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*.** e 0:0 .4 ea BREVET D' INVENTION
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Cette invention concerne un joint de matériau revêtu et une mé- thode d'assemblage de matériau revêtu. l'invention concerne particu- lièrement un joint et une méthode d'assemblage de matériau revêtu par une couche extérieure de matériau ayant une résistance supérieu- re à la corrosion, tel que le tantale.
Les matériaux revêtus sont généralement anciens et sont utilisés de plus en plus fréquemment dans les équipements modernes, nécessi- tant une grande résistance à la corrosion. La fabrication en plaques planes de ces matériaux revêtus présente un ensemble de problèmes, et des problèmes supplémentaires surviennent lorsque les plaques planes-sont façonnées en forme d'enceintes, de réservoirs, d'envelop- pes, de têtes, de buses, de tuyaux, et autres formes utilisées dans l'industrie. Par exemple, le tantale a une résistance supérieure à la corrosion, mais est très coûteux.
Le tantale possède également un point de fusion élevé comparé à celui de l'acier, qui est habi- tuellement utilisé en tant que métal de base, L'industrie chimique a souvent besoin d'enceintes dont la surface interne exposée soit entièrement en tantale. Cela nécessite le formage, le découpage et la soudure du matériau revêtu de tantale afin de fabriquer l'enceinte ayant une surface tubulaire,ou cylindrique, ainsi que des portions de tête ou d'extrémité appropriées.
La présente invention concerne un joint pour l'assemblage des pièces de matériau revêtu par juxtaposition suivant un bord vertical, lesdites pièces de matériau revêtu comportant chacune une couche supérieure de matériau résistant à la corrosion de qualité supérieure et d'une épaisseur d'au moins 0,76mm, une couche intermédiaire de matériau d'une épaisseur comprise entre 1,27mm et 1,78mm et un métal de base, lesdites pièces ayant leurs portions en métal de base assem- blées suivant ledit bord vertical au moyen d'une soudure classique entre les portions en métal de base, ladite soudure étant étroite à proximité de ladite couche intermédiaire, et relativement large en un point éloigné de ladite couche intermédiaire,
lesdites couches supérieure et intermédiaire des pièces opposées étant dégagées dudit bord vertical pour former ainsi un intervalle entre les bords des- dites couches supérieure et intermédiaire des pièces opposées, ledit intervalle étant situé à proximité de ladite soudure entre ledit métal de base et le matériau d'apport placé dans ledit intervalle, et se trouvant positionné .directement au-dessus de ladite soudure classique, ledit matériau d'apport s'étendant sur au-moins 6,35mm, dans chaque sens, à partir dudit bord vertical, une zone de métal
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de base dans chaque base métallique et située entre la soudure classique et le point où ledit remplissage est en contact avec la couche supérieure et la couche intermédiaire, et une bande de sou- dure d'au-moins 1,
52mm d'épaisseur et s'étendant sur au-moins 6,35mm au-delà dudit matériau d'apport pardessus ladite couche supérieure, ladite bande de soudure étant soudée seulement par ses bords sur ladite couche supérieure, ladite bande de soudure étant faite du même matériau que ladite couche supérieure.
