Procédé pour souder un tube métallique et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objets un procédé pour souder un tube métallique et un dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé.
On connait déjà des procédés de soudure de tubes métalliques consistant à faire avancer d'une manière continue un tube comportant une fente le long d'une génératrice, à soumet tre ensuite ce tube à un chauffage et à une pression exercée par des galets de manière à fermer la fente et à souder l'un sur l'autre les deux bords de celle-ci.
Il était d'un usage cou rant jusqu'à présent, dans l'application de ce procédé à la soudure de tubes d'acier, de souder les bords de la fente par un chauffage à résistance électrique ; on appliquait un cou rant électrique intense en utilisant des contacts constitués par des galets de cuivre, qui pres saient fortement le métal du tube de chaque côté de la fente, de manière que le courant passe de l'un de ces galets à l'autre galet direc tement à travers la fente à l'endroit du point de soudure, et aussi circonférentiellement au tour de celui-ci, à travers le métal du tube.
On utilisait généralement un courant alter natif d'une fréquence comprise à peu près entre 60 et 180 cycles, ou atteignant quelque fois 300 cycles dans le cas où le tube avançait rapidement et où on désirait éviter des effets appréciables des pulsations du courant sur la structure de la soudure.
Puisqu'il est essentiel dans un tel procédé de faire passer un cou rant très intense à travers le métal du tube afin de chauffer rapidement la masse entière de celui-ci, il est également nécessaire d7appli- quer les galets de contact avec une forte pres sion contre le tube afin d'assurer un bon contact électrique ; le tube d'acier est capable dans la plupart des cas de résister à une telle pression ;
par contre, si le tube est en un métal non ferreux plus mou, par exemple en aluminium, ou possède des parois minces, on ne peut pas appliquer facilement par les galets une pression suffisante pour assurer le bon contact nécessaire avec le tube sans risquer de déformer celui-ci. En conséquence, on s'est efforcé, pour souder les tubes à parois minces ou tubes constitués par des métaux relative ment mous, d'utiliser le chauffage par induc tion, en entourant par exemple le tube en mouvement par une bobine de chauffage à induction, à un endroit précédant immédiate ment la zone de soudure.
Cependant, il est difficile d'induire par ce procédé dans le tube un courant suffisant pour le chauffer rapi dement,. en particulier si le tube est en un métal non magnétique, parce que la pièce consti tuant le tube est un cylindre ouvert le long d'une génératrice, et aussi parce qu'il doit y avoir une distance radiale appréciable entre la bobine de chauffage et le tube de manière à réaliser un jeu mécanique suffisant permettant de déplacer le tube à grande vitesse.
Ce pro cédé consistant à chauffer par induction le tube en l'entourant d'une bobine présente l'incon vénient qu'un chauffage assez important se produit dans les parois du tube, y compris les parties opposées à la fente.
La présente invention permet d'éviter les difficultés que présentent les deux procédés décrits ci-dessus. Le procédé selon l'inven tion pour souder ensemble les bords d'une fente longitudinale d'un tube métallique, con siste à faire avancer le tube longitudinalement tout en lui appliquant une pression pour fermer la fente dans une zone déterminée où s'opère la soudure, et à chauffer les bords de la fente<B>a</B> de manière à porter cette zone à la température de soudure ;
il est caractérisé par le fait qu'on réalise ce chauffage en amenant au tube un courant électrique à haute fré quence en appliquant sur le tube les bornes de polarités opposées d'une source de courant en des endroits situés au voisinage de chacun des deux bords de la fente et en avant de ladite zone de soudure, ce courant ayant une fréquence d'au moins environ 50 000 cycles par seconde, de sorte que la plus grande partie de ce courant suit le trajet de plus faible impé dance qui lui est offert dans le tube et passe le long des bords de la fente jusqu'à la zone de soudure, l'effet de chauffage de ce courant se trouvant ainsi concentré dans les bords de la fente entre les endroits où le courant est appliqué au tube et la zone de soudure.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus comprend des moyens pour faire avancer le tube longitudinalement et le faire passer entre des moyens destinés à appliquer une pression au tube en vue de fermer la fente dans la zone de soudure, des moyens pour chauffer les bords de la fente de manière à porter la zone de soudure à la tem pérature de soudure, et est caractérisé par le fait qu'il comprend des électrodes destinées à être mises en contact avec le tube en des endroits situés au voisinage de chacun des bords de la fente et en avant de la zone de soudure, et des moyens pour appliquer un courant électrique à haute fréquence auxdites électrodes, dont la fréquence est d'au moins environ 50 000 cycles par seconde.
Les dessins annexés illustrent à titre d'exemples quelques mises en oeuvre du pro cédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective des pièces essentielles d'une première forme d'exé cution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, montrant la position d'une certaine longueur de tube en cours de progression pen dant la soudure.
Les fig. 2 à 5 représentent en perspective d'autres dispositions des contacts de ce dispo sitif. Si on considère maintenant en détail la fig. 1, on voit en 10 un tube avançant d'une manière continue à partir d'un dispositif qui a donné à une bande métallique plane la forme d'un tube possédant une fente 11. Le dispositif utilisé pour former un tel tube, dont la fente 11 est limitée par deux surfaces marginales et opposées, rectifiées et brillantes, n'est pas décrit et pas représenté sur le dessin. Ce dispo sitif peut être de l'un des types utilisés commu nément jusqu'à présent pour former de tels tubes.
