Brevet FR2018877A1 — publié le 19700626

La présente invention concerne la soudure par pr'èssion de matériaux d'acier, et plus particulièrement un procédé de soudage par pression et au chalumeau de barres d'acier de grande section, ayant par exemple des diamètres approximatifs de 30 mm et davantage, 5 Les procédés connus d'assemblage de ces barres d'acier compren nent le soudage en bout par étincelage, le soudage par arc confiné, le soudage au chalumeau à gaz et le soudage aluminothermiqûe. Le soudage par étincelage, réalisé sur machine automatique, est avantageux du fait qu'il peut être exécuté rapidement et régulièrement quelle 10 que soit l'habileté de l'opérateur. Cependant le procédé, pour être appliqué aux barres de grand diamètre auxquelles l'invention est destinée, ne permet pas le soudage sur les chantiers parce qu'il nécessite une source d'énergie très puissante, et le déplacement d'un équipement lourd. Le soudage à l'arc confiné nécessite une très grande habileté de 15 main-d'oeuvre et peut produire des joints défectueux lorsque les barres sont en position verticale. Ces difficultés s'ajoutent de même à celle de la disponibilité d'une source importante de courant de sorte que le procédé est inadapté aux opérations sur chantiers, La soudure alumino-thermique peut être utilisée en tous lieux, 20 mais cet avantage est contrebalancé par le peu de fiabilité résultant des défauts fréquents des soudures réalisées. La soudure au chalumeau est de loin la plus économique de tous les procédés de technique classique mentionnés ci-dessus parce que ne nécessitant pas de source d'électricité, et pouvant être effectuée à l'aide d'une bouteille de gaz et d'un appareillage simplifié de 25 pression. Le procédé est largement utilisé pour l'assemblage de barres de petits diamètres. Cependant ce procédé appliqué aux barres d'environ 30 mm ou plus tend à produire une oxydation des surfaces opposées des éléments à assembler, l'oxydation pouvant entraîner des défectuosités de la soudure résultante. 30 ' L'invention a donc pour objet un procédé destiné à la jonction de barres d'acier ayant des diamètres de 30 mm et plus, et qui ne présente aucun des inconvénients énumérés. tout en ne nécessitant qu'un appareillage extrême» ment simple. Par ce nouveau procédé, les barres sont parfaitement soudées sans aucun risque de défectuosités et la formation d'oxydes sur les surfaces à 35 souder est éliminée, ce qui assure une résistance élevée. Selon ce nouveau procédé, les surfaces opposées des parties de barres à joindre sont soudées par pression tout en étant chauffées dans une flamme très réductrice, et lorsque les pièces sont assemblées par pression, la flamme réductrice est ramenée à l'état neutre. 69 32807 2 2018377 Le chalumeau oxyacétylénique est adopté de préférence pour la mise en oeuvre de l'invention, bien que tout chalumeau à hydrocarbure gazeux puisse également convenir. L'invention sera donc décrite en détail dans le cas d'un chalumeau oxyacétylénique, en référence aux dessins annexés sur 5 lesquels : - Les figures 1A à 1D représentent des photographies en élévation latérale d'un faisceau de flammes utilisé dans le nouveau procédé; - La figure 2 est un graphique dans lequel les caractéristiques de flammes et les modifications de pression et. de température dans le procédé 10 sont tracées en fonction du temps; - la figure 3 est un graphique indiquant la relation entre les caractéristiques de flammes et la ductibilité permettant le cintrage des barres soudées; - les figures 4A à&C représentent des microphotographies de coupes 15 de soudure, indiquant l'influence de la dimension du cône brillant de la flamme sur la qualité de soudure; - la figure 5 représente une photographie donnant des résultats d'essai de cintrage sur des barres soudées par un procédé de soudure autogène