"Raccord soudé de paroi composite et procédé de fabrication
d'une tells paroi" <EMI ID=1.1>
La présente invention concerne une paroi destinée à un appareillage industriel, ainsi que son procédé de réalisation, de tels appareillages ayant des parois comprenant au moins deux couches de matière, notamment lorsqu'ils sont destinés à la mise en oeuvre d'opérations chimiques.
Le procédé selon l'invention concerne la formation de raccords soudés de l'appareillage dans lesquels une couche superficielle d'un alliage ou d'un métal de propriétés particulières, ayant par exemple une très bonne résistance à la corrosion, est utilisée avec un support d'un métal de base plus courant ou est soudée métallurgiquement
à un tel métal. L'invention concerne en particulier les parois ayant un revêtement ou une protection de surface formé par une matière différente de celle du support, notamment celles dont la matière de revêtement n'est pas compatible métallurgiquement de façon générale à la matière du support, et elle concerne en particulier la disposition d'une couche intermédiaire d'un second métal de base entre le revêtement de surface de métal particulier et le métal de base formant le support.
Le procédé de fabrication selon l'invention convient à des combinaisons de métaux différents extrêmement nombreuses. Certaines des combinaisons mettent en oeuvre par exemple le tantale, le niobium, le vanadium, le titane, le zirconium ou le hafnium ou leurs alliages comme couches ou revêtements formés sur de l'acier doux, des revêtements ou couches de tantale ou de niobium formés sur des alliages à base de cuivre, des couches de tantale et de cuivre formées sur de l'acier doux, et des couches de tantale formées sur des alliages de nickel ou à base de nickel ou sur les alliages à base de cobalt. Le procédé présente une grande souplesse. La couche ou le revêtement d'alliage ou de métal à propriétés particulières peut être fixé par des techniques comprenant le revêtement par explosion (par exemple
par le procédé "Detaclad", de E.I. duPont de Nemours & Co.), et la fixation par laminage sur le support ainsi que le brasage, par exemple avec des alliages de brasage à base d'argent, ou le revêtement ou la protection peut être simplement en contact intime avec un revêtement libre et non lié ou
un revêtement tel que les différences de coefficients de dilatation thermique sont compensées.
L'utilisation d'un revêtement ou d'une couche d'alliage ou de métal à propriétés particulières sur un support d'un métal de base plus courant est déjà bien connue. Cependant, les procédés de fabrication d'appareillages ayant de telles parois posent des problèmes très difficiles, notamment aux raccords, lorsque la matière du revêtement n'est pas métallurgiquement compatible de façon générale à la matière du support. L'expression "qui n'est pas métallurgiquement compatible de façon générale" utilisée dans le présent mémoire peut être comprise par considération du cas d'une couche ou d'un revêtement de tantale formé sur un support d'acier doux. Les températures de fusion de ces matières diffèrent beaucoup.
Le tantale fond à peu près à 3000[deg.]C et l'acier doux à 1530[deg.]C environ ; l'acier doux a un coefficient de dilatation thermique qui est à peu près le double de celui du tantale, et le fer et le tantale ne s'allient pas en formant des alliages ductiles (le système des phases tantale-fer comprend un composé intermétallique TaFe2 et des eutectiques de ce composé et de solutions solides terminales à solubilité très faible, comme représenté sur la figure 11 de la
page 461 de l'ouvrage "COLOMBIUM AND TANTALUM" de F.T. Sisco et E. Epremian, John Wiley and Sons, Inc., 1963).
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décrit l'utilisation d'une couche de cuivre d'environ 1,5 mm d'épaisseur, placée entre le tantale et le support d'acier et permettant ainsi la suppression de ces incompatiblités métallurgiques. Dans ce procédé de soudage, l'épaisseur de la couche de cuivre est primordiale et le procédé ne s'applique qu'à la construction particulière à trois couches décrite dans laquelle la couche intermédiaire de cuivre doit être liée totalement à la fois au substrat d'acier et à la couche externe de tantale. Le raccord final soudé comprend un couvre-joint en saillie formé de tantale, raccordé par
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Ces soudures d'angle formées aux extrémités du couvre-joint <EMI ID=4.1>
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fabrication d'appareillages soudas par fusion comprenant
<EMI ID=6.1> <EMI ID=7.1>
'-ion rassortiront mieux de la description qui va suivre,, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels
- les figures 1 à 5 représentent les diverses étapes successives de la réalisation d'une paroi selon un mode de réalisation de l'invention ; la figure 6 représente une paroi formée selon un procédé connu ;
- les figures 7 à 12 représentent une séquence d'étapes utilisées pour la préparation d'une paroi selon un autre mode de réalisation important de l'invention ; <EMI ID=8.1> modes de réalisation de l'invention ; et
- la figure 14 représente un exemple de profil d'ondulations formé dans la matière du ravalement.
