Brevet FR2029749A1 — publié le 19701023

-1 - 2029749 La présente invention se rapporte d'une manière générale à -un procédé et/un appareil de soudage él^î tri que par résistance, et plus particulièrement à un procédé et/un appareil servant à former un joint soudé le long de parties d'ébauches métal-5 liques qui se recouvrent. Dans le domaine du soudage des corps de boîtes métalliques, les ébauches utilisées pour former ces corps reçoivent couramment une forme tubulaire comportant des bords se recouvrant qu'on fait passer entre des électrodes de soudage afin de les 10 souder le long d'un joint. Jusqu'à présent, la résistance électrique présentée par les bords se recouvrant présentait des variations étendues et de ce fait, l'énergie calorifique ou l'énergie de soudure produite par le courant de soudage est également sujette à des variations étendues qui tendent à produire des soudures peu 15 satisfaisantes lorsque des joints étanches au gaz sont nécessaires. En conséquence, la présente invention a pour but de fournir : - un procédé de soudage par résistance dans lequel une pression élevée et un courant intense sont utilisés en même temps 20 pur obtenir une variation minimale de résistance des parties se recouvrant et obtenir de cette manière une soudure améliorée. - un appareil capable de mettre en oeuvre le procédé de l'invention suivant le paragraphe ci-dessus. - un procédé de soudage du joint des corps de boîtes 25 métalliques consistant à donner aux ébauches une forme tubulaire dont des parties se recouvrent, à introduire ces parties entre deux . éléctrodes alignées qui appliquent une pression élevée sur ces parties, en faisant également passer un courant de soudage intense dans les ébauches. 30 D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention ressortiront au cours de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés qui donnent à titre explicatif, mais nullement limitatif, plusieurs formes de réalisation conformes à l'invention. 35 Sur ces dessins, La Fig. 1 est -une vue schématique d'un appareil de soudage des joints des corps de boîtes métalliques selon l'invention; La Fig. 2 est une vue en perspective d'un cylindre tubulaire représentant les parties qui se recouvrent ; 40 La Fig. 3 est une vue à grande échelle, en partie en 70 01112 - 2 - 2029749 coupe, représentant une ébauche soudée par les électrodes de soudage ; 5 La Fig. 4 est un graphique représentant la variation de la résistance électrique en fonction de la pression ; La Fig. 5 est une vue en bout des électrodes mises en forme pour faciliter l'écoulement latéral du métal ; La Fig. 6 est une vue schématique d'une partie d'un système de réaction servant à régler la pression appliquée ; et La Fig. 7 est une vue schématique d'un second syatème 10 de réaction sensible à la fois à la température et à l'épaisseur du recouvrement. En .se reportant aux. dessins, les Fig. de 1 à 3 indiquent, sous-la forme d'un schéma synoptique,un appareil 10 qui peut -être de n'importe quel type connu approprié servant à donner 15 . à des ébauches métalliques 11 la forme tubulaire de corps de boîtes métalliques. L'appareil 10 comprend un mandrin métallique allongé 12, et un moyen d'avance 13 servant à transporter les ébauches 11 le long du mandrin 12. A mesure que lés ébauches 11 sont déplacées le long àu manâ^rLa 12, des moyens de formage 14 cour-20 bent progressivement les é touches 11 et les font passer d'une forme rectangulaire plane à une forme cylirifrique fermée entourant le mandrin 12 de façon à former les ébauches 11 de telle sorte que leurs bords latéraux 15 et 16 (voir Fig. 2 et 3) se rencontrent et se recouvrent pour former une partie en recouvrement 17 d'une 25 -étendue triple à découpe de l'épaisseur- de la tôle."' se recouvrent sont alors soudées par points à l'aide d'un moyen de soudure 28, à des intervalles le long du recouvrement afin de maintenir les bords des ébauches alignés avant de les.faire pas-30 ser entre les électrodes de soudage. L'ébauche cylindrique 11 soudée par points passe ensuite entre deux électrodes 18 et 20 formées par des galets juxtaposés qui agissent à la fois comme 35 à tourner et est disposée de telle sorte que sa surface périphérique vient en contact avec la surface supérieure (en observant -les Fig. 1 et 2) du bord 15 de l'ébauche pendant le passage de celle-ci entre les électrodes, après avoir été formée. 