Brevet FR2029776A1 — publié le 19701023

lia présente invention concerne un procédé et un appareil pour former un récipient tubulaire métallique par dépôt de métal de soudure. Des récipients construits jusqu'à présent pour différents 5 domaines de l'industrie sont destinés à être utilisés à des températures et des pressions extrêmement élevées, et aussi avec des capacités très importantes. Cela nécessite des récipients à parois très épaisses et ayant des diamètres et des longueurs importants. 10 Pour répondre à ces besoins, un procédé a été développé pour la construction d'un récipient tubulaire ou similaire uniquement par dépôt de métal de soudure, en déposant successivement le métal de soudure fondu principalement par un procédé de soudage électrique sous flux ou laitier pour former une "bande 15 hélicoïdale continue, le métal de soudure en fusion étant déposé et se solidifiant progressivement au contact du métal déjà ■solidifié. Il est possible, par ce procédé, de former facilement et à un prix relativement faible un récipient à paroi épaisse, cette paroi ne comportant pas de soudure traversant la paroi. 20 la paroi d'un tel récipient est caractérisée par une quantité extrêmement réduite d'inclusions non métalliques et elle a des caractéristiques mécaniques uniformes. Cependant, quand l'épaisseur de la paroi du récipient augmente, un inconvénient de ce procédé est la formation de 25 soufflures et de fissures et la déformation du fait du grossissement des grains, en particulier au moment de la formation de la partie la plus épaisse de la paroi par dépôt de métal de soudure en quantité importante d'une manière continue. De plus, pour augmenter la vitesse de dépôt quand une paroi épaisse est 30 déposée et solidifiée en continu sur l'épaisseur de la paroi, il eat impossible de former une paroi ayant des éléments de compositions chimiques différentes, chacun ayant les propriétés voulues pour chaque partie de l'épaisseur pour répondre aux conditions requises d'après la destination du récipient. 35 La présente invention concerne donc un procédé pour former des récipients à parois épaisses en plusieurs couches par dépôt de soudure, et plus particulièrement un procédé et un appareil évitant les inconvénients des procédés antérieurs, tout en augmentant la vitesse de dépôt. 40 Plus particulièrement, un récipient tubulaire composite est 70 03126 2- 2029776 formé par le procédé selon l'invention uniquement à partir dé métal de soudure en fusion par dépôt de métal fondu pour former des "bandes hélicoïdales continues, le métal en fusion étant déposé simultanément et en continu le long de la. dernière spire 5 de chaque partie étagée de métal déjà solidifié présentant une épaisseur variant en gradins, le métal se solidifiant au contact de ladite spire, la présente invention permet de construire un récipient uni quement à partir de métal de soudure déposé, sans apparition de soufflures, de fissures, de déformation, ni de 10 grossissement des grains. Pendant le dépôt simultané et continu de métal fondu et sa solidification sous la forme de "bandes hélicoïdales sur la spire d'extrémité .de chaque partie étagée de métal déjà solidifié d'une épaisseur variant en gradins, il est possible de 15 réduire considérablement la largeur de la bande de soudure déposée ainsi que la largeur de la bande de soudure en cours de solidification en divisant le récipient en plusieurs couches. De plus, il est possible d'éviter, dans une grande me sure, la formation de soufflures en réduisant les.différences entre les 20 températures des parties extérieures et intérieures des bandes hélicoïdales de métal de soudure en fusion.. De plus, en raison de la faible largeur du métal de soudure fondu pendant le dépôt et la solidification, la composition chimique de chaque couche déposée de métal de soudure est uniforme," sa structure est 25 compacte et la direction de cristallisation est stabilisée, ce qui évite la formation de fissures et réduit la déformation. Il est possible aussi d'obtenir un récipient ayant d'excellentes caractéristiques par un choix approprié de la composition du métal de soudure déposé en fusion et solidifié contre la 30 spire d'extrémité de chaque partie étagée de la paroi. "Un appareil selon 1* invention utilise un bloc de départ ayant sensiblement la même forme que la partie intérieure d'extrémité de la pièce tubulaire devant être formée par dépôt de métal de soudure en fusion, avec une extrémité étagée dans le 35 sens radial. L'appareil comporte aussi; un dispositif pour entraîner ce bloc de départ en rotation autour de son axe et un gabarit en contact glissant avec le bloc de départ et ensuite avec le métal déposé et solidifié sur le bloc de départ. L'appareil comporte, de plus, un dispositif pour appliquer du métal 40 de soudure en fusion dans différentes cavités ménagées entre 70 03126 5. 