<EMI ID=9.1>
<EMI ID=10.1>
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tement de tantale assure la résistance contre la corrosion par les matières présentes. Cependant, étant donné le coût
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résistance à la corrosion, et on utilise une matière de
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l'acier non allia pour le support et comme organa principal
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duits chimiques est par exemple un dispositif de chauffage
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tour,.une colonne ou un autre réacteur, une tuyauterie, un raccord ou une vanne.
Dans les modes.-de réalisation particuliers décrits
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alliage de tantale tel que "Fansteel 63 Métal" fabriqua par Fansteel Inc., contenant 2,5 % en poids de tungstène, 0,15 5 en poids de niobium et le reste pratiquement de tantale comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique
n[deg.] 3 592 639. Cet alliage "Fansteel 63 Métal" a une résistance à la rupture accrue de 50 % et un module d'élasticité à peu près doublé par rapport à ceux du tantale non allié, à une température d'environ 200[deg.]C qui est une température couramment utilisée dans certaines applications chimiques, Cet alliage a une résistance à la corrosion au moins équivalente à celle du tantale pur dans de nombreux milieux.
Bien que la matière de revêtement décrite soit le tantale ou l'alliage "Fansteel 63 Métal" dans les exemples particuliers, les hommes du métier peuvent noter que les procédés de fabrication décrits peuvent aussi être utilises
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réfractaire ou un alliage ductile, ouvrable et soudable, notamment est formée par d'autresalliages à base de tantale, par le niobium ou des alliages à base de niobium , le vana-
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Dans un mode de réalisation particulier et dans les exemples, on indique que le support mécanique est formé par de l'acier doux. Cependant, il est évident que le support utilise selon l'invention peut être formé par d'autres métaux courants tels que d'autres aciers, notamment des aciers inoxydables, des matières à base de cuivre, de nickel
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alliage d'un tel métal, différent de la matière du revêtement.
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<EMI ID=23.1> couche 51 de revêtement de l'alliage "Fansteel 63 Métal" d'environ 0,76 mm d'épaisseur, revêtue par explosion sur
une couche intermédiaire de cuivre 52 dont l'épaisseur est d'environ 1,52 mm et qui a été elle-même revêtue par explosion sur le support 53 d'acier doux. Ce dernier peut avoir une épaisseur couramment comprise entre 6,3 et 25,4 mm,mais
le support d'acier peut être plus ou moins épais, dans certains <EMI ID=24.1>
matières. Les bords adjacentes des organes A et B sont d'abord préparés afin qu'ils soient de niveau et parallèles l'un à au!-
Les étapes suivantes de la préparation des organes sont indiquées sur la figure 2. Cette dernière indique que la couche 52 de cuivre des deux organes est retirée par attaqua chimique ou usinage sur une certaine distance, jusqu'à la po-
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de butée de chaque organe.
Le cuivre peut être retire sélectivement par attaque chimique sans attaque notable de la couche de tantale ou de l'acier par une solution contenant de l'acide .nitrique et de l'acide sulfurique (avec de l'eau dans certaines
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termination du meilleur mélange d'acides et du -camps de
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<EMI ID=28.1>
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cuivre doit être utilise pour la formation de la paroi. Lorsque l'élément rapporté de tantale doit être plus épais..
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et 50 % d'eau peut être utilisée pour la dissolution initiale du cuivre et d'une partie de l'acier.- cette solution étant ensuite suivie de la solution d'acide nitrique et d'acide
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à retirer.
Ensuite;, comme indiqué sur la figure 1 le métal de base forme par l'acier est usiné afin qu'il délimite une face 55 formant un pied et une face 56 formant une gorge, dans les deux organes A et B. La configuration particulière du raccord utilisé pour le support de cuivre correspond aux
<EMI ID=32.1>
La figure 3 représente les étapes suivantes. Les bords qui étaient en butée,dans le revêtement de tantale, sont repliés vers le haut comme indiqué, et la soudure 57
par fusion est formée entre les deux organes en butée. L'opération de soudure utilisée pour le support d'acier
est réalisée suivant les indications pratiques de l'ouvrage précité WELDING HANDBOOK, afin que les soudures formées aient une qualité correspondant à un code. Tout métal en excès
de la soudure au pied de celle-ci est retiré afin qu'elle forme une surface 58 de niveau. La partie en saillie de la soudure, à la face externe de la soudure en acier, peut ou non être supprimée afin que la surface corresponde à la face externe des organes métalliques A et B formés par l'acier. Normalement, la soudure formée est inspectée par mise en oeuvre de rayons X et toute zone défectueuse est réparée avant passage à l'étape suivante.
Par raison de commodité et pour que le revêtement d'alliage de tantale ne soit pas détérioré, il est possible et parfois préférable que les bords du revêtement d'alliage de tantale soient repliés comme indiqué sur la figure 3 avant l'usinage des faces du pied et de la gorge de l'acier formant le métal comme indiqué sur la figure 2.
