Brevet FR2121757A1 — publié le 19720825

La présente invention s-e rapporte généralement au soudage de tubes à des plaques tubulaires ou analogues; notamment, elle concerne et a essentiellement pour objet un perfectionnement à celui-ci sous la forme d'un procédé de fabrication d'une 5 plaque tubulaire ou analogue et d'un échangeur de chaleur ainsi qu'à titre de produits industriels nouveaux, les articles ainsi obtenus et les tubes destinés à la confection de la plaque tubulaire ainsi que les diverses applications et utilisations résultant de leur mise en oeuvre et les systèmes, 10 ensembles, appareils, machines, équipements et installations pourvus de tels dispositifs. En particulier mais non exclusivement, l'invention se rapporte à la préparation de tubes et de plaques tubulaires, par laquelle, des soudures satisfaisantes peuvent être obteiues par le soudage dit 15 en alésage ou analogue, c'est-à-dire par la technique utilisant une électrode réfractaire ou non consommable montée à une extrémité d'un support ou porte-électrode rotatif, l'agencement étant tel que l'électrode peut être insérée dans l'extrémité d'un tube que Ion a fait pénétrer 20 dans un trou prévu dans une plaque tubulaire ou être disposée au voisinage de ladite extrémité, de façon que, quand le porte-électrode tourne en déplaçant l'électrode tout autour à l'intérieur de l'alésage du tube" ou tout autour d'une surface extrême annulaire du tube, l'arc électrique, 25 qui est produit entre l'électrode et le tube, engendre une chaleur intense et fond localement la paroi du tube et la région adjacente de la plaque tubulaire, de sorte que les deux sont ainsi soudées ensemble. D'une façon idéale évidemment, la soudure sera telle que le tube et la plaque tubulaire 30 sont fondus et ensuite soudés ensemble le long de la totalité de la surface à laquelle ils se touchent, d'où la pratique courante de faire pénétrer le tube seulement sur une courte distance dans la plaque tubulaire. Cependant, cette distance s'est avérée être très critique; si elle est trop 35 petite, il y a insuffisamment de métal fondu au moment de la fusion pour produire une soudure satisfaisante ; si elle est ticp grande, la fusion et le soudage n'ont pas lieu le 72 00817 2 2121757 long de la surface entière à laquelle le tube et la plaque tubulaire se touchent, de sorte qu'il se forme alors une crevasse, fissure, cri 15 Conformément à un aspect de l'invention, l'extrémité du tube, qui est à souder en place dans une plaque tubulaire, est contre-alésée, chambrée ou lamée, de façon qu'avec le tube en place dans la plaque tubulaire, l'épaisseur de paroi du tube à son extrémité soit inférieure à l'épaisseur de paroi 20 du tube dans un plan contenant la surface de la plaque tubulaire, De préférence, le lamage ou chambrage sera un lamage ou chambrage cylindrique à fond plat, de façon que la transition pour passer d'une épaisseur de paroi à l'autre soit brusque. De préférence également, l'épaisseur de paroi du tube à son 25 extrémité sera comprise entre un quart et trois quar-is de l'épaisseur de paroi dans un plan contenan^a surface de la plaque tubulaire. Conformément à un autre aspect de l'invention, un procédé de soudage d'un tube à une plaque tubulaire comprend les 30 opérations consistant à faire pénétrer au moins une extrémité lamée ou chambrée d'un tube dans un trou prévu dans la plaque tubulaire, à disposer une électrode réfractaire ou non consommable au voisinage de la portion extrême chambrée du tube ou à l'insérer dans l'extrémité chambrée dudit tube et à 35 déplacer l'électrode tout autour au voisinage ou à l'intérieur de ladite portion extrême chambrée, de façon que l'arc, qui est produit entre l'électrode et la surface adjacente du tube, 72 00817 3 2121757 10 15 20 25 30 35 engendre une chaleur intense dans la région requise dans laquelle le tube touche 1^ plaque tubulaire. 