Brevet FR2158279A1 — publié le 19730615

La présente invention concerne un dispositif pour le soudage longitudinal ou en spirale par induction de tubes m#talli- ques, en particulier de tubes à paroi 4paisse, au moyen d'un courant alternatif dans lequel un corps tubulaire, formé k partir d'une bande métallique repliée dont les rives à souder sont rapprochées pour former une fente en Vs est conduit au travers d'une bobine d'induction présentant au moins une boucle, laquelle bobine est disposée au point de contact des rives à souder et est alimentée en courant alternatif haute fréquence, une liaison frontale d'un inducteur longitudinal, alimenté en courant à fréquence moyenne et pourvu de culasses magnétiques étant engagée dans ladite fente en V. Par le brevet R.F.Â. n0 1 602 352, on connatt un tel dispositif pour le soudage par induction des tubes métalliques. Dans le dispositif qui y est décrit, les deux rives à souder de la fente en forme de V sont d'abord préchauffées au moyen d'un inducteur longitudinal alimenté en courant à moyenne fréquence. Cet inducteur longitudinal est constitué par une bobine d'induction, de forme essentiellement rectangulaire, n'ayant qutune seule spire et comportant une liaison frontale allongée s'engageant longitudinalement dans ladite denté. La surface d'enroulement de l'inducteur longitu dinal est donc, dans chaque section, presque parallèle aux rives à souder.A l'intérieur de la bobine d'induction à une seule spire est prévu, pour faire office de culasse magnétique, un noyau de fer qui en revêt complètement l'espace intérieur et peut, par exemple, être constitué d'un feuilletage de tôles de Ber. Des canaux d'écoulement, pour un fluide réfrigérant, traversent la spire de la bobine d'induction. Cet inducteur longitudinal permet d'engendrer une température supérieure au point de Curie du matériau du tube. ensuite, le corps tubulaire, dont les rives à souder sont alors rapprochées, jusqu'au contact mutuel, par des rouleaux presseurs, traverse une bobine d'inductionb de forme annulaire, qui est alimentée en courant HF ayant une fréquence d'environ 200 à 450 kHz. C'est là qu'a lieu le soudage proprement dit. Grâce k la bobine d'induction, un courant annulaire est engendré dans le corps tubulaire pré formé, courant qui chauffe principalement les arêtes supérieures et inférieures de chacune des deux rives à souder, et cela très rapidement jusqu'au point de fusion du matériau du tube (effet de bord). -Par suite de l'effet de bord, le courant induit par la bobine d'induction annulaire ne passe pas uniformément sur toutes les rives k souder. Pour chacune de ces dernières, le chauffage est sensiblement plus fors au niveau des azotes que dans la partie médiane. Il en résulte, si l'on emploie aucun préchauffeur, des inconvénients majeurs notamment lors de la soudure de tubes métalliques épais: lors du pressage des rives à souder l'une contre l'autre, il se produit une déformation du cordon de soudure et du corps tubulaire de sorte que le cordon de soudure n'est pas homogène. Le corps tubulaire préformé doit alors, pour cette raison, traverser à une vitesse réduite la bobine d'induction, afin d'obtenir un échauffement suffisant pour le soudage de la totalité des rives à souder.La vitesse de soudage, et par conséquent la vitesse de production de tubes, diminuent ainsi lorsque l'épaisseur des tubes augmente. L'inducteur longitudinal jouant le r81e de préchauffeur, dévoilé par le brevet allemand 1 602 352 opère de façon satisfaisante dans le cas des épaisseurs faibles. Il s'est néanmoins avéré, dans le cas des tubes ayant des épaisseurs de 4 à 20 mm et davantage, qu'il était souhaitable de perfectionner le#dispositif de soudage par induction, ceci afin d'obtenir un échauffement plus important des zones médianes des deux rives à souder. La présente invention a donc pour but de perfectionner le dispositif précité, de façon à assurer non seulement un échaui- fement satisfaisant des ar#tes, mais encore un échauffement suffisant de la zone médiane de chaque rive à souder, en particulier dans le cas de tubes épais, ceci afin d'améliorer la qualité du cordon de soudure. Selon l'invention, ce résultat