<Desc/Clms Page number 1>
TUBES SOUDES.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de tubes soudés et les tubes ainsi obtenus., et plus particulièrement un procédé par lequel on fait prendre à une bande de métal une forme tubu- laire,les bords de la bande métallique étant en contact entre eux, et on fait avancer la bande et le dispositif de soudure l'un par rapport à l'autre de façon à faire passer ce dispositif sur le joint formé par les bords en contact. En général la bande avance tandis que le disposi- tif de soudure reste dans une position fixeo
L'invention est considérée comme s'appliquant particuliè- rement à la fabrication de tubes de diamètre relativement petit, mais elle n'est pas nécessairement limitée à la fabrication des tubes de cet- te nature.
Ces tubes peuvent avoir par exemple un diamètre extérieur d9 environ 15,8 mm et être formés par une bande en acier en mouvement longitu- dinal d'une épaisseur voisine de 0,88 mm.
La fabrication de tubes de petit diamètre soudés par rap- prochement donne lieu à diverses difficultés qui ne se présentent pas dans la fabrication de tubes ou tuyaux soudés de plus grand diamètre. Une de ces difficultés consiste à maintenir les bords qui peuvent être relati- vement minces en contact rectiligne satisfaisant avant de les souder,
à réduire au minimum le refoulement du métal dans la soudure qui forme une bavure à l'intérieur ou à l'extérieur du tube ou des deux côtés$ et à obtenir un joint soudé uniforme sur toute sa longueur et une structure cris- talline uniforme du métal au voisinage du joint soudée
Suivant 1?invention on amène les bords de la bande d' acier tubulaire en contacta puis on soude les bords par pointso Cette opé- ration s'effectue de préférence par soudure électrique et les points de soudure sont espacés en laissant entre eux des interfaces non soudées.
Les bords sont ainsi maintenus avec précision dans des positions relati- ves., Puis on chauffe le métal au voisinage du joint à une température à laquelle on peut effectuer une soudure rapide en combinaison avec une
<Desc/Clms Page number 2>
déformation plastique provoquant la recristallisation., Ce chauffage ne détruit pas les points de soudure, qui servent de centres de recristallisation. Les cristaux s'accroissent dans toutes les direc- tions à partir des centres de recristallisation et les points de soudure sont espacés de façon que les cristaux en grossissant remplissent les intervalles entre les points de soudure et dans les interfaces,,, qui antérieurement non soudées se soudent entre elles.
L'invention est décrite ci-après avec les dessins ci-joints à l'appui sur lesquels la fige 1 représente schématiquement une machine convenant à la fabrication de tubes avec une bande métallique en mouvement longitu- dinal. la figo 2 représente le tube. une fois la soudure par points terminée la figo 3 représente le tube après déformation plastique, tandis que les cristaux sont-en cours d'accroissements la figa 4 représente le tube dont la recristallisation est terminée la figo 5 est une coupe transversale du tube soudé, la figo 6 est une vue semblable à la figo 2 et représente une variantes la fige 7 est une vue semblable à la fig. 6 et représente une autre variante la fig.
8 représente la structure d'un acier pauvre en carbone dans les interfaces entre les points de soudure et avant que les interfaces soient soudées entre elles,, la fig. 9 est une vue semblable à la fig. 8 et représente la structure dans les interfaces après recuit mais avant soudures la fig. 10 est une vue semblable aux figs. 8 et 9 et représente la structure cristalline dans les interfaces entre les points de soudure une fois la soudure terminée et sur laquelle toute trace des interfaces initiales a disparu.
La fige 1 représente une forme de réalisation d'une ma- chine destinée à la fabrication des tubes suivant l'invention. Elle com- porte un laminoir approprié de formation d'un tubes comprenant plusieurs cylindres de formations désignés d'une manière générale par 1 qui dérou- lent une bande 2 sur une bobine et lui font prendre une forme tubulai- re 5. Avant de fermer le joint du tubeon y introduit un gaz non oxydant ou réducteur par un tuyau 69 ce gaz ayant pour but de nettoyer les surfa- ces.,, d'éliminer ou de réduire au minimum la quantité d'oxydes et de les empêcher de se former.
Des électrodes de soudure par résistance électrique sous forme d'électrodes rotatives 8 sont disposées à la sortie du laminoir à tube. Les électrodes viennent en contact avec le tube de chaque côté du joints en exerçant une pression sur lui et le tube s'appuie contre des cylindres 9 résistant à la pression. On fait tasser de préférence un courant alternatif dans les électrodes 8 qui soudent par points les bords, comme l'indique la fig. 2. Les portions du tube soudées par points sont repré- sentées sur la figo 2 par des circonférences en pointillé 10 et les inter- faces des bords en contact entre eux entre les points de soudure sont dé- signés par 11.
