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La présente invention se rapporte à la soudure bout à bout de bords de pièces, et plus particulièrement des lèvres d'une ébauche tubulaire, par chauffage localisé dans la'zone du joint, produit par un courant électrique de forte intensité passant dans les lèvres rapprochées, paral- lèlement à la ligne du joint.
En général, les tubes sont fabriqués en partant d'une
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bande métallique plate qu'on transforme par formage appro- prié en ébauche tubulaire présentant deux lèvres longitu- dinales, en regard l'une de l'autre. On chauffe ensuite les lèvres à la température à laquelle le métal devient plastique et on les serre fortement l'une contre l'autre pour assurer leur soudure.
Pour faire passer les courants de chauffage, on a déjà utilisé des molettes frottant contre l'ébauche tubulaire, disposées à cheval sur les lèvres et écartées l'une de l'autre dans le sens longitudinal. Cependant cette méthode présente l'inconvénient que, pendant leur passage entre les molettes successives, ces courants ont tendance à s'épanouir dans toute la section de l'ébauche, ce qui compromet l'effet de chauffage localisé et concentré qu'on recherche. Au fur et à mesure que la température des lèvres s'élève, leur résistance s'accroît, et les courants passent par les parties latérales et le fond du tube.
On a déjà utilisé, par ailleurs, le chauffage par induction, en prévoyant notamment un barreau inducteur disposé en face des deux lèvres, s'étendant parallèlement à celles-ci et y enduisant des courants longitudinaux concentrés de fréquence élevée, localisés.dans ces lèvres et les portant à la température voulue.
Si ce procédé s'est révélé particulièrement intéres- sant pour la soudure des tubes à partir d'un certain diamètre, il donne lieu à quelques difficultés dans le cas où les tubes à souder présentent des diamètres relative- ment faibles. L'explication en est à rechercher dans le fait que les courants induits dans les lèvres cherchent à se fermer, en passant par la section inactive du tube,
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c'est-à-dire celle qui ne participe pas au couplage électro-magnétique avec le barreau inducteur. Dans les tubes de faible diamètre, cette section de retour est réduite et offre une relativement grande impédance au passage du courant, ce qui réduit très sensiblement le rendement de fabrication.
Il arriv.: même fréquemment que les courants de retour suivent des voies parallèles et se ferment à travers les galets de la machine s'appuyant contre le tube, en passant par le bâti de la machine.
Ces passages intempestifs causent des échauffements des roulements de galets et provoquent des troubles.
La présente invention permet d'une part d'assurer le chauffage localisé et rapide par les courants longitu- dinaux concentrés dans les lèvres, et d'autre part d'éviter complètement toutes les difficultés énoncées ci-haut des courants de retour, en supprimant ces derniers.
Elle permet ainsi d'augmenter le rendement de fabri- cation des tubes et, pour une puissance d'alimentation donnée, d'augmenter la vitesse de fabrication.
L'invention a pour objet un procédé particulier de production de courants de chauffage localisés, permettant d'assurer les résultats énoncés; elle a d'autre part pour objet différents modes de réalisation de la tête de chauffage permettant d'appliquer industriellement ce procédé; et elle a enfin pour objet une conception particu- lière de la machine à souder les tubes, adaptée à fonction- ner avec cette tête de chauffage.
L'invention se caractérise par un procédé de chauffage des lèvres, plus particulièrement d'une ébauche tabulaire, en vue de leur soudure bout à bout, par utilisation de
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courants logitudinaux de fréquence élevée passant dans ces lèvres, ce procédé consistant à introduire directement ces courants dans les lèvres, à l'une des extrémités de la portion chauffée, à prélever directement ces courants à l'autre extrémité de cette portion, et à concentrer ces courant$ dans ces lèvres par l'action inductive d'un courant fermant le circuit desdits courants de chauffage, ce cou- rant inducteur passant extérieurement à l'ébauche, en face de ses lèvres et parallèlement à celles-ci.
Suivant un mode de réalisation, l'introduction du courant dans l'ébauche et son prélèvement se font au moyen des contacts frottants.
L'invention vise encore un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, ce dispositif comprenant essentielle- ment un barreau-inducteur disposé en face des lèvres et parallèlement à celles-ci, des moyens de friction reliant l'une des extrémités de ce barreau aux deux lèvres à la fois, et un circuit d'alimentation en courant de fréquence élevée, connecté d'une part à l'autre extrémité dudit barreau et d'autre part aux lèvres de l'ébauche par un autre moyen de friction.
Ledit barreau est de préférence logé dans un noyau magnétique de concentration couplé exclusivement avec les lèvres.
Suivant un mode d'exécution, la liaison avec le tube est assurée par deux doigts de contact frottant contre les deux galets de forgeage, comprimant et soudant les lèvres de l'ébauche tubulaire à sa sortie de la zone de chauffage.
