Brevet FR2170825A1 — publié le 19730921

La présente invention concerne le perfectionnement des procédés de soudage, notamment du procédé de soudage par faisceau électronique pour l'assemblage de pièces épaisses par cordon vertical ou circulaire vertical. Elle peut être appliquée à l'assemblage de pièces métalliques, notamment en acier, ainsi que de pièces en d'autres matériaux. Dans ce qui suit, l'expression "basse tension d'accélération" signifie les tensions inférieures à 60 kv, tandis que par hautes tensions d'accélération" on entend les tensions supérieures à 100 kV. Par pièces épaisses on entend des pièces dont l'épaisseur est d'environ 100 mm ou plus. On sait que, dans le soudage par faisceau électronique, l'énergie du faisceau nécessaire à la pénétration est proportionnelle à l'épaisseur des pièces à souder. Cela signifie nécessairement que la tension d'accélération doit être d'autant plus élevée que l'épaisseur des pièces à souder est plus grande. Ainsi, si pour le soudage par faisceau électronique de tôles d'acier de 50 mm d'épaisseur il faut une tension d'accélération de 50 à 60 kV, pour les tôles de 100 mm d'épaisseur cette tension doit être portée jusqu'à 150 kv. La mise en oeuvre de faisceaux électroniques avec de hautes tensions d'accélération (plus de 100 kV) présente plusieurs inconvénients. L'un d'eux réside dans le fait que les prescriptions sont bien plus sévères pour la précision d'accostage des pièces à souder et pour l'état de surface de leurs bords, car le diamètre du faisceau électronique est très petit, aussi l'écartement au joint ne doit-il pas dépasser 0,1 mm. Autre inconvénient : les prescriptions concernant l'alignement du faisceau et du joint, ainsi que les systèmes d'asservissement, sont plus rigoureuses. En outre, la qualité des soudures est très basse à cause des manques de fusion et des porosités.Les manques de fusion apparaissent quand le faisceau s'écarte de l'axe du joint, tandis que les porosités sont dues à la difficulté avec laquelle les bulles de gaz remontent à la surface du bain par le canal de fusion étroit et long. Enfin, la fiabilité du canon à électrons à haute tension est inférieure à celle des canons à basse tension, par suite des claquages fréquents en haute tension. En raison de ces inconvénients, l'épaisseur maximale des tôles d'acier que l'on arrive d'ordinaire à souder ne dépasse pas 100 mm. Le soudage par faisceau électronique est utilisé en règle générale pour l'assemblage de pièces à plat, le faisceau d'électrons étant vertical, avec déplacement relatif du faisceau et de la pièce. Des tentatives ont été faites pour exécuter par bombardement électronique des cordons verticaux ou circulaires verticaux, avec utilisation d'un faisceau d'électrons horizontal. Toutefois, jusqu a présent, on n'est arrivé à réaliser de tels cordons que sur des pièces de faible épaisseur ou en métaux à bas point de fusion. Ces limitations sont dues au fait que le métal fondu s'échappe facilement d'un bain situé sur un plan vertical. En outre, dans tous les procédés connus de soudage par faisceau électronique, le pouvoir de pénétration limité du faisceau d'électrons est dû à ce qu'au cours du soudage le faisceau d'électrons subit dans le canal de pénétration un effet d'écran de la part du métal fondu et des vapeurs et gaz qui se forment. Pour former un canal de pénétration subsistant d'une façon stable dans toute l'épaisseur des pièces à souder, il faut augmenter la tension d'accélération, laquelle provoque à son tour une diminution du diamètre du faisceau et une augmentation de la densité d'énergie du faisceau. En outre, dans tous les procédés connus de soudage par faisceau électronique, la forme du cordon est aléatoire, non contrôlée. Le cordon en "lame de poignard", pour lequel le rapport hauteur -largeur est égal ou supérieur à 40/1 et qui est obtenu dans le cas de soudage par faisceau électronique avec une haute tension d'accélération, est difficile à aligner avec le joint, par suite des petites dimensions du cordon, surtout à la racine, de ce dernier, ce qui peut abaisser la qualité du cordon. Le but de la présente invention est de créer un procédé d'assemblage de pièces épaisses par un cordon vertical ou circulaire vertical consistant à utiliser un faisceau d'électrons horizontal et une basse tension d'accélération et assurant une haute qualité du cordon obtenu, ainsi qu'un dispositif pour la mise en oeuvre dudit procédé. Il s'agissait, à cet effet, de créer des conditions de soudage par faisceau électronique telles que, dans le canal de pénétration, l'effet d'écran du métal en fusion et des vapeurs sur le faisceau serait exclu. Ce problème est résolu du fait que dangun procédé de soudage de pièces épaisses par un cordon vertical, au moyen d'un faisceau d'électrons horizontal et par déplacement relatif dudit faisceau et des pièces à souder, selon l'invention on maintient, au cours du soudage la distance entre niveau du métal en fusion et l'axe du faisceau d'électrons à l'intérieur des pièces à une valeur égale à environ 2 à 2,5 fois le diamètre du faisceau d'électrons, et on retient de force le métal liquide de manière à ce qu'il ne s'échappe pas delazone de soudage. Les avantages du procédé proposé consistent en ce que, grâce à l'écartement entre le niveau supérieur du métal en fusion et le faisceau d'électrons, le métal, sous l'effet de la pesanteur s'écoule vers la partie inférieure du canal, et la zone d'intéraction du faisceau et du corps solide est ainsi