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Cette invention concerne le soudage et plus particulièrement la technique du soudage bout à bout.
L'invention convient admirablement au soudage bout à bout de tuyaux en acier inoxydable quoique la méthode de soudage selon l'invention puisse être employée pour souder d'autres pièces en acier inoxydable et aussi des tuyaux, des tubes, des cylindres ou d'autres pièces en un autre métal ou al- liage.
Dans le soudage bout à bout de tuyaux en acier inoxydable où un tuyau soudé doit résister à des conditions de service extrêmement sévères et difficiles telles que dans les conditions conduisant à de la corrosion, à de grandes vitesses de déplacement de fluides dans le tuyau, au contact de matières pouvant être radioactives et à de grands taux de transfert de chaleur avec des changements rapides à hautes températures, le procédé de soudage doit être tel qu'il produise les meilleures qualités possibles des joints soudés. Les méthodes usuelles de soudage ne donnent pas le type de joint nécessaire pour répondre à ces conditions difficiles.
Diverses méthodes ont été utilisées jusqu'ici .pour le soudage bout à bout des tuyaux et d'autres pièces dans lesquelles les longueurs de tuyaux sont soudées ensemble soit avec, soit sans l'emploi d'un anneau in- tercalaire. Dans certaines de ces méthodes où un anneau supportant le joint n'est pas employé, les extrémités des tuyaux sont chanfreinées pour produire une rainure annulaire de soudure.
L'électrode est alors passée le long de la rainure pour former ce que l'on appelle la passe de fond, pour fondre les extrémités accolées des tuyaux et, après que la passe de fond à été constituée, il subsiste un chanfrein annulaire fermé au fond par les extrémités fondues du tuyau, ce chanfrein étant alors rempli de métal de soudure avec un électrode consommable, par ce qu'on appelle les-passes de couverture, le métal de soudure étant fondu au métal de base au bord de la paroi du tuyau.
La méthode qui l'utilise pas un anneau supportant le joint a des inconvénients indésirables parce qu'en faisant la passe de fond de manière à obtenir une bonne pénétration à fond de chanfrein et une bonne fusion, il y a une tendance, durant la passe de fond, à brûler la pièce sur toute son épaisseur et, soit à faire tomber des gouttelettes de soudure à l'intérieur du tuyau, soit à former des saillies indésirables ou stalactites à l'intérieur du joint soudé. D'autre part, si le métal n'est pas suffisamment fondu, on n'obtient pas une pénétration suffisante dans le métal de base pour avoir une bonne soudure.
Pour éviter les conséquences indésirables des perçages, certaines méthodes de soudage de tuyaux utilisent un anneau supportant le joint. Selon une de ces méthodes, l'anneau supportant le joint n'est pas fusionné avec le tuyau et doit être enlevé après que le joint est soudé. Selon une autre méthode, l'anneau supportant le joint est fusionné avec le joint et n'est pas enlevé après que le joint est soudé. Un des buts principaux de l'utilisation d'un anneau supportant le joint est d'éviter les gouttes indésirables de métal de soudure à l'intérieur du tuyau ou la formation de saillies dans le tuyau. L'emploi d'un anneau supportant le joint enlevable donne lieu à des objections parce qu'il est impraticable, sinon impossible, dans la plupart des cas, de l'enlever, de l'intérieur du tuyau après achèvement du soudage.
Les méthodes connues jusqu'ici qui utilisent un anneau supportait le joint qui est fusionné avec le joint ont été telles que l'anneau, quoique partiellement fondu aux bords adjacents annulaires des deux longueurs de tuyaux soudée ensemble, n'est pas complètement fusionné avec le métal de base du tuyau à ses faces intérieures. Il en résulte que des crevasses indésirables ou des microfissures sont formées au moment de l'achèvement de la soudure ou prennent naissance plus tard ou que le métal de l'anneau supportant le
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joint qui est laissé à la surface intérieure du tuyau donne lieu à une résistance indésirable au courant de fluide qui passe dans les longueurs de tuyaux assemblées et provoque une chute de pression indésirable.
Suivant l'invention, on prévoit une pièce intercalaire métallique de soudure et un procédé de soudage qui surmontent les inconvénients inhérents aux:procédés antérieurs. Le procédé de soudage comprend l'emploi d'une pièce intercalaire métallique de soudure présentant un flasque et une nervure s'étendant vers l'extérieur à partir du flasque, contre laquelle vien- nent buter les bords des parties du métal de base à souder l'une à l'autre, Le flasque et la nervure sont étudiés et proportionnés de façon telle que dans le procédé de soudage le flasque et la nervure de l'intercalaire sont tous les deux complètement fondus pour former des mares successives de soudure le long du joint.
Dans chaque nouvelle position, la nervure et le flasque de l'intercalaire ainsi que le métal de base adjacent à l'intercalaire fusionnent en une mare de métal complètement fondu et la forme initiale ou contour du flasque de l'intercalaire est complètement transformée par suite de sa fusion complète et de sa resolidification, et par le fait que des mares successives de soudures sont formées par la torche de soudure au fur et à mesure qu'elle avance le long de l'intercalaire, que ces mares peuvent se refroidir successivement et que le métal fondu peut se resolidifier, le métal de l'intercalaire forme partie intégrante du joint soudé et forme ainsi un cordon presque plat et presque lisse à la surface intérieure du joint soudé.
Le cordon résultant a un contour différent du contour que le flasque de l'intercalaire avait avant l'application de la chaleur de soudage.