Bien entendu,, ces interfaces ne sont pas soudées,, mais la totalité du joints désignée d'une manière.générale par 12. est formée avec précision du fait que les bords en contact sont en position relative pré- cise. Les interfaces sont maintenues en contact entre elles. On choisit la relation entre la fréquence du courant alternatif et la vitesse du mou- vement de la bande de façon à séparer les points de soudure l'un de l'au-
<Desc/Clms Page number 3>
tre par des intervalles appropriés ainsi qu'on le verra plus loin.
On voit que plus la fréquence est élevée., plus la vitesse du mouvement de la bande peut être grande pour obtenir un intervalle donné entre les points de sou- dure
La machine comporte à la suite des électrodes de soudure par points un dispositif de chauffage du métal au voisinage du joint et servant à compléter la soudure du. joint.
Ce dispositifs tel qu'il est représentés a la forme d9un dispositif de chauffage par résistance électrique et comporte une enveloppe 15 avec tu- bulure d'entrée 16 dans laquelle passe le tube soudé par points. L'envelop- pe contient des électrodes appropriées,,, de préférence sous forme de galets, en face de chacun desquels se trouve un galet de support. Une extrémité d'un transformateur 16' est connectée à l'électrode intermédiaire 18 et son autre extrémité à l'électrode antérieure 17 et à l'électrode pes- térieure 19. Le courant électrique passe ainsi dans le sens longitudi- nal du tube qui. par suite, est chauffé à peu près uniformément d9un bout à l'autre.
Aussitôt après les électrodes et de préférence à l'inté- rieur de l'enveloppée se trouvent des dispositifs provoquant une défor- mation plastique et représentés sous forme de cylindres de réduction 20 qui viennent en contact avec le tube et exercent sur lui une action d'écrasement ou de réduction de section. On n'a représenté sur la figure que deux cylindres de réduction. mais il est évident que la machine peut comporter un nombre quelconque approprié de cylindres de réduction.
On introduit de préférence dans l'enveloppe 15 un gaz non oxydant ou ré- ducteur approprié; ce gaz peut arriver par un tuyau 21 et s'échapper et brûler à l'extrémité d'entrée 16 du four.
A la suite du four se trouve un refroidisseur dans lequel passe le tube. Le refreidisseur représenté est du type à double envelop- pe d'eau comportant un tuyau intérieur 22 dans lequel passe le tube et une . double enveloppe extérieure 23. L'eau de refroidissement peut arriver par un tuyau 24 et sortir par un tuyau 26. Des cylindres appropriés d'entraînement et de conformations' désignés d'une manière générale par 30, sont disposés à la sortie du refroidisseur.
Le gaz pénétrant dans le four peut brûler à l'extrémité d'entrée 16, Pour faciliter cette combustion: l'extrémité de sortie 31 du.refroidis- seur peut être de section réduite et en outre la longueur du refroidisseur est considérable. de sorte que l'extrémité d'entrée de l'enveloppe est plus près du tuyau d9admission du gaz que l'extrémité de sortie du refreidis- seur et que le gaz tend à circuler dans la direction de moindre résistan- ce.
Ainsi qu'il a déjà été indiqué la soudure par points sert non seulement à amener les interfaces en contact étreit et dans la posi- tion précise voulue. mais encore les points soudés qui se succèdent et se répartissent dans l'espace servent de centres à partir desquels, à la température élevée et à l'état nécessaire de déformation plastique. le phénomène de la recristallisation provoque la croissance de nouveaux grains dans les interfaces en contact étroit mais encore non soudées.
Le joint partiel de la fig. 2 est évidemment un joint insuffisante du fait qu'il n'est pas étanche au passage des liquides et n'est pas complè- tement soudé.
Le phénomène de la recristallisation consiste dans la croissance de nouveaux cristaux dans les solides à une température infé- rieure au point de fusion. Pour que la cristallisation se produise. deux conditions doivent être remplies: 1) Un état d9instabilité doit exister ou s'établir dans le solide et 2) une température limite inférieure appropriée doit être at- teinte ou dépassée. Un état d'instabilité peut exister dans un solide du fait a) de tensions internes résiduelles et b) de variations de la
<Desc/Clms Page number 4>
teneur en-éléments d'alliage ou éventuellement d'impuretés.
Un état dins- tabilité peut s'établir dans un solide du fait c) d9efforts résultant d'une dilatation thermique irrégulièred) dune variation de la forme cristal- line de substances allotropiques et e) de Inapplication de forces extérieu- res de déformation.