Les bords de la fente 11 sont amenés en contact l'un avec l'autre au point 12 et soudés pendant l'avance du tube, grâce à l'action des galets opposés de pression 13 et 14, qui peu vent être construits et actionnés de la même manière que dans les différentes machines bien connues à souder les tubes.
Deux contacts 15 et 16, séparés par une couche isolante 17 capable de résister aux températures élevées, sont montés sur un sup port de manière à pouvoir être engagés respec tivement par coulissement entre les surfaces marginales opposées 18, 19 de la fente 11. Ces contacts peuvent être formés par des alliages métalliques capables de supporter des températures élevées sans se corroder et de résister à l'abrasion. Les contacts 15, 16 sont connectés res pectivement d'une manière amovible, au moyen des vis 20, à des barres conductrices 21, 22, constituées par du cuivre ou un autre métal bon conducteur de l'électricité.
Ces barres conductrices sont connectées à une source de courant à haute fréquence, par exemple aux bornes d'un transformateur capable de trans former le courant fourni par une source à haut voltage et à haute fréquence en un courant intense à bas voltage et à haute fréquence, de préférence comprise entre 300 000 et 500 000 cycles par seconde. On peut utiliser, si on le désire, une fréquence beaucoup plus élevée, pouvant atteindre plusieurs millions de cycles par seconde, mais une fréquence d'environ 400 000 cycles par seconde est largement suf fisante dans les cas courants.
L'intensité du courant que l'on fait passer dans le circuit des contacts 15, 16 peut varier entre des limites très différentes, suivant les dimensions et l'épaisseur du tube, et suivant la vitesse de son déplacement longitudinal ; la quantité de chaleur appliquée augmente natu rellement proportionnellement à l'augmentation de la vitesse du tube, et cette quantité de cha leur est d'autant plus importante que les parois du tube sont plus épaisses. Il faut appliquer un courant suffisant pour que les bords du métal dans la fente 11 fondent et se soudent exacte ment au moment où ils viennent en contact l'un avec l'autre au point 12, tandis que le métal éloigné de ces surfaces marginales reste solide.
D'une manière générale, les tubes de grand diamètre n'exigent pas un courant de chauffage sensiblement plus fort que les tubes de petit diamètre ayant la même épaisseur de paroi. Ceci et le fait que l'application d'un courant à haute fréquence n'exige pas une grande pression de contact constituent des avantages importants ; on peut par conséquent appliquer ce procédé à des tubes dont les dimensions, la forme, la résistance et le métal sont très différents.
Avec un courant intense à haute fréquence et un voltage relativement faible appliqués<B>dé</B> cette manière, la plus grande partie du courant passant dans le métal du tube suit nécessaire- ment, pour des raisons qui seront expliquées plus loin, un trajet partant de l'un des con tacts coulissants, qui suit l'un des bords de la fente jusqu'au point de soudure et revient ensuite en sens inverse le long du bord opposé de la fente jusqu'à l'autre contact ; une partie très faible du courant s'écoule suivant la cir conférence du tube.
La raison de ce phéno mène est que le courant à haute fréquence a fortement tendance à suivre le trajet de moindre impédance qui lui est offert, et puis que l'impédance qui s'oppose au passage du courant à haute fréquence est principalement une réactance inductive, on peut déterminer le trajet que suivra le courant en se basant principalement sur l'inductance. Puisque les bords de la fente qui doivent être soudés sont très voisins l'un de l'autre, le courant à haute fréquence suivant ces bords est soumis à une impédance beaucoup plus faible que les cou rants tendant à l'écouler circonférentiellement autour du tube.
Puisque, pour les raisons précédentes, la quasi-totalité du courant à haute fréquence passe le long des surfaces marginales rappro chées de la fente en forme de V, il en résulte que la température de ces surfaces continue à augmenter, après leur passage au droit des contacts, et que cette température atteint un maximum exactement au moment où les bords se fondent ensemble à l'endroit de la soudure. Il en résulte donc que chaque zone des bords de la fente qui se rapproche des contacts peut les franchir avant d'avoir été portée à une tem pérature très élevée ; on évite donc ainsi les difficultés causées par les températures élevées à l'endroit des contacts.
Cependant, puisque le courant à haute fréquence continue à passer le long des bords de la fente en V, jusqu'au moment où ces bords se fondent ensemble à l'endroit de la soudure, ceux-ci peuvent être chauffés au point de se ramollir suffisamment pour être soudés, sans risquer d'être endom magés ou déformés en venant en contact dans cet état avec une partie quelconque du dispo sitif ; les bords sont portés à la température de soudure désirée juste au moment où ils sont sur le point de se fondre ensemble et seulement dans la zone réduite intéressée.
De cette manière, on peut utiliser le courant de chauffage avec un rendement exceptionnelle ment élevé, parce qu'aucune partie du tube, à l'exception de la zone de sbudure de dimen sions très réduites, ne doit être portée à une température élevée.
Même dans cette zone, le chauffage jus qu'à la plus haute température est limité dans le temps sensiblement à la durée de la soudure. Cette zone est réduite approximativement à un point, dans lequel les bords de la fente se touchent. Ces bords ne sont ramollis que dans une profondeur extrêmement petite de l'ordre de grandeur de 25 [t. Cette profondeur dépend de la fréquence du courant. Pour des raisons pratiques ces fréquences sont limitées à des valeurs qui comme limite inférieure sont com prises entre 50 000 et 100 000 cycles et comme limite supérieure sont de plus de 500 000 cycles.
