Procédé pour supprimer au moins partiellement, par voie thermique, les efforts résiduels de pièces ou de constructions métalliques soudées. La, présente invention se rapporte à la suppression, au moins partielle des efforts ré siduels ou enfermés , existant dans des pièces ou constructions en métal soudées.
Lorsqu'une pièce métallique non libre, c'est-à-dire maintenue rigidement à ses extré mités, est chauffée, la dilatation normale du métal, sous l'influence de la .chaleur, est em pêchée. L'empêchement de la dilatation pro duit un effort compressif dans la pièce. Si la température de cette dernière est suffisam- nient élevée, l'effort de compression devient plus grand que la limita d'élasticité du métal et ce dernier cédera à cet effort, de -sorte qu'il @sera écrasé.
Si on laisse -ensuite refroidir le métal et chie. sa. contraction normale est empêchée, il se produit en lui un effort de traction. Ainsi, simplement en chauffant et en refroidissant une pièce non libre, on crée en elle de grands efforts résiduels.
Lorsqu'on pratique une soudure sur une grande pièce métallique ou lorsqu'on soude ensemble de grosses pièces métalliques, la di latation et la contraction du métal dans la. région de la soudure, .sous l'influence du chauffage et du refroidissement, .sont empê chées par la grande masse de métal qui n'est pas soumise au chauffage. Dans le cas de sou par apport de métal fondu, dans lequel on forme un dépôt de métal fondu, la con traction du métal déposé, lors du refroidisse- ment, est empêchée par le métal de base. Il résulte de cet empêchement que de grands efforts résiduels sont enfermés, dans la cons- truction soudée.
Depuis l'introduction de la soudure dans les procédés de construction, les ingénieurs ont toujours été en présence des problèmes consécutifs aux efforts résiduels. Beaucoup de temps, d'argent et de travail ont été dépensés pour étudier la formation et les eamactéri6ti- ques de ces efforts, pour rechercher à éviter leur formation et pour les supprimer.
Des progrès considérables ont été réalisés dans l'étude des caractéristiques des efforts rôsi- duels dans les constructions soudées, mais au cune méthode pratique pour éviter leur for mation ou pour les supprimer ne s'est imposée jusqu'à présent dans les cas de grandes cons tructions soudées.
On a observé que l'effort principal restant dans une construction soudée, consistant en deux ou plusieurs pièces fixées ensemble par des soudures à rapprochement, existe le long de la ligne séparant le métal de soudure dé posé du métal qui lui est directement adja cent. Cet effort, désigné comme effort lon gitudinal , est un effort de tension et l'effort unitaire le plus élevé s'approche de la limite d'élasticité, considérée à la température ordi naire, du métal dont est formée la région de la soudure. Parallèlement à -cet effort, sur chacun des -côtés de la soudure et habituelle- ment à distances égales de celle-ci, se trou vent deux efforts complémentaires de com pression.
La valeur de ces efforts de compres sion est généralement très. faible,, car la sur face de compression est grande. Transversale ment à la soudure, se trouvent des efforts, généralement de compression, d'une valeur re- lativement faible, excepté à chaque extrémité de la soudure où, dans le cas de longues sou dures, l'effort unitaire le plus élevé peut ap procher de la limite d'élasticité du métal.
Cette répartition des efforts se produit dans toutes les constructions soudées à rapproche- ment, dans lesquelles la zone de soudure est limitée, que la soudure soit faite à la main ou par un procédé automatique.
Divers expédients, pour éviter la forma tion de gros efforts résiduels dans clés cons- tructions soudées, ont été proposés. Par exem ple, on a proposé de chauffer préalablement les pièces métalliques à assembler par soudure; mais un chauffage préalable est impraticable pour -de grandes pièces, pour lesquelles se po sent les problèmes les plus importants des efforts résiduels.
Une autre proposition. con- siste à effectuer les grandes soudures en,dépo sant plusieurs petites perles de soudure et en liant ensuite ces perles les unes aux autres par un dépôt final de métal de soudure. Cette méthode non seulement n'élimine pas, les, ef forts résiduels, mais elle enlève au soudage l'un de s'es avantages principaux en construc- tion, à savoir sa rapidité.
On a encore proposé :de faire :des soudures par tronçons , c'est- à-dire dans lesquelles des tronçons ou des, sec- tions alternants d'une soudure sont produits à distance les uns des autres, et :de faire des soudures par pas rétrograde , c'est-à-dire dans lesquelles .on fait des dépôts successifs, :
chaque dépôt étant commencé en avant du dé pôt précédent et travaillé en reculant juqu'au dépôt précédent. Ces deux méthodes sont Ien- tes et ni l'une ni l'autre -n'empêchent la for- nation d'efforts résiduels.
