'invention, consiste en de la neige carbonique* Cette neige peut simplement être amoncelée sur le métal à l'endroit ou près de la surface soumise aux efforts de tension et laissée sur cette surface jusque ce que celle-ci soit glacés de part en part de la valeur désirée, on peut aussi uti- liser un récipient, par exemple en bois, pour enfermer le réfri- gérant.
D'autres réfrigérants peuvent évidemment être utilisés, mais cependant, si le réfrigérant n'est pas capable de produire une température suffisamment basse pour créer la chute de tem- pérature entre la surface sous tension et les surfaces sous com- pression, il sera nécessaire de chauffe= les surfaces soue com- pressions.
Pour chauffer les surfaces sous compressions, confor- mément à la présente invention, on peut commodément utiliser des brûleurs oxydriques. Lorsqu'on traite une plaque soudée à rapprochement, il est habituellement préférable que les deux surfaces soumises à la compression soient chauffées simultané- ment, de bons résultats peuvent être obtenus en employant les brûleurs actionnés à la main pour chauffer progressivement des portions successives des surfaces soumises à compressions; si on le désire, des brûleurs montés sur un chariot mobile peuvent être employés; ce moyen est préférable du fait qu'il permet dtob- tenir une vitesse plus uniforme du déplacement des brûleurs. D'au- tres types de brûleurs ont été employés avec succès.
Par exemple, un long tube muni d'une rampe de jets régulièrement espacés, est appropriée lorsqu'un grand nombre de constructions, soudées à rapprochement, d'une longueur donnée, doit être traité. Pour.cer- taines application$,, il peut être désirable de chauffer des ban- des relativement larges, voir d'environ 15 cm. ou plue, pour d'au- tres applications, il peut être avantageux de chauffer des bandes re-
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lativement étroite,,* Dans le premier cas, des brûleurs sembla- b1es à. ceux employés pour le nettoyage à la flamme de surfaces métalliques sont appropriée.
Le chauffage peut être appliqué à l'une ou à l'autre des surfaces de l'organe à tiaiter, ou à ces deux surfaces à la fois. En général, on a trouvé qu'un chauffage satisfaisant peut être obtenu dans des plaques allant Jusqu'à 2,5 cm. d'é- paisseur, en appliquant le chauffage à une seule surface, maie pour une plaque plue épaisse, il est prudent d'appliquer la cha- leur des deux côtés. Le chauffage désiré des surfaces soumises aux efforts de compression. peut être réalisé électriquement soit par induction, soit par résistance.
Un avantage du chauffage électrique, est l'obtention d'une température uniforme de part en part des surfaces de compressions d'une plaque épaisse sans surchauffe de la surface de la plaque.
Même lorsque le métal se trouvant à la surface de l'effort de tension n'est pas refroidi pendant le chauffage de la surface soumise à compression. il est habituellement désirable de maintenir froide la surface soumise à l'effort de tension. Ceci peut être obtenu en aspergeant le métal sous tension avec de l'eau ou avec un autre réfrigérant, comme un jet d'air*
De plus, il est habituellement désirable de refroidir promptement le métal chauffé après que totalement désiré du métal de soudure a été réalisé. une pulvérisation d'eau ou un autre moyen de réfrigération peut immédiatement suivre les moyens de chauffage dans leur déplacement le long du métal.
Bien que l'expérience ait montré que l'effort résiduel critique dans des constructions soudées, soit l'effort de ten- sion parallèle à la soudure, et que la suppression de cet effort
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soit généralement tout ce qu'il est nécessaire d'obtenir, il peut quelquefois être désirable de supprimer les efforts qui existent transversalement à la soudure. Dans une construction soudée à rapprochement, les efforts résiduels transversaux sont habituellement négligeables, excepté aux fines extrémités de la soudure. A cet endroit, l'effort transversal est compressif et peut s'approcher de la limite d'élasticité du métal de la zone de soudure.
Dame ces conditions, il existe un effort de tension transversal à la soudure entre les surfaces transversales sou- mises aux efforts de compression.
Les efforts résiduels transversaux peuvent être suppri- més en chauffant les zones soumises aux efforts de compression.
En contraste au chauffage appliqué pour supprimer l'effort de tension longitudinal, pour la suppression de l'effort de com- pression transversal, on chauffe suffisamment les surfaces sou- mises aux efforts de compression pour provoquer un écrasement ou une déformation du métal dans la zone chauffée. Cette défor- mation provoque une diminution de 1'effort. De cette manière, non seulement les efforts de compression transversaux aux extrémités de la construction, sont supprimés, mais également l'effort de tension transversal entre les surfaces de compression est égale- ment supprimé.
Linvention donne ainsi un procédé éminemment satisfai- sant pour diminuer les efforts résiduels dans des constructions de n'importe quelle grandeur ou forme. Du fait que le degré de chauffage, nécessaire à la réalisation avec succès du procédé, est faible, le procédé est économique à réaliser et aucune dété- rioration n'est faite à la construction par écaillement ou oxy- dation. Grâce à sa souplesse, le procédé de 1*invention est approprié au traitement de constructions partiellement assemblées ()ou terminées.
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Bien que pour l'illustration des principes de l'inven- tion, on ait développa dans la description qui précède, l'appli- cation du procédé de l'Invention à des constructions soudées, à rapprochement, l'invention n'est pas limitée au traitement de telles constructions, mais elle est applicable d'une manière gé- nérale, au traitement de n'importe quelle construction dans laquelle subsistent des efforts résiduels.