40 de façon à être alignée sur la première et sa surface périphérique D'une manière classique, les partiescfes ébauches 11 qui i/soudage et comme éléments de forgeage. L'électrode 18 en forme de galet est montée de manière La seconde électrode 20 en forme de galet est disposée 70 0-11 12 - 3 - 2029749 est disposée de manière à venir en prise avec une surface infé-rxeure du bord 16 de l'ébauche pendant le passage de celle-ci entre les deux électrodes 18 et 20. L'électrode 20 est montée et supportée de manière à tour-5 ner et de manière à pouvoir f^r^Léplacée vers le haut par un dispositif de montage approprié tel qu'un dispositif de commande 25 à action rapide qui applique -une force à l'électrode 20 et aux ébauches qui passent entre les électrodes. Il va de soi, bien entendu, que bien que dans le mode de 10 réalisation représenté les électrodes décrites soient du type à galet , la présente invention ne se limite pas à ce'type mais peut également s'appliquer à un appareil dans lequel on utilise cL'autres types d'électrodes telles que des électrodes glissantes. Une source de courant appropriée 35 fournit un courant 15 d'amplitude relativement constante et est connectée électriquement aux électrodes 18 et 20 par des conducteurs 23 et 24 qui viennent en contact avec les électrodes 18 et 20 par des connexions de montage tournantes appropriées 25 et 26. Comme on le sait, le mandrin métalliques 12 peut constituer lui-même une partie de l'un des 20 conducteurs 23 ou 24 de sorte que le courant est transmis paria mandrji^ -même ou par des conducteurs à faible résistance qu' il contient. Suivant la présente invention, les électrodes appliquent une pression élevée à l'ébauche 11 qui est soudée pendant qu'un 25 courant intense est fourni en même temps aux électrodes 18 et 20. Il convient de noter que les électrodes à galet, 18 et 20 appliquent une pression élevée et un courant intense à une surface relativement petite du métal en recouvrement à un instant donné. De cette manière, des pressions de l'ordre de 5600 à 7000 bars et des den-30 sités de courant de l'ordre de 7750 ampères par millimètre carré sont utilisées d'une manière avantageuse pour obtenir des soudures de qualité constamment élevée. Comme exemple, la résistance élastique de latôle des ébauches 11 utilisées dans une application est comprise entre en- 35 viron 4900 et 6300 kg par centimètre carré. La force appliquée par l'électrode est d'environ 63,5 kg et la surface réelle de contact entre les éléctrodes et les ébauches métalliques, ce qu'on appelle"1'empreinte du pied de l'électrode présente une largeur d'environ 0,102 cm et -une longueur d'environ 0,102 cm pour une sur- 2 40 face effective d'environ 0,01 cm , 70 01112 - 4 - 2029749 Pour une force de 63,5 kg, la pression, moyenne équiva-lente est de l'ordre de 6350 kg/cm . Du fait que la tôle n'est pas parfaitement lisse, initialement les électrodes appliquant cette force de 63,5 kg à une surface beaucoup plus petite qui 5 est constituée par les points hauts de l^tôle et de ce fait la pression initiale qui est appliquée est extrêmement élevée. Comme indiqué plus haut, un courant relativement intense et essentiellement constant est appliqué aux électrodes en même temps que celles-ci appliquent la pression aux ébauches 10 métalliques 11. La résistance électrique de la petite surface sur laquelle la pression est appliquée initialement est relativement élevée, et de ce fait le courant constant qui est fourni fait chauffer rapidement cette petite surface. Il faut un chauffage rapide et par suite un soudage rapide du fait qu'il est souhaita-15 ble de faire fonctionner l'appareil de soudage à des vitesses suivant lesquelles au moins 250 ébauches de corps de boîtes métalliques, présentant chacune une longueur de 12,5 cm , sont soudées par minute. Les ébauches 11 se déplaçant dans un plan horizontal 20 (en observant la Fig. 1) exercent une force F dont la composante verticale effective est égale à environ .0,1 F. De ce fait, si les électrodes en forme de galet sont repoussées l'une vers l'autre ou viennent en butée, il faut une force horizontale importante pour introduire entré elles une ébauche 11. En conséquence, 25 il est souhaitable de programmer la force F eb de la faire varier en fonction du temps ou de la position de chaque ébauche 11 pendant le cycle de soudage.Dans le mode de réalisation représenté sur la Fig. 1, un dispositif de commande à grande vitesse tel que par exemple un dispositif de commande "Polynoid" est utilisé 30 pour faire varier la force exercée sur les électrodes. On a trouvé que le taux