classique au chalumeau; et 20 - la figure 6 est une photographie analogue à la figure 5 mais de barres soudées selon l'invention. L'opération de soudage au chalumeau comporte habituellement le nettoyage et l'alignement des extrémités des deux éléments de barre à assembler, le chauffage des parties en butée avec un chalumeau oxyacétylénique à une 25 température de soudage généralement voisine de 1200°C, puis la jonction des 2 éléments sous une pression d'environ 600 kg/cm , tout en chauffant. Le réchauffage des 'surfaces de butée est effectué habituellement à l'aide d'un chalumeau en arc ou couronne ayant au moins huit ajutages répartis sur l'arc de cercle. Dans le processus classique, la flamme sortant des ajutages 30 est neutre comme indiqué sur la figure 1A. Au contraire, selon l'invention, des flammes réductrices de combustion incomplète sont utilisées dans une première phase du soudage. C'est-à-dire que la flamme utilisée dans cette première phase est réductrice au point que le cône brillant des parties de la flamme à sommets multiples étagés, est de longueur supérieure aux trois quarts mais 35 inférieure à une fois et demie le rayon R de la couronne du chalumeau. Cette flamme très réductrice est obtenue par réglage du rapport d'écoulement acétylène-oxygène d'alimentation du chalumeau dans les limites de 1,3 à 2. bad original 69 32807 3 2018377 Les parties opposées des éléments à assembler et soumises à la flamme très réductrice sont réchauffées à une température de soudure par compression d'environ 1200"C et une pellicule de carbone est déposée par 5 combustion incomplète de l'acétylène sur les surfaces d'acier. A mesure que le réchauffage progresse, le carbone pénètre dans l'acier, assurant ainsi une carburation des parties d'assemblage. Pendant ce réchauffage, l'anneau de brûleur est déplacé en va-et-vient axialement par rapport à la barre pour assurer l'uniformité de réchauffage. 10 Selon l'invention, les deux éléments de barre en butée,durant le réchauffage par flamme très réductrice, sont maintenus sous une pression 2 primaire de soudage qui est habituellement dans les limites de 530 à 650 kg/cm . Ainsi, lorsque la température de soudage est atteinte, les extrémités en contact sont renflées et les deux éléments sont assemblés. 15 Selon l'invention, lorsque les deux pièces sont ainsi soudées, la flamme très réductrice est ramenée à l'état neutre de flamme normale et la 2 pression est réduite habituellement entre 180 et 280 kg/cm . Le chauffage en flamme neutre diffuse dans le métal de base le carbone déposé pour constituer un joint d'excellente ductilité. 20 La mise en oeuvre du procédé de l'invention est effectuée selon le graphique de la figure 2; les deux éléments de barre d'acier dont le diamètre est 50 mm sont opposés en bout et maintenus par une pression qui varie selon la courbe £. La courbe _t indique la variation de température des surfaces à joindre. La zone RF indique le temps de chauffage des surfaces opposées, en 25 flamme très réductrice de dépôt de carbone et NF le temps de chauffage en flamme neutre. L'instant auquel les deux éléments sont assemblés est indiqué en w. La soudure effective est supposée survenir à environ 60 s de ce point. A la suite du chauffage en flamme neutre, la pression est élevée de nouveau pour at-30 teindre 180 à 280 kg/cm^, puis le joint est refroidi et donne le produit soudé. Le procédé de l'invention est essentiellement caractérisé par l'utilisation d'une flamme hautement réductrice dans la première phase de chauffage destinée à déposer le carbone réduit sur les surfaces à assembler. Le dépôt ainsi effectué évite toute inclusion d'oxyde dans les parties à joindre 35 et assure une jonction parfaite. En même temps, le carbone déposé s'infiltre à travers la surface de l'acier pour le carburer et est diffusé vers 1'intérieur pendant le chauffage en flamme neutre, rendant ainsi le joint suffisamment ductile. 