Brevet FR2081658A1 — publié le 19711210

La présente invention concerne les procédés de fabrication de produits métalliques de formes complexes, consistant à réunir les parties constitutives du produit par assemblage non démontable, réalisé de diverses manières, par exemple par soudage, par soudage. par emmanchement à chaud, etc...., ainsi qutun moule (creuset) pour l'élaboration de l'une des parties d'un tel produit. L'invention peut etre appliquée, par exemple, à la fabrication de corps de vannes pour les ensembles-énergétiques des centrales thermiques, de vilebrequins et de bielles de moteurs Diesel de grande puissance,d'helices de propulsion, de corps de récipients pour hautes pression avec tubulures, de grosses pièces à section variable fabriquées d'ordinaire à partir d'ébauches forgées, etc.... On connaît un procédé de fabrication de produits de formes complexes par soudage des parties constitutives de ces produits, par exemple: corps de récipients réalisés par assemblage de viroles, de fonds et de tubulures; rotors de turbines à gaz ou à vapeur réalisés par assemblage d'arbres, de disques, de jantes; etc.... On connaît aussi un procédé de fabrication de gros vilebrequins par assemblage de flasques, de tourillons et de manetons fabriqués séparément. les tlasques#en acier sont moulés dans du sable et les tourillons et manetons sont façonnés par forgeage de lingots. Après un usinage approprié par enlèvement de métal, au cours duquel les flasques sont alésés et les tourillons et manetons tournés,-ces éléments sont assemblés par emmanchement à chaud pour constituer le vilebrequin. C'est de cette façon que sont fabriqués les vilebrequins pour les moteurs Diesel marins construtfz par la firme danoise "Burmeister & Wain". On connaît des moules (creusets) pour l'élaboration de produits ou de parties de produits par refusion sous laitier électroconducteur, par exemple d'une électrode consommable(voir, par exemple, G. Bhat "Les réalisations modernes dans le domaine de la refusion sous laitier électroconducteur, "les problèmes du soudage et de ltélectrométallurgie spéciale", partie 4, "Naou- kova Doumka", Kiev, 1970). Toutefois, le procédé connu présente des inconvénients notables. Par exemple, la fabrication des structures soudées en général et la fabrication des corps de récipients, rotors de turbines à gaz et à vapeur, etc.... en particulier, exige beaucoup de main-d'oeuvre et, avant tout, de nombreux travaux d'assemblage par soudage. le soudage d'ébauchés de fortes épaisseurs, par exemple en aciers alliés, est de plus compliqué par la nécessité d'un préchauffage. En outre, jusqu'ici le soudage de certains aciers à grande résistance mécanique était tout à fait impossible. le procédé connu de fabrication des vilebrequins, consistant à assembler les flasques, les tourillons et les manetons par emmanchement à chaud, présente des inconvénients importants. En premier lieu, le moulage en sable des flasques s'accompagne d'un pourcentage élevé de rebuts. En outre, le métal coulé présente des propriétés mécaniques insatisfaisantes, surtout en ce qui concerne les propriétés plastiques. De plus, dans le procédé connu consistant à assembler les flasques, les tourillons et les manetons par emmanchement à chaud, le coefficient d'utilisation du métal est extremement bas. Cela s'explique par le fait que, seulement pour assurer des assemblages tourillonflasque et tourillon-maneton fiables, on doit prévoir autour de l'alésage du flasque une épaisseur importante de métal qui ne participe pratiquement pas au travail du flasque. les tentatives faites pour réaliser les vilebrequins par assemblage de manivelles préfabriquées, lesquelles étaient réalisées par moulage ou forgeage, ont aboutit à des procédés dont l'efficacité est, elle aussi, insuffisante, car dans les deux cas, ils entraînent une augmentation notable de la maind'oeuvre pour la fabrication et une augmentation importante du prix de revient du vilebrequin. le but de la présente invention est supprimer les inconvénients indiqués ci-dessus. Il s'agissait donc de créer un procédé de fabrication de produits métalliques de formes complexes et un moule pour l'élaboration de l'une des parties d'un tel produit, qui permettraient de simplifier notablement le procédé de fabrication et d'améliorer considérablement leur qualité. La solution consiste en ce que, dans le procédé de fabrication de produits métalliques de formes complexes, consistant à réunir leurs parties préfabriqué par assemblage non démontable, suivant l'invention lesdites parties du produit à obtenir sont assemblées par auto-soudage, ce dernier étant