de variation de la résistance électrique diminue lorsque la pression est augmentée, suivant les courbes A et B de la Fig. 4 qui représentent les résultats obtenus à partir de nombreux essais. La résistance indiquée le 35 long de l'axe des abscisses de la Fig. 4 comprend les résistances çombinées de la charge électrique de l'ébauche ('ouvrage) et de toutes les résistances de contact qui existent entre'le conducteur 23, l'électrode 18, l'ébauche 11, l'électrode 20 et le conducteur 24. Comme on le voit sur la Fig. 4, la résistance électri-40 que des ébauches 11 varie en fonction de la pression et passe d'une 70 01112 -5- 2029749 'V valeur élevée pour des pressions de quelques kg/cm à une valeur relativement faible et constante pour des pressions d'environ 5 2 0,07 X 10 kg/cm , et au-dessus. En conséquence, lorsque le soudage est effectué sous 5 -une pression élevée, les variations de pressions des électrodes produisent des variations relativement faibles de la résistance de la charge électrique, c'est à dire que la résistance présentée au passage du courant de soudage par toutes les résistances de contact du circuit électrique ainsi que par les résistances des 10 électrodes et des ébauches est relativement plus constante. De plus, pour les pressions élevées auxquelles on fait fonctionner l'appareil selon l'invention, il y a beaucoup moins de différence entre la résistance de la soudure par points et la résistance du joint par recouvrement entre les soudures par points, ce qui assure 15 la formation de soudures plus uniformes et plus constantes sur toute la longueur du joint soudé. L'accroissement de pression fait également réduire l'amorçage des arcs et le chauffage des électrodes qui peut être dû à un contact électrique médiocre,ce qui permet de réduire ainsi l'usure des électrodes et de tendre également à pro-20 duire des soudures meilleures et plus uniformes. Il convient de noter que ce qui précède diffère de la technique antérieure dans laquelle on enseigne qu'une pression relativement légère doit être exercée sur les éléments se recouvrant pendant le chauffage afin d'augmenter la résistance électri-25 que offerte par la charge électrique, c'est à dire l'ouvrage. A la suite de cette phase de chauffage, certains procédés de la technique antérieure font appliquer une pression momentanée qui suit immédiatement le chauffage afin de forger ensemble les matières. Cependant, dans ces procédés de la technique antérieure où l'on 30 applique une pression légère pendant le chauffage, le processus du chauffage est difficile à régler dii^ fait que pour des faibles pressions, une très faible variation de/^pression produit une variation très importante de la résistance de la charge. L'importance de la pression qui doit être appliquée aux 25 ébauches pour les souder dépend d'un certain nombre de facteurs. Par exemple, tandis que la résistance électrique du métal augmente lorsque la température augmente, la surface sur laquelle la près- ©i? cLu sion est appliquée augmente / "que les surfaces de l'ouvrage, aussi bien que les surfaces des électrodes, sont soumises à des 40 déformations et en conséquence la résistance électrique -globale OIT 12 - 6 - 2029749 entre les électrodes et les ouvrages ainsi que la résistance entre les^surfaces de l'ouvrage diminuent. De ce fait, la densité de courant(c'est à dire le courant par unité de surface)diminue, ce qui fait "également diminuer la rapidité du chauffage. Lorsque la même force est appliquée à une plus grande surface, la pression se réduit et de ce fait la résistance électrique de l'ouvrage tend à augmenter . De cette manière, du fait qu'il y a diverses variables qui sont inconnues, on a trouvé que la force appliquée à l'électrode et la gamme des pressions qui doivent être appliquées aux ébauches à souder est déterminée de la manière la plus commode d'une manière empirique plutôt que théorique. Il convient également de noter qu'une pression trop élevée se traduit par un plissage excessif des ébauches aux endroits des recouvrements, et par un gonflement de la boîte métallique. De plus, des pressions trops élevées ont pour résultat de faire subir aux électrodes une usure excessive. De plus, comme on peut l'observer $ur les courbes de la Fig. 4, on a atteint un point de diminution où la résistance reste essentiellement constante quelle que soit la pression appliquée. Les pressions élevées et 1'échauffement du métal produisent un écoulement latéral de la matière de sorte que l'épaisseur