Dans certains cas, en particulier si le dia mètre du tube est relativement faible, une partie considérable du courant a cependant tendance à s'écouler circonférentiellement autour du tube au lieu de suivre les bords de la fente en forme de V, et la zone de soudure peut avoir tendance à changer de position le long de la direction de déplacement du tube ; il en résulte alors une diminution du rende ment et des irrégularités dans la soudure. On a trouvé que ces difficultés pouvaient être sur montées, grâce à des moyens qui rendent pos sible une augmentation de la vitesse à laquelle on peut faire avancer le tube, tout en réalisant cependant une soudure d'une grande uni formité.
On peut appliquer sur deux côtés opposés du tube, des galets supplémentaires 25 et 26, dans une position où ils pressent énergique ment les bords 18, 19 de la fente respective ment- contre les contacts 15 et 16. Ces galets doivent soit être en une matière isolante, soit comporter des surfaces isolantes ou être montés sur des arbres de support isolants.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 1, la barre conductrice 22 est repré sentée avec un intervalle de discontinuité 27, au-dessus duquel la partie 22a de la barre conductrice s'étend jusqu'à sa connexion à l'arrivée du courant. Le but de cet intervalle est de permettre de connecter en série avec le circuit une partie conductrice 30 ayant la forme d'une épingle à cheveux s'étendant vers le bas depuis la portion 22a de la barre con ductrice jusqu'en un point voisin de l'un des bords de la fente 11, puis le long de ce bord jusqu'à un point situé au-dessus du point 12.
En ce dernier point, cette partie conductrice 30 est repliée de manière à revenir sur elle-même en suivant l'autre bord de la fente 11, juste au-dessus de celui-ci, et elle vient ensuite en contact avec la partie 22 de la barre conduc trice. Le rôle de la partie conductrice 30 est de contribuer à concentrer le courant le long des bords de la fente 11, en raison de ce que l'on appelle l'effet de proximité dans la technique du chauffage par induction. Autre ment dit, la partie 30 sert à diminuer l'induc tance du trajet suivi par le courant entre les deux contacts.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 1, le courant venant de la source tra verse la partie 22a de la barre conductrice, puis le conducteur 30 en forme d'épingle à cheveux, la portion 22 de barre conductrice, le contact 16, l'un des bords de la fente 11, la zone 12, l'autre bord de la fente 11, le contact 15 et enfin la barre conductrice 21 qui assure son retour à la source.
En raison du courant intense utilisé, il est généralement nécessaire de prévoir un moyen de refroidissement pour les barres conductrices 21 et 22, 22a. Ce moyen peut être réalisé en prévoyant dans ces organes des cavités, comme on le voit sur le dessin, à travers lesquelles on fait circuler un fluide de refroidissement. Le fluide est amené dans la barre 22a par une cavité 35, passe de là à travers l'intérieur creux de l'organe 30 jusqu'à une cavité 36 prévue dans la barre conductrice 22, puis s'écoule à travers un tube en matière isolante 37 et pénètre dans une cavité 38 de la barre conductrice 22a. La barre conductrice 21 comporte une cavité 39 en forme de U pour recevoir le liquide de refroidissement.
Il est bien entendu que le dispositif com prend un moyen de support et de montage isolé (non représenté) pour maintenir rigide ment les barres conductrices dans les positions représentées et pour pouvoir les régler éven tuellement par rapport à la zone de sou dure 12.
Comme ori le voit sur la fig. 2, il n'est pas nécessaire que les contacts 15a et 16a des tinés à appliquer le courant à haute fréquence aux deux bords opposés de la fente soient exactement en face l'un de l'autre ; on peut au contraire les décaler, l'un se trouvant en avant de l'autre. Cette disposition peut être utilisée quand il est possible de réaliser un trajet relativement court du courant entre les contacts et la zone de soudure ; elle permet de réaliser une fente plus étroite dans le tube à l'endroit où les bords de la fente doivent être chauffés, ce qui diminue ainsi la réactance du trajet suivi par le courant.
Dans d'autres cas, comme on le voit sur la fig. 3, on peut donner aux extrémités infé rieures 41, 42 des contacts 15b, 16b la forme voulue pour qu'elles viennent en contact avec la surface extérieure du tube 10b le long des bords de la fente. Avec cette disposition, on peut réaliser une fente encore plus étroite à l'endroit des contacts et réduire par consé quent à un n-inimum l'impédance du trajet du courant compris entre les contacts et la zone de soudure.
D'autre part, comme on le voit sur la fig. 4, on peut disposer les contacts 15c,<B>16e</B> de manière qu'ils s'étendent vers le bas à travers la fente, et les munir d'extrémités 43, 44 qui viennent en contact avec la surface intérieure du tube en des points disposés le long de la fente très près de celle-ci. Cette forme d'exécution est préférable quand les surfaces intérieures du tube sont uniformes et brillantes et par conséquent susceptibles de réaliser de bons contacts électriques, ou quand on désire réaliser un chauffage plus intense le long de la partie inférieure des bords de la fente.