0e procédé peut comprendre le chambrage ou lainage de l'extrsnLte du tube avant qu'on le fasse penetrer dans un trou dans la plaque tubulaire ou traverser celui-ci. En variante, le procédé peut comprendre le chambrage ou lamage de l'extrémité du tube ou un chambrage ou lamage final dans une extrémité partiellement alésée du tube quand l'extrémité du tube a été insérée dans le trou prévu d ans la plaque -tubulaire ou s'étend à travers celui-ci. Dans ce dernier cas, le chambrage ou lamage final, selon le cas, peut être tel qie l'épaisseur de paroi du tube à son extrémité soit comprise entre un quart et trois quarte de l'épaisseur de paroi du tube dans un plan contenant la surface de la plaque tubulaire. Conformément à un autre aspect de l'invention, il est prévu un tube et une plaque tubulaire soudés ensemble par le procédé décrit ci-dessus. Conformément à encore un autre aspect de l'invention, il est prévu un échangeur de chaleur comprenant une plaque tubulaire et une pluralité de tubes soudés à celle-ci par le procédé décrit ci-dessus . Conformément à encore un autre aspect de l'invention, il est prévu un procédé d^fabrication d'un échangeur de chaleur, qui comprend les opérations consistant à souder une extrémité de chacun d'une pluralité de tubes en place dans une première plaque tubulaire; à chambrer ou à lamer les extrémités opposées desdits tubes quand ils sont situés dans les trous prévus dans une seconde plaque tubulaire ou traversent ceux-ci, jusqu'à une certaine profondeur mesurée à partir de la face de ladite plaque tubulaire; et à souder chacune des portions extrêmes ainsi chambrées en place dans la seconde plaque tubulaire à son tour en insérant une électrode réfractaire ou non consommable dans la portion extrême chambrée et en déplaçant l'électrode tout autour à l'intérieur de ladite portion extrême chambrée, de façon que l'arc électrique, qui est produit entre l'électrode et la surface adjacente du tube concerné, engendre une chaleur intense dans la région requise dans BAD ORIGINAL 72 00817 4 2121757 laquelle le tube touche la seconde plaque tubulaire. Le procédé comprendra de préférence les opérations initiales consistant à chambrer ou à lamer une extrémité de chaque tube avant qu'elle soit placée dans un 'trou prévu dans 5 la première plaque tubulaire et à positionner l'extrémité du tube dans ledit trou avant de la soud jr en place pour assurer la profondeur correcte de pénétration,dans le trou, d'une partie de l'extrémité du tube ayant une épaisseur de paroi relativement grande. Le procédé peut comprendre 10 1'opération initiale supplémentaire consistant à aléser partiellement les extrémités opposées des tubes, c'est-à-dire à les aléser jusqu'à une profondeur moindre (et éventuellement à un diamètre réduit) que œUle qui sera exécutée avec les tubes en place dans les plaques tubulaires. 15 Ilinvention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéris tiques, détails et avantages de celleTci apparaîtront plus - claire» ment à la lecture de la description explicative qui va suivre en se reportant aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemples non limitati-fs illustrant divers 2 0 modes de réalisation de l'invention et dans lesquels,: - la figure 1 représente une vue fragmentaire en coupe montrant un tube inséré dans un trou réalisé dans une plaque tubulaire en préparation pour une opération d'usinage et pour une opération subséquente de soudage/lite en alésage ou en lumière; 25- - la figure 2 est une vue fragmentaire en coupe qui illustre l'opération d'usinage qui a été exécutée avec l'extrémité de tube en place dans la plaque tubulaire; - la figure 3 est une vue semblable à la figure 2 mais montrant le positionnement d'une électrode réfractaire ou 30 non consommable avant que l'opération de soudage en alésage ou analogue soit exécutée; - la figure 4 est une vue représentant la forme d'exécution désirable de la soudure obtenue par le procédé selon l'invention; - la figure 5 est une vue semblable à la figure 2 et à laquelle 35 on se référera maintenant; - la figure 6 est une vue semblable à la figure 3 mais montrant 72 00817 2121757 le tube traversant entièrement le trou réalisé dans la plaque tubulaire en préparation pour l'opération de soudage qui soudera le tube à la face extérieure de la plaque;et - la figure 7 est une vue représentant la forme 5 d'exécution désirable de la soudure réalises dans ce cas. En se référant maintenant aux dessins, la figure 1 représente un tube 10 ayant été inséré dans un trou 12 prévu dans une plaque tubulaire 14 avant une opération d'usinage et une opération subséquente de soudage dite en 10 alésage, en orifice, 3ii lumière ou analogue, (la distance, sur laquelle il a été inséré dans le tube, n'est pas très critique et ne demande pas une grande précision. Une variation normalet due à la distorsion ou déformation de la plaque tubulaire par exemple,peut être tolérée tout-à-fait facilement). 