Dans le soudage de deux bouts de tuyau, on emploie un anneau intercalaire de soudure consommable qui est inséré ou placé à l'avance dans le joint entre les extrémités des deux longueurs de tuyaux à souder ensemble.
Les extrémités des deux longueurs sont d'abord chanfreinées pour produire un chanfrein de soudure exposé et accessible lorsque les deux longueurs de tuyaux sont placées en alignement et en position bout à bout avec l'intercalaire. L'intercalaire est étudié et proportionné de façon telle que lorsqu' on fait la première passe de soudure ou passe de fond, le métal de cet intercalaire soit complètement fondu (c'est-à-dire complètement liquéfié) et soudé au joint des deux longueurs de tuyau, formant une soudure homogène exempte de crevasses et de fissures et donnant une surface de soudure sub- stantiellement lisse à la face interne du tuyau, au joint où les extrémités des tuyaux sont soudées ensemble. L'intercalaire de soudure est donc un intercalaire consommable dans l'opération.
L'intercalaire consommable tel qui' on l'appelle ici signifie que c'est une matière de remplissage placée à l'avance qui est liquifiée et fondue complètement dans la mare de soudure par l'application d'une chaleur contrôlée et l'expression "complètement fondue" est destinée à signifier que le métal est amené à l'état fondu et s'intègre à la mare de soudure. De plus, le métal choisi pour constituer l'intercalaire peut être tel qu'après achèvement du soudage, le joint soudé ait des propriétés métallurgiques désirées et prédéterminées.
Quoique l'intention soit particulièrement adaptée au soudage bout à bout des tuyaux, elle est aussi applicable au soudage bout à bout de pièces métalliques d'autres formes et spécialement lorsque la face du joint opposée au côté par lequel le soudeur a accès n'est pas facilement accessible.
Quoique les caractéristiques nouvelles qui sont jugées être propres à l'invention soient détaillées plus loin dans les revendications annexées, 1'invention elle-même quant à son but et à ses avantages et à la manière par laquelle elle peut être appliquée pourra être mieux comprise en se référant à la description qui suit des dessins ci-annexés, dans lesquels:
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- la figure 1 est une vue en perspective des pièces séparées et partiellement sectionnées montrant deux sections de tuyaux à souder ensemble bout à bout, et l'anneau intercalaire de métal de soudure entre les extrémi- tés juxtaposées; - la figure 2 est une vue des pièces montrées à la figure 1 mais dans la position assemblée et le joint partiellement soudé pendant la passe de fond;
- la figure 3 est une vue en perspective et partiellement en coupe selon la ligne III-III de la figure 1 mais à une échelle plus grande; - la figure 4 est une vue en perspective et partiellement en coupe selon la ligne IV-IV de la figure 2 et elle illustre la position de l'anneau intercalaire de soudure et du tuyau après que les pièces ont été alignées pour faire la passe de fond de soudure;
- les figures 4a à 4c sont des vues très schématiques montrant les phases successives du procédé de soudage, la figure 4a montrant schématique- ment la position et certaines relations dimensionnelles avant l'application de la chaleur de soudage, la figure 4b montrant schématiquement les condi- tions de la mare après que la chaleur de soudage a été appliquée à la nervu- re de l'intercalaire dans une zone limitée et avant qu'une quantité de cha- leur suffisante pour faire fondre complètement le flasque de l'intercalaire ait été appliquée,
la figure 4c. montrant schématiquement la mare de soudure typique ou représentative juste avant qu'une quantité de chaleur de soudage suffisante pour faire fondre complètement le flasque de l'intercalaire ait été appliquée et la figure 4d montrant schématiquement la mare de soudure fondué après que la nervure et le flasque de l'intercalaire ont été complètement fondus et montrant aussi certaines relations dimensionnelles en rapport avec les relations dimensionnelles représentées à la figure 4a; - la figure 5 est une vue en perspective et partiellement en coupe selon la ligne V-V de la figure 2 et elle montre le joint soudé produit par la passe de fond de soudure, après que le métal fondu s'est refroidi et solidifié;
- la figure 6 est une vue en plan montrant l'assemblage soudé de la passe de fond à l'endroit où l'arc est appliqué comme montré à la figure 2; - la figure 7 est une vue en perspective et partiellement en coupe montrant le joint soudé après que la passe de fond a été complétée et que certaines passes de couverture ont été faites; - la figure 8 est une vue montrant le joint soudé après que les passes finales de couverture ont été faites et elle montre le joint soudé terminé ; - la figure 9 est une vue similaire à la figure 8 mais montrant la face interne du joint complètement soudé ;
- les figures 10 et Il sont des vues en perspective et partiellement en coupe montrant des formes modifiées de l'anneau intercalaire de soudure et du chanfrein du tuyau;et - la figure 12 est une vue schématique, montrant la section transversale d'un intercalaire de soudure fortement agrandi, pour faciliter l' explication du dimensionnement de l'intercalaire de soudure selon l'invention.
Quoique l'intercalaire de soudure prévu par l'invention soit ap- plicable à la soudure bout à bout de différents métaux et alliages et à une variété de formes régulières ou irrégulières à joindre par soudage, les
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principes à la base de l'invention et la manière de la mettre en oeuvre peuvent peut-être mieux se comprendre par la description suivante plus détaillée de la jonction de deux longueurs de gros tuyaux d'acier inoxydable selon la méthode de l'invention.