La forme d'exécution représentée sur la fig. 5 est la même que celle de la fig. 3, avec cette différence cependant que les contacts 15b, 16b sont disposés plus près de la zone de soudure 12b et qu'un organe 62 est disposé dans la fente du tube, en avant des contacts pour empêcher les bords de la fente de venir l'un contre l'autre prématurément ou irrégu lièrement. Dans le cas où les contacts ne sont pas interposés entre les bords de la fente, ceux-ci peuvent avoir tendance à se rapprocher trop tôt l'un de l'autre de sorte que la zone de soudure peut avoir tendance à se déplacer légèrement vers l'avant et vers l'arrière dans le sens de la longueur du tube, en donnant ainsi une soudure irrégulière.
On peut éviter cette difficulté en interposant l'organe d'écar tement 62, immédiatement en avant des con tacts. Cet organe 62 est constitué par deux disques rotatifs en tôle métallique mince, isolés l'un de l'autre et de l'arbre<I>63a</I> qui les porte. Un support (non représenté) comportant des paliers et dont la position peut être réglée est prévu pour cet arbre. Un tel organe d'écarte ment peut également être utilisé dans les dis positions de chacune des autres figures.
Il est bien entendu qu'on peut utiliser, comme sur la fig. 1, un support et-un dispo sitif de refroidissement par fluide avec toutes les formes de contacts représentées sur les fig. 2 à 5 inclusivement, et qu'on peut égale ment utiliser avec les contacts des fig. 2 à 5 un conducteur en forme d'épingle à cheveux, comme celui représenté en 30 sur la fig. 1.
Si on examine de nouveau la fig. 1, on voit que le dispositif comprend un noyau magnétique formé par un certain nombre de tiges 50 en matière magnétique, qui sont sup portées à l'intérieur du tube en mouvement au moyen d'une pièce isolante en équerre 51, qui s'étend vers le bas à travers la fente 11 et qui est conformée de manière à serrer et fixer en place une bande isolante 52 enserrant les tiges 50. Ces tiges peuvent être constituées par exemple par un oxyde magnétique aggloméré qui est une matière isolante, possédant un faible facteur de perte ainsi qu'une résistivité élevée ; l'un de ces matériaux est par exem ple la matière connue sous le nom de Ferra mic (marque déposée aux U. S. A.).
Cepen dant ce noyau peut être formé aussi par une autre matière quelconque possédant une per méabilité élevée et ne donnant lieu qu'à des pertes très faibles par courants de Foucault. Comme on le voit sur le dessin, ce noyau magnétique s'étend depuis une zone située au- dessous des contacts et à l'intérieur du tube jusqu'à une région située à proximité de la zone de soudure 12. Ce noyau magnétique remplit une grande partie de l'espace inté rieur du tube, à l'exception de la région se trouvant immédiatement au-dessous de la fente 11 et du jeu nécessaire le long des parois du tube.
Ce noyau magnétique intérieur peut être complété par des tiges 60 d'une matière magné tique analogue, qui sont disposées autour de la surface extérieure du tube et qui sont main tenues en place par un support isolant 61 fixé sur ces tiges. Cependant, le noyau intérieur se révélera généralement comme beaucoup plus efficace que ce noyau extérieur.
On a trouvé qu'il était possible, avec un noyau intérieur en matière magnétique, d'aug menter jusqu'à 8 à 10 fois l'inductance du trajet circonférentiel allant du contact 15 à l'autre contact 16 ; si on choisit pour le noyau une matière possédant une faible résistivité, les pertes de puissance ne sont pas augmentées d'une manière appréciable au-delà de celles qui se produiraient en l'absence d'un tel noyau.
En utilisant un tel noyau, on peut, comme on l'a constaté au cours d'un essai, souder un tube d'aluminium d'un diamètre de 50,8 mm et d'une épaisseur de 2 mm à la vitesse de 13,5 mètres à la minute, en utilisant un courant d'une fréquence de 400 kilocycles fourni par un générateur de 20 kW ; en opé rant d'autre part dans les mêmes conditions, mais sans utiliser le noyau, on ne pouvait faire avancer le tube, en le soudant d'une manière correcte, qu'à des vitesses d'environ 7,2 mètres/minute. Dans l'essai décrit ci-dessus, les pièces étaient disposées de manière que la distance entre la zone de soudure et les bords arrière des contacts soit d'environ 56,8 mm.
On a constaté que cette distance est légèrement inférieure, à cette valeur quand il s'agit de souder des tubes en métal non ferreux. Dans un essai analogue de soudure d'un tube d'acier, on a constaté que cette distance était voisine de 57,1 mm. Dans un autre essai exécuté avec un tube d'acier, en utilisant un courant d'une fréquence de 375 kilocycles fourni par un générateur de 20 kW, on a constaté qu'on pouvait souder ce tube à une vitesse supé rieure à 15 mètres à la minute, le tube ayant un diamètre de 50,8 mm et une épaisseur de paroi de 1,3 mm. Il n'y avait aucune arête saillante, ni aucune autre irrégularité le long de la ligne de soudure. Avec des générateurs à haute fréquence plus puissants, on peut évi demment augmenter considérablement les vitesses de soudure mentionnées ci-dessus.
C'est un grand avantage que les générateurs à haute fréquence utilisés pour ce procédé de soudure à grande vitesse sont beaucoup moins coû teux que les générateurs comparables à basse fréquence utilisés jusqu'à présent pour la sou dure des tubes. La disposition des contacts per met de monter et de régler la machine en quelques minutes pour des dimensions diffé rentes de tube, au lieu des nombreuses heures que nécessitaient les anciens dispositifs.