On a également proposé un très grand nombre de méthodes pour supprimer les ef forts résiduels existant dans des construc- tions soudées, mais jusqu'à maintenant aucune méthode complètement satisfaisante et adap table au traitement :de grandes constructions n'a été proposée.
Une .diminution -considérable des efforts résiduels peut être obtenue en :chauffant, dans un four, une construction soudée à une température à laquelle la résis tance élastique :
du métal dont -est formée la construction est très. faible (pour l'acier, cette température est habituellement aux environs de<B>600</B> à 650 C), et en refroidissant lentement la construction, mais cette méthode est coû teuse, elle produit un écaillement du métal et une distorsion de la- construction traitée; de plus, elle est inapplicable à la plupart des grandes constructions établies actuellement par soudure.
Un traitement thermique dit local de suppression des efforts a été pro posé pour être appliqué à de grandes construc- tions; selon ce traitement, la soudure et les surfaces qui lui sont adjacentes sont :chauffées à une température élevée et refroidies lente ment.
Ce traitement thermique local a été em <B>ployé</B> dans une très grande mesure pour trai ter certains types de soudure, par exemple les soudures .circonférentielles de récipients desti nés à supporter des pressions:
, mais il n'est pas ,satisfaisant pour un usage général, parce qu'au lieu de diminuer la tension unitaire lon gitudinale existant dans les, soudures à rap prochement, il tend simplement à augmenter la surface soumise à la tension emprisonnée dans la pièce. Un autre expédient, qui a eu un certain succès, est le martelage des zones de soudure.
S'il est correctement exécuté, le martelage supprime dans une certaine mesure les efforts résiduels, mais il est difficile à contrôler. Le martelage peut produire un dur cissement par fatigue ou des fissures, et il peut même créer d'autres efforts résiduels.
On constate que, jusqu'à présent, aucune solution totalement satisfaisante n'a été don née aux problèmes soulevés par les efforts ré siduels présents dans les grandes .construc tions soudées, malgré des années de travail des ingénieurs de la partie. Les problèmes sont importants, car les efforts résiduels peuvent quelquefois être la cause d'insuccès dans Péta- blisaement de constructions soudées qui n'ont pas répondu aux propriétés et à la durée de vif;
que l'on pouvait en attendre,. Par exem ple, la construction des navires par soudure a été un échec dû, très certainement, aux ef forts résiduels, bien que ceux-ci n'aient pas été la cause primaire, mais un facteur important de cet échec. Quoique ces échecs soient peu nombreux comparés au très grand nombre de grandes constructions :soudées, le fait qu'ils peuvent se présenter constitue un obstacle, dans une certaine mesure, à la grande exten sion de la soudure comme précédé de construc tion. En conséquence, la solution du problème des efforts résiduels est de toute importance.
Le but de la présente invention est de ré soudre co problème.
En conséquence, elle a pour objet un pro cédé de suppression au moins partielle., par voie thermique, des efforts résiduels présents dans des pièces -ou des constructions, métalli ques soudées, présentant parallèlement à la soudure une zone d'effort de tension résiduel et une zone complémentaire d'effort de com pression résiduel, les efforts dans ces zones étant parallèles à la soudure.
Ce procédé est cara.c.- térisé en ce que l'on crée, dans ces pièces ou uonst.ructions, une différence de température telle que la zone soumise à. la compression ré siduelle se trouve à une température suffi samment au-dessus de celle de la zone sou mise à la tension résiduelle pour provoquer une déformation permanente du métal dans la zone :soumise à la tension résiduelle, la température de la zone de compression rési duelle n'étant cependant pas assez élevée pour provoquer une déformation permanente du métal de cette dernière zone.
La différence de température peut être réalisée. par un très grand nombre de moyens différents. Par exemple, la zone intéressée par l'effort de tension peut être refroidie, ou bien les zones intéressées par les efforts. de com pression ou le voisinage de ces zones peuvent être chauffées.
Dans certains cas, il peut être désirable à la fois de refroidir legs zones inté ressées par la tension et de chauffer les zones intéressées par les efforts de compres- 'Sion. Dans chaque cas, une différence de tem pérature, qui, en général, n'est pas nécessaire ment très abrupte, est établie entre la zone intéressée par l'effort de tension et les zones intéressées par les efforts de compression, la zone de l'effort de tension étant à une tempé rature inférieure, habituellement légèrement supérieure à la température ordinaire.
Lors que la construction soudée est ramenée à la température ordinaire uniforme, une diminu tion considérable des efforts résiduels a été réalisée.