De préférence, on emploie la méthode de soudage par arc au tungstène protégé par un gaz inerte pour faire la passe de fond. La méthode par arc au tungstène protégé par gaz inerte est connue en elle-même et peut être décrite brièvement comme une procédé de soudage dans lequel un arc de soudage est maintenu entre une électrode pratiquement inconsommable et la pièce tandis que l'arc est protégé par un gaz inerte monoatomique . Le gaz inerte, généralement de l'argon ou de l'hélium, sert à protéger la mare de métal fondu et l'électrode contre l'atmosphère ambiante ainsi qu'à aider à l'ionisation de l'arc. L'électrode la plus souvent employée est en tungstène ou en tungstène additionné de thorium.
L'appareil de soudure à l'arc connu dans le commerce sous le nom de "Heliarc" est un de ceux qui conviennent pour appliquer la méthode de soudure de l'invention.
Dans la figure 1, on montre deux longueurs 10 et 11 d'un tuyau de 8 pouces en acier inoxydables du type A.S. T.M. 347 Schedule 40 à souder bout à bout par leurs extrémités 13 et 14. On comprendra que les deux pièces de tuyau 10 et 11 peuvent être de toutes longueurs désirées et que l'invention est applicable au soudage d'autres dimensions de tuyaux, tubes ou cylindres et d'autres formes à souder bout à bout ainsi qu'à des métaux ou alliages autres que l'acier inoxydable.
Un anneau intercalaire (désigné dans son ensemble par 15) dont la composition convient pour produire une soudure de caractéristiques prédéterminées avec le métal de base des tuyaux 10 et 11, est prévu. Cet anneau intercalaire, décrit en plus de détail ci-après, est consommable, c'est-à-dire, qu'il est étudié pour fondre complètement (c'est-à-dire: être complètement liquéfié) durant la passe de soudure de fond. Avant de souder, les bouts 13 et 14 des tuyaux à joindre sont chanfreinés, préférablement, comme illustré dans les figures 1 et 3. Le tuyau (les longueurs 10 et 11 illustrées dans les dessins) a un diamètre intérieur de 8 pouces et une épaisseur de paroi de l'ordre de.5 de pouce.
L'extrémité 13,14 de chaque tuyau est chanfrei-
16 née de manière qu'à l'intérieur (par opposition à la périphérie extérieure) il y ait un méplat annulaire 16,17, chaque méplat présentant un bord annulaire 18,19, dont l'épaisseur ou la largeur est de l'ordre de 0,05 pouce.
Le rayon de la courbe du chanfrein en 20,21 est de l'ordre de 3 de pouce
16 et la portion droite du chanfrein 22,23 se dégage sous un angle d'environ 30 avec la verticale.
L'anneau intercalaire 15 a une section transversale particulière et préférablement de la forme montrée dans les figures 1 et 3 et illustrée à une échelle bien plus grande dans la figure 12. On comprendra que l'intercalaire 15 est un anneau fermé, la vue de la figure 1 étant brisée en 24 pour mieux montrer la section transversale. L'intercalaire est constitué d'un métal qui produira une soudure de caractéristiques métallurgiques prédéterminées telles que le joint soudé, lorsqu'il sera complété, aura des propriétés métallurgiques satisfaisantes et déterminées à l'avance. Concernant l'exemple montré, le tuyau ayant 8 pouces de diamètre et étant en acier inoxydable du type 347, le métal de l'intercalaire en anneau est constitué de métal de soudure du type 347.
Dans le soudage de tuyaux en acier inoxydable qui est entièrement austénitique, le dépôt de soudure doit conténir environ 4% à 8% de ferrite qui n'est pas un dépôt austénitique. En vue de déterminer la portion de ferrite qui sera déposée, la matière àùtiliser
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pour l'intercalaire en anneau peut être choisie d'après la méthode connue sous le nom de diagramme de Schaeffler, qui indique la quantité de ferrite qui sera déposée pour des compositions données des électrodes. Ce principe peut être appliqué au chois: de la matière constituant l'intercalaire en an- neau. D'autres types de dépôts requis lorsque le soudage se fait sur d'au- tres matières que des métaux austénitiques peuvent être obtenus par d'autres diagrammes de constitution métallurgique connus.
Pour les aciers faiblement alliés pouvant être traités thermiquement, lorsqu'on joint par exemple des aciers 4130, le dépôt de soudure peut être choisi dans une matière du type
4330, pour donner une soudure ayant une résistance au moins égale à celle du métal de base avant comme après le traitement thermique.
La section transversale de l'anneau intercalaire 15 peut être ob- tenue facilement à partir d'un fil de soudure ordinaire de 2 de pouce de
32 diamètre de la composition désirée en fraisant deux secteurs parallèles à partir de la baguette le long de sa longueur, laissant une nervure proéminente 25. Elle peut aussi être obtenue par d'autres procédés de travail?des métaux. La baguette peut être coupée à la longueur désirée et transformée alors en anneau 15 comme montré à la figure 1.
La forme préférée de section transversale de l'intercalaire est peut-être la mieux représentée dans les figures 3 et 12 et on observera qu'elle a une portion en forme de flasque 26 ayant une surface arquée 29qui peut être représentée comme ayant un rayon r lorsqu'elle est vue en coupe transversale (voir figure 12), Elle possède des parties 27, 28 à face circonférentielle (dans le plan 67), une de chaque côté de la nervure circonférentielle 25 s'étendant vers l'extérieur, radialement sans interruption à partir du flasque et logée à mi-largeur de celuici. Cette nervure 25 peut être représentée comme ayant une largeur w et une hauteur h. Le diamètre des épaulements annulaires 27 et 28 de l'anneau intercalaire 15 est du même ordre que le diamètre intérieur des tuyaux 10, 11 à souder.