2029776 l'extrémité du bloc de départ ou la surface étagée" du métal déposé et par le gabarit glissant. Cet appareil permet- la mise en oeuvre du procédé selon l'invention d'une façon-très facile, suie et efficace. 5 La présente invention a, par. suite, pour objet un procédé et un appareil pour former uniquement par dépôt de métal de soudure un récipient métallique tubulaire composite. L'invention a aussi pour objet un procédé et un appareil pour former un récipient tubulaire à paroi paisse en plusieurs 10 couches. L'invention a de même pour objet un procédé et appareil pour former un récipient métallique composite par soudage, ce récipient ne comportant pas de soudure ni de fissures résultant du grossissement des grains et de la déformation. L'invention a 15 aussi pour objet un procédé et un appareil avec lesquels le métal de soudure est déposé sous la forme de plusieurs bandes hélicoïdales déposées simultanément et relativement étroites à la fois axialement et radialement, les spires successives de chaque bande hélicoïdale étant déposées de façon continue dans la di-20 rection axiale. L'invention a de même pour objet un procédé et un appareil avec lesquels les bandes hélicoïdales déposées ont des rayons différents, chaque bande étant contiguë radialement à une bande hélicoïdale voisine. L'invention a de même pour objet un procédé et un appareil avec lesquels les bandes hélicoï-25 dales voisines sont décalées progressivement les unes des autres du pas de l'hélice dans la direction axiale du récipient en cours de formation. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante donnée à titre d'exem-30 pie, et faite en se référant au dessin annexé sur lequel : Fig. 1 est une vue en élévation d'un appareil suivant un mode de mise en oeuvre de l'invention, Fig. 2 est une coupe suivant II-II de la fig. 1, Fig. 3 est une vue suivant III-III de la fig. 1, et 35 Fig. 4 est une vue suivant la flèche 17 de la.fig. 2, le gabarit en cuivre refroidi par circulation d'eau n'étant pas représenté. La fig. 1 représente un appareil pour former un élément tubulaire par un procédé de soudage électrique sous flux. Ce-40 pendant, il doit être compris que d'autres procédés de soudage 70 03126 4. 2029776 électrique peuvent aussi convenir. L'appareil selon l'invention supporte un "bloc de départ cylindrique 1 dont l'extrémité de droite comporte une partie intérieure tubulaire la, une partie tubulaire intermédiaire lb, 5 et une partie tubulaire extérieure lç. La surface la' de la partie tubulaire intérieure la a la forme d'une hélice dont les extrémités sont dans un plan radial la" avec un décalage axi al d'une longueur p, cette longueur p représentant le pas de l'hélice. La surface d'extrémité lb' du tube intermédiaire lb et la 10 surface d'extrémité lç' du tube extérieur lç sont aussi en forme d'hélice, les deux extrémités de chaque hélice arrivant dans le plan radial correspondant lb" et lç" avec un décalage axial d'une longueur égale au pas £. Le bloc de départ cylindrique 1 est supporté par un chariot 15 2 comportant un mécanisme pour faire tourner le bloc autour de son axe horizontal et peut faire reculer le bloc 1, dans le sens indiqué par la flèche sur la fig. 1, d'une distance égale au pas £ à chaque tour du bloc de départ 1. Tîn gabarit en cuivre 3 refroidi par de l'eau comporte, du 20 côté du bloc, un bord ayant une forme complémentaire de celle des surfaces hélicoïdales la', lb' et lç' et des surfaces extérieures ou périphériques la"' , lb'" et lç"' des tubes la, lb et lç. Le gabarit ou bloc en cuivre 3 comporte aussi une partie venant en contact avec la surface intérieure ld du bloc de dé-25 part 1. Des cavités A, B et C sont établies entre les surfaces la', lb* et le' et les surfaces correspondantes du gabarit. Du métal de soudure 5a» 5b, 5ç sous la forme de fils, de tiges ou de bandes, est enroulé sur des bobines correspondantes 4a, 4b et 4ç, ces fils ou autres pouvant être en métaux différents. 30 Les métaux de soudure sont engagés dans les cavités A, B et C en passant entre des dispositifs de guidage 6a, 6b et 6ç. L'appareil comporte un dispositif 8 d'alimentation en courant pour un transformateur de soudage fournissant le courant de soudage aux métaux de soudure 5a, 5b et 5ç par l'intermédiaire de ba-35 lais ou de galets de contact 7a, 7b et 7ç. L'appareil décrit ci-dessus fonctionne de la façon suivante . Pendant l'introduction des métaux de soudure 5a, 5b et 5ç dans les cavités correspondantes A, B et C, une quantité déter-40 minée de flux est introduite dans chaque ouverture et la source 70 03126 5. 