Brevet FR2011516A1 — publié le 19700306

La présente invention se rapporte à des perfectionnements au soudage par friction du type général dans lequel deux pièces à souder sont soumises à une rotation relative pendant qu'elles sont en contact à frottement l'une avec l'autre sous pression, et les surfaces en contact sont chauffées à une température de soudage par frottement et travail de déformation plastique produit par le mouvement relatif des surfaces en contacta Plus particulièrement, l'invention se rapporte au soudage par frictions de tubes à paroi mince à d'autres tubes ou à des objets ayant d'autres configurations. Dans la présente description, l'expression " soudage par friction" signifie à la fois le soudage par friction classique et le soudage par inertie tel qu'il est décrit dans le "brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3»273»233« Ainsi qu'il est exposé dans ce brevet, le soudage par friction classique est un procédé à succession d'opérations dans lequel les pièces à joindre sont d'abord mises en contact l'une avec l'autre sous pression par une surface de séparation commune et sont entraînées en rotation l'une par rapport à l'autre de façon à porter la surface de séparation à une certaine température et de façon à produire certaines conditions de frottement avec glissement sur la surface de séparation. On arrête ensuite la rotation aussi vite que possdlble pour empêcher les masses en rotation de casser la soudure après formation partielle de celle-ci . Dans de nombreux cas une force axiale accrue est ensuite appliquée de façon à produire une pression de refoulement ayant pour effet d'expulser une quantité importante de bavures dans la régioijAe la surface de séparation et de former une soudure lorsque les pièces refroidissent. Un soudage par inertie a lieu quand deux pièces à joindre ou plus sont déplacées l'une par rapport à l'autre et sont ensuite appuyées l'une contre l'autre à une surface de séparation; la pression de contact est augmentée très rapidement de façon à transformer de l'énergie mécanique en de la chaleur à la surface de séparation.'. L'accroissement de pression et la concentration d'énergie sont si rapides que la chaleur est concentrée sur chaque côté de la surface de séparation jusqu'au moment où la soudure 18036 -2- 2011516 est formée. Aucun équipement auxiliaire de freinage, de détec-tim, de limitation ou de compensation ou aucun organe de commande n'est nécessaire. Au lieu de cela, une quantité d'énergie limitée prédéterminée est fournie rapidement aux pièces; et la résistance à la déformation plastique développél/ou en contiguïté avec la surface de séparation lorsque la soudure se forme, arrête lemouvement relatif des pièces dès que l'application d'énergie cesse. Ainsi qu'il est exposé dans le brevet N° 3*273.233précité-, le soudage par inertie utilise une vitesse variable et un temps de soudage court, de façon à produire ainsi une étroite zone de dégagement de chaleur« Le soudage par friction classique est exécuté habituellement à une vitesse constante pendant un intervalle de temps de soudage relativement long et produit une grande zone de dégagement de chaleur. Ceci produit un gauchissement, une torsion et une déformation de tubes à parois minces. Si on modifie le procédé de soudage classique de façon à utiliser une grande vitesse initiale et un court temps de soudage il est produit seulement une petite zone de dégagement de chaleur et la déformation des tubes est évitée. Ainsi, le soudage de tubes peut être effectué soit par un procédé de soudage par friction classique soit par un procédé de soudage par inertie, si des paramètres appropriés sont utilisés et l'expression " soudage par friction" utilisée dans la présente description désigne ces deux procédés. Pour compléter les définitions, il doit être entendu que dans la présente description l'expression "tube à paroi mince" signifie un tube pour lequel la différence entre I,e rayon extérieur et le rayon intérieur ne dépasse pas 9j5 mm , indépendamment de la valeur de l'un ou l'autre diamètre du tube. L'expérience a étayé la