des surfaces qui sont en recouvrement se trouve réduite d'environ 40 i°. C'est à dire que si l'épaisseur initiale du recouvrement est de 2 t, l'épaisseur finale du joint en recouvrement est réduite à environ 1,2 t. Dans ce mode de fonctionnement, et dans ces limites, il n'y a que peu d'écoulement longitudinal du métal, comme indiqué par le fait que les soudures par points ne sont pas rompues et il n'y a également aucun gauchissement ni ondulation appréciables produits le long du joint. On a trouvé qu'avec un recouvrement très étroit et avec une pression de forgeage très élevée, la structure en recouvrement normale peut tendre à prendre la forme d'une surface de jonction en diagonale qui est typique pour une structure en recouvrement écrasée. Cependant, avec une source de courant constant même le recouvrement nettement réduit n'est pas surchauffé et la température du métal au point de soudage peut diminuer en réalité. Ceci-peut être dû au fait que lorsque des recouvrements très étroits sont utilisés, il se prakit.un effet de cisaillement entre les deux morceaux, ce qui met à découvert une quantité supplémentaire de métal et abaisse la résistance de la surface de jonction en 70 01112 - 7 - 2029749 limitant nettement de cette manière .l'effet d'échauffement dû à •une densité de courant plus élevée. Les recouvrements étroits permettent également de réduire la quantité de matière qui est ajoutée à la. dimension circonférentielle de l'ébauche et par 5 suite de réduire ce qu'on appelle l'effet de banane et/ou les ondulations ou les plis. Bien qu'on obtienne un écoulement latéral de la matière en utilisant des électrodes en forme de galet présentant des surfaces périphériques planes, l'écoulement latéral du métal peut 10 être accru en mettant en forme l'une des électrodes de forgeage en forme de galet de manière à présenter un contour plat à l'extérieur du joint, l'autre électrode à galet de forgeage présentant un petit rayon, comme on l'a représentée d'une manière exagérée sur la Fig. 5. Le chauffage rapide du métal dans la zone de pince-15 ment entre les galets et le refroidissement rapide qui suit après que le métal a passé entre ceux-ci tend à empêcher tout écoulement longitudinal. Il convient de noter également que les électrodes présentent -une largeur beaucoup plus grande que les bords de l'ébauche qui se recouvrent et que de ce fait les électrodes 20 viennent en contact sur toute la largeur du recouvrement quelles que soient les variations de positions de ce dernier par rapport aux électrodes. Un système de réglage à réaction, tel que celui représenté sur la Fig. 6, permet de détecter l'épaisseur du joint en 25 recouvrement sortant des électrodes de soudage. L'ensemble de détection peut comporter un indicateur d'épaisseur 32 utilisant les rayons X, ou bien un indicateur à courants^ï'oucauli^le n'importe quel type approprié. Pour toute tôle donnée, l'epaisseur du joint en recouvrement qui sort des électrodes dépend de la pression 30 appliquée par celles-ci. Le système de réglage à réaction de la Fig. 6 assure de cette manière un réglage de la force qui est appliquée aux ébauches 11 par les électrodes 18 et 20, suivant une pression appliquée voulue choisie au préalable. Un second système de réglage à réaction,comprenant un appareil de mesure sensi-35 ble à la chaleur 33 de n'importe quel type approprié, peut être utilisé en même temps, cet appareil étant sensible à la température et permettant un réglage qui dépend à la fois des opérations de chauffage et de forgeage ou d'application de la pression, comme on le voit sur la Fig. 7. 40 II va de soi que la présente invention n'a été décrite 70 01112 - 8 - 2029749 qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et qu'elle est susceptible de diverses variantes sans sortir de son cadre. 70 01112 - 9 - 2029749 BBTENIIXCATIONS '/ ' 1. Procédé de soudage par résistance, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser des électrodes de soulage juxtaposées reliées à un circuit électrique associé dont elles font partie, 5 à utiliser des ébauches métalliques et à les mettre en forme de façon à ce qu'elles présentent des bords se recouvrant, à déplacer les bords se recouvrant entre les électrodes et à,leur contact afin de les souder, à appliquer une force aux électrodes pour appliquer une pression élevée sur la surface des bords se fO recouvrant qui sont en contact avec les électrodes,et à faire passer un courant à travers les électrodes pour fournir • un courant de soudage de densité élevée traversant les bords en recouvrant dans la région de contact des électrodes et des ébauches de manière à obtenir des soudures do qualité élevée constante,, 15 2. Procédé de soudage d'un joint , caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser des électrodes de soudage juxtaposées connectées à un circuit électrique associé dont elles font partie, à utiliser des ébauches métalliques en tôle et à les mettre en forme de telle sorte qu'elles comportent électrique est maintenue à une valeur minimale de façon à obtenir 30 des soudures de qualité constamment élevée. 