On voit que lorsque l'anneau intercalaire 15 est placé en position pour recevoir la passe de soudure de fond, comme représenté aux figures 2 et 4, la face de l'épaulement angulaire 27 vient en contact avec la surface intérieure 30, du tuyau 10 en dessous du méplat proéminent 16 et que le bord ou face latérale 18 du méplat bute contre le côté 31 de la nervure 25 tandis que la face de l'épaulement annulaire 28 vient en contact avec'la surface 32 du tuyau 11 sous le méplat proéminent 17 et que le bord ou face latérale 19 du méplat 17 bute contre le côté 33 de la nervure 25:. Le flasque 26 réunit donc les joints où les méplats butent contre la nervure 25 de sorte que le flasque 26 sert en réalité d'anneau de support pour la passe de soudure de fond.
Pourtant, comme mentionné plus haut, l'anneau intercalaire est consommable et la nervure 25 et le flasque 26 sont proportionnés de façon à être tous les deux complètement fondus et fusionnés avec le métal de base pendant la passe de soudure de fond (voir la figure 5 qui montre le joint soudé après que la passe de fond a été effectuée). On observera également que la nervure 25 a une hauteur du même ordre que la hauteur des faces de fond 18 et 19 des méplats proéminents annulaires 16 et 17, comme montré dans la figu- re 4, dans laquelle les pièces sont montrées dans la position pour le soudage. On observera que les chanfreins 22,23 forment un canal annulaire 35 en forme de U fermé au fond par la nervure annulaire 25.
La nervure sert également de calibre pour l'espacement des tuyaux 10, 11 et, en même temps que les épaulements annulaires 27,28 du flasque 26, elle aide à aligner les tuyaux avant de souder le joint. Lorsqu'il est mis ainsi en position, le canal 35 en forme de U est assez large pour l'entrée, à partir de l'extérieur du tuyau, de l'électrode de soudure 36. On peut noter ici que le soudage de la passe de fond se fait préférablement en courant continu, pôle négatif à la pince, avec le métal de base raccordé au côté positif de la ligne et l' électrode 36 au pôle négatif comme illustré schématiquement par la figure 2.
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Lorsque les extrémités des deux longueurs de tuyau 10, 11 ont été bien nettoyées et mises en place avant de souder au moyen du procédé à arc protégé par gaz inerte,l'intérieur du tuyau est purgé au moyen de gaz inerte tel que l'argon et les tuyaux juxtaposés sont soudés en quelques points , préférablement en des endroits 37 à environ 2 pouces l'un de l'autre dans le cas d'un tuyau de 8 pouces de diamètre. Comme on le montre, les extrémités du tuyau sont fermées par des bouchons 40, 41 quoique d'autres moyens de fermeture pour maintenir une atmosphère gazeuse protectrice couvrant la surface interne du joint à souder, puissent être employés.
L'argon ou tout autre gaz convenable peut être introduit à partir d'une bobonne 42 par une conduite 43 pourvue d'un robinet 44, a l'intérieur du tuyau et s'échapper à l'autre extrémité par un conduit 45 muni d'une valve 46. De préférence, les soudures de pointage 37 ne doivent pas pénétrer le flasque de l'intercalaire.
Après avoir réuni les pièces par points, la passe de:¯soudure du fond est faite tout le tour du tuyau au fond du canal de soudage annulaire 35 en forme de U. L'atmosphère contenant de l'oxygène ayant été purgée de l'intérieur du tuyau au moyen de gaz argon et l'électrode étant protégée par du gaz argon d'une manière connue, l'électrode en tungstène thorié 36, affûtée en pointe fine, est amenée aussi près que possible du point de départ du joint, qui est préférablement à mi-chemin entre deux points de soudure. L'arc doit rester au centre du joint assez longtemps pour former une mare bien fluide de métal fondu. Lorsque la mare de métal fondu montre un contour elliptique, le flasque 26 de l'intercalaire à l'intérieur du canal de soudage est complètement fondu.
Après la formation de cette mare fondue l'arc est déplacé de manière régulière, et préférablement avec un mouvement plus ou moins oscillant, le long de la circonférence du canal de soudage 35 et, durant ce déplacement, il faut veiller à maintenir le conteur de la surface des mares successivement formées aussi plat que possible, pendant que la formation de la mare progresse le long du joint en même temps que l'électrode et son arc, La figure 6 montre en plan la mare de métal liquide 50 où l'arc frappe la nervure 25 pendant que l'arc avance régulièrement dans la direction de la flèche 51, et 52 représente la surface de la soudure après que 3;'arc l'a dépassé et que le métal fondu s'est refroidi et solidifié.
La figure 5 montre la surface 52 du métal actuellement solidifié mais précédemment fondu, telle qu'elle est vue de l'extérieur du tuyau. La figure 9 montre en 53 la soudure substantiellement plate opposée à la surface 52 et telle que vue de l'intérieur du tuyau: La surface 52 après que la passe de fond a été faite est peut-être le mieux visible dans la figure 5.
En maintenant plat le contour de la surface des mares de métal fondu 50 au fur et à mesure que celles-ci progressent tout le long de la circonférence du tuyau, une bonne fusion et liquéfaction de la nervure 25 et du flasque 26 est assurée et une bonne pénétration de la soudure dans le métal de base du tuyau 10, 11 est obtenue, de manière que le métal de base fondu et le métal de soudure se refroidissent et se solidifient et que le métal forme un cordon 53 relativement plat et lisse à la surface intérieure du joint soudé (voir figures 5 et 9). Pour obtenir les meilleurs résultats, la surface de la mare de métal fondu 50 doit être tenue aussi plate que possible pendant qu'on fait avancer cette surface le long du joint. Une convexité ou une concavité de la surface de la mare indique respectivement une chaleur insuffisante ou excessive.