théorie en montrant que, pour des épaisseurs de paroi plus grandes, les faits découverts antérieurement relativement à des pièces pleines et à des tubes prévalent. C'est-à-dire que les paramètres normalement utilisés pour des pièces pleines et des tubes à parois épaisses sont préférés (.aux paramètres considérés dans la présente demande de brevet), si l'épaisseur de la paroi du tube dépasse 69 18036 „ 2011516 —5- II a été généralement reconnu et montré que la gamme de vitesses périphériques optimum pour le soudage par inertie de barres d'acier pleines va approximativement de 107 mètres par minute à 305 mètres par minute et l'on considérait que la 5 gamme de vitesses périphériques pour le soudage de tubes allait de 244 mètres par minute à 610 mètres par minute. Ces gammes de vitesses nécessitent l'emploi de broches à faibles-vitesses et de volants de grande masse , qui dépendent des dimensions des pièces à souder. Lorsque les dimensions des volants augmentent, 10 les dimensions de la machine doivent être accrues et une meilleure rigidité doit habituellement être assurée. Ceci, à son tour, peut rendre plus coûteuse la machine et les volants plus volumineux peuvent demander plus de temps et plus d'efforts pour la réalisation de la machine. En outre, de faibles vites-15 ses de broches tendent à augmenter le couple produit'pendant le soudage et le maintien des pièces à souder peut devenir un problème. Ii?invention se propose en conséquence : - de fournir un procédé de soudage par friction de tubes 20 à paroi mince sur des machines qui étaient jugées jusqu'à présent incapables d'exécuter un tel soudage; ^ - de fournir un tel procédé dans lequel/est possible de déterminer la vitesse initiale requise d'un-tube à paroi mince à souder quand l'épaisseur de la paroi du tube est con- 25 nue ; - de fournir un pjocédé , tel qu'une machine utilisée pour l'exécuter peut être réalisée avec une•construction moins rigide que celles qu'il était possible de réaliser jusqu'à présent ; 30 - de délimiter une gamme de-variation de paramètre appro priée poui}!'exécution d'un procédé de soudage par friction de tubes à paroi mince; - de fournir un procédé de soudage par friction d'un élément tubulaire à un second élément tubulaire d'un diamètre 35 identique ou différent et d'une paroi d'une épaisseur identique ou différente ou à une plaque, en utilisant une vitesse périphérique dépassant les vitesses qui étaient jugées appropriées jusqu'à présent} 2011516 - de fournir un procédé de soudage par friction de tubes à paroi mince. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard dds dessins annexés et donnant, à titre explicatif mais nullement limitatif, une forme de réalisation conforme à l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est une élévation de profil, en partie en coupe, qui représente un exemple de réalisation d'une machine de soudage par friction pouvant être utilisée pour exécuter le procédé selon l'invention; La figure 2 comprend des graphiques semi-logarithmiques représentant la vitesse périphérique en fonction de l'épaisseur de la paroi,^ig savoir une première courbe représentant la vitesse critique /une seconde courbe représentant la vitesse maximum pratique ; La figure 3 est une représentation de la courbe de vitesse critique de la figure 2 avec deux échelles linéaires sur laquelle sont indiqués des échantillons de soudure sectionnés formés par soudage de tubes en des points situés sur la courbe de vitesse critique ou près de cette courbe; La figure 4 représente graphiquement la variation de la vitesse , exprimée en tours par minute en fonction du diamètre extérieur du tube, exprimé en centimètres, des courbjes tracées sur cette figure montrant comment la vitesse critique varie en fonction de l'épaisseur de la paroi. Une machine de soudage par friction construite selon un mode d'exécution de l'invention est désignée dans son ensemble par le numéro de référence 11 sur la figure 1.Telle qu'elle est représentée sur cette figure, la machine comprend un bâti, désigné dans son ensemble par 12, pour loger ou monter les différents