Au cours des étapes suivantes comme indiqué sur la figure 4, un élément rapporté 59 formé par une matière à base d'alliage de tantale, de même composition que la couche 51 de revêtement, est placé dans la gorge 54 formée par attaque ou usinage du cuivre ou du cuivre et d'une partie
de l'acier, suivant l'épaisseur voulue pour l'élément rapporté 59. Dans le mode de réalisation de la figure 4, l'élément rapporté 59 est représenté formé de titane ayant la même épaisseur que la couche 52 de cuivre, c'est-à-dire une épaisseur d'environ 1,52 mm dans l'exemple particulier.
Ensuite, des trous 60 de purge sont usinés dans la soudure 57 et l'élément rapporté 59 à base de tantale
afin que le pied de la soudure à former dans le revêtement
51 de tantale soit protégé. Ces trous de purge restent normalement ouverts après la fin. de la réalisation de la
paroi soudée puisqu'ils servent alors à la détection des chutes lors de l'utilisation ultérieure de l'appareillage réalisé.
Avant la disposition de l'élément rapporté 59, toutes les impuretés telles que les copeaux d'acier, l'huile ou la graisse et les autres saletés doivent être soigneusement retirées du canal 54, par mise en oeuvre de techniques telles que le dégraissage. L'élément rapporté 59 à base de tantale et le revêtement 51 à base de tantale doivent être aussi nettoyés et débarrassés des impuretés étrangères. Ensuite, les bords repliés du revêtement 51 sont remis au niveau de l'élément rapporté 59 comme indiqué sur la figure 4.
Un nettoyage convenable de la matière à base de tantale et une protection par un gaz inerte sont indispensables au soudage du tantale et de ses alliages. La matière
à base de tantale peut être nettoyée chimiquement par décapage dans une solution acide qui contient :
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Après l'immersion dans l'acide, la matière à base de tantale doit être retirée de la solution acide et immédiatement immergée dans de l'eau propre. Le rinçage final à l'eau doit être effectué dans de l'eau dont la température dépasse 50[deg.]C. Après ce rinçage, la matière doit être rincée
à l'alcool puis doit être séchée'par égouttage et essuyage de l'excès d'alcool de la surface à l'aide d'une étoffe blanche propre et non pelucheuse.
<EMI ID=34.1>
dées de façon satisfaisante par fusion par mise en oeuvre de techniques telles que le soudage à l'arc à électrode de tungstène sous gaz inerte protecteur ou par soudage par faisceau d'électrons.Le soudage à l'arc avec électrode de tungstène sous gaz inerte protecteur (parfois appelé soudage TIG ou GTA) est le procédé le plus couramment utilisé, et il est mis en oeuvre dans ce mode de réalisation. La région de l'alliage à base de tantale à souder est mise sous vide et purgée par un gaz inerte.en général de l'argon, mais ce gaz peut aussi être formé par un gaz inerte monoatomique ou un mélange de tels gaz tels que l'argon, l'hélium, le néon, le krypton et le xénon.
Le cas échéant, la totalité de l'ensemble à souder peut être placée dans une chambre qui est mise sous vide puis remplie de gaz inerte. Dans une variante, une feuille ou un sac plastique peut être collé sur le revêtement ou la couche protectrice des deux organes A et B. Une tuyauterie souple est placée sur le sac et gonfle celui-ci puis le purge de même que les zones à souder. Un trou supplémentaire formé dans le sac permet la sortie de l'air résiduel et la circulation de l'argon se poursuit afin que les impuretés résiduelles soient purgées.
Le gaz inerte doit être utilisé pour la purge de la partie proche du pied de la soudure dans les couches de tantale. Le chalumeau de soudage est introduit par un trou supplémentaire du sac afin qu'il permette la formation de la soudure dans la matière à base de tantale. Ce procédé peut être utilisé pour la formation d'un raccord soudé de bonne qualité assurant une pénétration complète entre les pièces en butée, dans la couche constituant le revêtement à base de tantale. Il est très important, lors du soudage de la matière à base de tantale, que celle-ci ne soit pas contaminée au voisinage de la zone chauffée par le chalumeau.
Cette technique peut être utilisée pour des ensembles formant des parois selon l'invention dans lesquelles la couche à base de tantale est soudée métallurgiquement à une couche intermédiaire de cuivre qui est elle-même soudée au métal de base formé par l'acier, le soudage des couches étant réalisé par des techniques telles que le laminage ou
le revêtement par explosion. Dans ces circonstances, il est très important que les faces de la couche 51 de tantale qui ont été fixées à la couche 52 de cuivre soient dépourvues de toute impureté formée par le cuivre avant la formation de la soudure 61 dans la matière à base de tantale représentée sur la figure 5.
La soudure 61 est formée par fusion dans les conditions décrites précédemment qui permettent le raccordement <EMI ID=35.1> des deux couches 51 des deux organes. La soudure présente aussi une pénétration convenable au pied afin qu'elle parvienne jusqu'à l'élément rapporté 59 et qu'elle forme une soudure de bonne qualité.