Il faut remarquer que le noyau magnétique utilisé dans le dispositif décrit ici joue un rôle tout à fait différent de celui du noyau magné tique utilisé pour le chauffage à induction des tubes dans le cas où une bobine de chauffage par induction est disposée autour du tube. Dans ce cas, l'addition du noyau augmente le flux magnétique total produit par la bobine, et ce flux augmente à son tour le courant total circulant circonférentiellement dans le tube par suite de l'induction. Dans le cas présent, les effets produits par le noyau magné tique sont en réalité opposés à ceux réalisés avec de tels procédés de chauffage par induc tion.
Dans le procédé décrit, le noyau diminue le courant circulant autour du tube et force la plus grande partie du courant à suivre le trajet utile allant d'un contact à la zone de soudure et de celle-ci à l'autre contact.
La puissance à haute fréquence nécessaire est fonction de l'épaisseur du tube et elle est en grande partie indépendante du diamètre du tube. Ainsi, il ne faut pas sensiblement plus de puissance pour souder des tubes de gros diamètre que pour souder des tubes de petit diamètre ; ceci est la conséquence du fait que le chauffage est limité aux bords à souder. Le contraire se produit dans les procédés de chauffage par induction à basse fréquence ; dans ces procédés, plus le diamètre du tube est grand, plus la puissance nécessaire est importante, parce qu'une partie considérable de la chaleur est répartie dans des régions éloi gnées des bords de la fente.
Le procédé décrit présente aussi l'avantage de ne nécessiter qu'une seule paire de contacts, tout en réalisant cependant un effet de chauffage parfaitement efficace tout le long des bords de la fente en V, depuis les contacts jusqu'au point de sou dure où la température est maxima. Au con traire, avec les procédés à basse fréquence, si on applique des courants intenses à travers la fente, il faut utiliser, soit de gros galets à grande conductibilité appliquant une forte pression, soit un certain nombre de paires de ces galets, dont chacune ne peut que produire un chauffage momentané, en risquant même que le tube se refroidisse après le passage de chaque paire de galets et sans avoir aucune possibilité de réaliser un chauffage soutenu et accru des bords de la fente après qu'ils ont quitté les contacts.
Les plus grands avantages du procédé décrit sont obtenus avec les tubes à paroi rela tivement mince, aussi bien en métal ferreux qu'en métal non ferreux, qui ne pourraient pas résister aux pressions de contact considérables que nécessite le fort courant de chauffage exigé par les anciens procédés de soudure par résis tance, surtout si le tube doit progresser à grande vitesse en vue d'une production écono mique. Quand on a monté le dispositif pour fabriquer des tubes de dimensions données, avec les contacts des bords de la fente disposés à une distance donnée de la zone de soudure, on peut déterminer par le calcul la fréquence, de manière que le courant suive le trajet désiré ; on peut aussi déterminer facilement cette fréquence au moyen de courts essais.
Les fréquences voisines de 100 000 cycles entrai- nent actuellement certaines difficultés pratiques du fait que cette bande de fréquences se trouve entre la bande des génératrices entramées par des moteurs et la bande des générateurs de fré quence comportant des tubes à vide. En consé quence, comme on l'a indiqué ci-dessus, ce sont des fréquences de l'ordre de plusieurs cen taines de milliers de cycles ou des fréquences plus élevées qui sont préférables actuellement en pratique. Ces fréquences peuvent être obte nues facilement et économiquement avec des générateurs à tubes à vide.
Method for welding a metal tube and device for implementing this method The present invention relates to a method for welding a metal tube and a device for implementing this method.
Methods of welding metal tubes are already known which consist in continuously advancing a tube comprising a slot along a generatrix, in then subjecting this tube to heating and to a pressure exerted by rollers in such a manner. to close the slot and to weld the two edges of the latter to each other.
It has been in common use heretofore, in the application of this process to the welding of steel tubes, to weld the edges of the slot by an electric resistance heater; an intense electric current was applied by using contacts formed by copper rollers, which strongly press the metal of the tube on each side of the slot, so that the current passes from one of these rollers to the other roller directly through the slot at the location of the weld point, and also circumferentially around it, through the metal of the tube.
We generally used a native alternating current with a frequency between approximately 60 and 180 cycles, or sometimes reaching 300 cycles in the case where the tube was advancing rapidly and where it was desired to avoid appreciable effects of the current pulsations on the structure. welding.
Since it is essential in such a process to pass a very intense current through the metal of the tube in order to quickly heat the entire mass of the tube, it is also necessary to apply the contact rollers with a strong pressure. Zion against the tube to ensure good electrical contact; the steel tube is able in most cases to withstand such pressure;
on the other hand, if the tube is made of a softer non-ferrous metal, for example aluminum, or has thin walls, it is not possible to easily apply sufficient pressure by the rollers to ensure the necessary good contact with the tube without risking distort it. Accordingly, attempts have been made to weld thin-walled tubes or tubes made of relatively soft metals to use induction heating, for example by surrounding the moving tube with an induction heating coil. , at a place immediately preceding the weld area.