Lorsqu'on chauffe, le métal des zones chauffées se dilate. Comme ces zones sont liées rigidement par la soudure au métal se trou vant sous tension et que ce dernier n'est pas dilaté par la chaleur d'une manière correspon dante, la dilatation crée une charge supplé mentaire dans le métal déjà sous tension. L'effort résiduel, dans le métal sous tension, est déjà voisin de la limite d'élasticité de ce métal. En conséquence, le métal sous tension doit céder sous l'influence .de la tension en fermée en lui et sous la charge supplémen taire qu'il reçoit par suite de la dilatation du métal chauffé.
Bien qu'en cédant, le métal vous tension ne se déforme que très peu d'une manière per manente, par rapport aux dimensions de la construction soudée et lorsque les parties sont revenues à la même température, on constate que les efforts résiduels ont considérablement diminué d'intensité et. que les efforts unitaires les plus hauts sont bien au-dessous :de la limite d'élasticité du métal.
Un résultat semblable est obtenu lorsqu'on refroidit la zone, intéressée par l'effort de tension, d'une construction soumise à des ef forts résiduels. Dans ce cas, le refroidissement du métal :sous tension l'oblige à se contracter -et lui donne une charge supplémentaire qui, avec l'effort de tension déjà présent, est suffi sante pour provoquer une déformation perma nente et, par conséquent, une suppression des efforts.
<B>Il</B> a été prouvé, par un très grand nombre d'expériences, que le procédé selon l'invention réalise effectivement la suppression au moins partielle des efforts résiduels, des diminu- tions de<B>50%</B> et plus des efforts résiduels unitaires ayant été ainsi .obtenues.
Une telle réduction des efforts est de l'or dre de celle obtenue par le traitement thermi que de suppression des efforts, selon lequel une construction soudée entière est chauffée dans un four. Dans des, conditions favorables, .on obtient une libération .complète des efforts de tension résiduels dans le métal soudé, ré sultat qui ne peut être obtenu par aucune des méthodes connues précédemment pour la sup pression des efforts résiduels dans les sou dures.
Pour réaliser les meilleures conditions de suppression des efforts résiduels, à l'aide du procédé selon la présente invention, le schéma des efforts de la pièce à traiter doit être connu. Une méthode satisfaisante, pour dé- terminer le schéma des efforts, est de prépa rer un échantillon de la construction soudée du type à fabriquer en opérant dans les mêmes conditions de soudure et en employant les mêmes matériaux que -pour la construction à établir, et d'effectuer des mesures de l'inten sité de la tension dans l'échantillon soudé,
les parties soumises aux mesures sont -ensuite en levées de la construction, par exemple par dé coupage, -et des mesures de l'intensité de la tension sont faites à nouveau, en employant les mêmes repères.
Les différences dans les tensions observées sont des indications sur les efforts présents à l'origine dans la construction échantillon à l'aide desquelles 'le schéma des efforts de la construction peut être établi de la manière connue. Comme ce même schéma se. répétera pour -chaque construction faite de la même manière, il n'est nécessaire de le déterminer qu'une seule fois.
On a constaté, lors de l'exécution prati que du procédé selon l'invention, que l'effort longitudinal à la zone de soudure a été réduit de 50 % ou plus. La réduction des efforts a été réalisée tant par refroidissement de la zone soumise à la tension que par chauffage de bandes se trouvant à l'intérieur ou recouvrant les zones soumises aux efforts de compression, ainsi :que par une combinaison de ces deux actions. En général, on a trouvé que l'on ob tient une suppression adéquate des efforts dans -des plaques soudées à rapprochement si la zone soumise aux efforts de tension est de 50 à 175 C plus froide :que les zones sou mises aux efforts de compression.
Dans une plaque d'une épaisseur d'environ 2,5 cm, ce ;résultat peut être obtenu en .chauffant une étroite bande de chaque côté de la soudure, à une température d'environ 150 à 200 supé rieure à celle du métal de la soudure, la bande chauffée étant éloignée d'environ 7,5 à <B>12,5</B> cm de la soudure.
Un moyen de refroidissement commode, utilisable pour la mise en pratique de l'inven tion, consiste en de la neige carbonique. Cette neige peut simplement être amoncelée sur le métal à l'endroit .ou près de la surface de la zone soumise aux efforts de tension et lais sée sur cette surface jusqu'à ce que celle-ci soit glacée de part en part à la valeur dési rée. On peut aussi utiliser un récipient, par exemple en bois, pour enfermer le réfrigérant.
D'autres réfrigérants peuvent -évidemment être utilisés, mais, cependant, si le réfrigérant n'est pas capable de produire une température suffisamment basse pour créer la chute de température entre la zone sous tension et les zones sous compressions, il sera nécessaire de chauffer les zones sous compression.