Une matière supplémentaire de'remplissage de même composition que la couche 51 de revêtement peut être ajoutée lors de la formation de la soudure 61.
Ensuite, la soudure dans l'alliage de tantale
est inspectée par pénétration de colorant et par radiographie, afin que la présence de défauts dans la soudure soit déterminée. Les inspections doivent indiquer que la soudure est saine et sans défaut. Toute zone défectueuse détectée doit être réparée et inspectée à nouveau afin que la soudure formée dans la paroi terminée soit de bonne qualité.
On considère maintenant le procédé selon l'invention en comparaison d'un procédé connu. La figure 6 représente un raccord soudé de paroi réalisé suivant les enseignements du brevet des Etats-Unis d'Amérique n[deg.] 3 443 306. L'ensemble terminé comprend une paroi à trois revêtements soudés les uns aux autres, à savoir une couche 62 de titane soudée à une couche intermédiaire 63 de cuivre elle-même soudée au substrat 64 d'acier. Les deux organes de la paroi sont soudés par un cordon 65 de soudure formé par la soudure bout à bout des organes d'acier.
Un élément 66 de remplissage est placé dans un canal formé dans les couches de tantale et de cuivre, et l'espace compris entre cet élément de remplissage et les couches de tantale et de cuivre est rempli d'alliage 67 de brasage
à base d'argent.
Les trous 68 de purge sont utilisés pour la liaison du pied des soudures d'angles de l'alliage de tantale. Un couvre-joint rapporté 69 de tantale est raccordé à la couche
62 par des soudures d'angle 70 et 71 qui terminent la paroi
<EMI ID=36.1>
Cette paroi d'un type connu ne peut être utilisée qu'avec la matière particulière décrite comprenant des couches d'acier, de cuivre et de tantale, et les épaisseurs des couches de tantale et de cuivre doivent être comprises dans des <EMI ID=37.1>
de manière satisfaisante.
<EMI ID=38.1>
une construction particulière de la matière composite triple mais convient non seulement à cette combinaison de matières niais aussi à des combinaisons Iras diverses de matières dit-
<EMI ID=39.1>
non soudées.
En outrer la paroi réalisée selon l'invention a uns surface relativement lisse et de niveau du côté de traitement?
<EMI ID=40.1>
par exemple par un couvre-joint tel que représente sur la figure
En outre, dans la paroi selon l'invention, 1' épais-
<EMI ID=41.1>
<EMI ID=42.1>
cuivra utilises selon l'intention porte la réalisation
<EMI ID=43.1>
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seuls souche de cuivra" soit le retrait de celle-ci et
<EMI ID=46.1>
En outre, le procédé de l'invention parmet le soudage bout à boni des couches individuelles de la paroi. Le soudage bout à bout du revêtement de tantale permet la formation d'un raccord bien plus robuste qu'une construction
<EMI ID=47.1>
<EMI ID=48.1> <EMI ID=49.1>
d'une soudure bout à bout, comme décrit dans l'article de
<EMI ID=50.1>
<EMI ID=51.1>
le procédé selon l'invention permet la formation d'une paroi ayant une résistance mécanique et une intégrité accrues dans chacune des couches.
EXEMPLE 2
Les figures 7 à 12 illustrent des étapes successives de la réalisation d'une paroi selon l'invention, dans un autre mode de réalisation avantageux.
La figure 7 représente un organe C ayant une cou- <EMI ID=52.1>
termédiaire 73 de cuivre qui est elle-même soudée sur le substrat d'acier 74, dans les deux organes Cet D.
<EMI ID=53.1>
<EMI ID=54.1>
sont usinés dans les deux organes.
<EMI ID=55.1>
rapprochés. Ce mode de réalisation convient surtout lorsque
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Ainsi, par exemple, dans cet exemple 2, l'élé-
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que des éléments plus minces ou plus épais puissent aussi être utilises la cas échéant. L'élément rapporté 78 remplit pratiquement le canal 77 mais on note sur le dessin que
<EMI ID=58.1>
Toutes les précautions utilisées pour la formation de la paroi soudée sont indiquées pour le procédé décrit dans 1 ' exemple 1 ....
La figure 10 indique l'étape suivante de la séquence qui comprend la formation d'une soudure 79 par fusion, raccordant les organes C et D placés bout à bout. La préparation de la soudure et le procédé de soudage suivent les recommandations' '. de ; 1 ' ouvrage : indiqué dans 1 ' exemple 1. La saillie 80 de soudure de la face du cordon 79 peut être usinée ou non au niveau de la face externe,lorsque la soudure est terminée.
Le pied de la soudure 79 se trouve directement contre l'élément rapporté 78 qui forme un dispositif d'appui. Comme la matière à base de tantale a une température de fusion bien supérieure à celle de l'acier, le phénomène d'alliage entre le tantale et l'acier est pratiquement inexistant à l'interface 81 du pied.