However, it is difficult to induce by this process in the tube a current sufficient to heat it rapidly. especially if the tube is of a non-magnetic metal, because the part constituting the tube is a cylinder open along a generator, and also because there must be an appreciable radial distance between the heating coil and the tube so as to provide sufficient mechanical play to move the tube at high speed.
This process of inductively heating the tube by surrounding it with a coil has the disadvantage that a fairly significant heating occurs in the walls of the tube, including the parts opposite the slot.
The present invention avoids the difficulties presented by the two methods described above. The method according to the invention for welding together the edges of a longitudinal slot of a metal tube, consists in advancing the tube longitudinally while applying pressure to it to close the slot in a determined zone where the cutting takes place. welding, and heating the edges of the slot <B> a </B> so as to bring this area to the welding temperature;
it is characterized by the fact that this heating is carried out by supplying the tube with a high frequency electric current by applying to the tube the terminals of opposite polarities of a current source at places located in the vicinity of each of the two edges of the slot and in front of said weld zone, this current having a frequency of at least about 50,000 cycles per second, so that the greater part of this current follows the path of lowest impedance offered to it in the tube and passes along the edges of the slot to the weld area, the heating effect of this current being thus concentrated in the edges of the slot between the places where the current is applied to the tube and the weld area.
The device for implementing the method defined above comprises means for advancing the tube longitudinally and for passing it between means intended to apply pressure to the tube in order to close the slot in the weld zone, means to heat the edges of the slot so as to bring the weld zone to the weld temperature, and is characterized by the fact that it comprises electrodes intended to be brought into contact with the tube at places situated in the vicinity of each of the edges of the slot and in front of the weld area, and means for applying a high frequency electric current to said electrodes, the frequency of which is at least about 50,000 cycles per second.
The appended drawings illustrate, by way of examples, some implementations of the process according to the invention.
Fig. 1 is a perspective view of the essential parts of a first embodiment of the device for carrying out the method, showing the position of a certain length of tube in progress during the welding.
Figs. 2 to 5 show in perspective other arrangements of the contacts of this device. If we now consider in detail FIG. 1 shows at 10 a tube advancing continuously from a device which has given a flat metal strip the shape of a tube having a slot 11. The device used to form such a tube, whose slot 11 is limited by two marginal and opposite surfaces, rectified and shiny, is not described and not shown in the drawing. This device may be of one of the types commonly used until now to form such tubes.
The edges of the slot 11 are brought into contact with each other at point 12 and welded during the advance of the tube, thanks to the action of the opposing pressure rollers 13 and 14, which can be constructed and actuated. in the same way as in the various well-known machines for welding tubes.
Two contacts 15 and 16, separated by an insulating layer 17 capable of withstanding high temperatures, are mounted on a support so as to be able to be engaged respectively by sliding between the opposite marginal surfaces 18, 19 of the slot 11. These contacts can be formed by metal alloys capable of withstanding high temperatures without corroding and resisting abrasion. The contacts 15, 16 are respectively connected in a removable manner, by means of the screws 20, to conducting bars 21, 22, made of copper or another metal which is a good conductor of electricity.
These conductive bars are connected to a high frequency current source, for example at the terminals of a transformer capable of transforming the current supplied by a high voltage and high frequency source into an intense current at low voltage and high frequency. , preferably between 300,000 and 500,000 cycles per second. A much higher frequency can be used, if desired, up to several million cycles per second, but a frequency of about 400,000 cycles per second is largely sufficient in common cases.
The intensity of the current which is passed through the circuit of the contacts 15, 16 can vary between very different limits, according to the dimensions and the thickness of the tube, and according to the speed of its longitudinal displacement; the quantity of heat applied naturally increases in proportion to the increase in the speed of the tube, and this quantity of heat is all the more important as the walls of the tube are thicker. Sufficient current should be applied so that the edges of the metal in slot 11 will melt and weld exactly as they come into contact with each other at point 12, while the metal away from these marginal surfaces remains. solid.
Generally, large diameter tubes do not require a significantly greater heating current than small diameter tubes having the same wall thickness. This and the fact that the application of a high frequency current does not require a large contact pressure are important advantages; this process can therefore be applied to tubes whose dimensions, shape, strength and metal are very different.
With an intense high frequency current and relatively low voltage applied <B> in </B> this way, most of the current flowing through the metal of the tube will necessarily follow, for reasons which will be explained later, a path from one of the sliding contacts, which follows one of the edges of the slot to the weld point and then returns in the opposite direction along the opposite edge of the slot to the other contact; a very small part of the current flows following the circumference of the tube.
The reason for this phenomenon is that the high frequency current has a strong tendency to follow the path of least impedance which is offered to it, and then that the impedance which opposes the passage of the high frequency current is mainly an inductive reactance. , we can determine the path that the current will follow based mainly on the inductance. Since the edges of the slot which are to be welded are very close to each other, the high frequency current following these edges is subjected to a much lower impedance than the currents tending to flow circumferentially around the tube. .
Since, for the foregoing reasons, almost all of the high-frequency current passes along the near marginal surfaces of the V-shaped slot, it follows that the temperature of these surfaces continues to rise, after they pass through the right. contacts, and that this temperature reaches a maximum exactly when the edges merge together at the place of the weld. It therefore follows that each zone of the edges of the slot which approaches the contacts can pass through them before having been brought to a very high temperature; the difficulties caused by the high temperatures at the location of the contacts are therefore avoided.