éléments de la machine. Les deux tubes à souder, à savoir les pièces WP-1 et WP-2 sont montées dans des mandrins 14- et 16. . • Le'mandrin 16 ne tourne pas et est monté sur une contre-poupée 18. La contre-poupée 18 est montée .de façon à .se déplacer 18036 h 69 18036 2011516 5 sixialement sur le bâti 12 de la maciiine sous la commande d'un cylindre de charge 20. Un circuit de commande de pression (non représenté) règle la pression dans le cylindre de charge, et détermine par suite la force avec laquelle les tubes WP-1 et V/P-2 5 sont appuyés l'un contre l'autre. Le mandrin 14 est monté sur une broche 22, et le mandrin et la broche sont- montés de façon à tourner dans le bâti 12. La broche rotative 22 est destinée à porter des volants 24 qui peuvent avoir des dimensions et des masses variées selon les 10 applications particulières de la machine. Un moteur électrique 26 fait tourner la broche par l'intermédiaire d'une transmission hydrostatique, désignée flans son ensemble par le numéro 28. La transmission hydrostatique comprend une pompe hydrostatique 30, un moteur hydrostatique 32 et un col-15 lecteur 34 entre la pompe et le moteur. On peut faire varier le rapport-de transmission entre le moteur et la broche 22 en changeant les angles de came dans la pompe 30 ou dans le moteur 32, et la pompe et le moteur peuvent être utilisés pour désaccoupler effectivement le 20 moteur 26 de la broche 22 en ;amenant la came et la pompe 30 dans une position dans laquelle la pompe 30 ne refoule aucun fluide hydraulique vers le moteur 32. Il est bien entendu que les masses des volants 24 sont montées sur la broche 22 de telle sorte que la machine de sou-25 dage l^puisse fonctionner en machine de soudage par inertie, telle que celle qui est décrite dans le brevet N° 3 273 233 précité et ainsi qu'il sera exposé ci-après d'une manière plus détaillée. Une opération de soudage pour joindre une première pièce 30 par exemple en "une matière très conductrice de la chaleur, à une seconde pièce, par exemple en une autre matière très conductrice de la chaleur ou en un autre métal, tel que l'acier par exemple, peut être exécutée en faisant fonctionner la machine de la manière générale suivante. Une des pièces à souder WP-1 35 est serrée solidement dans le mandrin rotatif 14 disposé sur la broche 22. L'autre pièce à souder WP-2 est serrée solidement dans le mandrin non rotatif 16 qui est disposé sur la con-tre-poupée 18 de la machine. Lors du fonctionnement du moteur 26 3 18036 2011516' le volant et la pièce à souder WP-1 sont accélérés jusqu'à une vitesse prédéterminée. Dès que la vitesse prédéterminée a été atteinte, le moteur 26 est désaccouplé ou arrêté, et le vérin 20 est actionné de façon à mettre la contre-poupée 18 et le tube WP-2 en contact avec le tube WP-1 en rotation rapide. Lorsque les. deux pièces à souder sont mises en contact sous la pression de refoulement exercée par l'intermédiaire du vérin 20, de la chaleur est dégagée à la surface de contact ou de séparation des pièces à souder. Ce chauffage augmente jusqu'.au moment où les pièces à souder atteignent la température de soudage , moment auquel la pression de refoulement énorme exercée parfLe vérin 20, qui est soit constante soit variable, produit des bavures ou un fluage. Pendant ce chauffage et ce fluage, la vitesse de rotation de la broche 22 a continué de diminuer. Au moment où la rotation de la broche cesse, le refoulement est-terminé et le soudage est achevé. Dans des recherches pour déterminer s'il est possible de souder des tubes de parois respectivement épaisses et minces avec la même vitesse périphérique, 1'expérience a montré que la vitesse critique inférieure dans le soudage de tubes dépend de l'épaisseur de la paroi au lieu d'eiyêtre indépendante. Dans le soudage par friction, un grippage localisé et une rupture de zones grippées se produit au premier stade après qu'une rupture des oxydes protecteurs de la surface s'est produite. Le couple continue à augmenter jusqu'à la fin du premier stade par suite de la croissance de la surface de grippage. Au début du second stade, la surface