Ensuite, comme indiqué sur la figure 11, des trous 82 de purge sont percés dans la soudure 79 et l'élément rapporté 78. Ces trous permettent la mise à l'atmosphère de l'intérieur de la soudure formée dans la matière à base de tantale. Ces trous restent normalement ouverts même après la fin de la paroi soudée car ils ont le rôle secondaire de permettre la détection des fuites en cours d'utilisation.
Une soudure 83 formée bout à bout par fusion comme indiqué sur la figure 12 est alors réalisée sous gaz inerte,
<EMI ID=59.1>
tantale des organes C et D soient raccordées et se raccordent
<EMI ID=60.1>
dans la matière à base de tantale. Le cas échéant, lors de
la formation de la soudure, une matière supplémentaire de remplissage ayant la même composition que la couche de revêtement de tantale peut être ajoutée afin que la soudure soit saine et pénètre totalement.
Par rapport à la paroi soudée représentée sur la figure 6, la paroi de l'exemple 2 présente les mêmes avantages que celle de l'exemple 1. Encore, dans le mode de réalisation de l'exemple 2, l'élément rapporté 78 formé de tantale est ensuite maintenu en position fixe parce que la soudure 79 est en butée à l'interface 81 et parce que la soudure 83 formée dans la matière à base de tantale assure la fixation de la couche de cette matière à l'élément rappor-
<EMI ID=61.1>
EXEMPLE 3
Un perfectionnement supplémentaire des parois selon l'invention, convenant aussi bien à l'exemple 1 qu'à <EMI ID=62.1>
<EMI ID=63.1>
dans la couche de tantale d'un organe et d'une ondulation
<EMI ID=64.1>
raccorder. La figure 13 indique ce perfectionnement. Ces ondulations jouent le rôle d'un soufflet lors de la dilatation et du retrait au cours de la fabrication de la paroi
<EMI ID=65.1>
ultérieurement le rôle de soufflet assurant la compensation des effets des différences entre les coefficients de dilatation thermique du tantale et de l'acier, lorsque l'appareillage ayant cette paroi est chauffé à la température d'utilisation ou est refroidi.
La figure 14 indique les dimensions les plus <EMI ID=66.1>
tière à base de tantale dont l'épaisseur est d'environ
<EMI ID=67.1>
<EMI ID=68.1>
et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on
<EMI ID=69.1>
<EMI ID=70.1>
<EMI ID=71.1>
diverses.
"Welded composite wall connection and manufacturing process
of such a wall "<EMI ID = 1.1>
The present invention relates to a wall intended for industrial equipment, as well as its production method, such equipment having walls comprising at least two layers of material, in particular when they are intended for carrying out chemical operations.
The method according to the invention relates to the formation of welded joints of the apparatus in which a surface layer of an alloy or of a metal of particular properties, having for example a very good resistance to corrosion, is used with a support. of a more common base metal or is metallurgically welded
to such a metal. The invention relates in particular to walls having a coating or a surface protection formed by a material different from that of the support, in particular those whose coating material is not generally metallurgically compatible with the material of the support, and it in particular relates to the provision of an intermediate layer of a second base metal between the particular metal surface coating and the base metal forming the support.
The manufacturing process according to the invention is suitable for extremely numerous combinations of different metals. Some of the combinations use, for example, tantalum, niobium, vanadium, titanium, zirconium or hafnium or their alloys as layers or coatings formed on mild steel, coatings or layers of tantalum or niobium formed. on copper base alloys, tantalum and copper layers formed on mild steel, and tantalum layers formed on nickel or nickel based alloys or on cobalt based alloys. The process exhibits great flexibility. The layer or coating of alloy or metal with particular properties can be fixed by techniques including explosion coating (e.g.
by the "Detaclad" process, from EI duPont de Nemours & Co.), and the fixing by rolling onto the support as well as the brazing, for example with silver-based brazing alloys, or the coating or the protection can simply be in intimate contact with a loose, unbound coating or
a coating such that the differences in thermal expansion coefficients are compensated for.
The use of a coating or a layer of alloy or metal with particular properties on a support of a more common base metal is already well known. However, the methods of manufacturing equipment having such walls pose very difficult problems, in particular with regard to fittings, when the material of the coating is not generally metallurgically compatible with the material of the support. The term "which is not generally metallurgically compatible" used herein can be understood by considering the case of a tantalum layer or coating formed on a mild steel support. The melting temperatures of these materials differ greatly.
Tantalum melts at around 3000 [deg.] C and mild steel at around 1530 [deg.] C; mild steel has a coefficient of thermal expansion which is roughly twice that of tantalum, and iron and tantalum do not alloy forming ductile alloys (the tantalum-iron phase system includes an intermetallic compound TaFe2 and eutectics of this compound and terminal solid solutions with very low solubility, as shown in Figure 11 of
page 461 of the book "COLOMBIUM AND TANTALUM" by F.T. Sisco and E. Epremian, John Wiley and Sons, Inc., 1963).