La présente invention concerne également un procédé pour l'as- semblage de pièces similaires de matériàu revêtu en juxtaposition suivant un bord vertical, par soudure et sans destruction des pro- priétés dudit matériau, ledit matériau revêtu comportant une couche supérieure de matière résistante à la corrosion, de qualité supérieure et d'une épaisseur d'au-moins 0,76mm et une couche intermé- diaire de matériau cuivreux ayant une épaisseur comprise entre 1,27mm et 1,78mm et un métal de base, ledit procédé comprenant les phases de :
dégagementde la couche supérieure et de la couche inter- médiaire sur le bord vertical de chacune desdites pièces pour four- nir au-dessus du métal de base un espace formant un intervalle de largeur suffisante à remplir: assemblage de soudure des portions de métal de base de chaque pièce en juxtaposition à l'aide de moyens de soudage classiques de manière à former une soudure classique en-- tre lesdites portions de métal de base;
remplissage de l'espace situé au-dessus desdits métaux de base et de ladite soudure classi- que, en dedans des bords découpés exposés de la couche supérieure et de la couche intermédiaire, avec un matériau d'apport jusqu'à un point sensiblement de niveau avec la face supérieure de ladite couche supérieure, pour former ainsi un remplissage;dépôt d'une bande de soudure du même matériau que ladite couche supérieure au-dessus dudit remplissage, ladite bande de soudure s'étendant sur au moins 6,35mm au-delà des bords dudit remplissage de chaque coté de celui-ci;
et soudage par les bords de ladite bande de soudure afin de raccorder ladite bande de soudure à ladite couche supérieure en un point intérieur par rapport au-dit remplissage, pour former ainsi au moins une partie d'un produit composé d'au-moins deux pièces de matériau revêtu, lesdites pièces étant assemblées par une bande de soudure du méme matériau que la couche supérieure afin que seul ledit matériau de la couche supérieure soit exposé à la corro- sien.
Les dessins annexés font partie de cette description, et les
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menés repères numériques et lettres identiques y désignent les mêmes parties où qu'elles se trouvent.
Dans cesdessins:
La figure 1 est une vue en coupe de deux pièces de matériau revêtu avant leur assemblage;
La figure 2 est une vue en coupe transversale desdites pièces après le dégagement de leurs couches supérieure et intermédiaire;
Lesfigures.3 et 4 sont des vues en coupe transversale après que les bases métalliques en acier desdites deux pièces aient été entaillées et soudées au moyen d'une soudure classique;
La figure 5 est une vue en coupe transversale desdites pièces après qu'une bande d'apport ait été insérée dans l'interstice cons- titué entre les couches supérieure et intermédiaire et au-dessus de la soudure classique;
La figure 6 est une vue en coupe transversale, comme à la figure 5, avec la bande d'apport soudée dans l'intervalle;
La figure 7 représente le produit fini, en montrant le métal revêtu assemblé avec une portion supérieure ininterrompue complète- ment recouverte de tantale après soudage sir celle-ci d'une bande de soudure au tantale; et
La figure 8 est une vue partielle en perspective du joint après sa formation.
Tel qu'il est utilisé ici. le matériau revêtu peut être un matériau quelconque ayant une base appropriée, telle que de l'acier, et une couche appropriée ayant une résistance supérieure à la cor- rosion en matériau tel que le tantale, bien qu'il soit possible d'utiliser du niobiun, du tungstène et du molybdène si on le désire.
Le point de fusion du tantale est aux environs de 2996*C. Le point de fusion d'une base typique, tel que l'acier, est aux environs de 1510 C Toute tentative de soudure du matériau revêtu de tantale demande une telle chaleur pour la soudure du tantale que la base métallique en acier fond et absorbe le tantale. Cela est indésira- ble et diminue l'efficacité de la couche de tantale déjà mince.
Le présent procédé d'assemblage de matériaux:revêtus, utilise une couche de cuivre d'environ 1,52mm entre le tantale et la base en acier. L'épaisseur de cette couche de cuivre est critique et doit être maintenue entre 1,27mm et 1,78mm. Si la couche de cuivre est trop mince. elle fond par suite de la chaleur nécessaire pour souder la bande de soudure au tantale sur la couche supérieure de tantale.
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@ Si le cuivre est trop épais, il absorbe tant de chaleur de la bande de soudure au tantale que celle-ci ne peut pas être soudée correcte- ment. L'épaisseur de la base en acier n'est pas critique et est déterminée par la solidité requise et par les pressions régnant à l'intérieur de l'enceinte. L'utilisation de la couche de cuivre permet de répartir la chaleur sur une surface étendue et empêche la fusion de l'acier en un point rapproché de la couche de tantale. sans couche de cuivre entre le tantale et la base en acier, comme lorsque le tantale se trouve en contact direct avec la base en acier, le tantale ne peut pas être soudé sans destruction de ses propriétés physiques et anti-corrosives, du fait que la température élevée nécessaire pour souder ou fondre le tantale provoque la fusion préalable de la zone adjacente de la base en acier.