obtenu en disposant lesdites parties préfabriquées de telle façon, par rapport à un moule ou creuset de refusion que leurs portions à souder débouchent dans la cavité du moule dans laquelle s'effectue ladite refusion, l'autre partie dudit produit à obtenir étant élaborée dans ce même moule par refusion d'une pièce métallique qui est partiellement plongée dans le bain de laitier se formant dans le moule de refusion et à travers lequel on fait circuler un courant électrique dégageant dans ledit bain de laitier la chaleur nécessaire à la fusion de ladite pièce métallique et à l'auto-soudage desdites parties préfabriquées du produit à obtenir à sa partie ainsi élaborée dans le moule. Il est avantageux, quand le bain de laitier atteint la portion à souder de l'une desdites parties préfabriquées du produit à obtenir d'abaisser la tension électrique appliquée au bain de laitier jusqu a une valeur inférieure à la tension nominale de travail. Suivant l'invention, quand le bain de laitier atteint ladite portion à souder, on peut faire circuler le courant à travers ladite pièce métallique à refondre, ledit bain de laitier et ladite partie préfabriquée. Dans le cas d'assemblage par auto-soudage de parties préfabriquées creuses, on peut boucher au préalable les cavités de celles-ci avec un matériau de remplissage. L'invention a également pour objet un moule de fusion la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, ledit moule étant caractérisé en ce qu'il comporte, à l'endroit où ladite partie préfabriquée du produit à obtenir doit être assemblée par auto soudage en étant mise en contact avec le métal en fusion se trouvant dans le moule, une ouverture dont les dimensions et la forme correspondent aux dimensions et à la forme de la portion à souder de ladite partie préfabriquée, ladite ouverture comportant, à son extrémité débouchant sur la paroi intérieure du moule, un élargissement ou chambrage assurant la formation dtun garnissage de scorie dont le volume est suffisant pour l'évacuation uniforme de la chaleur de la zone de soudage. Plus loin, la présente invention est expliquée par des exemples de réalisation non limitatifs et par les dessins annexés qui représentent: - la figure 1, un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé pour la fabrication d'un corps de vanne, suivant l'invention; - la figure 2, la courbe de variation de la tension électrique de travail au cours de l'élaboration du corps de vanne, suivant l'invention; - la figure 3, un schéma illustrant la mise en oeuvre du procédé pour la fabrication d'un vilebrequin, suivant l'invention; - la figure 4, une autre variante de fabrication d'un vilebrequin, suivant l'invention; - la figure 5, un schéma de mise en oeuvre du procédé pour la fabrication d'une manivelle de vilebrequin, suivant l'invention; - la figure 6, une vue de dessus correspondant à la figure 5; ; - la figure 7, une autre variante de fabrication d'une manivelle de vilebrequin, suivant l'invention; - la figure 8, encore une variante de fabrication d'une manivelle de vilebrequin, suivant l'invention. Pour simplifier la compréhension de l'essentiel du procédé faisant l'objet de l'invention, la description qui suit est faiteetpcrtesur des exemples concrets de fabrication de produits de formes complexes, par exemple d'un corps de vanne pour un ensemble énergétique de centrale thermique. les parties préfabriquées à assembler par auto-soudage sont mises en contact avec le métal en fusion. Plus précisément, les tubulures 1 et la bride 2 sont placées dans un moule refroidi 3 à l'endroit où elles doivent être soudées, de telle façon que leur portions à souder soient orientées vers la cavité utile du moule 3; l'auto-soudage s'effectue directement pendant la refusion d'une pièce métallique 4 partiellement plongée dans un bain de laitier se formant dans le moule 3 et traversé par un courant électrique qui y dégage la chaleur nécessaire à la refusion de la pièce 4 et à l'auto-soudage des tubulures 1 et de la bride 2 au corps de vanne 5 ainsi élaboré dans le moule 5. La qualité du soudage des tubulures 1 et de la bride 2 dépend dans une grande mesure de la profondeur d'échauffement de leurs portions à souder. A cet effet, au moment où le bain de laitier atteint la portion à souder, par exemple celle de la tubulure 1, on peut conduire la refusion sous laitier électroconducteur de la pièce 4 sous une tension électrique plus faible que la tension nominale de travail. La baisse de tension optimale à l'endroit du soudage se situe entre 20 et 50% de la tension nominale de travail. La courbe de variation de la tension de travail en