<EMI ID = 2.1>
describes the use of a copper layer approximately 1.5 mm thick, placed between the tantalum and the steel support and thus allowing the elimination of these metallurgical incompatibilities. In this welding process, the thickness of the copper layer is paramount and the process only applies to the particular three-layer construction described in which the intermediate copper layer must be fully bonded to both the substrate d. 'steel and the outer layer of tantalum. The final welded fitting comprises a protruding joint cover formed of tantalum, joined by
<EMI ID = 3.1>
These fillet welds formed at the ends of the joint cover <EMI ID = 4.1>
<EMI ID = 5.1>
manufacture of fusion-welded equipment comprising
<EMI ID = 6.1> <EMI ID = 7.1>
'-ion will better match the description which follows ,, made with reference to the accompanying drawings in which
FIGS. 1 to 5 represent the various successive stages in the production of a wall according to one embodiment of the invention; FIG. 6 represents a wall formed according to a known method;
- Figures 7 to 12 represent a sequence of steps used for the preparation of a wall according to another important embodiment of the invention; <EMI ID = 8.1> embodiments of the invention; and
- Figure 14 shows an example of corrugation profile formed in the material of the facelift.
<EMI ID = 9.1>
<EMI ID = 10.1>
<EMI ID = 11.1>
tantalum material provides resistance against corrosion by the materials present. However, given the cost
<EMI ID = 12.1>
<EMI ID = 13.1>
corrosion resistance, and a material of
<EMI ID = 14.1>
non-alloy steel for the support and as the main organa
<EMI ID = 15.1>
chemical products is for example a heating device
<EMI ID = 16.1>
tower, .a column or other reactor, piping, fitting or valve.
In the particular embodiments described
<EMI ID = 17.1>
Tantalum alloy such as "Fansteel 63 Metal" manufactured by Fansteel Inc., containing 2.5 wt% tungsten, 0.15 wt% niobium and the remainder substantially tantalum as disclosed in US Pat. 'America
n [deg.] 3,592,639. This "Fansteel 63 Metal" alloy has a tensile strength increased by 50% and a modulus of elasticity about twice that of unalloyed tantalum, at a temperature of approximately 200 [deg.] C which is a temperature commonly used in certain chemical applications. This alloy has corrosion resistance at least equivalent to that of pure tantalum in many environments.
Although the coating material described is tantalum or the "Fansteel 63 Metal" alloy in the particular examples, those skilled in the art will appreciate that the manufacturing methods described can also be used.
<EMI ID = 18.1>
refractory or a ductile alloy, workable and weldable, in particular is formed by other alloys based on tantalum, by niobium or alloys based on niobium, van-
<EMI ID = 19.1>
<EMI ID = 20.1>
In a particular embodiment and in the examples, it is indicated that the mechanical support is formed by mild steel. However, it is obvious that the support used according to the invention can be formed by other common metals such as other steels, in particular stainless steels, materials based on copper, nickel.
<EMI ID = 21.1>
alloy of such a metal, different from the material of the coating.
<EMI ID = 22.1>
<EMI ID = 23.1> coating layer 51 of the "Fansteel 63 Metal" alloy approximately 0.76 mm thick, explosively coated on
an intermediate layer of copper 52, the thickness of which is approximately 1.52 mm and which has itself been explosion coated on the support 53 of mild steel. The latter may have a thickness commonly between 6.3 and 25.4 mm, but
the steel backing can be more or less thick, in some <EMI ID = 24.1>
materials. The adjacent edges of components A and B are first prepared so that they are level and parallel to each other! -
The following stages in the preparation of the organs are shown in Figure 2. The latter indicates that the copper layer 52 of the two organs is removed by chemical etching or machining over a certain distance, until the po-
<EMI ID = 25.1>
stop of each organ.
Copper can be selectively removed by chemical attack without noticeable attack of the tantalum or steel layer by a solution containing nitric acid and sulfuric acid (with water in some cases).
<EMI ID = 26.1>
completion of the best mixture of acids and
<EMI ID = 27.1>
<EMI ID = 28.1>
<EMI ID = 29.1>
copper should be used for wall formation. When the tantalum insert needs to be thicker.
<EMI ID = 30.1>
and 50% water can be used for the initial dissolution of copper and part of the steel - this solution then being followed by the solution of nitric acid and acid
<EMI ID = 31.1>
to remove.
Then ;, as shown in Figure 1 the base metal formed by the steel is machined so that it defines a face 55 forming a foot and a face 56 forming a groove, in the two members A and B. The particular configuration of the fitting used for the copper support corresponds to the
<EMI ID = 32.1>
Figure 3 shows the following steps. The edges which were in abutment, in the tantalum coating, are folded upwards as shown, and the weld 57
by fusion is formed between the two abutting organs. The welding operation used for the steel support
is carried out according to the practical indications of the aforementioned work WELDING HANDBOOK, so that the welds formed have a quality corresponding to a code. Any excess metal
solder at the base thereof is removed so that it forms a level surface 58. The protruding part of the weld, at the outer face of the steel weld, may or may not be removed so that the surface matches the outer face of the metal members A and B formed by the steel. Normally, the weld formed is inspected by use of X-rays and any defective areas are repaired before proceeding to the next step.