Le fer est une substance allotropique dont les divers états sont stables dans certains intervalles de température qui sont les suivants:
EMI4.1
<tb> Etat <SEP> Structure <SEP> cristalline <SEP> Limite <SEP> de <SEP> stabilité
<tb>
<tb> - <SEP> #-##### <SEP> en <SEP> oC
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alpha <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> volume <SEP> centré <SEP> 910 <SEP> et <SEP> inférieure
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gemma <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> face <SEP> centrée <SEP> 910 <SEP> à <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Delta <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> volume <SEP> centré <SEP> 1400 <SEP> à <SEP> 1535
<tb>
Les limites de stabilité des alliages ferreux sont modifiées et dans certains cas de métaux ferreux à forte teneur en éléments d'allia- ge,
ces limites peuvent être supprimées complètement ou à peu près complètement.
@ La présente description est basée sur le fera quoique l'acier pauvre en carbone n'en diffère pas beaucoup, sauf en ce qui concerne les variations de la température de stabilité. Il semble donc que le fer puisse théoriquement recristalliser complètement, que les cristaux puissent croître dans une interface et former une soudure sans qu' une déformation plastique soit nécessaire.
Cette recristallisation n'est guère susceptible de se produire dans une large mesure au passage de 1' état alpha à l'état gamma à 910 C, car la vitesse de recristallisation est lente à cause de la faible mobilité des atomes de fer à cette tempé- ratures ainsi que de la faible mobilité et du défaut de tendance à la coalescence et au rassemblement des impuretés et des inclusions de gaz existant dans 19interface initialeo
Il est évident que ces inclusions de gaz et autres impu- retés doivent se rassembler et s'agglomérer lorsque les nouveaux cristaux grossissent dans l'interface, sinon il existe un plan de faiblesse dans l'interface initiale (le joint).
Mais si on chauffe les interfaces en contact étroit à une température supérieure au changement d'état allotropique suivant (de 1' état gamma à l'état delta à 1400 C) la recristallisation a lieu au cours de ce changement d'état allotropique et une soudure peut se former sans déformation plastique.
Il est donc théoriquement possible par un traitement ther- mique seul approprié de faire grossir les cristaux dans une interface et de faire ainsi disparaître l'interface. c'est-à-dire de former une soudu- re.
Mais les surfaces comportent des pellicules d'oxydes; de nitrures de gaz absorbés., etc, qui forment un obstacle à la croissance des cristaux à une température inférieure au point de fusion. Cette re- cristallisation dépend de l'action dynamique des atomes entre des limi- tes spatiales de l'ordre des distances interatomiques dans le cristal.
Si on ne fait intervenir d'autre énergie que l'énergie vibratoire des atomes à température élevéecomplétée par l'énergie de la transforma- tion au moment du changement d'état allotropique,,, de faibles obstacles, tels que ceux qui résultent des impuretés, sont susceptibles de s'op- poser dans une large mesure à la recristallisation.
Si la croissance des cristaux a commencé en un ou plusieurs points et par des moyens quelcon- ques dans les interfaces et si les interfaces sont en contact étroit, (à part des couches minces d'impuretés ou d'atomes étrangers), on peut provoquer., en faisant agir d'une manière continue une température éle-
<Desc/Clms Page number 5>
vée et/ou par des oscillations répétées de température passant par la tem- pérature du changement dictât allotropiques l'agglomération des impuretés et 19accroissement des cristaux. Bien entendu, cette solution n'est pas applicable à une opération industrielle à grande vitesse.
De plus, certains métaux ne subissent pas de changements d'état allotropique ou les subis- sent à des températures tellement basses que l'énergie globale de vibra- tion des atomes est trop faible pour modifier sensiblement la forme initia- le des cristaux ou les faire grossir au-delà de leurs limites initiales.
Suivant 1?invention le métal à souder subit une déformation plastique après chauffage à la température de recristallsation. La défor- mation plastique accélère le phénomène de recristallisation et en outre contribue à briser les obstacles opposés par les oxydes, nitrures, gaz ab- sorbés etc.
En conséquence, la couture ou les points de soudure main- tiennent les bords en contact en position précise et traversent les cou- ches d'oxydes. gaz absorbés,. impuretés, etc. entre les faces en contact, en formant des centres à partir desquels la recristallisation peut se produi- re ultérieurement à la température qui convient. et avec déformation plas- tique en vue de compléter l'adhérence des interfaces dans le joint. Les points de soudure sont espacés l'un de l'autre de fagon que la recristal- lisation progresse complètement d'un point de soudure au suivant. L'inter- valle entre les points de soudure peut être de 6 à 8 mm environ. La tempé- rature de chauffage du tube est comprise entre les limites de l'état gamma.
On a constaté qu9une température donnant satisfaction dans le four dans lequel passe le tube est d'environ 1315 C. Pendant que le tube est à cette température les cylindres de réduction 20 viennent à son contact sous pression et lui font subir une déformation plastique, et les grains gros- sissent à partir des centres de croissance précédemment établis, c'est-à- dire les points de soudure, dans toutes les directions. Cette croissance des cristaux est très rapide et il est difficile de l'interrompre, sauf lorsque des impuretés d'une sorte quelconque s'y opposent.