fonction de la hauteur du moulage au cours de l'élaboration du corps 5 et de l'assemblage par auto-soudage des tubulures 1 et de la bride 2 à ce corps, est représentée sur la figure 2. Pendant l'élaboration du fond du corps 5 ( portion OA ), la tension de travail est à sa valeur nominale. Au moment où commence l'auto-soudage des tubulures 1, cette tension est abaissée et pendant toute la durée de l'auto-soudage elle reste à ce niveau ( portion AB ). A la fin de l'auto-soudage des tubulures 1, on augmente de nouveau la tension jusqu'à la valeur nominale et on la maintient à ce niveau pendant l'élaboration de la paroi du corps 5 ( portion DC). Au moment où s'effectue l'auto-soudage de la bride 2, on abaisse de nouveau la tension (portion CD). La qualité du soudage des parties constitutives du produit à obtenir dépend aussi de la distribution du courant électrique dans la partie du produit en cours d'élaboration. les conditions les plus favorables pour l'auto-soudage sont obtenues quand tout le courant, ou au moins sa plus grande partie, passe par la portion à souder des parties préfabriquées du produit. C'est pourquoi, au cours de l'élaboration du corps 5 et de l'autosoudage des tubulures I et 2 à ce corps, on ouvre le circuit entre le demi-produit 4 et l'élément de fond (amorce) 6, et on fait passer le courant à travers la pièce à fondre 4, le bain de laitier et la tubulure 1 (et ensuite la bride 2). Etant donné que les tubulures 1 sont creuses, pour conserver les dimensions de leurs cavités on bouche ces cavités avec un matériau de remplissage 7 avant de procéder à l'autosoudage des tubulures 1. lie matériau de remplissage peut être constitué, par exemple, par le flux employé lors de l'élaboration de la partie du produit a obtenir par refusion sous laitier électroconducteur. Le matériau de remplissage peut aussi être du graphite ou un flux à point de fusion plus élevé que le point de fusion du flux employé d'ordinaire pour la refusion. Si la forme des cavités des tubulures est relativement simple, par exemple cylindrique, on peut pour les préserver pendant l'autosoudage des tubulures, utiliser à la place du matériau de remplissage un noyau refroidi. Il est bien évident que les parties préfabriquées du produit à assembler par auto-soudage peuvent avoir 'importe quelle autre forme beaucoup plus complexe, mais dans tous les cas la séquence des opérations décrites plus haut pour la fabrication du produit reste la même. Par exemple, par le procédé décrit plus haut on peut fabriquer un corps de réacteur atomique avec des tubulures disposées dans la zone de la bride, ou bien une hélice de propulsion que l'on obtient en soudant les pales, mises au préalable en position par rapport au moule, à un moyen élaboré par refusion dans le moule. A titre d'exemple de fabrication d'autres produits de formes complexes par le procédé proposé, on peut citer la fabrication de vilebrequins pour gros moteurs Diesel marins. A l'endroit de soudage par contact avec le métal en fusion, on dispose deux flasques 8 (figure 3) du vilebrequin, et leur auto-sondage au tourillon 9 s'effectue au cours de l'élaboration du tourillon 9 lui-même dans l'ouverture des flasques 8 et dans le moule intermédiaire 10, par refusion sous laitier électroconducteur d'une pièce métallique 4 pouvant être mobile ou fixe. Pour assurer un soudage de qualité, à l'endroit où les flasques 8 se soudent au tourillon 9 du vilebrequin, on exécute la refusion sous une tension électrique inférieure à la tension nominale de travail, mais suffisante pour un bon soudage. Au cours de l'élaboration du tourillon (maneton) 9 et du soudage à ce tourillon des flasques 8, on ouvre le circuit entre le demi-produit 4 et la plaque de fond 6, et on fait passer le courant à travers la pièce à refondre 4 et le flasque 8 (d'abord l'une, ensuite l'autre). On peut fabriquer un vilebrequin en élaborant les flasques 8 du vilebrequin par refusion sous laitier électro-conducteur d'une pièce 4 dans un moule 10, les tourillons (manetons) 9 (figure 4) mis en place au préalable étant successivement soudés à ces flasques en étant mis au contact du métal en fusion. Dans ce cas on peut, chaque fois que cela est nécessaire, modifier la tension de travail à l'endroit où les tourillons (manetons) 9 se soudent au flasque 8 en cours d'élaboration, ouvrir le circuit entre le demi-produit 4 et la plaque de fond 6 et faire passer le courant à travers le demi-produit 4, le bain de laitier et le tourillon (maneton) 9 lors de son soudage au flasque 8 en cours d'élaboration. le procédé le plus simple et le plus facilement réalisable pour fabriquer