L'acier est déjà fondu au moment où une chaleur suffisante est fournie au tantale.
Lorsque le tantale fond à son tour, on trouve du tantale fondu dans l'acier fondu, et l'acier fondu peut alors faire irruption dans le tantale en détruisant ainsi les propriétés physiques requises du matériau revêtu.
Comme représenté à la figure 1, le but de cette invention est d'assembler des pièces A et B en juxtaposition avec le seul matériau de la couche supérieure exposé à la substance corrosive, et sans destruction du lien ou du mélange entre la couche supérieure et la couche se trouvant au-dessous, des pièces A et B. Toute tentative de souder les pièces A et B ensemble en une seule passe que ce soit avec ou sans couche intermédiaire, telle qu'une couche de cuivre, donnerait un produit fini défectueux, en raison des différences dans les points de fusion du matériau revêtu. Par exemple, les points de fusion des métaux sont sensiblement les suivants: tantale 2996 C, acier 1510*C, cuivre 1083 C, et argent 960 C.
Avec référence à la figure 1, chaque pièce A et B ---port= @ couche supérieure 1, une couche intermédiaire 2, et un métal de base 3. Chaque couche supérieure 1 comporte une face supérieure 4. Chaque pièce A et B comporte un bord vertical 5. Une ligne médiane 6 est représentée entre celles-ci à titre de référence. Les pièces A et B ont leurs bords préparés ou découpés de-- açon- appropriée pour l'asem- blage, comme représenté à la figure 1. La première phase du présent procédé comprend le dégagement de la couche supérieure 1 et de la couche intermédiaire 2 à partir des bords verticaux 5 des pièces A et B.
Ce dégagement peut se faire par usinage au moyen d'une raboteu- se, ou par meulage, ou par dépouille desdtes couches 1 et 2 hors
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de la base en acier 3, après qu'une entaille ait été pratiquée dans chaque pièce en suivant une ligne parallèle au bord 5, ladite en- taille s'étendant en profondeur à travers les couches 1 et 2 et lé- gèrement dans la couche 3. L'entaille va légèrement plus profond que l'épaisseur de la couche supérieure 1 et de la couche intermé- diaire 2, de sorte qu'une surface supérieure 7 de la base en acier soit exposée, et soit dépourvue de portions du matériau de la cou- che intermédiaire 2. Un nouveau bord vertical 8 est formé pour la couche supérieure 1, la couche intermédiaire 2, et la portion su- périeure du métal de base 3.
Ce bord 8 est dégagé à partir du bord 5 sur une distance D-1, qui est d'au-moins 6,35mm. La partie infé- rieure du bord 5, dans le métal de base 3 forme un léger congé. Un angle vif est à éviter en cet endroit.
L'acier de la base métallique 3 est ensuite assemblé par soudu- re par des moyens classiques. Comme le représente la figure 3, dans laquelle les pièces A et B ont été retournées, la base en acier 3 est entaillée sous un angle de 75 à partir d'un point 9 légèrement au-dessous de la surface supérieure 7 du métal de base 3. Cela forme un listel 10, qui est une partie du bcrd vertical d'origine 5, sur chaque pièce A et B, et une paroi divergente 11 qui s'écarte de la ligne verticale 6 sous un angle d'environ 37,5*. Le listel 10 qui sert à l'assemblage des pièces A et B est une portion du bord 5.
L'entaille peut être effectuée au moyen d'une raboteuse ou le maté- riau peut être découpé au chalumeau. ou meulé. Le procédé classique de chanfreinage utilisé est laissé à l'appréciation du soudeur et est déterminé en fonction du matériel disponible. L'espace séparant les listels 10 et les parois inclinées 11, constitue l'entaille 12 qui est destinée à recevoir une soudure classique 13.