Par conséquent, la torche 36 et son arc sont mûs de façon régulière le long de la circonférence du fond du canal de soudage et manoeuvrés pour maintenir une mare de métal fondu avançant progressivement de telle sorte qu'elle ait un contour superficiel aussi plat que possible. L'électrode est mue progressivement le long du canal de soudage jusqu'à ce que la passe de fond soit complétée et recouvre légèrement le point de départ. La dimension de la mare de métal fondu est alors
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réduite progressivement et l'arc est rompu.
Les figures 4a' à 4c montrent de façon schématique les phases suc- cessives de la formation de la mare dans le procédé de soudage. Dans ces figures, les mêmes notations de référence que celles utilisées dans d'autres figures désignent des parties qui correspondent à celles visées dans ces au- tres figures.
La figure 4a représente schématiquement l'intercalaire de soudure dans la position pour commencer l'opération de soudage et correspond dans l'ensemble à la figure 4. On peut supposer qu'un axe Y-Y passe par le cen- tre de l'axe géométrique et dans la direction de l'épaisseur des parties
10 et 11 en métal de base à souder et on peut supposer qu'un axe X-X passe perpendiculairement à l'axe Y-Y dans le plan 67 le long des surfaces supé- rieures des épaulements 27, 28 de l'intercalaire. La nervure 25 dans l'es- pace entre les bords 18 et 19 des parties à souder et au-dessus du plan 67 peut être représentée comme ayant une section transversale Aa tandis que le flasque 26 de l'intercalaire en dessous du plan 67 peut être représenté comme ayant une section transversale Ab.
Le flasque peut aussi être repré- senté par sa dimension Dx parallèle à l'axe X-X et ayant une longueur égale à la largeur maximum du flasque 26 et par sa dimension Dy parallèle à l'axe Y-Y et ayant une longueur égale à la hauteur maximum du flasque 26, comme on peut le voir à la figure 4a.
En observant la formation de la mare dans le procédé de soudage selon l'invention, durant la passe de fond, il semble que les forces de tension superficielle, d'action capillaire et d'adhérence agissent effectivement en déplaçant et en supportant la mare de métal fondu formée par l'arc au fur et à mesure qu'on fait avancer la torche par petites quantités le long de la nervure de l'intercalaire consommable. En se représentant une mare déterminée comme une mare typique et en se représentant alors comment ces mares sont successivement formées, refroidies et solidifiées pendant que l'arc avance le long de la nervure, il apparaît que l'arc fond d'abord la nervure dans une zone limitée et que le premier métal fondu est attiré légèrement dans les crevasses entre l'intercalaire et le métal de base des pièces à souder.
En continuant à appliquer de la chaleur dans cette zone à l'aide de la torche de soudage,'la nervure 15 finit par être'complètement fondue pour former'une màre et la chaleur commence à fondre le flasque ainsi ,que. le triétal de basé voisin de la nervure, comme représenté schématiquement en 101b à la figure 4b, compte,tenu de ce que le métal fendu-entrée dans les¯, espaces 102b et 103b .
En continuant à appliquer la chaleur, le métal dans le flasque 26b continue à fondre et entretemps le métal de base adjacent à la mare de métal fondu commence à fondre et à fusionner avec le métal de la mare comme indiqué en 101c à la figure 4c.
A ce stade de la formation de la mare, la mare 101c de métal fondu s'agrandit mais il reste encore une croûte de métal solide 104c, non encore fon- - - du à la surface périphérique du flasque de l'intercalaire. A ce stade de la formation de la mare, la croûte 104C de métal solide encore infondu sert de pont arqué en métal solide pour tenir la mare 101c en place par adhérence et cohésion. Les forces de tension superficielle agissent contre cette contrainte mais n'ont jusqu'à ce moment que peu d'effet visible. La capillarité et le mouillage des parois du joint par le métal fondu provoquent la formation d'une surface concave 105.2.avant la fusion de la croûte périphérique 104c de métal solide.
En continuant à appliquer la chaleur de soudage, la croûte périphérique 104c fond sur toute son épaisseur et, lorsque ceci se passe, il se
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forme une mare de métal complètement fondu. Les forces de tension superficielle dans la mare de métal complètement fondu tendent alors à réduire la surface extérieure de la mare de métal fondu constitué à ce moment du métal fondu de l'intercalaire de soudure et du métal de base fondu et les forces de tension superficielle en même temps que le mouillage et la capillarité provoquent le déplacement du métal fondu.
Dans la mesure où les forces de tension superficielle tendent à donner une forme sphérique à la mare de métal fondu et où les autres forces agissent simultanément, la surface de la mare juste avant de faire prise est légèrement convexe, plate ou concave mais en tout cas un mouvement du métal fondu d'amplitude relativement grande a eu lieu.
Après que la mare de métal fondu est complètement fondue, le métal fondu est attiré par les forces qui agissent sur lui jusqu'à prendre la forme représentée schématiquement à la figure 4d. Entretemps, la torche de soudage est déplacée un peu le long de la nervure de l'intercalaire pour former une mare analogue et le métal fondu se solidifie. Par le fait que les forces mentionnées ci-dessus (bien qu'elles soient petites en soi) sont d'une manière significative, importantes en comparaison de la force de la pesanteur exercée sur le métal fondu, l'effet de la pesanteur sur la mare de métal fondu peut être considéré comme presque négligeable.