2029776 de courant 8 est mise en marche pour alimenter le transformateur de sorte que le courant de soudage passe entre les extrémités des métaux de soudure 5a, 5b et 5ç et les surfaces hélicoïdales dans les plans la", lb" et le" du bloc de départ 1 à l'intérieur des 5 cavités et à travers le flux de soudage, le flux est fondu pour former un bain de flux et le soudage des métaux 5a, 5b et 5çs. Quand ce soudage a commencé, le bloc de départ 1 est entraîné en rotation par le chariot 2 dans le sens des aiguilles d'une montre (fig. 3). Simultanément, le bloc 1 est déplacé vers la 10 gauche (fig. 1) d*une distance égale au pas £ de l'hélice pour chaque tour complet. Pendant cette rotation et cette translation du bloc 1, le métal de soudure en fusion de chaque bande 5a, 5b et 5ç se solidifie dans chaque cavité A, B et C sur les surfaces périphériques correspondantes la"' , lbm et lç"' du bloc de dé-15 part lf en formant progressivement des dépôts sur des parties en métaux de. soudure déjà solidifiées pour former des bandes hélicoïdales. Un récipient tubulaire non représenté, est ainsi formé progressivement à l'extrémité de droite du bloc 1 de la fig. 1, l'extrémité du récipient formé ayant la même forme que l'extré-20 mité de droite du bloc de départ 1. Comme il a été indiqué ci-dessus, le récipient tubulaire à paroi épaisse est divisé en trois parties dans la direction radiale, et par suite l'épaisseur radiale de chaque bande de métal de soudure en fusion peut être le tiers de l'épaisseur totale de 25 la paroi du récipient. De ce fait, au moment du dépôt et de la solidification du métal de soudure, la différence de température entre le pourtour extérieur et le pourtour intérieur du récipient tubulaire est considérablement réduite, et par suite il est possible d'éviter les soufflures formées fréquemment à l'intérieur 30 des lingots et autres pièces de fonderie. En raison de la faible largeur des bandes de métal de soudure en fusion, les compositions chimiques et les distributions des grains de la structure interne sont uniformes, la direction de cristallisation est stabilisée et il n'existe pas de défaut 35 du fait du soudage, par exemple tel que des fissures ou autres. De plus, la quantité de chaque métal de soudure déposée est réduite au tiers par comparaison au cas du soudage en une seule couche, et par suite la déformation proportionnelle à la quantité déposée de métal de soudure est nettement réduite. Comme les 40 métaux de soudure se solidifient simultanément en trois points, 70 03126 6. 2029776 il est possible de former des récipients tubulaires plus efficacement que par trois opérations séparées de dépôt de métal de soudure pour former successivement une couche unique à chaque dépôt. 5 La couche intérieure, la couche intermédiaire et la couehe extérieure du récipient formé à partir du tube intérieur la, du tube intermédiaire lb et du tube extérieur lç, du bloc de départ 1 dans le sens axial sont réchauffées par la chaleur de fusion des métaux de soudure se solidifiant après le premier tour. Par 10 suite, des effets de normalisation et de revenu similaires à ceux qui sont obtenus par le traitement thermique des jonctions utilisé pour le soudage en plusieurs couches sont obtenus directement par le procédé et avec l'appareil selon l'invention. En particulier, les effets de normalisation et de revenu sont 15 améliorés pour la couche intérieure et la couché intermédiaire du récipient en raison du dépôt de la couche intermédiaire et de la couche extérieure du réeipient. En utilisant un métal 5a résistant à la corrosion pour la couche intérieure, un métal 5b ayant une résistance élevée à 20 haute température pour la couche intermédiaire, et un métal 5ç résistant aux hautes températures pour la couche extérieure, le récipient obtenu aura une résistance très élevée à la corrosion par un contenu corrosif du récipient et pourra supporter de façon satisfaisante des températures élevées et des hautes pres-25 sions. Par exemple, dans le cas des tours ou des colonnes de réaction utilisées pour l'affinage des pétroles et dont les surfaces intérieures sont exposées à de l'hydrogène à haute température sous haute pression pour la désulfurisation, la pression partiel-30 le de l'hydrogène eontre la paroi de la tour de réaction décroît à peu près proportionnellement dans la direction radiale à travers la paroi de la surface intérieure à la surface extérieure et l'hydrogène a tendance à échapper à l'air libre. Ba utilisant des matières appropriées ayant une bonne résistance à la corro-35 si on par de l'hydrogène d'une façon étagée radialement de la surface intérieure à la surface extérieure pour l'adaptation aux pressions partielles respectives de l'hydrogène, il est possible de réduire la quantité de matière coûteuse d'une grande résistance à la corrosion par l'hydrogène et par suite de réduire 4-0 substantiellement le prix de revient. 70 03126 7. 2029776 l'invention a été décrite ci-dessus en considérant à titre d'exemple trois couches soudées, mais en augmentant le nombre de couches il est possible d'obtenir des récipients ayant une structure supérieure ainsi que des récipients ayant des parois 5 plus épaisses. De même, bien que le soudage soit décrit ci-dessus comme étant effectué successivement de la couche intérieure vers la couche extérieure, il est possible d'effectuer le soudage dans l'ordre inverse, c'est-à-dire en commençant par la couche extérieure et en terminant par la couche intérieure. 