Comme représenté à la figure 4, les pièces A et B sont alors soudées ensemble de façon classique, en réunissant les listels 10 avec un intervalle d'environ 2, 38mm à 3,18mm entre eux, et en agra- fant les pièces A et B tous les 15 ou 30cm pour les maintenir fixe- ment l'une par rapport à l'autre, et en effectuant ensuite la soudure classique 13 en une pu plusieurs passes. Quatre passes sont représen- tées à la figure 4, à titre d'illustration. La première passe 13a donne d'abord un léger cordon de soudure au dessus de la face supé- rieure 7 des pièces A et B- Les passes supplémentaires 13b 13c et 13d sont effectuées pour remplir l'entaille 12. Le cordon de la passe 13a est ensuite mis de niveau avec la dite face supérieure 7, à la meule ou à la brosse métallique.
Le ou les cordons au fond 14 du métal de
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base 3, formés par les passes 13c et 13d n'ont pas besoin d'être meulés de niveau avec le dit fond 1,0, sauf si cela est nécessaire.
Comme représenté aux figures 4 et 5, les pièces à 3 couches A et B sont alors assemblées le long du métal de base 3 seulement, en laissant un intervalle 15 entre la couche supérieure 1, la couche intermédiaire 2, et une partie du métal de base 3 des pièces A et B.
Cet intervalle 15 est légèrement plus profond que les épaisseurs com- binées des dites couches 1 et 2. L'intervalle 15 peut être rempli à l'aide d'une soudure d'argent lorsque des pièces telles que des buses ou des tuyaux sont formées,ou lorsque la largeur de l'intervalle 15 n'est pas régulière par suite d'un certain désalignement entre les pièces A et B. Toutefois, selon la dimension de l'intervalle 15, l'emploi d'un apport d'argent peut être d'un coût prohibitif. Lors- que les pièces A et B sont des segments d'enveloppes cylindriques et/ou lorsqu'il ne se pose pas de problème d'alignement, une bande de .livre 16 est placée dans 11-intervalle 15 avec ses bords 17 à en- viron 3,18 mm de chaque bord 8 de la couche supérieure 1 et de la couche intermédiaire 2.
Deux soudures d'argent 18 et 19 sont ensuite faites le long des bords 17 de la dite bande de cuivre 16 pour rem- plia complète-ment les dits interstices de 3,18 mm et l'intervalle 15.
Les soudures d'argent 18 et 19 et le dessus 20 de la bande de cuivre 16 sont ensuite surfacés et mis de niveau avec les faces supérieures 4,à la meule ou à la brosse métallique. Une région non perturbée 21 existe à l'intérieur de chaque métal de base 3 en dedans de la posi- tion des listels 10 et au dessous des soudures 18 et 19 (pour empêcher la chaleur servant à effectuer les soudures 18 et 19 d'endommager la soudure classique 13). Cela donne la structure représentée à la fi gure 6, qui est alors prête à recevoir une bande de soudure du même matériau que les couches supérieures 1. La bande de cuivre 16 et les soudures 18 et 19 constituent un remplissage 22 remplissant complè- tement l'intervalle 15.
Avant l'application de la bande de soudure 23, on perce un trou de purge 24 dans la soudure classique 13 et dans le remplissage 22, et un trou similaire est percé dans la soudure 13 et le remplissage 22 à une distance appropriée du trou 24. Ces trous sont de pratiqua courante et servent à la protection de la face inférieure de la bande de soudure 23 pendant qu'elle est soudée aux couches supérieu- res des pièces A et B.
C'est à dire, qu'en supposant que les pièces A et B soient des segments cylindriques assemblés de manière à ce que la couche supérieure 1 constitue la surface interne d'un réser-
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voir et que le métal de base 3 constitue la surface externe de ce réservoir, une bande de soudure 23 de largeur appropriée, c'est à dire faisant au moins 12,5 mm de plus que le remplissage 22 ou que la distance séparant les bords 8, est placée au dessus du remplissa- ge 22, et un ruban de masquage sert à obturer les bords 25 de la bande de soudure 23. Un gaz approprié est envoyé par le trou de purge 24, ce gaz se déplaçant entre la bande de soudure 23 et le métal se trouvant dessous, pour empêcher l'air d'oxyder et d'atta- quer les surfaces adjacentes de la bande de soudure 23 et des cou- ches supérieures 1.