Sur la fig. 2, les circonférences en pointillé 10 représentent les points de soudure. Sur la fig. 3, les zones en pointillés 35 représentent l'ac- croissement partiel des cristaux et sur la fig. 4, la zone totale en poin- tillé 36 indique que la recristallisation est complète. Les cristaux ont grossi dans les interfaces initiales non soudées et par suite celles-ci n'existent plus car elles sont réunies ou soudées. Les circonférences en pointillé qui représentent les centres de recristallisation initiaux sont reproduites sur les fig. 3 et 4.- mais ces points soudés ont effectivement disparu dans le produit final.
Si on chauffe le tube uniformément sur toute sa périphérie, la déformation plastique a tendance à se répartir uniformément sur toute la périphérie du tube et la recristallisation se produit aussi sur toute la périphérie. Il n'en résulte pas de conséquence nuisible en soi dans le tube, pourvu que la déformation plastique soit suffisante pour que les cristaux de recristallisation soient petits et qu'on obtienne un degré élevé d'iso- tropie dans le tube fini.
Si on chauffe le tube uniformément, la déformation se ré- partit à peu près uniformément sur toute sa périphérie. Mais.en principe, la déformation plastique n'est nécessaire qu'au voisinage immédiat de la soudure. Si on ne chauffe le métal et si on le déforme plastiquement quau voisinage de la soudurela presque totalité de la réduction de diamètre peut se concentrer dans la région de la soudure. Cette opération de soudu- re peut s'effectuer en chauffant le tube plus ou moins localement le long du joint.
Dans certains cas, par exemple dans celui d'un petit tube à paroi mince, le tube est très mou et fragile lorsqu'on le chauffe sur toute sa périphérie à la haute température qui convient à la recristalli- sation, et il peut être difficile de réaliser une forte déformation en une
<Desc/Clms Page number 6>
seule passe sans risquer d'endommager le tube formée Il peut être avan- tageux dans ce cas de réaliser une déformation préférentielle ou loca- lisée dans et au voisinage immédiat du joint.
La fig. 6 représente un moyen d'arriver à ce résultat. Les bords du tu- be 5b de cette figure ont une forme en quelque sorte ondulée, comme 1' indique la figure sous forme très exagérée. Les bords comportent des portions 40 en contact étroit entre elles et soudées par points. Les portions intermédiaires comportent en raison de la forme ondulée des surfaces 41 en face l'une de 1?autre et séparées par un intervalle.
Lorsqu'on chauffe ce tube et qu'on lui fait subir un effort de compres- sion,il se produit une déformation plastique relativement forte dans la région des points de soudure, donnant lieu à une recristallisation locale satisfaisante.
Cette déformation plastique a pour effet de fermer les zones ouvertes et d'amener les faces en contact entre elles, et les petites zones de soudure constituent des centres d'où part la recristallisation, qui se propage dans toutes les directions et dans les faces 41 qui viennent en contact et se soudent.
La fig. 7 représente une autre variante, suivant laquelle les bords en contact comportent de faibles irrégularités ou dentelures désignées d'une manière générale par 42.
Ces bords sont soudés par points 10 comme précédemment et la déforma- tion une fois terminée se localise plus complètement étant donné que les saillies ou dentelures se déforment et s'aplàtissent plus ou moins. Les point de soudure servent comme précédemment de centres de recristalli- sation dans la soudure de la totalité du joint. Cependant, la solution de la figo 7 peut donner lieu à un épaississement du métal dans le joint.
L'atmosphère réductrice ou non oxydante maintenue à 1' intérieur et à l'extérieur du tube facilite la réduction et empêche la formation d'oxydes qui ralentiraient la recristallisation dar.s les in- terfaceso Ainsi qu'il a été dit, cette atmosphère se propage dans le refroidisseur et empêche l'oxydation du tube pendant son refroidissement.
La description de l'invention peut se compléter en consi- dérant les figa 8, 9 et 10 qui sont des reproductions de microphotogra- phies avec un grossissement de 100 diamètres, représentant la structure des grains. La ligne de séparation des interfaces apparaît sur la fig.
8, sur laquelle on aperçoit nettement une ligne de clivage de la struc- ture cristalline. Cette ligne représente les interfaces des intervalles entre les points de soudure avant la soudure et le traitement thermique.
Les mêmes interfaces apparaissent sur la fig. 9 avant la soudure et après le traitement thermique ou de recuit à 815 C environ, et la ligne de sé- paration des interfaces est nettement indiquée par la structure cristal- line. Mais la même position des interfaces est représentée sur la fig. 10 après soudure suivie d'un recuit à 1149 C environ et on voit que la dif- férence de structure dans la zone du joint a disparu, ainsi que toute trace des interfaces initiales.