est obtenu par le fait que les deux faces latérales, tournées du côté des rives à souder, de la liaison frontale de l'inducteur longitudinal sont pourvues de bandes conductrices orientées dans le sens de la longueur de la fente; que la largeur extérieure des bandes conductrices est inférieure à l'épaisseur de la paroi du tube, et que les culasses magnétiques sont montées sur ladite liaison frontale, au-dessus et au-dessous des bandes conductrices. L'invention part du fait connu que l'inducteur longitudinal doit être réalisé de façon à agir inductivement de préf é- rence sur les zones médianes des rives à souder. Les culasses magnétiques montées, sur la liaison frontale de l'inducteur longitudinal, ont pour effet que le courant à moyenne fréquence appliqué à l'inducteur longitudinal passe principalement par les bandes conductrices fixées de chaque côté de la liaison frontale. Les zones médianes des rives à souder étant en face des bandes conductrices sont alors chauffées en premier lieu par le courant induit à cet endroit.Les arêtes de ces rives à souder dont le chauffage par induction n'a lieu qu'ensuite, dans la bobine annulaire d'induction, ne seront surtout chauffées qu'indirectement par l'induit teur longitudinal, par la chaleur provenant, par conduction thermique, des zones médianes. La section droite des bandes conductrices peut être adaptée à la distribution de température désirée dans les rives à souder. Autrement dit, la largeur extérieure des bandes conductrices est établie en fonction de la largeur souhaitée des zones médianes X chauffer et, par conséquent, en fonction de l'épaisseur de la paroi du tube à souder. Selon une autre particularité de l'invention, il est prévu que, sur toute la longueur de la fente, l'écart entre les bandes conductrices et les rives à souder est constant. Cela peut être réalisé de façon extrêmement simple, en prévoyant que la hauteur dont saillent lesdites bandes conductrices au-dessus des faces latérales de la liaison frontale aille en décroissant en direction du point de contact des rives à souder. Les bandes conductrices peuvent donc entre réalisées, par exemple, en forme de coin, ou bien être constituées à partir d'autres corps profilés allongés. Tout comme dans le dispositif connu précité, l'inducteur longitudinal pourra Autre pourvu de canaux d'écoulement pour un fluide réfrigérant. Si l'on choisit une section droite rectangulaire, au moins pour la liaison frontale, on peut alors utiliser des culasses magnétiques en forme de U. On recommande toutefois une forme d'exécution dans laquelle la liaison frontale est constituée par un conducteur creux, rectangulaire et méplat, dont les côtés plats sont disposés dans le sens de la longueur de la fente, Aux deux extrémités de la liaison frontale de l'inducteur longitudinal, placée dans la fente, on peut prévoir des pièces d'écartement assurant la constance de la distance entre les bandes conductrices et les rives à souder, même en cas de mouvements latéraux du tube pendant le processus de soudage. Comme pièces d'écartement, on peut par exemple utiliser des galets à profil conique, partiellement introduits dans la fente et dont la rotation accompagne le déplacement longitudinal du tube D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparattront k la lecture des exemples non limitatifs suivants décrits en se référant au dessin annexé sur lequel:: la figure 1 représente une vue en perspective d'un disco sitif pour le soudage de tubes par inductiony avec une bobine annulaire d'induction et un inducteur longitudinal; la figure 2 représente une vue latérale de 1'inducteur longitudinal; la figure 3 est une coupe suivant III-III de la figure 2; la figure 4 est une coupe suivant IV-IV de la figure 2; les figures 5 à 9 sont des coupes transversales suivant la figure 4, représentant d'autres formes de réalisation des bandes conductrices et des culasses magnétiques. La figure 1 représente un dispositif pour le soudage de tubes, au moyen duquel un corps tubulair#préformé en forme de cylindre à partir d'une bande métallique, repliée, est soudé pour constituer un tube cylindrique fermé 2. Des galets presseurs, non représentés, ferment