La liaison avec le tube, à l'autre extrémité de'la zone de chauffage, peut être assurée par des doigts de contact
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frottant contre les galets de guidage du tube.
L'amenée du courant aux galets de forgeage et de guidage peut aussi être assurée par l'intermédiaire de contacts à bain de mercure.
Enfin la liaison avec le tube peut aussi être assu- rée au moyen d'une molette tournante, chevauchant la ligne de joint et frottant à la fois contre les deux lèvres, l'amenée du courant à cette molette se faisant notamment par l'intermédiaire d'un godet à mercure.
Le moyen de contact entre le circuit d'alimentation et l'ébauche est disposé à l'entrée de la zone de chauf- fage, si l'on considère le sens de translation de l'ébauche, de manière à soustraire le circuit d'alimentation au danger de court-circuitage par ionisation au-dessus de la sortie chaude de la zone de chauffage.
Le barreau qui est disposé aussi près que possible de la surface du tube, peut présenter un profil épousant celui du tube et-il peut être recouvert d'un isolant s'opposant au claquage.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des dessins joints, en donnant,. à titre d'exemples non limitatifs,.des modes d'exécution.
Sur ces dessins :
Les Figs.l et 2 représentent, respectivement, vue en plan et en élévation, la partie d'une machine à fabriquer les tubes qui assure leur soudage, cette partie étant munie d'une tête de chauffage réalisée conformément à l'invention; la Fig.3 représente une coupe suivant Z-Z, permettant de mieux se rendre compte de la forme et de la disposition de' 1 inducteur de concentration;
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la Fig.4 représente une vue en coupe suivant X-Y, illustrant la disposition des contacts-frotteurs par rapport aux galets de forgeage de la machine; la Fig.5 illustre, sous une forme schématique, le circuit électrique réalisé conformément à l'invention;
la Fig.6 représente une variante d'exécution Au moyen de contact frottant, disposé entre le circuit d'alimentation et le tube; et enfin la Fig.7 représente en perspective une variante de réalisation dans laquelle on se sert des galets de la machine, en amont et en aval de la tête de chauffage, pour-fermer le circuit du courant de chauffage.
Dans toutes ces figures, 'les éléments correspondants sont désignés par les mêmes références.
Sur la Fig.l, 1 désigne une ébauche tubulaire formée d'une feuille d'acier roulée circulairement, de manière à présenter deux lèvres 1'-1', séparées par une fente 5 formant la ligne de joint. Cette ébauche est animée d'un mouvement de translation grâce au train des galets moteurs de la machine, se trouvant en aval et non représentés.
Le sens de translation est indiqué par la flèche 3. Le tube passe sous la tête de chauffage 10 qui sera décrite en détail plus loin et défile ensuite entre une paire de galets de forgeage 2-2 qui tournent librement et sont associés à des moyens non représentés permettant de rappro- cher ces galets et d'exercer ainsi un énergique effet de forgeage sur les parois latérales de l'ébauche. Une autre paire de galets 4, commandés par un moteur, assurent l'entraînement du tube soudé vers les parties en aval de la machine, assurant le calibrage du tube, son redressement et
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son tronçonnage en longueur désirées.
La tête de chauffage 10 comprend un barreau conduc- teur 6 creux à circulation d'eau à l'intérieur servant à son refroidissement. Ce barreau s'étend longitudinalement, parallèlement à la ligne du joint5 et présente une largeur permettant de recouvrir les deux lèvres de l'ébauche tubu- laire. Il est disposé très près de la surface du tube et symétriquement par rapport au plan passant par la ligne du joint. Son écartement du tube peut être de l'ordre de 1-2 mm. On peut se servir d'un barreau en cuivre, de section notamment rectangulaire, présentant un canal inté- rieur, comme illustré sur la Fig.3, de 8 à 15 mm de largeur et d'une longueur choisie entre 200 et 500 mm, suivant les conditions de fonctionnement.
Ce barreau est logé à l'intérieur d'une encoche formée par les cornes polaires d'un noyau magnétique 11, réalisé par empilage des feuilles de métal à haute perméa- bilité magnétique et présentant une forme en U. Ces cornes sont chanfreinées de manière à réaliser une bonne concentra- tion du flux et se trouvent espacées du tube de la même distance que le barreau.
A la sortie du noyau, le barreau est prolongé sur la longueur 6' et est raccordé à un barreau transversal 12, supportant à chacune de ses extrémités un balai 13, frot- tant contre les faces de galets 2-2 en acier qui s'appuient contre les parois latérales du tube. L'autre extrémité du barreau 6 est raccordée à un montant 9 relié à une source d'alimentation 8 en courant alternatif de fréquence élevée, de l'ordre de 1.000 à 15. 000 périodes par seconde.