15 • Sur la figure 2 est représentée la forme de l'extrémité du tube après que l'opération d'usinage a été exécutée. L'extrémité de tube a été chambré^ lamée ou contre-alésée en 16, de sorte que l'épaisseur de paroi du tube à son extrémité est d'environ ui/biers de l'épaisseur de paroi 20 du tube dans un plan contenant la surface 18 de la plaque tubulaire. (On pense que cette dimension n'est pas très critique mais des effets et expériences montreront quelles limites dimansionnelles devront être observées ou respectées pour diverses tailles ou grandeurs de tube). La profondeur du 25 chambrage ou lamage est tout-à-fait critique dans ce sens que la distance a, entre le fond du chambrage et un plan contenant la surface 18 de la plaque tubulaire, devra être maintenue entre des limites étroites. Ici de nouveau, la question de savoir quelles limites devront être adoptées 30 et quelle aa?a la distance idéale a pour une taille particulière quelconque du tube ou pour la puissance ou énergie électrique à utiliser en exécutant l'opération subséquente de soudage ou relativement à toute autre variable, peut être déterminée par des essais et expérimentations. Le chambrage est un lamage 35 cylindrique et à fond plat. Sur la figure 3 est représenté le positionnement d'aune électrode réfractaire ou non consommable 20 dans l'extrémité 72 00817 6 2121757 chambrée du tube avant que l'opération de.soudage en alésage a été exécutée..L'électrode 20 est montée à une extrémité d'un support ou porte-électrode rotatif 22, de sorte que, quand l'organe porte-électrode tourne, l'électrode 5 se déplace tout autour à l'intérieur de l'extrémité chambrée du tube et un • arc électrique, qui est produit entre l'électrode et le tube,engendre une chaleur, intense et fond localement la paroi du tube et la région adjacente de la-plaque tubulaire. Les deux sont ainsi soudés ensemble 10 l'un à l'autre. La zone, dans laquelle le métal est fondu, •est indiquée par des lignes ou traits de contre-hachures sur la figure 3 • La figure 4 représente la forme d'exécution désirable de la soudure qui s'est avérée pouvoir être réalisée de façon 15 compatible par le procédé selon l'invention en soudant en alésage. La soudure est représentée comme ayant pénétré dans la face arrière de la plaque tubulaire. On sait ainsi qu'aucune fente, crevasse, fissure ouciique analogue n'existe entre le tube et la plaque tubulaire. La forme de la 20 soudure finale à l'alésage du tube est évidemment obtenue par tension superficielle pendant que lenétal "d'apport" est toujours fondu et dépend de la quantité de métal "d'apport", c'est-à-dire de la grandeur du"bain" de métal fondu pendant le soudage. Il est désirable que celle-ci soit maintenue aussi 25 petite que possible. L'emploi du présent procédé tend à favoriser ceci. On voit que la forme de l'extrémité de tube, réalisée par l'opération d'usinage qui a été exécutée avant soudage, a approximativement la configuration de la forme d'exécution désirable de la soudure finie. On pense que ce fait a contribué 30 à réduire la quantité de métal "d'apport" fondu. O^voit également que 1'opération d'usinage a produit une région étroite le long de la ligne droite X-X sur la figure 3 et on pense que ce fait tend à assurer la pénétration de la soudure jusqu'à la face arrière de.la plaque tubulaire comme cela est 35 indiqué sur la figure 4. Le positionnement de l'électrode, à l'intérieur de l'extrémité chambrée du tube quand le soudage a lieu, tend à stabiliser la 72 00817 7 2121757 direction dans laquelle l'arc électrique est amorcé