On comprend évidemment que ce qui précède est une description de l'action et du mouvement d'une mare de métal fondu typique ou représentative et qu'en soudant un joint, ces mares sont formées successivement et le métal se resolidifié au fur et à mesure que la torche de soudage est déplacée d' un mouvement plus ou moins ondulant le long du joint par petites longueurs.
Par le fait que les mares de métal fondu formées successivement sont resolidifiées en se refroidissant, la surface intérieure du joint se présente sous la forme d'un cordon 53 presque plat et presque lisse.
En se reportant à la figure 4d qui représente schématiquement la mare de métal fondu au moment de la prise, on note que le cordon désigné par 53d en dessous de l'axe X-X peut être représenté comme ayant une section transversale Ac, une largeur Cx et une hauteur Cy. Cette section Ac est constituée d'un mélange de métal de soudure provenant des sections Aa et Ab de l'intercalaire (voir figure 4a) et de métal de dilution provenant du métal de base des parties 10 et 11. La transformation de la surface extérieure est accompagnée d'une modification du rapport de la hauteur à la largeur, Dv étant plus grand que Cy par le fait que la dimension Cx est toujours Dx Cx plus grande que la dimension Dx et que la dimension Cy est toujours plus petite que la dimension Dy.
On peut noter que lorsque la passe de fond a été faite comme décrit, le métal de la nervure et du flasque de l'intercalaire de soudure a été complètement fusionné (c'est-à-dire complètement fondu) avec le métal de base des parties adjacentes à souder de sorte qu'il en résulte une passe de soudure de fond qui est entièrement saine, sans bords aigus ou des "stalactites" ou des protubérances du côté intérieur des tuyaux réunis et les bords adjacents de l'intercalaire consommable entièrement liquéfié et du tuyau sont exempts de criques et de crevasses, même de dimensions microscopiques.
Après que la passe de fond a été faite selon la méthode décrite ci-dessus, et que les tuyaux ont été joints par une passe de soudure de fond, comme montré à la figure 5, l'espace qui reste non rempli dans le canal de soudage 35 est rempli par un dépôt de soudure au moyen d'une électrode fusible ou consommable, représentée conventïonnellement en 55 dans la
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figure 7.
Ceci peut se faire par les méthodes ordinaires en employant une baguette de soudure consommable du même métal que l'intercalaire de soudure
15 ou par d'autres méthodes connues. Un nombre suffisant de passes de cou- verture sont déposées pour bien remplir le canal de soudure et fondre le métal de base des deux côtés du canal 35, c'est-à-dire, pour fusionner le mé- tal de soudure consommable avec les extrémités exposées 22,23 des tuyaux
10, 11. Comme montré à la figure 7, trois passes de ce genre ont été faites, la première indiquée en 56, la seconde en 57 et la troisième passe est mon- trée en 58 à la figure 7.
Les passes finales de couverture 59, 60 et 61 sont indiquées à la figure 8. ,
Pour le proportionnement de l'intercalaire 15 ,le flasque 26 sous les épaulements 27 et 28 (voir figure 3) doit être tel que lorsque la chaleur de l'arc est appliquée à la partie exposée de la nervure 25 dans la passe de soudure de fond, elle s'écoulera vers la périphérie du flasque et sera distribuée uniformément. Par conséquent, le forme préférée est arquée comme indiqué en 29 de manière que la chaleur appliquée à travers la nervure 25 soit distribuée radialement et que cette chaleur s'écoule de la nervure pour être distribuée uniformément en tous points de la périphérie du flasque
26.
Cependant, d'autres formes peuvent être utilisées qui s'approchent du flasque 26 à contour circulaire 29 comme montré dans les figures 3 et 4, com- me, par exemple, dans les formes montrées dans les figures 10 et 11. La hau- eur et la largeur de la nervure de l'intercalaire peuvent varier. 11 n'est pas nécessaire que la forme et les dimensions mecient, dans tous les cas, exactement les mêmes que celles représentées aux dessins que sont donnés principalement à titre illustratif. De plus, la forme des extrémités des tuyaux à souder peut être variée.
Par exemple, les extrémités des tuyaux 10a, 11a, peuvent être formées pour avoir un chanfrein droit 22a, 23a et la nervure 25a peut être formée avec les faces correspondantes 31a, 33a pour qu'elle puisse recevoir les méplats pointus 18a, 19a aux extrémités des tuyaux chanfreinés 10a, 11a. Le contour du flasque peut aussi avoir des faces droites formant un polygone s'approchant d'un arc comme illustré à la figure 11, le flasque 26b ayant une section transversale polygonale.
Le point important est qùe la nervure et le flasque soient proportionnés de manière que le rapport de la quantité de métal dans la nervure à la quanti- té de métal dans le flasque par unité de longueur soit maintenu entre cer- taines limites et aussi que lorsqu'on fait la passe de fond comme décrit ci-dessus, la nervure et le flasque de l'intercalaire soient complètement fondus et fusionnés dans la mare de métal de soudure lorsque l'opération de soudage progresse et que la pénétration du métal de soudure dans le mé- tal de base soit obtenue en tous points entre le métal de soudure et le mé- tal de base.