3. Procédé de soudage des joints d'ébauches en tôle pour former des corps de boîtes métalliques, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre en forme les ébauches en leur donnant une configuration tubulaire consistant à placer deux des bords des ébauches 35 de manière à les recouvrir, à utiliser deux électrodes alignées, à repousser les électrodes en contact avec les bords se recouvrant de l'ébauche afin d'appliquer une pression rentrant dans la gamme de la résistance élastique du métal de la tôle des ébauches, à appliquer un courant de soudage aux bords se recouvrant dans la 40 région de contact des électrodes avec lesdites ébauches de sorte 70 01112 - 10 - 2029749 que la résistance offerte par le circuit traversé .par le courant i qui comprend les électrodes et les bords se recouvrant de l'ébauche est maintenu relativement constante afin d'obtenir des soudures de qualité constamment élevée. 5 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ~ ce que la pression appliquée est comprise entre 5600 et 7000 kg/ cm2. • 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la densité du courant est comprise entre 1550 et 7550 am- 10 pères par ,mm2. 6. Appareil servant à former des corps de boîtes métalliques en soudant le joint formé par des bords se recouvrant d'ébauches en tôle , caractérisé en ce qu'il comprend des électrodes de soudage associées, un moyen introduisant les bords se 15 recouvrant des ébauches entre les électrodes et à leur contact , des moyens de conduction électriques servant à fournir le courant de soudage aux électrodes et à le faire passer à travers les bords se recouvrant, -une source de courant étant connectée électriquement aux:moyens de conduction afin d'appliquer un courant 20 alternatif aux électrodes et faire passer un courant de soudage de densité élevée dans la . zone de l'ébauche qui est soudée, un moyen appliquant une force aux électrodes afin d'appliquer une pression rentrant dans la gamine de résistance élastique de la tôle des ébauches sur la surface des bords se recouvrant en con- 25 tact avec les électrodes de sorte que la résistance'électrique des ébauches et du circuit est réduite et que toute variation de la résistance électrique est maintenue à une valeur minimale de manière à dDtenir des soudures de qualité constamment élevée. 7. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en 2 30 ce que la pression est comprise entre 5600 et 7000 kg/ cm . 8. Appareil suivant la revendication 7> caractérisé en ce que la densité de courant est comprise entre 1550 et 7750 am- 2 peres par mm • 9. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en 35 ce que les électrodes de soudage sont constituées par deux électrodes en forme de galet juxtaposéss, l'une des électrodes étant -formée de manière à présenter un contour périphérique plat et l'autre électrode étant formée de manière à présenter un contour périphérique radial de façon à accroître l'écoulement latéral du métal 40 01 112 - 11 - 2029749 10. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un système de réglage par réaction comprenant un. moyen détectant l'épaisseur du joint soudé et émettant un signal proportionnel à cette épaisseur, un moyen appliquant le signal de façon à régler la force appliquée aux électrodes et par suite la pression effective. 11. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un système sensible à la température comprenant un moyen détectant la chaleur produite pendant le soudage des ébauches et émettant un signal proportionnel à cette chaleur, un moyen appliquant ce signal de manière à régler le courant fourni aux dites électrodes. 12. Appareil suivant la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend de plus un moyen de commande à grande vitesse servant à appliquer sélectivement une force aux électrodes suivant la position d'une ébauche par rapport à celles-ci.