Ce gaz protège la face inférieure de la bande de soudure 23 pendant le soudage de @ bords 25. La bande d'obtura- tion est retirée juste avant le soudage des bords 25 de la bande de soudure 23. Lorsque la bande de soudure 23 est complètement soudée aux couches supérieures 1 des pièces A et B, les trous de purge 24 peuvent servir à contrôler les soudures. Ce contrôle peut se faire par des moyens classiques, tels qu'à la solution savonneuse, ou par injection d'hélium par le trou de purge et aspiration avec un spec- trographe de nasse à hélium, ou bien un contrôle par pénétration d'un produit colorant.
Pour souder la bande de soudure 23 en position, comme repré- senté à la figure 7, les faces supérieures 4 des couches supérieures 1 des pièces A et B, sont brossées à la brosse métallique et netto- yées à l'aide d'un solvant approprié, tel que l'alcool. La bande de soudure au tantale 23 peut alors être appliquée. Cette bande 23 doit avoir une épaisseur d'au moins 1,52 ion environ et doit s'étendre au delà des soudures d'argent 18 et 19 ou des bords 8 des couches supé- rieures 1 et des couches intermédiaires 2 d'une distance D-2 d'au moins 6,35 mm. C'est à dire que la bande 23 doit être d'au moins 12,7 mm plus large que la largeur du remplissage 22. Cela est cri- tique, étant donné que les bords 25 de la bande 23 sont soudés aux couches supérieures 1 aux points 26.
Si ces points 26 sont trop rap- prochésdu remplissage 22, la chaleur de la soudure peut porter at- teinte aux caractéristiques désirées de la couche supérieure 1, de la couche intermédiaire 2, des soudures 18, 19 ou 13 précédem- ment effectuées. Si la bande de soudure au tantale 23 ne fait pas 1,52 mm d'épaisseur, mais est plus mince, ses bords 25 doivent être légèrement retournés afin de former un collet, ou re- bord plus épais, aux .fins de soudage.
Le résultat final tel qu'il est représenté à la figure 7, est une soudure dont seul le matériau de la couche supérieure est expo-
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se au contenu hautement corrosif de la pièce fabriquée. Cette mé- thode d'assemblage des pièces A et B n'a pas porté atteinte aux caractéristiques du métal entre les couches du matériau revêtu. 'Les couches seraient attaquées s'il n'y avait qu'une couche supérieure de revêtement 1 de tantale directement sur le métal de base 3, étant donné que la température élevée nécessaire pour souder le tantale, dont le point de fusion est à 2996' C, provoquerait la fusion de l'acier dont le point de fusion est à 1510 C, et provoquerait un mélange du tantale et de l'acier.
Il en résulterait une trop faible épaisseur de tantale pur pour satisfaire aux spécifications. L'ad- dition d'une couche de tantale plus épaisse pour compenser toute attaque au point où le tantale et le métal de base sont assemblés, ne serait pas économique en raison du prix élevé du tantale. En prévoyant une couche intermédiaire de cuivre d'épaisseur critique, entre environ 1,27 et 1,78 mm, et de préférence d'environ 1,52 mm, lorsque les bords de la bande de soudure au tantale 21 sont soudés aux couches supérieures 1, la couche de cuivre intermédiaire 2 conduit immédiatement la chaleur et la répartit uniformément sur une zone étendue, de sorte qu'il ne se produit pas d'attaque entre la couche supérieure 1 et la couche intermédiaire 2, ou entre la couche intermédiaire 2 et le métal de base 3.
Le matériau hautement anticorrosif utilisé pour la couche supérieure 1 a été donné comme étant du tantale. Il est également possible d'utiliser d'autres matériaux pour la couche supérieure 1, auquel cas la bande de soudure 21 doit être du meme matériau que celui de la couche supérieure. C'est à dire que si du molybdène s'avère satisfaisant pour la couche supérieure 1, la bande de sou- dure 21 doit être alors en molybdène.
Il est considéré que cette invention couvre tous changements et modifications ne s'écartant pas du champs d'application de l'invention décrite ici.