Comme dit précédemment, l'intercalaire de soudure est placé à l' avance et il est consommable. En d'autres termes, l'intercalaire est placé en position adjacente auxpièces métalliques à assembler avant que l'appli- cation de la chaleur de 1.'arc de soudage soit faite et la nervure aussi bien que le flasque de l'intercalaire sont complètement fondus et fusionnés dans la mare de métal lorsque celle-ci avance progressivement le long du joint au cours de l'exécution de la passe de soudure de fond. Par conséquent une pénétration complète du métal de soudure dans le métal de base est ob- tenue. Bien que l'interalaire (vu en section transversale) soit d'une for- me particulière, ses dimensions peuvent varier entre certaines limites.
Se référant à la figure 12, qui montre une forme préférée, le flasque 26 de l'intercalaire 15 a une surface périphérique 9 arquée en for- me d'arc de cercle qui peut être vue ou représentée comme yant un centre 65 et un rayon r et des portions plates d'épaulement 27,28 dans le même
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plan 67, que celui à partir duquel la nervure 25 s'étend vers l'extérieur entre les épaulements. La nervure depuis sa paroi latérale 31 jusqu'à sa paroi latérale 33 peut être représentée comme 'ayant une largeur w et une hauteur h à partir de sa surface extérieure 66 jusqu'au plan 67 des épaulements 27, 28.
La nervure 25 au-dessus du plan 67 peut être représentée comme ayant une section transversale Aa et le flasque 26 en dessous du plan 67 peut être représenté comme ayant une section transversale Ab. Dans la forme préférée, le rayon ± du flasque 26 a une longueur de 2 de pouce et la ner-
64 vure une largeur de 1 de pouce, et une hauteur de 1 de pouce. Dans le cas,
16 16 Aa présente une surface de 0,0038 pouce carré et Ab une surface de 0,012 pouce carré tandis que le rapport de la quantité de métal de la nervure à la quantité de métal du flasque par unité de longueur est égal à 0,317.
Un intercalaire de ces dimensions et dont les sections transversales Aa et Ab proportionnées de cette façon peut être employé, selon l'invention, dans le soudage bout à bout de longueurs de tuyaux, de tubes ou de cylindres dans une grande variété de diamètres, tels que, par exemple, des diamètres de tuyaux, de tubes et de cylindres aussi petits que deux pouces et aussi grands que 16 pouces et même beaucoup plus, pourvu que l'épaisseur de la paroi du tuyau::, du tube ou du cylindre soit du même ordre que la hauteur de la nervure, ou, si l'épaisseur de la paroi est nettement plus grande que la hauteur de la nervure, que les parois soient chanfreinées pour donner des faces de fond qui s'accolent contre la nervure de manière que les faces de fond soient du même ordre de largeur que la hauteur de la nervure.
De préférence, l'épaisseur de la face de fond ne doit pas dépasser la hauteur de la nervure de l'intercalaire.
On comprendra également que dans le cas où deux pièces métalliques de formes autres qu'un tuyau ou tube doivent être réunies par soudage bout à bout selon l'invention, des principes analogues quant à l'épaisseur de paroi des pièces métalliques à réunir doivent être utilisées en relation avec l'intercalaire de soudure. De plus, les sections transversales du flasque ou de la nervure de l'intercalaire de soudure peuvent être changées pourvu qu( un bon rapport de l'une à l'autre soit maintenu, c'est-à-dire que le rapport de la section transversale de la nervure à la section transversale du flasque soit maintenu entre 0,1 et 1,5.
Ce:rapport concernant les dimensions peut être obtenu en donnant à l'intercalaire soudé des dimensions qui répondent aux formules suivantes: w = r/k (1) h = r/k' (2) dans lesquelles : r est égal au rayon en pouce du flasque, c'est-à-dire à la distance de la surface périphérique du flasque à son centre, w est la largeur en pouces de la nervure, h est la hauteur en pouces de la nervure, k est un nombre plus grand que 1 et moindre que 1,5, k' est un nombre plus grand que 1 et moindre que 1,5.
Par exemple, dans la forme d'exécution représentée à la figure 12: r est la distance en pouces entre la surface arquée 29 jusqu'au centre 65 et cette distance, dans l'exemple particulier, est de 1 de pouce,
64 w est la largeur en pouces,d'une paroi latérale 31 à l'autre paroi latérale 33 de la nervure 25, et,dans cet exemple particulier, cette largeur est de
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1 de pouce,
16 h est la hauteur en pouces de la surface extérieure 66 de la nervure 25 jusqu'au plan 67 des épaulements 27,28, et, dans cet exemple particulier, cette hauteur est de 1 de pouce,
16 k vaut 1,25 k' vaut 1,25.
Le rapport de la section transversale Aa à la section transversa- le Ab est, dans cet exemple particulier, 0,317. Cependant, le rapport de la section transversale de la nervure à la section transversale du flasque peut varier dans certaines limites. Comme indiqué plus haut, le rapport de ces sections transversales doit être maintenu entre 0,1 et 1,5.
Quoique dans la forme préférée, le rayon r du flasque soit de ¯5.
64 de pouce, r peut, dans certains cas, être aussi petit que 3 de pouce, cor-
64 respondant par exemple à un diamètre de fil de 3 de pouce. Dans certaines
32 applications, r peut être aussi grand que 1 de pouce, correspondant à un
8 diamètre de fil de 1 de pouce et, dans certains cas, même davantage. On a
4 employé avec succès des intercalaires selon l'invention dans lesquels le rayon r était de 3 de pouce, 1 de pouce, 2 de pouce, 3 de pouce, 1 de
64 16 64 32 8 pouce de 9 de pouce et dans certaines applications, le rayon r peut être
64 plus grand pour certaines opérations de soudage. La valeur maximum est celle au-delà de laquelle les forces d'adhérence, de cohésion et de tension superficielle ne permettent pas l'action de formation de la mare désirée.