For convenience and so that the tantalum alloy coating is not deteriorated, it is possible and sometimes preferable that the edges of the tantalum alloy coating are folded back as shown in Fig. 3 before machining the faces of the foot and throat of the steel forming the metal as shown in Figure 2.
During the following steps as indicated in FIG. 4, an insert 59 formed by a material based on tantalum alloy, of the same composition as the coating layer 51, is placed in the groove 54 formed by etching or machining the material. copper or copper and part
steel, depending on the thickness desired for the insert 59. In the embodiment of Figure 4, the insert 59 is shown formed of titanium having the same thickness as the copper layer 52, c ' that is, a thickness of about 1.52 mm in the particular example.
Then, purge holes 60 are machined in the solder 57 and the insert 59 based on tantalum.
so that the foot of the weld to be formed in the coating
51 tantalum is protected. These purge holes normally remain open after completion. of the realization of the
welded wall since they are then used to detect falls during subsequent use of the equipment produced.
Prior to the disposition of insert 59, all impurities such as steel shavings, oil or grease and other dirt must be carefully removed from channel 54, using techniques such as degreasing. The tantalum insert 59 and the tantalum coating 51 should also be cleaned and free of foreign impurities. Then, the folded edges of the covering 51 are brought back to the level of the insert 59 as shown in Figure 4.
Proper cleaning of the tantalum material and protection with an inert gas are essential for welding tantalum and its alloys. Matter
Tantalum-based can be cleaned chemically by pickling in an acidic solution which contains:
<EMI ID = 33.1>
After the acid immersion, the tantalum material should be removed from the acid solution and immediately immersed in clean water. The final water rinse should be carried out in water with a temperature above 50 [deg.] C. After this rinsing, the material must be rinsed
alcohol and then should be dried by draining and wiping excess alcohol from the surface with a clean, white lint-free cloth.
<EMI ID = 34.1>
dies satisfactorily by fusion using techniques such as tungsten arc welding under inert protective gas or by electron beam welding. Arc welding with tungsten electrode under inert gas Protector (sometimes referred to as TIG or GTA welding) is the most commonly used method, and it is implemented in this embodiment. The region of the tantalum-based alloy to be welded is evacuated and purged with an inert gas, usually argon, but this gas can also be formed by a monoatomic inert gas or a mixture of such gases such as argon, helium, neon, krypton and xenon.
If desired, the entire assembly to be welded can be placed in a chamber which is evacuated and then filled with inert gas. In a variant, a sheet or a plastic bag can be stuck on the coating or the protective layer of the two members A and B. A flexible pipe is placed on the bag and inflates the latter then the purge as well as the areas to be welded. . An additional hole formed in the bag allows the escape of residual air and the flow of argon continues so that residual impurities are purged.
Inert gas should be used for purging the part near the bottom of the weld in the tantalum layers. The welding torch is introduced through an additional hole in the bag so that it allows the formation of the weld in the tantalum-based material. This process can be used for the formation of a welded connection of good quality ensuring complete penetration between the abutting parts, in the layer constituting the tantalum-based coating. It is very important, when welding the tantalum-based material, that it is not contaminated in the vicinity of the area heated by the torch.
This technique can be used for assemblies forming walls according to the invention in which the tantalum-based layer is metallurgically welded to an intermediate copper layer which is itself welded to the base metal formed by the steel, the welding layers being produced by techniques such as lamination or
explosion coating. Under these circumstances, it is very important that the faces of the tantalum layer 51 which have been attached to the copper layer 52 are free of any impurities formed by the copper prior to the formation of the solder 61 in the tantalum material. shown in figure 5.
The weld 61 is formed by fusion under the conditions described above which allow the connection <EMI ID = 35.1> of the two layers 51 of the two members. The weld also has suitable penetration at the foot so that it reaches the insert 59 and forms a good quality weld.
Additional filler material of the same composition as the coating layer 51 may be added during the formation of the weld 61.
Then the solder in the tantalum alloy
is inspected by dye penetration and x-ray, to determine the presence of defects in the weld. Inspections should indicate that the weld is sound and free from defects. Any defective areas detected should be repaired and inspected again so that the weld formed in the finished wall is of good quality.
The method according to the invention is now considered in comparison with a known method. Figure 6 shows a welded wall connection made in accordance with the teachings of United States Patent No. 3,443,306. The completed assembly comprises a wall with three coatings welded to each other, namely a wall. layer 62 of titanium welded to an intermediate layer 63 of copper itself welded to the substrate 64 of steel. The two members of the wall are welded by a weld bead 65 formed by the butt welding of the steel members.