le corps tubulaire I (dont l'épaisseur est, par exemple, de 10 mm) et le déplacent dans le sens de la flèche. Les rives à souder 3 et 4 forment alors une fente 5 en forme de V. Pour engendrer la température de soudage au point de contact de ces deux rives à souder 3 et 4s il est prévu une bobine d'induction 6, fixe et de forme annulaire, entourant le corps tubulaire 1. La bobine 6 d'induction peut comporter une ou plusieurs spires; elle est raccordée à un générateur haute fréquence (non représenté) et est alimentée en courant HF ayant une fréquence à peu près comprise entre 200 et 450 kHz. La bobine d'induction 6 induit, dans le corps 1 préformé destiné à former le tube, un courant annulaire passant par la fente 5 et par le point de contact dans la zone des galets presseurs, ce courant échauffant principalement les arêtes supaé- rieures et inférieures des deux rives 3 et 4. Sous l'effet de l'échauffement, il se produit, au point de contact, un cordon de soudure 7. L'inducteur longitudinal 8, disposé en avant de la bobine d'induction 6, chauffe préalablement les deux rives à souder 3 et 4 à une température inférieure à la température de fusion de la matière du tube, mais proche de cette température. S'il s'agit d'une matière ferreuse, la température engendrée peut entre comprise entre 1.000 et l.2500C, et, donc, être supérieure au point de Curie. L'inducteur longitudinal 8 est pourvu d'arrivées 9 de courant et, par celles-ci, est relié à un générateur (non représenté) de fréquence moyenne. Ce dernier produit un courant MF à fréquence fixe de 2, 4, ou 10 kHz. Grtce au préchauffage produit par l'inducteur lon gitudinal 8, l'écart entre la température engendrée dans les zones moyennes des rives à souder 3 et 4 et la température de fusion est faible, de sorte que la puissance thermique nécessaire pour l'échauf- fement final dans la bobine d'induction 6 est inférieure à celle nécessitée par le préchauffage par l'inducteur longitudinal 8.En introduisant dans ce dernier une puissance moyenne fréquence su supérieure, d'environ un facteur 3, à la puissance HF délivrée à la bobine d'induction 6, on parvient à une vitesse de soudage sensiblement supérieure (d'environ 100 %) à celle obtenue avec des dispositifs de soudage par induction ne comportant pas d'inducteur longitudinal 8. L'inducteur longitudinal 8 comprend une bobine d'induction, rectangulaire, à une seule spire, présentant une liaison frontale 10 allongée. Comme matériau, on peut utiliser, par exemple, un conducteur creux méplat en cuivre, ayant une section droite rectangulaire. L'inducteur longitudinal 8 est donc parcouru par un canal 'écoulement 11 pour un fluide réfrigérant 12 tel que de l'eau par exemple. Le refroidissement de l'inducteur permet d'éviter son usure. La liaison frontale 10 de l'inducteur longitudinal 8 est disposée en longueur dans la fénte 5 en forme de V. Son épaisseur est adaptée à la largeur de cette fente. La surface de la spire de l'inducteur longitudinal 8 est donc ainsi pratiquement parallèle aux deux rives à souder 3 et 4. Sur ses deux faces latérales qui sont en regard des rives à souder 3 et 4, la liaison frontale 10 est pourvue de bandes conductrices 13 et 14 qui sont orientées dans le sens de la longueur de la fente 5. Ces bandes sont fixées de façon k être électriquement conductrices et peuvent, elles aussi, entre en cuivre. Sur la figure 1, elles sont représentées sous la forme de bandes métalliques progressant en coin de hauteur décroissante et de section droite rectangulaire. L'angle du coin est avantageusement égal à l'angle de convergence longitudinale,# 19, des deux rives à souder 3 et 4, de sorte que la constance de l'intervalle de couplage, entre ces bandes et lesdites rives à souder 3 et 4,estasnsi assurée. La largeur des bandes conductrices 13 et 14 est choisie de façon qu'elle soit inférieure à l'épaisseur de la paroi du corps tubulaire 1. Des pièces d'écartement réglables (non représentées), situées aux deux extrémités de la liaison frontale 10, permettent de veiller b ce que les bandes conductrices 13 et 14 se trouvent constamment à mi-hauteur, et en position symétrique, entre les rives 3 et 4. L'intervalle de couplage