Le cir- cuit électrique d'alimentation se ferme par un autre
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montant 9', aboutissant à une molette 14 en alliage de cuivre ou en acier, par l'intermédiaire des paliers 15-15 à bain de mercure, dans lesquels tournent librement le..; pivots de l'axe de la molette. Cette molette est profilée de manière à épouser la surface du tube sur une largeur de l'ordre de 10 à 20 mm, légèrement supérieure à la largeur du barreau-concentrateur 10.
L'ensemble forme un circuit électrique unique, dont les éléments mis en série sont : le montant 9, le barreau 6 logé dans le noyau magnétique, le prolongement 6', le support 12, les balais 13, les lèvres de l'ébauche tubulai- re, la molette 14 et le montant de retour 9'.
Au cours du fonctionnement, le courant-J, fourni par la source 8, qui peut atteindre plusieurs milliers d'ampères et qui est choisi suivant l'épaisseur de la paroi du tube et la vitesse de fabrication, suit la trajectoire indiquée sur la Fig.5. Il parcourt le barreau 6, se divise en deux fractions au contact avec les galets 2 représentés symboli- quement par deux contacts 2', et pénètre, par la face profi- lée des galets enveloppant le tube et en contact avec lui, dans les lèvres du tube, qui deviennent le siège de deux courants de retour ir, se dirigeant vers les contacts symboliques 14'-14' représentant la molette 14, pour se recombiner en courant unique J de retour à la source.
Si le barreau 6 n'exerçait aucune action, la fraction la plus importante des courants de retour ir dans la masse du tube, suivrait tout d'abord les trajectoires les plus courtes entre les doigts de contact 2'-14' et resterait confinée dans la zone des lèvres. Au fur et à mesure de l'échauffement du métal, la résistance des lèvres augmentant,
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les courants commenceraient à s'étaler sur les parties latérales du tube. Progressivement toute la section du tube participerait-à la conduction et absorberait des calories, réduisant ainsi sensiblement le rendement de l'opération.
Pour que les lèvres puissent être soudées, leur température doit être portée à environ 1300-1400 , pour déterminer un état plastique. Cette condition ne pourrait pas être atteinte du tout, ou bien seulement au bout d'un long intervalle de temps, ce qui réduirait sensiblement la vitesse de soudure.
. Le barreau avec .son noyau magnétique joue le rôle de concentrateur, maintenant pratiquement la-totalité des courants de retour dans les lèvres et déterminant ainsi leur chauffage rapide et un excellent rendement thermique de soudure.
Tout d'abord, le courant passant dans le barreau tout près des lèvres exerce un effet d'attraction sur les courants de sens opposé qui passent dans les lèvres.
En plus de cette action de proximité, intervient le phéno- mène de réduction de la réactance inductive des conducteurs de retour formés par les lèvres. En effet, les flux magné- tiques entourant les courants de retour dans les lèvres s'opposent au flux magnétique entourant le courant dans le barreau et cherchent à l'annuler. Il en résulte une réduc- tion sensible, sinon une annulation du flux couplé avec les lèvres et, par suite, une diminution importante de leur coefficient de self-induction. Dans ces conditions, la zone des lèvres présente une réactance relativement faible aux courants alternatifs de retour de fréquence élevée et ces
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courants ont tendance à se localiser dans cette zone, déterminant ainsi l'effet thermique concentré recherché.
L'exposé ci-dessus a été donné à titre explicatif uniquement, et il pourrait être complété ou modifié, sans 'changer l'esprit et la portée de la présenta invention.
La largeur de la zone chauffée dépend de la largeur du barreau, de la zone couverte par les pièces polaires et de leur distance de la surface du métal. On fixera ces facteurs en fonction de l'épaisseur et de nature du métal et l'on choisira la fréquence du courant de chauffage, en tenant également compte de l'épaisseur et du métal, de @nière à prendre en considération l'effet pelliculaire ou effet de peau dû à l'utilisation d'une fréquence élevée.
En général pour l'acier, on choisira cette fréquence dans la gamme de 1000 à 15. 000 périodes par seconde, suivant l'épaisseur du matériau, en abaissant la fréquence pour les épaisseurs plus importantes. On pourra notamment donner au barreau une largeur 3 à 4 fois plus grande que l'épaisseur de l'ébauche et aux extrémités des pièces magnétiques une largeur de l'ordre de celle du barreau. La puissance d'ali- mentation de la tête de chauffage sera déterminée en fonc- tion de la vitesse de soudure et elle variera suivant les dimensions des tubes à fabriquer, tout en tenant compte de la densité maxima admissible dans la semelle du barreau où le courant a tendance à se concentrer.