Les dimensions de la nervure et du flasque de l'intercalaire de soudure selon l'invention qui sont préférées peuvent être déterminées par les formules précitées.
Toutefois, d'autres dimensions peuvent être employées en proportionnant le flasque par rapport à la nervure de l'intercalaire de soudure, c'est-à-dire que les limites des valeurs de k et de k'@peuvent être étendues au-delà de celles indiquées dans les formules susdites. On peut faire des intercalaires de soudure satisfaisants pour certains ouvrages lorsqu'on les dimensionne d'après les formulas suivantes : w = r/k (3) h = r/k' (4) dans lesquelles: r est le rayon en pouces du flasque, w est la largeur en pouces de la nervure, h est la hauteur en pouces de la nervure, est un nombre compris entre 0,6 et 3, k' est un nombre compris entre 0,5 et 3.
Les intercalaires qui ont été le plus employée dans la réalisation du procédé selon l'invention tombaient sous l'application des formules suivantes:
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w = r/k (5) h = r/k' (6) dans lesquelles: vaut 5 de pouce, 64 w est la largeur en pouces de la nervure, h est la hauteur en pouces de la nervure, k est un nombre plus grand que 1 mais moindre que 2, k' est un nombre plus grand que 0,75 mais moindre que 1,5.
Il résulte de la description qui précède que le procédé de soudage selon l'invention comprend l'emploi d'un intercalaire de soudure consommable pourvu d'un flasque et d'une nervure s'étendant vers l'extérieur de celui-ci, nervure contre laquelle les bords des parties métalliques à souder butent, le flasque et la nervure étant étudiés et proportionnés de telle façon que dans le procédé de soudage, le flasque et la nervure sont tous les deux complètement fondus pour former des mares successives de métal fondu dans lesquelles à chaque avance le long de l'intercalaire, la nervure et le flasque de l'intercalaire de soudure ainsi que le métal de base sont fondus et fusionnés en une mare de soudure fondue et le flasque est transformé, à partir de son contour initial par suite de la fusion complète et,
après avoir passé à l'état liquide et avoir formé une partie intégrante du joint de soudure, repasse à l'état solide. En se resolidifiant, le métal fondu de l'intercalaire ainsi que le métal de base fondu et fusionné dans les mares de soudure, forment un cordon presque plat exempt de protubérance et présentant un contour différent du contour que le flasque de l'intercalaire présentait avant l'application de la chaleur de soudage.
Quoique l'invention ait été décrite particulièrement à propos du soudage bout à bout de longueurs de tuyau en acier inoxydable, il est évident que la description précédente de la méthode de l'invention est non seulement applicable au soudage de tuyaux en un autre acier et de tuyaux en un autre métal que l'acier mais également au soudage bout à bout de joints dans lesquels ôn désire souder d'autres formes et d'autres métaux et alliages.
La méthode de l'invention est particulièrement utile dans les cas où la face antérieure seulement du joint à souder est accessible au soudeur parce que l'intercalaire qui est placé à l'intérieur du joint entre les pièces à assembler sert aussi en fait comme un dispositif de support de joint consommable et fusible tandis que la passe de fond est effectuée, mais par suite de sa fusion et liquéfaction complète elle devient une portion intégrante et fondue d'un joint soudé de bonne qualité et, par conséquent, n'a pas les inconvénients propres à un support de joint permanent.
Et bien que l'invention ait été décrite en détail en se référant à l'emploi d'un procédé de soudage à l'arc protégé par un gaz, il apparaît de la description qui précède que le procédé suivant l'invention n'est pas limité au procédé à l'arc protégé au gaz ou avec électrode non consommable protégé par un gaz. Tout système de soudage capable d'appliquer, de manière contrôlée, de la chaleur de soudage dans des zones limitées et contrôlées et assurant une fusion et une liquéfaction complète de la nervure et du flasque de l'intercalaire de soudure pour produire successivement des mares de métal de soudure complètement fondu, mares dans lesquelles le flasque et la nervure sont tous les deux complètement fondus et fusionnés, peut être employé pour réaliser l'invention.
Il est aussi important de noter que si l'électrode de soudure est du type consommable, la consommation de la baguette de soudure par unité de longueur du'joint soudé quand 'on utilise le pro-
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cédé selon l'invention est beaucoup plus uniforme que dans les procédés antérieurs à cause de la formation de la mare de soudure qui caractérise l'invention.
Les termes et expressions qui ont été employés ici sont utilisés en vue de décrire et non de limiter et il n'y a aucune intention dans l' emploi de ces termes et expressions d'exclure tout équivalent des particu- larités montrées ou décrites ou des parties de celles-ci, mais il est re- connu que des modifidations diverses sont possibles dans le domaine de l' invention revendiquée.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de soudage dans lequel les bords adjacents de deux piè- ces métalliques sont soudés bout à bout par l'emploi d'une torche de souda- ge, dans lequel on emploie une pièce intercalaire métallique consommable contre laquelle on fait buter les bords des pièces à souder et on déplace la torche de soudage le long d'une face du dit intercalaire, caractérisé en ce qu'on choisit la forme et la composition de l'intercalaire consomma- ble de façon,telle que la quantité de chaleur fournie par la torche de sou- dage fonde complètement l'intercalaire consommable et produise une soudure présentant une surface presque lisse du côté des pièces soudées opposé et celui où on applique la chaleur.