entre les bandes conductrices 13 et 14 et les rives à souder respectives 3 et 4, doit outre inférieur à 5 mm. La largeur de ces bandes est déterminée par l'épaisseur du corps tubulaire 1, et leur longueur détermine le temps de préchauf- fage des rives 3 et 4. La hauteur des bandes, c'est-k-dire la distance dont elles saillent au-dessus des faces latérales de la liaison frontale, décrott de, par exemple, 2 à 3 mm, jusqu'à une valeur qui est donnée par l'angle de convergence 19. On admet ici que la largeur de la fente 5 est d'environ 25 mm au milieu de la liaison frontale 10. La figure 2, qui représente une vue latérale de l'inducteur longitudinal 8, montre que sur la liaison frontale 10 de ce dernier des culasses magnétiques 15 et 16 sont montées au-dessus et au-dessous des bandes conductrices 13 et 14. Par souci de clarté ces culasses ne sont pas représentées sur les figures 1 et 3. La figure 4 montre que chacune des culasses 15 et 16 entoure la liaison frontale 10 sur trois côtés. Ces culasses sont fabriquées en un matériau à grande perméabilité et peuvent, par exemple, Outre constituées par des tôles feuilletées découpées en U, par exemple par des tôles en fer silicié ou des t81ess pour dynamos agencées de façon analogue,pour champs magnétiques à moyenne fréquence. Ces culasses magnétiques 15 et 16 ont pour effet que le courant à moyenne fréquence alimentant l'inducteur longitudinal 8 ne circule pratiquement que sur les zones médianes, non entourées, des faces latérales de la liaison frontale 10, ctest-à- dire essentiellement sur les bandes conductrices 13 et 14, dans le sens longitudinal de la fente 5. Ceci résulte de ce que le champ magnétique est guidé par les culasses 15 et 16 qui présentent une grande réactance inductive. Le courant s'écoulant le long des étroites bandes conductrices 13 et 14 induit ainsi un courant de chauffage, essentiellement dans les zones médianes des rives à souder 3 et 4, ceci sur une profondeur égale à la profon- deur de pénétration magnétique. Du fait de l'emploi d'un courant à fréquence moyenne, on obtient une grande profondeur de pénétration. En principe, on pourrait aussi introduire un courant haute fréquence dans l'inducteur longitudinal 8. Néanmoins, cela ne présenterait aucun avantage particulier, étant donné la faible profondeur de pénétration du courant haute fréquence. Du fait de la largeur extérieure des bandes conductrices 13 et 14 les zones médianes chauffées des rives à souder 3 et 4, restent suffisamment petites pour qu'il nty ait aucune déformation du cordon de soudure 7 dans la zone des galets presseurs, lors du chauffage par la bobine d'induction 6. Avec de l'acier comme matière première, et en utilisant une fréquence de 10 kHzs la profondeur de pénétration est, au point de fusion, théoriquement d'environ 25 fois supérieure à ce qu'elle est k la température ambiante. C'est pourquoi la température dans la zone médiane préchauffée des rives C souder 3 et 4 est conservée sans refroidissement notable, jusqutà ce que cette zone soit parvenue dans la bobine d'induction 6.En ajustant la largeur des branches des culasses magnétiques 15 et 16, on peut modifier, de façon connue, l'effet d'écran magnétique et la pénétration du courant qui y est liée. Sur la figure 2, on voit que les angles de l'inducteur longitudinal 8 sont renforcés par des goussets 17 et 18. En outre, les figures 3 et 4 montrent, encore une fois, que les deux faces latérales de la liaison frontale 10 sont pourvues de bandes conductrices 13 et 14, et que, par conséquent, en conférant une forme particulière aux côtés plats de la liaison frontale 10, on peut avantageusement influencer notablement le flux de courant de façon à chauffer fortement les zones médianes des rives à souder 3 et 4. Sur les figures 5 à 9, on a représenté d'autres sections droites des bandes conductrices 13 et 14 et des culasses magnétiques 15 et 16, ces sections étant différentes de celles représentées k la figure 4. En conférant une forme appropriée à ces éléments, on peut obtenir n'importe quelle répartition de température que l'on veut dans les rives à souder 3 et 4. Ces bandes conductrices 13 et 14 peuvent aussi être réalisées