However, since high frequency current continues to flow along the edges of the V-slot, until such time as these edges merge together at the location of the weld, these can be heated to the point of softening. enough to be welded, without risking being damaged or deformed by coming into contact in this state with any part of the device; the edges are brought to the desired solder temperature just as they are about to merge together and only in the reduced area of interest.
In this way, the heating current can be used with exceptionally high efficiency, because no part of the tube, with the exception of the very small seam area, must not be heated to a high temperature.
Even in this zone, the heating up to the highest temperature is limited in time substantially to the duration of the weld. This area is reduced to approximately a point, where the edges of the slit touch each other. These edges are softened only to an extremely small depth of the order of magnitude of 25 [t. This depth depends on the frequency of the current. For practical reasons these frequencies are limited to values which as a lower limit are between 50,000 and 100,000 cycles and as an upper limit are more than 500,000 cycles.
In some cases, especially if the diameter of the tube is relatively small, however, a considerable part of the current tends to flow circumferentially around the tube instead of following the edges of the V-shaped slot, and the area of the tube. weld may tend to change position along the direction of tube travel; this then results in a reduction in efficiency and in irregularities in the weld. It has been found that these difficulties can be overcome, by means of means which make possible an increase in the speed at which the tube can be advanced, while still achieving a weld of great uniformity.
Additional rollers 25 and 26 can be applied on two opposite sides of the tube in a position where they strongly press the edges 18, 19 of the slot against contacts 15 and 16. These rollers must either be in one. insulating material, either having insulating surfaces or being mounted on insulating support shafts.
In the embodiment shown in FIG. 1, the conducting bar 22 is shown with a discontinuity gap 27, above which the part 22a of the conducting bar extends until it is connected to the arrival of the current. The purpose of this gap is to make it possible to connect in series with the circuit a conductive part 30 in the form of a hairpin extending downwards from the portion 22a of the conductor bar to a point close to one of the edges of slot 11, then along that edge to a point above point 12.
At this last point, this conductive part 30 is folded back so as to come back on itself following the other edge of the slot 11, just above the latter, and it then comes into contact with the part 22 of the conductor bar. The role of the conductive part 30 is to help concentrate the current along the edges of the slot 11, due to what is called the proximity effect in the art of induction heating. In other words, part 30 serves to reduce the inductance of the path followed by the current between the two contacts.
In the embodiment shown in FIG. 1, the current coming from the source passes through the part 22a of the conductive bar, then the conductor 30 in the form of a hairpin, the portion 22 of the conductive bar, the contact 16, one of the edges of the slot 11 , the zone 12, the other edge of the slot 11, the contact 15 and finally the conductive bar 21 which ensures its return to the source.
Due to the intense current used, it is generally necessary to provide cooling means for the conductor bars 21 and 22, 22a. This means can be achieved by providing in these members cavities, as can be seen in the drawing, through which a cooling fluid is circulated. Fluid is brought into bar 22a through cavity 35, passes thence through the hollow interior of member 30 to a cavity 36 provided in conductor bar 22, and then flows through a material tube. insulating 37 and enters a cavity 38 of the conductive bar 22a. The conductive bar 21 has a U-shaped cavity 39 for receiving the cooling liquid.
It is understood that the device comprises an insulated support and mounting means (not shown) to rigidly hold the conductive bars in the positions shown and to be able to adjust them if necessary with respect to the weld zone 12.
As ori can be seen in fig. 2, it is not necessary that the contacts 15a and 16a of the tines to apply the high frequency current to the two opposite edges of the slot are exactly opposite each other; on the contrary, one can shift them, one being in front of the other. This arrangement can be used when it is possible to achieve a relatively short current path between the contacts and the weld area; it allows a narrower slit to be made in the tube where the edges of the slit are to be heated, thereby reducing the reactance of the path followed by the current.
In other cases, as can be seen in fig. 3, the lower ends 41, 42 of the contacts 15b, 16b can be shaped so that they come into contact with the outer surface of the tube 10b along the edges of the slot. With this arrangement, it is possible to achieve an even narrower slot at the location of the contacts and consequently reduce to a minimum the impedance of the current path between the contacts and the weld zone.
On the other hand, as seen in fig. 4, the contacts 15c, <B> 16th </B> can be arranged so that they extend downwardly through the slot, and provided with ends 43, 44 which come into contact with the inner surface of the tube at points arranged along the slit very close to it. This embodiment is preferable when the interior surfaces of the tube are uniform and shiny and therefore capable of making good electrical contacts, or when it is desired to achieve more intense heating along the lower part of the edges of the slot.
The embodiment shown in FIG. 5 is the same as that of FIG. 3, with this difference, however, that the contacts 15b, 16b are disposed closer to the weld area 12b and a member 62 is disposed in the slot of the tube, in front of the contacts to prevent the edges of the slot from coming in. 'against each other prematurely or irregularly. In the event that the contacts are not interposed between the edges of the slot, these may tend to approach each other too early so that the weld area may tend to move slightly towards forward and backward along the length of the tube, giving an irregular weld.
This difficulty can be avoided by interposing the spacer 62, immediately in front of the contacts. This member 62 consists of two rotating discs made of thin metal sheet, isolated from each other and from the shaft <I> 63a </I> which carries them. A support (not shown) comprising bearings and whose position can be adjusted is provided for this shaft. Such a spacer member can also be used in the arrangements of each of the other figures.