Pour chauffer les zones sou s ,compression, on peut commodément utiliser des brûleurs oxyhy- driques. Lorsqu'on traite une plaque soudée à rapprochement, il .est habituellement préféra ble que les deux zones soumises à la compres sion soient chauffées simultanément; ,de bons résultats peuvent être obtenus en employant les brûleurs actionnés à la. main pour chauffer progmessivement des - portions successives: des zones soumises à la compression;
si on le dé sire, des brûleurs montés. sur un chariot mo bile peuvent être :employés; ce moyen est pré férable du fait qu'il permet d'obtenir une vi tesse plus uniforme du déplacement des, brû leurs. D'autres types de brûleurs ont été em ployés avec succès:. Par exemple, un long tube muni d'une rampe de jets régulièrementespacés est approprié lorsqu'un grand nombre de cons tructions, ,soudées à rapprochement, d'une Ion- bueur donnée, doit être traité.
Pour certaines applications, il peut être désirable de chauffer des bandes relativement larges, voire d'envi ron 15 cm ou plus; pour d'autres. applications, il peut être très avantageux de chauffer des bandes relativement étroites. Dans le premier cas, des brûleurs semblables à ceux employés pour le nettoyage à la flamme de surfaces métalliques sont appropriés.
Le chauffage peut être appliqué à l'une ou à l'autre des faces de la pièce à traiter, ou à ces deux faces à la fois. En général, on a trouvé qu'un chauffage satisfaisant peut être obtenu dans des plaques allant jusqu'à 2,5 cm d'épaisseur, en appliquant le chauffage à une seule face, mais pour une plaque plus épaisse, il est prudent d'appliquer la chaleur des deux côtés. Le chauffage désiré des zones soumises aux efforts de compression peut être réalisé électriquement soit par induction, soit par ré sistance. Un avantage du chauffage électri- que est l'obtention d'une température uni forme de part en part des zones de compres sion d'une plaque épaisse sans surchauffe de la surface de la plaque.
Lorsque le métal se trouvant -dans la zone de l'effort de tension n'est pais refroidi pendant le chauffage de la zone soumise à la compression, il est néanmoins désirable de -maintenir froide la zone soumise à l'effort de tension. Ceci peut être obtenu en aspergeant le métal sous tension avec de l'eau ou avec un autre réfri gérant, comme un jet d'air.
Une pulvérisation d'eau ou un autre moyen de réfrigération peut immédiatement suivre les moyens de chauffage dans leur dé placement le long du métal. En créant ainsi une zone adjacente de contraction permettant a a u métal chauffé de s'étirer, l'efficacité du procédé est fortement augmentée.
Bien que l'expérience ait montré que l'ef fort résiduel critique dans des constructions soudées est l'effort de tension parallèle à la soudure, et que la suppression de cet effort est généralement tout ce qu'il est nécessaire d'obtenir, il peut quelquefois être désirable de supprimer aussi les efforts qui existent trans versalement à la soudure. Dans une construc tion soudée à rapprochement. les efforts rési duels transversaux sont habituellement négli geables, excepté aux fines extrémités de la soudure. A cet endroit, l'effort transversal est compressif et peut s'approcher de la limite d'élasticité du métal de la zone de soudure.
Dans ces conditions, il existe un effort de tension transversal à la soudure entre les zones transversales soumises aux efforts de compression.
Habituellement, les efforts résiduels trans versaux sont suffisamment supprimés par l'effet Poisson qui a lieu pendant la suppres sion des efforts longitudinaux. Cependant, les efforts transversaux peuvent encore être ré duits en chauffant subséquemment les zones soumises aux efforts de compression transver sale, à une température peu élevée, pour pro voquer un écrasement ou une déformation du métal dans la zone chauffée. Cette déforma tion provoque une diminution .de l'effort.
De cette manière sont supprimés non seulement les efforts dé compression transversaux aux extrémités de la construction, mais également l'effort de tension transversal entre les zones de -compression.
Le procédé objet de l'invention est émi nemment satisfaisant pour diminuer les ef- forts résiduels dans .des constructions de n'im porte quelle grandeur ou forme. Du fait que le degré de chauffage, nécessaire à la réalisa tion avec succès du procédé, est faible, le pro cédé est économique à réaliser et aucune dé t6rioration n'est faite à la construction par écaillement ou oxydation.
Grâce à sa sou plesse, le procédé selon l'invention est appro prié au traitement de constructions partielle ment assemblées ou terminées. Bien qu'on ait développé, dans la descrip tion qui précède, l'application du procédé se lon l'invention à des constructions soudées à rapprochement, l'invention n'est pas limitée au traitement,de telles .constructions, mais elle est applicable, d'une manière générale,
au traitement de n'importe quelle construction soudée dans laquelle subsistent des efforts résiduels.