un vilebrequin est celui consistant à assembler ses manivelles, lesquelles sont obtenues en assemblant l'une de ses parties constitutives (flasques ou tourillon) à l'autre (tourillon ou flasques) au cours de l'élaboration de ceux-ci. les flasques 11 (figures 5 et 6) sont disposés, à l'endroit où ils doivent se souder au maneton 12, dans les ouvertures 13 d'un moule 14 servant à élaborer le maneton 12. L'élaboration du maneton 12 s'effectue par refusion sous laitier électroconducteur d'une pièce métallique mobile 15 ou d'un demi-produit fixe 16 (figure 7). Pendant l'élaboration du maneton 12, les flasques 11 se soudent à lui en formant une manivelle de vilebrequin dans laquelle l'assemblage des flasques 11 au maneton 12 n'est pas démontable#. Pour constituer le vilebrequin les manivelles ainsi obtenues peuvent etre assemblées par emmanchement à chaud sur les tourillons. Une autre variante du procédé proposé peut etre mise en oeuvre pour la fabrication d'une manivelle. Le maneton 12 est placé dans un moule 17, puis, par refusion sous laitier électroconducteur d'une pièce métallique 18, on élabore à tour de roide ou simultanément les flasques 19, en obtenant ainsi l'auto-soudage à ces flasques des manetons 12 (figure 8) préfabriqués. Dans les flasques 11 (figures 5, 6) de la manivelle fabriquée suivant la première variante décrite ci-dessus, on peut ménager au préalable des ouvertures 20, ce qui facilite l'usinage des manivelles par enlèvement de matière avant leur assemblage pour constituer le vilebrequin. La manivelle de vilebrequin, peut, au besoin, etre fabriquée en appliquant les modes opératoires décrits plus haut (changement de la tension de travail, changement des endroits où est amené le courant électrique, etc....). Un exemple de moule (creuset) pour la réalisation du procédé décrit plus haut pour la fabrication d'un corps de vanne pour les installations des centrales thermiques est montré sur la figure 1. Dans le moule 3, aux endroits où les tubulures 1 et la bride 2 doivent se souder au corps 5, il y a des ouvertures dont les dimensions et la forme correspondent aux dimensions et à la forme des tubulures 1 et de la bride 2 à souder; ces ouvertures présentent du coté de la surface intérieure du moule 3, un chambrage 21 dont les dimensions assurent la formation d'un garnissage de scorie dont le volume est suffisant pour l'évacuation uniforme de la chaleur des zones de soudure. Sans ce chambrage, des défauts pourraient apparaître au bord intérieur de l'ouverture du moule 3 pendant l'élaboration du produit par suite de ltévlcuation intense de la chaleur, ces défauts se présentant sous forme d'incohésions dans la zone de raccordement entre la tubulure 1 et le corps 5, à la surface du corps 5. Par exemple, pour les tubulures à diamètre extérieur de 200 mm et épaisseur de paroi de 50 mm, le chambrage peut avoir une profondeur de 4. à 5 mm et une largeur de 20 à 25 mm. Selon la forme de la portion à souder de la partie préfabriquée, le chambrage ménagé près de la zone de soudage peut aussi avoir d'autres formes. le moule 14, pour l'élaboration d'un tourillon (maneton) suivant la première variante du procédé de fabrication des manivelles de vilebrequin (figure 5), peut être réalisé sous forme d'un cylindre creux comportant dans sa paroi latérale deux ouvertures 13, dont la forme et les dimensions correspondent à la forme et aux dimensions des portions à souder des flasques 11, la distance entre les ouvertures 13 correspondant à l'écartement des flasques 11. Dans chaque cas particulier,le moule peut avoir la forme correspondant à la forme de la partie du produit à élaborer, la distance entre ses ouvertures étant égale à la distance entre les parties à assembler par auto-soudage et la forme et les dimensions de ces ouvertures correspondant à la forme et aux dimensions des parties du produit à assembler par auto-soudage. Le procédé proposé pour la fabrication de produits métalliques de formes complexes par assemblage de ses parties constitutives, permet de réaliser ces produits composites, c'est-à-dire que le métal des parties assemblées par autosoudage et celui des parties élaborées par refusion peuvent avoir des compositions chimiques différentes et, par conséquent, des caractéristiques mécaniques différentes. Il est donc possible de réaliser les parties du produit soumises aux charges les plus élevées en un métal plus résistant, et inversement. Par exemple, en réalisant un vilebrequin composite, on peut diminuer ses dimensions et, par conséquent, son poids. les pales d'une hélice de propulsion, sollicitées par de fortes charges, peuvent être