6? 32807 4 2018377 La quantité de carbone déposée est fonction du rapport acétylène/ oxygène d'alimentation Si le taux d'acétylène est 1,3 eu moins relativement à l'oxygène, d'où résulte une longueur de flamme brillante ne dépassant pas 3/4 du rayon R de couronne la formation d'oxydes sur les surfaces en contact 5 à assembler ne peut être évitée sûrement. Au contraire si ce taux est 2, le dépôt de carbone et la carburation suint excessifs et produisent un joint fragile et nécessitant un chauffage prolongé pour atteindre la température de soudage du fait de la température trop faible de flamme. Le rapport préféré d'écoulement acétylène-oxygène est compris entre 1,5 et 1,1. 10 Les résultats d'essais de cintrage effectués sur des échantillons de pièces prélevées dans les barres soudées sont indiqués sur la figure 3 pour différentes flammes réductrices. Le diamètre de barre cintrée est trois fois celui de. l'échantillon soit 120 mm. Une micrographie de soudure effectuée avec une flamme dont la longueur 15 de cône brillant est équivalente au rayon R de la couronne de brûleur utilisée, est représentée sur la figure 4A ; la figure 4B correspond au cas du cône équivalant à 3/4 R, cette micrographie indique que la proportion d'inclusions est relativement faible comparée à celle du procédé classique, cependant un taux très faible en est décelable. En conséquence la longueur du cône brillant 20 doit être avantageusement supérieure à 3/4 R. La micrographie de la figure 4C correspond à une longueur de cône comprise entre 1,25 et 1,5R. Ces photographies mettent en évidence la possibilité d'élimination des inclusions par le nouveau procédé. L'invention sera mieux explicitée à l'aide des exemples qui suivent. 25 EXEMPLE 1 Deux éléments de barres d'acier ds 50mm de diamètEeCcontenant en pourcentage : 0,24C - 0,15 Si - 0,23 Mn) sont alignés en bout avec un intervalle de 2 mm entre les surfaces d'extrémité à souder par la chaleur. Les deux pièces sont assemblées à l'aide d'un chalumeau à couronne de 100 mm de diamètre et 30 comportant 20 ajutages de 0,9 mm de diamètre, constituant ainsi une flamme 2 2 2 hautement réductrice avec une alimentation G H -0 de 1,6/1 (l'acétylène étant r\ injecté sous une pression de 0,25 kg/cm , donnant un cône brillant de longueur 50 mm).Avec une pression primaire de soudure égale à 550 kg/cm^ les parties opposées sont chauffées pendant 2 mn, puis la flamme est ramenée à l'état 2 3 5 neutre et la pression réduite à 250 kg/cm ,lorsque le joint soudé est obtenu. La barre soudée est usinée au diamètre de 40 mm et des éprouvettes échantillons de pièces sont soumises à des essais de traction et cintrage. Des échantillons sont réalisés dans les mêmes conditions mais à la différence près que la 6? 32807 5 2018377 la flamme neutre est utilisée dans toute l'opération de soudage; les essais sont effectués suivant le même" processus, Le tableau I donne les résultats obtenus. TABLEAU I 5 Procédé de soudage Caractéristiques de traction Angle moyen de limite Rupture courbure de 10 élastique pièces. - (kg/mm^) (kg/mm^) classique en flamme 28,6 ^757 87° neutre 10 selon l'invention 29s0 48,2 180° Les échantillons de ce tableau correspondant au procédé classique et au nouveau procédé, soumis à l'essai de traction, cèdent invariablement dans le métal de base. Mais au cintrage, les échantillons obtenus par le nou-15 veau procédé présentent une excellente ductilité et supportent une flexion de 180°, alors que 70% des échantillons du procédé classique sont rompus sur la jonction soudée, EXEMPLE 2 Deux éléments de barres d'acier de haute ténacité étirés à 41 mm 20 (acier "SD40", composition pour cent 0,25C - 0,38 Si - 1,55 Mn - 0,06 V) sont alignés avec un intervalle de 