de séparation prend Tin état plastique stabilisé et on pense que la pression et la température de soudage existent pendant que la vitesse de rotation dépasse la vitesse à laquelle la soudure peut se former. Il y a une surface de séparation distincte pendant ce second stade, toute bavure produite est .une bavure non jointe, et ce stade se comporte en soupape de sûreté pour dissiper 1'énergie en excès sur celle qui est nécessairë pour porter la surface de séparation à une température de soudage. La puissance absorbée par la surface de séparation équilibrescelle qui est dégagée dans les"pièces jusqu'au moment où la vitesse est réduite à une valeur à laquelle les pièces peuvent se souder sous l'action des forces appliquées. Ainsi, conformément à l'invention, la vitesse périphérique 69 18036 7 2011516 ■initiale critique inférieure nécessaire pour 1*obtention d'une soudure de surface de séparation commercialement appropriée entre des tubes à paroi mince est la vitesse périphérique au-dessous de laquelle aucune bavure de second stade n'est obser-5 vée. On trouvera une description assez complète de ces stades du processus dans "le brevet N° 3»273*233 précité. Si la vitesse périphérique critique ne dépendait pas de l'épaisseur de la paroi, tous les tubes soudés à la même vitesse périphérique initiale présenteraient des bavures ayant le même 10 aspect, l'expérience a montré qu'il n'en est pas ainsi. La méthode expériementale pour déterminer les rapports éxistant entre la vitesse périphérique initiale et l'épaisseur de la paroi était basée sur l'hypothèse que l'énergie fournie à une soudure est une fonction linéaire du temps, ce qui est généralement vrai pour 15 un cycle de soudage par inertie. On a réalisé une soudure du type par inertie avec une vitesse périphérique initiale prédéterminée sur un tube d'une paroi d'épaisseur mesurée de telle manière que des bavures de second stade se sont produites. On a attribué la valeur unité au temps nécessaire pour réaliser cette soudure. 20 En d'autres termes, pour le cas initial donné, on a attribué la valeur imité à la fois à l'énergie nécessaire pour produire la soudure appropriée et au temps nécessaire pour produire cette soudure. On a trouvé que les temps de soudage nécessaires pour produire des soudures équivalentes» c'est-à-dire des bavures sem-25 blables, sur des tubes de parois d'épaisseurs différentes ou avec des vitesses périphériques initiales différentesétaient supérieures à l'unité d'un certain facteur. Sur la figure 2, la courbe désignée par 101 joint des points représentatif s montrant les rapports existant entre l'é-30 paisseur de la paroi et la vitesse périphérique critique initiale exprimée en mètres par minute. Cette courbe montre qu'on peut utiliser maintenant une méthode plus précise pour déterminera vitesse périphérique critique initiale en employant la formule suivante reliant l'épaisseur de la paroi à la vitesse péri-35 phérique initiale. Cette formule s'écrit de la façon suivante ï S.V. = 260 + Kf 18036 Dans cette formule : S.To est la vitesse périphérique W.T» est l'épaisseur de la paroi K est uns constante associée à la matière. la comparaison de cette équation aux résultats donnés par la courbe expérimentale a montré que la valeur de K varie avec la{aiatière utilisée et qu'elle peut varier légèrement dans certaines gammes pour la même matière, dans des limites raisonnablement petites. Par exemple, on a trouvé que lorsqu'on soude des tubes en acier 1018 d'un diamètre extérieur de 19mm, K=l,fe quand l'épaisseur de la paroi est inférieure à 2,8mii potrles résultats les plus précis, et que K =li7 pour des épaisseurs de paroi allant de 2j8mm à 9»5mm. Bien.qu'on ait discuté jusqu'à présent de la vitesse périphérique critique minimum initiale pour n'importe quelle épaisseur donnée de la .paroi d'un tube mince, il est évident qu'une vitèsse initialefclus grande peut être utilisée pour produire des soudurés satisfaisantes. A des finsjpratiques, un tube à paroi mince peut être soudé d'une manière satisfaisante tant que la vitesse périphérique initiale est égale ou supérieure à la