entre l'électrode et le tube, c'est-à-dire qu'on a constaté que l'arc électrique n'est pas autant susceptible d'être dévié vers la masse principale de métal dans la plaque tubulaire que 5 cela a été précédemment le cas lors du soudage en alésage. Ceci s'est avéré être ainsi même quand la distance globale, de laquelle le tube a été insérée dans le trou prévu dans la ' plaque tubulaire, y compris la longueur de la portion de tube à paroi relativement mince, a varié d'une quantité qui, 10 dans un tube à extrémité lisse ou uniforme, provoquerait un décalage ou déplacement considérable de l'arc électrique et un soudage non satisfaisant. avantage, qui s'est avéré résulter de cette invention, est 15 que, si la plaque tubulaire arrive à se déformer de façon que l'extrémité du tube ne soit pas tout-à-fait perpendiculaire à celle-ci, l'opération d'usinage compense ceci très largement. Sur la figure 5 par souci d'illustration, la plaque tubulaire est représentée comme ayant subi un degré 20 de distorsion ou de déformation quelque peu exagéré, de sate qu'un tube, qui a été introduit dans un trou réalisé dans celle-ci, s'étend notablement plus loin dans celui-ci à sa partie supérieure qu'à sa partie inférieure. Cependant, une opération d'usinage, qui a été exécutée à partir de la face 25 avant ou frontale de la plaque tubulaire, a compensé ceci, c'est-à-dire que l'outil de coupe a été introduit dans l'extrémité du tube dans une direction vraiment ou exactement perpendiculaire à la face avant de la plaque tubulaire, de sorte qu'en réalité, la seule variation de la distance dont le tube 30 pénètre dans la plaque tubulaire, est limitée à la portion à paroi relativement mince du tube. On a constaté que cette variation n'a pas d'effet apparent sur l'empl?. j WfXÈ de l'arc électrique qui a été ensuite amorcé entre l'électrode et le tube quand le soudage a lieu. Ceci est en contraste avec ce qui a résulté 35 de telles variations lors du soudage en alésage de tubes lisses ou uniformes dans des plaques tubulaires déformées. (Une telle distorsion ou déformation est rencontrés tout-à-fait fréquemment En se référant maintenant à la figure 5, un autre 72 00817 2121757 lors du soudage de tubes à des plaques tubulaires parce que la chaleur, produite en soudant les premiers tubes en place, déforme la plaque tubulaire et cela progressivement d'autant plus que davantage de tubes sont soudés dans celle-ci). 5 En se référant maintenant aux figures 6 et 7, celles-ci illustrent l'emploi de l'invention avant une opération de soudage qui soudera le tube à la face extérieure de la plaque. Sur la figure 6, le tube 10 est représenté comme ayant été inséré sur toute la profondeur du trou prévu dans 10 la plaque tubulaire, de sorte que l'extrémité du tube est en affleurement ou alignée avec la face extérieure 24 de la plaque. L'extrémité du tube est représentée comme étant chambrée sensiblement comme le tube représenté sur la figure 2 et de nouveau, l'épaisseur de paroi du tube à son extrémité 15 n'est pas très critique, étant au voisinage d'environ un tiers de l'épaisseur de paroi initiale. On comprendra que l'opération de chambrage ou de lamage peut être exécutée avant ou après que le tube a été mis en place dans la plaque tubulaire, mais s'il a déjà été 20 soudé à son extrémité opposée dans une première-plaque tubulaire et si l'opération, représentée sur les figures 6 et 7, est le soudage du tube dans une seconde plaque tubulaire, on comprendra qu'il est préférable de chambrer cette extrémité du tube sur place dans ladite seconde plaque 25 tubulaire, de façon que la profondeur du chambrage ou lamage à partir de la face extérieure de la plaque puisse être contrôlée ou réglée étroitement. La déformation degfclaques tubulaires peut avoir amené l'extrémité du tube à être située dans un plan déplacé à partir de la surface 30 extérieure de la plaque tubulaire, mais comme cela a été précédemment expliqué en corrélation avec l'emploi de l'invention pour le soudage en alésage, la position, jusqu'à laquelle s'étend la portion à paroi relativement mince du tube . (représentant, comme elle le fait, une