10 De même, l'invention a. été décrite ci-dessus à titre d'exemple, en considérant la formation du récipient par rotation autour d'un axe horizontal du bloc cylindrique de départ 1. Cependant, il doit être noté qu'il est possible aussi de former un récipient selon l'invention en utilisant le pas d'hé-15 lice £ et un bloc de démarrage tubulaire 1 d'épaisseur coïncidant avec l'épaisseur des couches hélicoïdales devant être déposées et par rotation du bloc de départ 1 autour d'un axe vertical. De plus, bien que l'invention soit décrite ci-dessus en considérant l'utilisation d'un procédé de soudage électrique, 20 il est possible aussi d'utiliser le soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode fusible (MIGf), le soudage à l'arc sous gaz inerte avec électrode de tungstène (TIG) ou le soudage à l'arc submergé. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limita-25 tive et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 70 03126 8. 2029776 REVENDICATIONS 1. Procédé pour former un récipient métallique composite uniquement par dépôt de métal de soudure caractérisé par le dépôt simultané et progressif de métal de soudure sur le métal 5 déjà solidifié et en contact avec celui-ci pour former simultanément plusieurs bandes hélicoïdales de métal de soudure, en couches successives axialement, les spires de chaque bande hélicoïdale étant en contact axialement et les bandes hélicoïdales ayant des rayons différents et étant radialement en contact avec 10 les bandes voisines, des bandes hélicoïdales successives radialement étant étagées progressivement les unes par rapport aux autres dans la direction axiale du récipient métallique en cours de formation, de façon que l'extrémité du récipient ait une forme annulaire étagée radialement et axialement. 15 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le métal de soudure est déposé par un procédé de soudage électrique sous flux. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le récipient formé comporte des couches tubu- 20 laires successives radialement de métal de soudure, la bande de métal fondu pour chaque couche tubulaire d'un diamètre donné étant déposée et solidifiée progressivement sur la couche tubulaire immédiatement plus intérieure de diamètre plus réduit. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 25 les points de départ des bandes hélicoïdales successives sont décalés axialement d'une distance égale à un pas prédéterminé. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les dimensions radiales et axiales des bandes hélicoïdales représentent chacune une fraction faible de l'épais- 30 seur finale de la paroi du récipient. 6. Appareil pour former un récipient métallique composite seulement par dépôt de métal de soudure, caractérisé par un bloc de départ cylindrique comportant à une extrémité plusieurs surfaces cylindriques de différents diamètres étagées les unes par 35 rapport aux autres radialement et axialement, la surface cylindrique de plus petit diamètre se trouvant à l'extrémité du bloc, ces surfaces cylindriques étant à faces transversales hélicoïdales avec des pas pratiquement égaux et les extrémités de chaque surface hélicoïdale se terminant dans un plan radial du bloc 40 dans des positions décalées et étagées axialement ; par un dis 70 03126 9» 2029776 positif pour supporter le "bloc, le faire tourner et le déplacer axialement ; et par un dispositif pour appliquer du métal fondu d'une façon pratiquement simultanée sur chacune des surfaces hélicoïdales pendant la rotation du "bloc et son déplacement 5 axial d'une distance égale au pas de l'hélice pour chaque tour complet du "bloc. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le métal de soudure est déposé par un procédé de soudage électrique sous flux. 10 8. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, carac térisé par un gabarit métallique refroidi ayant une forme correspondant à celle de l'extrémité étagée*du bloc de départ et en contact glissant avec le bloc et ensuite avec l'extrémité du récipient en formation pendant le dépôt du métal en fusion. 15 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que chaque surface hélicoïdale comporte un évidement à son extrémité de démarrage pour recevoir du flux de soudage en granulés. 10. Appareil selon l'une des revendications 6 et 7, carac-20 térisé en ce que chaque dispositif pour le dépôt de métal fondu comprend un appareil de soudage utilisant du métal de soudure sous la forme de bandes longues pour les appliquer sur les surfaces hélicoïdales en faisant passer du courant de soudage dans chaque bande pour provoquer progressivement la fusion du métal.