valeur indiquée par la courbe 101 ou déterminée par la formule ci-dessus. D'autre part, les aspects physiques des matières imposent qu'une vitesse maximum pratique soit adoptée quand les matières à souder atteignent un état de plasticité si grand qu'un effet pyrotechnique indésirable est produit. L'expérience et la théorie indiquent que la courbe représentée en 103 sur la figure 2 est une représentation graphique de la vitesse périphérique maximum pratique pour le soudage de tubes à paroi mince en acier 1018. La figure 3j à laquelle on va se référer maintenant, représente la courbe 101 avec des échelles linéaires. On a superposé à la représentation graphique des photographies.d'échantillons sectionnés de soudures réelles faites au cours de recherches revives à l'invention. La droite verticale directement à gauche de chaque échantillon de•soudure indique l'épaisseur de la paroi de l'échantillon et la droite horizontale directement au-dessous de chaque échantillon indique la vitesse périphérique initiale approximative. Puisque la courte représente la vitesse périphé- 2011516 69 18036 9 2011516 rique critique minimum ou inférieure pour l'épaisseur de paroi donnéej '.les échantillons soudés à des vitesses situées au-dessus ou à droite de la courbe présentent des soudures acceptables, tandis que ceux qui ont été soudés à des vitesses situées au-dessous 5 ou à gauche de la courbe sont inacceptables. Par exemple, on voit facilement, en examinant les soudures réalisées sur des tubes lorsque ayant une paroi d'une épaisseur de 2,5mm, que/la vitesse initiale est élevée de 91 mètres par seconde à 183 mètres par seconde approximativement, les bavures produites indiquent que la qualité 10 de la soudure est élevée elle-aussi. Une autre illustration de la manière dont la vitesse critique ou minimum varie en fonction de l'épaisseur de la paroi est donnée par les graphiques de la figure 4 qui représentent les variations de la vitesse en tours par minute en fonction du 15 diamètre exprimé en centimètres, pour chacune des cinq épaisseurs considérées avec la courbe 101 de la figure 2. On remarquera que la figure 4 comporte dans sa partie gauche un graphique sous forme de droite relatif à un tube ayant une soudure d'une épaisseur de 9,5 mm pour une vitesse initiale de 84 mètres par 20 minutes. En utilisant ce graphique, on trouve que lorsque le diamètre extérieur d'un tel tube est de 10 cm, la vitesse périphérique critique initiale est de l'ordre de 260 tours par minute . Si le diamètre d'un tel tube est de 2,5 cmj la vitesse initiale doit être de l'ordre de 1100 tours par minute pour produire 25 une soudure satisfaisante. La droite située à l'extrême droite de la figure correspond à une vitesse périphérique de 1930 mètres par minute pour un tube ayant une paroi d'une épaisseur de 9j5mm et correspond à la vitesse maximum pratique d'un tel tube représentée par la courbe 103 de la figure 2.Une comparaison des 30 graphiques de la figure 4 à celui ou ceux de la figure 44 du brevet n° 3*273.233 précité indique facilement que les gammes de vitesses périphériques pour des tubes à paroi mince sont tout à fait différentes de celles anticipées antérieurement. Ainsi, on a trouvé une gamme de vitesses de soudage de tubes à paroi mince 35 beaucoup plus étendue que celles qui ont été jugées possibles jusqu'à présent, et il a été révélé une formule pour déterminer les limites inférieures de la gamme. 69 18036 2011516 -io- LEGENDE DES DESSINS Figures Repères 2 A Vitesse périphérique (mètres par minute) et . - 5 B Epaisseur de la paroi (millimètres) 4 C Diamètre en centimètres D Vitesse (tours par minute) E Vitesse périphérique (84 mètres par minut e ) F Epaisseur de la paroi (9,5mm) G Vitesse périphérique (107 mètres par minute) H Epaisseur de la paroi (5mm) I Vitesse périphérique (87 mètres par minute) J Epaisseur de la paroi (7s6mm) K Vitesse périphérique (160 mètres par minute) L Epaisseur de la paroi (2,5mm) M Vitesse périphérique (590 mètres par minute) N Epaisseur de la paroi (1,3mm) 0 Vitesse périphérique maximum (1950 mètres par minute) P Epaisseur de la paroi (9,5mm) 69 18036 ai. 2Ul1516 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour souder des pièces sous forme de tubes à paroi mince, consistant à produire une rotation relative entre les tubes, à appuyer fortement les tubes l'un sur l'autre de façon à 5 ce qu'ils frottent l'un sur l'autre à leur face de séparation commune jusqu'au moment oùfine soudure est formée et où la rotation relative des pièces à souder est arrêtée, ledit procédé étant caractérisé en ce que la rotation relative se produit à une vitesse supérieure ou égale à une vitesse relative initiale minimum 10 déterminée par la formule suivante : S.V. = 260 + K2 (W.T.)2 dans laquelle : S. Y. est la vitesse périphérique initiale minimum nécessaire, W.T» est l'épaisseur de la paroi des tubes soudés l'un 15 à l'autre et K est une constante associée à la matière. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que K est égal à 1,6 pour l'acier 1 018; 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que K est égal à 1,7 pour l'acier 1018. 20 4 _ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que K est compris entre 1,6 et 1,7 quand les tubes sont en acier 1 018. 5 - Procédé pour souder l'une à l'autre deux pièces à souder, caractérisé en ce qu'il consiste à produire une rotation relative entre ces pièces à une vitesse supérieure à 760 mètres par minute 25 et à les appliquerffortement l'une contre l'autre de façoijfà ce qu'elles frottent/'surei' autre à leur face de séparation commune jusqu'au moment où une soudure est formée et où la rotation relative entre les pièces à souder est arrêtée. 6 - Procédé selon la revendication 5j caractérisé en ce que 30 l'on produit la rotation relative entre /^pièces à souder en faisant tourner une des pièces à souder par rapport à l'autre à une vitesse périphérique initiale comprise entre 760 et 9 150 mètres par minute. 7 - Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce 35 que chacune des pièces à souder présente à sa surface de séparation une .ouverture telle que l'épaisseur de la paroi autour de chaque ouverture est uniforme et ne dépasse pas 9,5mm, et que l'opération consistant à produire une rotation relative entre les pièces à souder est exécutée en faisant tourner les pièces ^0 à souder l'une par rapport à l'autre à une vitesse périphérique aê dépassant pas approximatigement 1980 mètres par minute quand les épaisseurs des parois sont de 9,5mm. 69 18036 -12- A\J I ï 3 î U 8° - Procédé selon la revendication 7j caractérisé en ce que l'opération consistant à produire une rotation relative entre les pièces à souder esb exécutée en faisant tourner les pièces à souder l'une par rapport à l'autre à une vitesse ne dépassant 5 pas une valeur prédéterminée supérieure à 1980 mètres par minute quand les épaisseurs des parois sont inférieures à 9s5 mm. 9 - Procédé pour souder l'une à l'autre des pièces ayant à leur surface de séparation des ouvertures telles que l'épaisseur de la paroi autôTp/de chaque ouverture est uniforme et d'une 10 dimension comprise entre 1 t3mŒ- et 9i5ŒŒ-jCe procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à produire une rotation relative entre les pièces à souder à une vitesse périphérique intérieure à une gamme de vitesses comprise entre 1 980 mètres par minute et 84 mètres par minute quand les épaisseurs des parois sont égales à 15 9,5 mm, et à une gamme de vitesses comprise entre 305 mètres par minute et 9 150 mètres par minute quand les épaisseurs des parois sont égales à'l,3mm, et à appliquer fortement les pièces à souder l'une contre l'autre de façon à ce qu'elles frottent l'une sur l'autre à leur surface de séparation commune jusqu'au moment 20 où une soudure est formée et où la rotation relative est arrêtée. 10 - Procédé selon la revendication 9» caractérisé, an ce que la vitesse périphérique minimum dans toute la gamme au cours de ladite rotation relative est déterminée par la formule suivante : 25 S.Y• = 260 + K2 . (W.T.)2 dans laquelle : S.V. est la vitesse périphérique initiale minimum nécessaire 30 W.Œ. est l'épaisseur de la paroi E est une constante associée à la matière.