It is understood that one can use, as in FIG. 1, a support and a fluid cooling device with all the forms of contacts shown in FIGS. 2 to 5 inclusive, and which can also be used with the contacts of fig. 2-5 a conductor in the form of a hairpin, such as that shown at 30 in FIG. 1.
If we look again at fig. 1, it can be seen that the device comprises a magnetic core formed by a number of rods 50 of magnetic material, which are supported inside the moving tube by means of an insulating angled piece 51, which extends down through the slot 11 and which is shaped so as to clamp and fix in place an insulating strip 52 enclosing the rods 50. These rods may be constituted, for example, by an agglomerated magnetic oxide which is an insulating material, having a low loss factor as well as high resistivity; one of these materials is, for example, the material known under the name Ferra mic (registered trademark in the U. S. A.).
However, this core can also be formed by any other material having a high permeability and giving rise only to very low losses by eddy currents. As seen in the drawing, this magnetic core extends from an area below the contacts and inside the tube to a region close to the weld area 12. This magnetic core fills a much of the interior space of the tube, with the exception of the region immediately below the slot 11 and the clearance required along the walls of the tube.
This inner magnetic core can be completed by rods 60 of a similar magnetic material, which are arranged around the outer surface of the tube and which are held in place by an insulating support 61 fixed to these rods. However, the inner core will generally prove to be much more efficient than this outer core.
It has been found that it is possible, with an inner core of magnetic material, to increase up to 8 to 10 times the inductance of the circumferential path from contact 15 to other contact 16; if a material having a low resistivity is selected for the core, the power losses are not appreciably increased beyond those which would occur in the absence of such a core.
Using such a core, it was possible, as found in a test, to weld an aluminum tube with a diameter of 50.8 mm and a thickness of 2 mm at the speed of 13 , 5 meters per minute, using a current with a frequency of 400 kilocycles supplied by a 20 kW generator; by operating on the other hand under the same conditions, but without using the core, the tube could be advanced, welding it in a correct manner, only at speeds of about 7.2 meters / minute. In the test described above, the parts were arranged so that the distance between the weld area and the rear edges of the contacts was about 56.8 mm.
It has been found that this distance is slightly less than this value when it comes to welding non-ferrous metal tubes. In a similar test of welding a steel tube, it was found that this distance was close to 57.1 mm. In another test carried out with a steel tube, using a current with a frequency of 375 kilocycles supplied by a 20 kW generator, it was found that this tube could be welded at a speed greater than 15 meters at per minute, the tube having a diameter of 50.8 mm and a wall thickness of 1.3 mm. There was no protruding edge, nor any other irregularity along the weld line. With more powerful high frequency generators it is of course possible to considerably increase the welding speeds mentioned above.
It is a great advantage that the high frequency generators used for this high speed welding process are much less expensive than the comparable low frequency generators heretofore used for welding tubes. The arrangement of the contacts allows the machine to be set up and set in a few minutes for different tube sizes, instead of the many hours required by old devices.
It should be noted that the magnetic core used in the device described here plays an entirely different role from that of the magnetic core used for the induction heating of the tubes in the case where an induction heating coil is arranged around the tube. In this case, the addition of the core increases the total magnetic flux produced by the coil, and this flux in turn increases the total current circulating circumferentially in the tube as a result of the induction. In the present case, the effects produced by the magnetic core are in reality opposite to those achieved with such induction heating methods.
In the process described, the core decreases the current flowing around the tube and forces most of the current to follow the useful path from one contact to the weld area and from the latter to the other contact.
The high frequency power required is a function of the thickness of the tube and is largely independent of the diameter of the tube. Thus, noticeably more power is not needed to weld large diameter tubes than to weld small diameter tubes; this is the consequence of the fact that the heating is limited to the edges to be welded. The opposite occurs in low frequency induction heating processes; in these processes, the larger the diameter of the tube, the greater the power required, because a considerable part of the heat is distributed in regions remote from the edges of the slot.
The method described also has the advantage of requiring only a single pair of contacts, while nevertheless achieving a perfectly effective heating effect all along the edges of the V-slot, from the contacts to the hard point. where the temperature is maximum. On the contrary, with low frequency processes, if strong currents are applied through the slot, either large high conductivity rollers applying high pressure or a number of pairs of these rollers, each of which can only produce momentary heating, even risking the tube to cool down after each pair of rollers have passed and without having any possibility of achieving sustained and increased heating of the edges of the slot after they have left the contacts.
The greatest advantages of the described process are obtained with the relatively thin-walled tubes, of both ferrous and non-ferrous metal, which could not withstand the considerable contact pressures required by the high heating current required by the machines. old resistance welding processes, especially if the tube has to advance at high speed for economical production. When the device has been mounted to manufacture tubes of given dimensions, with the contacts of the edges of the slot arranged at a given distance from the weld zone, the frequency can be determined by calculation, so that the current follows the path longed for ; this frequency can also be easily determined by means of short tests.
Frequencies close to 100,000 cycles presently cause certain practical difficulties owing to the fact that this frequency band is located between the band of generators driven by motors and the band of frequency generators comprising vacuum tubes. Consequently, as indicated above, it is frequencies of the order of several hundred thousand cycles or higher frequencies which are presently preferable in practice. These frequencies can be obtained easily and economically with vacuum tube generators.