réalisées en acier plus résistant que le moyeu. L'emploi de produits composites est également très avantageux du point de vuede#abaissement du coût du produit, car il est inutile de les réaliser entièrement en matière coûteuse ou rare. Le procédé proposé permet aussi de réaliser des variantes dans lesquelles la partie élaborée par refusion peut avoir une composition chimique variable suivant la hauteur (figure 3); par exemple, la partie active des tourillons et des manetons d'un vilebrequin peut être élaborée en un métal plus résistant que la partie élaborée dans les flasques. Cela est obtenu en refondant des demi-produits composés de plusieurs parties, chacune ou quelques unes de ces parties différant de-s autres par leurs caractéristiques. le procédé proposé pour l'élaboration de produits de formes complexes est une solution nouvelle dans ce domaine. il eft extrêmement simple à réaliser, fiable et économiquement avantageux. Par ce procédé on peut fabriquer des produits dont le poids va de quelques centaines de kilogrammes (par exemple les corps de vannes pour centrales thermiques) à plusieurs dizaines et centaines de tonnes (par exemple les vilebrequins des moteurs Diesel marins). Un des avantages indiscutables du procédé proposé consiste en ce qu'il rend possible, sans investissements importants, la fabrication de produits unitaires spéciaux tels que les gros vilebrequins des super-diesels, ainsi que la fabrication en grandes séries de produits tels que les corps de vanne pour centrales thermiques, les corps de récipients pour hautes pressions, etc.... Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nta été donné qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits, ainsi que leurs combinaisons, si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. REVEND I CAT IONS 1. Un procédé de fabrication de produits métilliques de formes complexes, du type consistant à réunir leurs parties constitutives par assemblage non démontable, caractérise n ce que les parties préfabriquées du produit à obtenir sont assemblées par auto-soudage en étant mises en contact avec du métal en fusion, lesdites parties préfabriquées étant pour cela disposées de telle façon, par rapport a un moule ou creuset de refusion que leurs portions à souder débouchent dans la cavité dudit moule dans laquelle s'effectue ladite refusion, l'autre partie du produit à obtenir étant élabore dans ce même moule par refusion d'une pièce métallique qui est partie lement plongée dans le bain de laitier se formant dans le moule de refusion et à travers lequel on fait circuler un courant électrique dégageant dans ledit bain de lainier la chaleur nécessaire à la fusion de ladite pièce métallique et à l'autosoudage desdites parties préfabriquées du produit à obtenir à sa partie ainsi élaborée dans le moule. 2. Un procédé suivant la ravendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le bain de laitier atteint la portion à souder de chacune desdites parties préfabriquées du produit à obtenir, on diminue la tension électrique appliquée au bein de laitier jusqu'à une valeur inférieure à la tension nominale de travail. 3. Un procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que, lorsque le bain de laitier atteint ladite portion à souder de chacune desdites parties préfabriquées, on fait circuler le courant seulement à travers ladite pièce métallique à refondre, ledit bain de laitier et ladite partie préfabriquée. 4. Un procédé suivant l'une des re#endlcations I, I et 3, caractérisé en ce que, dans le cas d'assemblage par auto-soudage de parties préfabriquées creuses, on bouche au préalable les cavités de celles-ci avec un matériau de remplissage. 5. Un moule ou creuset pour l'élaboration de l'une des parties d'un produit métallique, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1, 2, 3 et 4, caractérisé en ce qu'à l'endroit où ladite partie préfabriquée du produit à obtenir doit être assemblée par auto-soudage en étant mise en contact avec du métal en fusion, il est prévu une ouverture, dont les dimensions et la forme correspondent aux dimen sions et à la forme de la portion à souder de ladite partie préfabriquée et comportant, à son extrémité débouchant sur la paroi intérieure du moule, un élargissement ou chambrage assurant la formation d'un garnissage de scorie dont le volume est suffisant pour l'évacuation uniforme de la chaleur de la zone de soudage. 6. les produits métalliques tels que, par exemple, les corps de vannes, les vilebrequins et les bielles de moteurs Diesel, caractérisés en ce qu'ils sont fabriqués par le procédé suivant l'une des revendications 1 à 4.