4 mm entre les parties à souder à chaud par pression. Le même chalumeau que celui de l'exemple 1 est utilisé. La flamme de chauffage primaire est très réductrice, rapport C^H^/0^ dans le mélange d'alimentation égal à 1,7 (pression d'acétylène 0,3 kg/cm^) 25 d'où un cône brillant de longueur égale à 1,25R. Les éléments en bout sont chauffés pendant 2 mn et sous une pression de 550 kg/crn^, La flamme est alors 2 ramenée à l'état neutre et la pression à 250 kg/cm „ La barre ainsi soudée est usinée à un diamètre de 33 mm, les éprouvettes d'essais sont soumises à l'essai de flexion, Des éprouvettes de comparaison sont préparées de même manière, mais 30 avec utilisation de flamme neutre, Les résultats sont indiqués dans le tableau II suivant. TABLEAU II - - ~ Procédé de soudage Eprouvettes Moyenne d'angle de flexion de 10 pièces, Classique telles que soudées 63° Classique usinées D=33 mm 34° Nouveau telles que soudées 180° Nouveau usinées D= 33 mm 180° A 69 32807 6 20 18877 les échantillons de ce tableau, réalisés selon le procédé classique, ont tous cédé dans le joint, au contraire ceux du nouveau procédé présentent une excellente ductilité et supportent un cintrage supérieur à ISO0. Les propriétés exceptionnelles obtenues selon le nouveau procédé sont ainsi mises 5 en évidence. EXEMPLE 3 Deux éléments de barres de 50 mm de diamètre d'acier de haute ténacité (pour cent ; 0,26 C - 0,37 Si- 0,15 mn - 0,06 V) sont alignés avec un intervalle maximal de 5 mm, chauffés 2 mn dans une flamme primaire au rapport 1,7 2 10 (pression C^r2, 0,3 kg/cm cône brillant de longueur égale à 1,25 R) toujours avec le chalumeau de l'exemple 1, sous une pression primaire de 550 kg/cm^, puis la flamme est amenée à l'état neutre avec réduction de pression à 250 kg/cm2, ce qui réalise l'assemblage. Cette barre soudée est usinée à 40 mm en diamètre; des échantillons en 15 sont tirés et soumis aux essais de traction et cintrage. Des essais identiques sont effectués sur des échantillons de comparaison, toutes choses égales à l'exception de l'utilisation de flamme neutre, Les résultats sont donnés dans le tableau suivant : TABLEAU III 20 25 Procédé de soudage Caractéristiques de traction Angle moyen limite élastique rupture de flexion (kg/mm2) (kg /mm^) Classique 47,8 66s9 26° nouveau 48,3 67,6 180° Tous les échantillons de ce tableau cèdent à la traction dans les parties de métal de base. Mais au cintrage ceux du nouveau procédé présentent une excellente ductilité et atteignent plus de 180°, alors que ceux du procédé classique cassent invariablement dans le joint. 30 EXEMPLE 4 Deux éléments de barresd'acler de composition indiquée dans le tableau qui suit sont soudés par pression dans une flamme oxyacétylénique de chalumeau annulaire à 2o ajutages. Le rapport de longueur du cône brillant de la flamme primaire au rayon R de couronne est compris entre 1,25 et 1,5. è 7 2018877 TABLEAU IV Composition et caractéristiques des barres de D=50 mm. Composition chimique (%) C Si Mn P S Cu Cr V 0,25 0,39 1,51 0,020 0,010 0,08 0,06 0,050 10 25 Limite élastique (kg/mm2) résistance traction (kg/mm2) Allongement a) 45,3-47,7 62,4-64,3 24,2-26,2 Les joints soudés sont usinés au diamètre de 40 mm et essayés en cintrage à l'aide d'une tige d'appui de D= 120 mm. L'essai est renouvelé avec des barres soudées en flamme neutre. Les résultats des deux séries sont 15 indiqués dans le tableau suivant. TABLEAU V Essais comparatifs des joints de l'invention effectués avec un rapport longueur cône brillant de flamme : diamètre couronne^ compris entre 1,25 et 1,5. 