en forme de coin adapté B la convergence de la fente 5. La figure 5 représente des culasses magnétiques 15 et 16 en forme de U, ainsi que des bandes conductrices 13 et 14 à profils en trapèze. Les branches des culasses 15 et 16 de la figure 6 sont comparativement plus minces, et les bandes conductrices 13 et 14 présentent un profil arrondi à l'extérieur. Sur la figure 7, les bandes conductrices 13 et 14 sont encore à profil rectangulaire et les culasses 15 et 16 sont en forme de U, mais avec branches chan- freinées. Comme le montre la figure 8, on peut aussi recourir à des bandes conductrices 13 et 14 trapézoidales, b largeur extérieure moindre que dans le cas de la figure 5, etla base des culasses 15 et 16 peut être plus large que dans le cas de la figure 7. Enfin, dans le cas illustré par la figure 9, on utilise des bandes conduc- trices 13 et 14 B profil demi-rond, et des culasses 15 et 16 chanfreinées, à branches courtes. Bien entendu, on peut aussi, dans le cadre de l'invention, recourir k d'autres associations de profils pour les bandes conductrices et la section droite des culasses. Il convient enfin de noter que les bandes conductrices 13 et 14 peuvent se pirater à un réglage, en direction transversale, par rapport aux rives à souder 3 et 4. Le plus simple pour y parvenir est, bien entendu, de recourir à un dispositif d'ajustement de la hauteur de l'ensemble de l'inducteur longitudinal 8. On peut ainsi, en fonction des impératifs qui se présentent, déplacer sers le haut ou vers le bas, les zones chaudes sur les rives à souder 3 et 4. REVENDICATIONS induction 1. Dispositif pour le soudage longitudinal ou en spirale par/ de tubes métalliques, en particulier de tubes à paroi épaisse, au moyen d'un courant alternatif dans lequel un corps tubulaire, formé à partir d'une bande métallique repliée dont les rives à souder sont rapprochées pour former une fente en V, est conduit au travers d'une bobine d'induction présentant au moins une boucle, laquelle bobine est disposée au point de contact des rives à souder et est alimentée en courant alternatif haute fréquence, une liaison frontale d'un inducteur longitudinal, alimenté en courant à fréquence moyenne et pourvu de culasses magnétiques, étant engagé dans ladite fente en V, caractérisé par le fait que les deux faces latérales, tournées du côté des rives à souder, de la liaison frontale de l'inducteur longitudinal, sont pourvues de bandes conductrices orientées dans le sens de la longueur de ladite fente; que la largeur extérieure des bandes conductrices est inférieure à l'épaisseur de la paroi du corps tubulaire, et que les culasses magnétiques sont montées sur ladite liaison frontale, au-dessus et au-dessous des bandes conductrices. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'an écartement constant, dans le sens de la longueur de la fente, est maintenu entre les bandes conductrices et les rives à souder. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la hauteur des bandes conductrices va en diminuant en direction du point de contact des rives à souder. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que la section droite des bandes conductrices est adaptée de façon à obtenir la répartition de température désirée dans les rives à souder. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que l'inducteur longitudinal est pourvu d'au moins un canal d'écoulement pour un fluide réfrigérant. 6, Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la section droite de la liaison frontale est rectangulaire. 7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé par le fait que la liaison frontale est constituée par un conducteur creux et méplat dont les faces planes sont disposées dans le sens de la longueur de la fente. 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé par le fait que les culasses magnétiques sont en forme de U. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8s caractérisé par le fait que des pièces d'écartement sont prévues aux deux extrémités de la liaison frontale. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les bandes conductrices sont réglables dans leur sens transversal, par rapport aux rives à souder.