Comme représenté sur la Fig.5, un condensateur d'accord 16 est prévu en parallèle sur la tête de chauffage, de manière à former un circuit résonnant et à déterminer, pour une tension d'alimentation donnée aux bornes du circuit d'alimentation 8, un très fort courant de chauffage, atteignant plusieurs milliers d'ampères.
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Comme représenté sur les figures examinées plus haut, les conducteurs d'amenée du courant 9-9' partant de la source d'alimentation 8, aboutissent à l'extrémité du barreau 6 et à la molette 14, du côté de l'entrée de la zone de chauffage. Ainsi cette partie de l'installation est soustraite à tout danger de claquage par ionisation d'air se produisant du côté chaud de la zone de chauffage, à l'autre extrémité du barreau. Il est utile, par ailleurs, pour réduire le unger de claquage entre le tube et le barreau, formant un seul circuit électrique, de revêtir la semelle de ce dernier d'une mince couche isolante choisie en matériau résistant aux conditions-thermiques en cet endroit et qu'on a représenté en 19 sur la Fig.3.
Pour certains tubes, notamment relativement minces et dont la soudure ne nécessite pas un courant de chauffage très élevé, on peut utiliser comme moyen de contact une pièce métallique formant ressort 18, représentée sur la Fig.6, fixée sur le montant 9' et frottant à la fois contre deux lèvres du tube. Cette pièce peut être faite en acier, en tungstène ou en alliage de cuivre.
Il est avantageux, pour améliorer le contact avec'la surface de l'ébauche, de part et d'autre de la ligne du joint, de faire subir à cette portion un énergique brossage avant son entrée sous la tête à chauffer. On pourrait prévoir à cet effet, en amont de la molette 14 (Figs.l et 2) une brosse métallique fixe, enlevant toute trace de calamine sur la surface du tube.
Dans la variante d'exécution représentée sur la Fig.7, on fait usage, non seulement des galets tie forgeage, mais également de galets de guidage, pour amener le courant
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au tube. Le circuit d'alimentation est représenté par un moteur 27 entraînant un alternateur 28 de fréquence élevée.
Ce groupe est connecté aux barres parallèles 20, rappro- chées autant que possible, pour réduire le flux de fuites;
Une batterie de condensateurs 17 mise en parallèle, sert à accorder le circuit de chauffage. L'une des barres est reliée au barreau de concentration 6, tandis que l'autre aboutit aux pattes 24 supportant des doigts de contact plongeant dans des godets 23 remplis de mercure et fixés sur les axes tournants 22 des galets horizontaux fous 21, s'appuyant contre la paroi latérale de l'ébauche 1. Ces galets maintiennent les lèvres rapprochées et conservent l'alignement du tube par rapport à la tête de chauffage, de manière à ce que l'ébauche défile sous cette tête avec' la fente fermée et de manière à ce que la ligne du joint se maintienne dans le plan médian du barreau.
L'autre extrémité du barreau muni de son noyau magnétique 11, aboutit à un bras de support 30 auquel sont fixés des doigts plongeant dans des godets 26 remplis de mercure. Ces godets tournent avec les galets'de forgeage 25, aux axes d'entraînement desquels il sont fixés.
Le passage des courants de chauffage a été marqué par des flèches. A la sortie du barreau 6, le courant se divise en deux fractions passant par les galets de forgeage libres 25 et traversant leurs faces frottantes pour entrer dans le tube. Ces deux courants sont ensuite concentrés dans les lèvres, parcourent ces dernières dans le sens longitudinal, et sont recueillis par les galets 21. Ils passent ensuite par les axes de ceux-ci et par les godets de mèrcure pour atteindre la barre de retour 20.
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Les galets de guidage aussii. bien que les galets de forgeage étant comprimés par des moyens non représentés, de façon qu'ils exercent une forte pression sur la paroi du tube, ces galets se trouvent en bon contact avec ce dernier, ce qui facilite le passage du courait.
Au moment où l'ébauche a quitté la zone du barreau, ses lèvres ont atteint la température recherchée de l'ordre de 1300-14002 déterminant l'état plastique de l'acier. Les galets de forgeage compriment fortement ces lèvres et les font s'imprimer l'une dans l'autre, réalisant ainsi une soudure solide. Cette dernière se traduit par des bourrelets qui contiennent la masse de métal expulsée et qui peuvent être enlevés par coupe ou aplatissement.
L'invention n'est pas limitée aux modes de contact représentés et couvre tout dispositif de chauffage du genre décrit, dans lequel le métal à chauffer ferme le circuit d'alimentation en courant de chauffage, par l'intermédiaire de tout moyen de liaison approprié.
L'invention n'est pas limitée à la soudure des tubes, mais s'étend également au chauffage en vue de soudure de tout autre article présentant deux bords à souder bout à bout après chauffage approprié, qu'il s'agisse de pièces animées d'un mouvement de translation ou de pièces restant immobiles pendant la phase de chauffage.