20 Caractéristiques detraction (longueur = 200 mm) Limite Résistance Allongement Emplacement élastique traction de rupture (kg/mm2) (kg/mm2) 00 Procédé classique 35,3 (flamme neutre) Nouveau procédé 45,9 Métal de base 45,4 48,3 64,7 62,7 6,3 18,7 26,0 Joint métal de base La figure 5 représente des photographies indiquant les résultats 30 d'essais de cintrage sur les échantillons de l'exemple 4 soudés en flamme neutre et qui ont tous été cassés. La figure 5 représente lesrésultats de cintrage des échantillons selon l'invention de l'exemple 2, aucun n'a été cassé par cintrage de 180°. Cependant on a constaté que le degré de propreté des surfaces de 35 bord à assembler est une source d'inclusions dans la soudure et qu'en conséquence ces surfaces doivent être nettoyées et débarrassées de toute trace d'oxydes. L'influence de cette propreté de surface sur la soudure a été expérimentée comme suit. Ê9 32807 « 2018877 Plusieurs paires de barres en acier de 50 mm en diamètre ont été soudées selon 1*invention; à l'aide d'une flamme réductrice dont la longueur de cône brillant était comprise entre 1,25 et 1.5 R. Les surfaces de bord étaient meuléej avec différents abrasifs 5 indiqués dans le tableau suivant qui donne également les résultats d'essais. TABLEAU VI Angle de flexion Type d'abrasif avant rupture. Grain grossier 11° 10 Grain fin 48° Papier de ponçage 180° Des essais comparatifs indiquent que la rupture survient dans les échantillons de l'invention invariablement dans le métal de base et dans les 15 échantillons de procédé classique en flamme neutre dans le joint lui-même. Une barre d'acier de 50 mm de diamètre est soudée, à l'aide d'un chalumeau en couronne comportant 40 ajutages en deux rangées dans un temps inférieur de 40 s à celui habituel du chalumeau à 20 ajutages. Avec un chalumeau à 10 ajutages le temps de soudure est augmenté de 25 s. 20 Mais dans l'utilisation d'un chalumeau à 7 ajutages au moins, les flammes individuelles ne parviennent pas à recouvrir la surface totale des parties à joindre, ce qui a pour conséquence la présence d'inclusions d'oxydes. Bien que l'invention ait été décrite dans une mise en oeuvre comportant la flamme oxyacétylénique, il doit être bien compris qu'elle n'est 25 pas limitée à celle-ci et que l'emploi de tout hydrocarbure à l'état gazeux tel que le propane rentre dans son cadre. POUR LES REFERENCES DU »E CIRE DESCRIPTIF RENV0YART AUX FIGURES"1 A" A"1D"ET "4A"Â "6',' LES PLANCHES 1/4, III/4 ET IV/4 DEPOSEES AU DOSSIER PEUVENT ETRE CONSULTEES A L'INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIETE INDUSTRIELLE. BAD ORIGINAL 69 32807 9 2018877 REVENDICATIONS 1 - Procédé de soudage en bout de barres d'acier de grande section, notamment de diamètre au moins égal à 30 mm, comprenant l'application d'une pression suffisante à deux éléments de barres alignés pour être 5 soudés par pression en même temps que le chauffage des parties à assembler sous une température de soudage avec une flamme hautement réductrice de combustion hydrocarbure-oxygène, afin de déposer du carbone sur les surfaces d'acier. 2 - Procédé selon la revendication 1 dans lequel après dépôt 10 de carbone, la flamme réductrice est amenée à l'état neutre, la pression appliquée étant alors réduite. 3 - Procédé selon l'une des. revendications 1 et 2 dans lequel la flamme hautement réductrice est obtenue avec un rapport de mélange hydrocarbure-oxygène compris entre 1,3 et 2. 15 4 - Procédé selon l'une des revendications précédentes dans lequel le dispositif de chauffage desdites parties à souder est un chalumeau à ajutages en couronne ou arc. 5 - Procédé selon la revendication 4 dans lequel la flamme réductrice a une longueur de cône brillant comprise entre les trois quarts .20 et la moitié du rayon de la couronne ou arc. 6 - Procédé selon l'une des revendications 2 à 5 dans lequel la flamme réductrice est maintenue, puis amenée à l'état neutre, et la pression est modifiée selon le graphique de la figure 2. 7 - Procédé selon l'une des revendications précédentes dans 25 lequel l'hydrocarbure gazeux est l'acétylène.