quantité relativement 35 petite de métal fondu dans le "bain" de métal fondu subséquent), n'est pas critique. La figure 7 représente la forme d'exécution désirable de la BAD ORIGINAL 72 00817 9 2121757 soudure réalisée en utilisant l'invention avant de souder le -tube à la face externe de la plaque tubulaire. On voit que le "bain" de soudure, produit pendant l'opération de soudage, s'est solidifié, en raison de la tension superficielle, suivant 5 une forme évasée ou divergente à l'extrémité du tube: la zone, dans laquelle, le métal a été fondu, est indiquée par les lignes ou traits de contre-hachures. Cette quantité et la forme générale du "bain" de soudure se sont avérée avoir pour résultat unçfeoudure finie très satisfaisante. 10 Diverses modifications peuvent être effectuées sans s'écarter du cadre de l'invention et évidemment il doit être entendu qu'en employant l'invention pour réaliser un échangeur de chaleur, une extrémité de chaque tube peut être soudée en place dans une première plaque tubulaire 15 au moyen d'un procédé de soudage classique (qui peut ou non être un procédé de soudage en alésage) sans que l'extrémité du tube soit chambrée ou lamée (parce que c'est en soudant le tube à la seconde plaque tubulaire qu'une difficulté est rencontrée). Par ailleurs, évidemment, cette extrémité cë 20 chaque tube peut être initialement chambrée ou lamée avant qu'elle soit positionnée dans un trou réalisé dans la première plaque tubulaire parce que cette^extrémité du tube peut être correctement mise enpLace avant le svudagè de l'extrémité du tube en place pour assurer la profondeur correcte de 25 pénétration,dans le trou,d'une partie de l'extrémité du tube ayant une épaisseur de paroi relativement plus grande, c'est-à-dire ayant l'épaisseur de paroi d'origine. On comprendra aussi que les autres extrémités des tubes pourraient très bien être partiellement alésées avant que les tubes soient introduits 30 dans les plaques tubulaires, c'est-à-dire qu'elles pourraient être alésées sur une profondeur moindre (et éventuellement à un diamètre réduit) que celle qii serait exécutés avec les tubes mis en place dans les plaques tubulaires. Il est ainsi créé un procédé de soudage de tubes 35 à des plaques tubulaires et ce que l'on peut appeler une préparation de soudage, qui se sont avérés être très efficaces pour assurer 72 00817 10 2121757 une soudure satisfaisante, d'une façon compatible et sans dés opérations difficiles à exécuter. Un appareil tenu à la main sera généralement utilisé pour effectuer le chambrage ou le lamage final des tubes sur place à l'intérieur 5 des plaques tubulaires et ceci s'est avéré être une opération qui peut être exécutée sans grande difficulté parce qu'elle nécessite l'enlèvement d'une petite quantité de métal seulement, c'est-à-dire inférieure à l'épaisseur de paroi totale dtytube. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux 10 modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinairons , si celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention. 72 00817 n 2121757 REVENDICATIONS 1Produit formant tube qui est à souder en place dans une plaque tubulaire, caractérisé en ce qu'une extrémité dudit tube est contre-alésée, chambrée ou lamée de façon qu'avec le tube mis en place dans la plaque tubulaire, 5 l'épaisseur de paroi dudit tube à son extrémité soit inférieure à l'épaisseur de paroi dudit tube dans un plan contenant la surface de ladite plaque tubulaire. 2.- Produit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chambrage précité est un lamage cylindrique et 10 à fond plat, de façon que la transition, pour passer d'une épaisseur de paroi à l'autre, soit brusque. 3.- Produit selon la renvendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de paroi du tube précité à son extrémité est comprise entre un quart et trois quart de l'épaisseur 15 de paroi dans un plan contenant la surface de la plaque tubulaire précitée. 4.