A filler 66 is placed in a channel formed in the tantalum and copper layers, and the space between this filler and the tantalum and copper layers is filled with brazing alloy 67.
silver-based.
Bleed holes 68 are used for bonding the root of the tantalum alloy corner welds. A tantalum joint cover 69 is connected to the layer
62 by fillet welds 70 and 71 which terminate the wall
<EMI ID = 36.1>
This wall of a known type can only be used with the particular material described comprising layers of steel, copper and tantalum, and the thicknesses of the layers of tantalum and copper must be within <EMI ID = 37.1>
in a satisfying manner.
<EMI ID = 38.1>
a particular construction of the triple composite material but is suitable not only for this combination of materials but also for various Iras combinations of said materials
<EMI ID = 39.1>
not welded.
In addition the wall made according to the invention has a relatively smooth and level surface on the treatment side?
<EMI ID = 40.1>
for example by a joint cover as shown in the figure
In addition, in the wall according to the invention, the thick-
<EMI ID = 41.1>
<EMI ID = 42.1>
copper used according to the intention carries the realization
<EMI ID = 43.1>
<EMI ID = 44.1>
<EMI ID = 45.1>
only strain of copper "or the withdrawal of it and
<EMI ID = 46.1>
Further, the method of the invention involves the butt welding of the individual layers of the wall. Butt welding of the tantalum coating allows the formation of a much stronger joint than a construction
<EMI ID = 47.1>
<EMI ID = 48.1> <EMI ID = 49.1>
butt weld, as described in the article by
<EMI ID = 50.1>
<EMI ID = 51.1>
the method according to the invention allows the formation of a wall having increased mechanical strength and integrity in each of the layers.
EXAMPLE 2
FIGS. 7 to 12 illustrate successive steps in the production of a wall according to the invention, in another advantageous embodiment.
Figure 7 shows an organ C having a neck- <EMI ID = 52.1>
copper intermediate 73 which is itself welded to the steel substrate 74, in the two members Cet D.
<EMI ID = 53.1>
<EMI ID = 54.1>
are machined in both bodies.
<EMI ID = 55.1>
close together. This embodiment is especially suitable when
<EMI ID = 56.1>
Thus, for example, in this example 2, the element
<EMI ID = 57.1>
that thinner or thicker elements can also be used where appropriate. The insert 78 practically fills the channel 77 but it is noted in the drawing that
<EMI ID = 58.1>
All the precautions used for the formation of the welded wall are indicated for the process described in Example 1 ....
Figure 10 shows the next step in the sequence which includes forming a fusion weld 79, connecting members C and D placed end to end. The preparation of the weld and the welding process follow the recommendations ''. of; The work: shown in Example 1. The weld projection 80 of the face of the bead 79 may or may not be machined at the outer face, when the weld is complete.
The foot of the weld 79 is located directly against the insert 78 which forms a support device. As the tantalum-based material has a much higher melting point than that of steel, the phenomenon of alloying between tantalum and steel is practically non-existent at the interface 81 of the foot.
Then, as shown in Figure 11, purge holes 82 are drilled in the weld 79 and the insert 78. These holes allow the venting of the interior of the weld formed in the material based on. tantalum. These holes normally remain open even after the end of the welded wall as they have the secondary role of allowing the detection of leaks during use.
A weld 83 formed end to end by fusion as indicated in FIG. 12 is then produced under inert gas,
<EMI ID = 59.1>
tantalum of components C and D are connected and connect
<EMI ID = 60.1>
in the tantalum material. If applicable, during
In forming the weld, additional filler material having the same composition as the tantalum coating layer may be added so that the weld is sound and fully penetrates.
Compared to the welded wall shown in Figure 6, the wall of Example 2 has the same advantages as that of Example 1. Again, in the embodiment of Example 2, the insert 78 formed tantalum is then kept in a fixed position because the solder 79 is in abutment at the interface 81 and because the solder 83 formed in the tantalum-based material secures the layer of this material to the relative element.
<EMI ID = 61.1>
EXAMPLE 3
A further improvement of the walls according to the invention, suitable both for example 1 and <EMI ID = 62.1>
<EMI ID = 63.1>
in the tantalum layer of an organ and a ripple
<EMI ID = 64.1>
connect. Figure 13 shows this improvement. These corrugations act as a bellows during expansion and contraction during the manufacture of the wall.
<EMI ID = 65.1>
subsequently the role of bellows ensuring the compensation for the effects of the differences between the thermal expansion coefficients of tantalum and steel, when the equipment having this wall is heated to the operating temperature or is cooled.
Figure 14 shows the most <EMI ID = 66.1> dimensions
tantalum-based material, the thickness of which is approximately
<EMI ID = 67.1>
<EMI ID = 68.1>
and shown only as a preferred example and that
<EMI ID = 69.1>
<EMI ID = 70.1>
<EMI ID = 71.1>
various.