- Procédé de soudage d'un tube, notamment selon l'une des revendications précédentes, à une plaque tubulaire, caractérisé en ce qu'il comprend Is.s opérations consistant : 20 à Introduire au moins une extrémité chambrée d'un tube dans un trou réalisé dans ladite plaque tubulaire; à positionner une électrode réfractaire ou non consommable au voisinage de la portion extrême dudit tube ou à l'insérer dans l'extrémité chambrée dudit tube; et à déplacer ladite 25 électrode tout autour au voisinage ou à l'intérieur de ladite portion extrême chambrée, de façon que l'arc électrique, qui est produit entre ladite électrode et la surface adjacente dudit tube, engendre une chaleur intense dans Igfcégion requise dans laquelle le tube touche la plaque tubulaire. 30 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à chambrer l'extrémité du tube précité avant qu'elle soit introduite dans le trou prévu dans la plaque tubulaire précitée ou traverse celui-ci. 6.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé par 72,00817 12 2121757 le chambrage de l'extrémité du tube précité ou par un lamage final dans l'extrémité partiellemenj/alésée dudit tube quand l'extrémité dudit tube a été introduite dans le trou prévu dans la plaque tubulaire rrécitée ou ir-.'.-rse 5 celui-ci. 7.- Procédé selon la revendication 3 ou 6, car-.; jt-Srisé en ce que le chambrage ou lamage final, selon le cas,est tel que l'épaisseur de paroi du tube précité à son extrémité.est comprise entre un quart et trois quartsde l'épaisseur de 10 paroi d'origine dudit tube. 8.- Structure composée d'un tube et d'une plaque tubulaire soudés ensemble, caractérisée en ce qu'elle est obtenue par l'exécution du procédé selon l'une des revendicdions 4 à 7. 9>- Dispositif formant échangeur de chaleur du type 15 comprenant une plaque tubulaire et une pluralité de tubes soudés à celle-ci, caractérisé en ce que la structure soudée est obtenue par l'exécution du procédé selon l'une des revendications 4 à 7. 10.- Procédé de fabrication d'un échangeur de chaleur 20 notamment selon la revendication S, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations consistant : à souder une extrémité de chaque tube d'une pluralité de tubes en place dans une première plaque tubulaire; à chambrer les extrémités opposées desdits tubes quand elles sont situées dans une seconde 25 plaque tubulaire ou traversent des trous prévus dans celle-ci • jusqu'à une certaine profondeur mesurée à partir de la face de ladite plaque tubulaire; et à souder chaque portion extrême ainsi-chambrée en place dans ladite seconde plaque tubulaire tour à tour en insérant une électrode réfractaire ou non consommable dans 30 ladite portion extrême chambrée et en déplaçant ladite électrode tout autour à l'intérieur de ladite portion extrême chambrée, de façon que l'arc électrique, qui est produit entre ladite électrode et la surface adjacente du tube concerné, engendre une chaleur intense dans la région requise dans laquelle le tube 35 touche ladite seconde plaque tubulaire. 11.- Procédé selon la revendication 10, caractérisé par les opérations initiales consistant à chambrer une extrémité BAD ORIGINAL COpy 72 00817 13 2121757 de chaque tube précité avant qu'elle soit mise en place dans un trou prévu dans la première plaque tubulaire précitée et à positionner cette extrémité du tube dans ledit trou avant de la souder en place pour assurer la profondeur 5 correcte de pénétration dans ledit trou d'une partie de l'extrémité dudit tube ayant une épaisseur de paroi relativement plus grande. 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé par l'opération initiale supplémentaire consistant à 10 aléser partiellement les extrémités opposées des tubes précités, c'est-à-dire à les aléser jusqu'à une profondeur inférieure (et/ouàun diamètre réduit) à celle qui sera exécutée avec les tubes mis en place dans les plaques tubulaires précitées. 15 13-- Structure composée d'un tube et d'une plaque tubulaire, caractérisée en ce qu'ils sont soudés ensemble l'un à l'autre par le procédé selon l'une des revendications 10 à 12. 14.- Echangeur de chaleur du type comportant une plaque 20 tubulaire et une pluralité de tubes, caractérisé en ce que la plaque tubulaire et les tubes sont soudés ensemble par le procédé selon l'une des revendications 10 à 12. COP^