libéréedu métal liquide. De ce fait, l'effet d'écran du métal liquide sur le faisceau d'électrons est supprimé et l'on obtient une pénétration profonde, de 150 à 500 mm ou plus. Les vapeurs et les gaz s'en vont plus facilement d'un tel canal à section allongée verticalement. Le métal en fusion se déplaçant sous forme de gouttes vers la zone de solidification a la possibilité de se dégazer complètement, ce qui rend le processus de soudage peu sensible à la teneur en gaz du métaR. Le moulage forcé donne la possibilité d'obtenir un cordon et des renforts de forme voulue. Il est avantageux de ménager au préalable, à l'endroit où s'amorce la soudure dans le joint des pièces, un canal perpendiculaire au cordon de soudure et de dimension transversale égale à 2 à 2,5 fois le diamètre du faisceau d'électrons ; la longueur de ce canal est de 0,7 à 0,8 fois l'épaisseur de la pièce. Cela permet d'obtenir, dès le commencement du soudage, l'écartement nécessaire entrele faisceau d'électrons et le niveau du métal en fusion, et, en outre, de passer rapidement au régime de soudage prescrit. Pour obtenir un cordon de meilleure qualité, le diamètre du faisceau d'électrons dans le canal est de 2/100 à 4/100 de l'épaisseur des pièces, pour une densité d'énergie du faisceau d'environ 105 W/cm2 et une tension d'accélération comprise environ entre 30 et 60 kV. Dans de telles conditions de soudage, le faisceau d'électrons crée un canal de pénétration avec un rapport profondeur-largeur égal à 10/1. En conséquence, le coefficient de forme du cordon de soudure sera de 10/1. Cela signifie que la largeur du cordon à sa racine sera suffisamment grande. De tels cordons sont faciles à aligner avec le joint et ils sont peu sensibles aux écartements allant jusqu'à 0,8 mm. Par exemple, la largeur du cordon à sa racine sur une tôle d'acier de 120 mm est égale à 4 ou 5 mm. Dans le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé proposé, comportant un canon à électrons et un mécanisme de déplacement relatif du faisceau d'électrons et des pièces à souder, selon l'invention sont prévus deux éléments de moulage du cordon, se présentant sous forme de patins assurant le maintien forcé du métal, disposés le long du cardon de part et d'autre du joint et pourvus chacun d'une rainure disposée le long du cordon lors du soudage, l'un desdits patins comportant en outre une ouverture débouchante pour le passage du faisceau d'électrons. La profondeur de la rainure du patin se trouvant du côté du canon à électrons est égale à 5/10C de l'épaisseur des pièces à souder, sa largeur étant légèrement supérieure au diamètre du faisceau. Dans ce qui suit, l'invention est expliquée par la description d'un exemple non limitatif de réalisation illustré par les dessins annexés qui représentent - la figure 1, le schéma de principe d'une installation pour la mise en oeuvre du procédé proposé, les patins et les pièces à souder étant montrés en coupe - la figure 2, une vue de dessus des pièces accostées pour le soudage dans l'installation de la figure 1 - la figure 3, une vue en perspective d'un patin conforme à l'invention ; - la figure 4, a et b, des pièces accostées pour le soudage par cordon rectiligne - la figure 5, a et b, des pièces accostées pour le soudage par cordon circulaire, vue de face et de côté respectivement. Le procédé proposé de soudage par faisceau électronique pour l'assemblage de tôles épaisses sera décrit en considérant le cas où, pendant le soudage, les pièces à souder sont mobiles et le faisceau d'électrons fixe. Dans une chambre à vide 1 (figure 1) sont placés un mécanisme 2 de fixation des pièces à souder, un mécanisme 3 de déplacement vertical des pièces dans la direction représentée par la flèche A, et des organes 4 et 5 pour le moulage foréé du cordon. Dans ce qui suit, les organes 4 et 5 seront appelés simplement "patins". A l'extérieur de la chambre est fixé un canon à électrons 6 disposé horizontalement. Les systèmes de création de vide dans la chambre et le canon sont réalisés séparément. Comme le montre la figure 2, les pièces à souder 7 et 8 sont fixées de telle façon que les patins 4 et 5 se trouvent de part et d'autre du cordon. Le patin 4 pour le moulage forcé de la partie du cordon se trouvant du côté du canon à électrons est représenté sur la figure 3. C'est une plaque en métal à haute conductibilité thermique, par exemple en cuivre, dans laquelle est pratiqué un canal 9 pour la circulation d'un liquide de refroidissement. Dans ce patin sont ménagées une encoche débouchante 10 pour le passage du faisceau et une rainure verticale 11 sur toute la hauteur du patin, pour le moulage de la tête du cordon. La largeur de la rainure est choisie un peu plus grande que le diamètre du faisceau, et sa profondeur J est égale à 5/100 de l'épaisseur des pièces. Ces dimensions doivent être choisies de façon que tout métal excédentaire qui, dans le soudage par faisceau électronique apparaît toujours sous forme d'un bourrelet de renforcement, puisse se loger exactement dans cette rainure. Pour un meilleur soudage, par exemple de tôles d'acier de 120 mm d'épaisseur, lalargeur de la rainure est supérieure de 4 mm au diamètre du faisceau et sa profondeur est de 5 à 6 mm. Le patin 5 placé de l'autre côté du joint est analogue au patin 4, avec la seule différence qu'il n'a pas d'encoche débouchante et que la largeur de la rainure, pour l'épaisseur indiquée est de 5 à 6 mm, et la profondeur de 2 à 3 mm. Le soudage par faisceau électronique suivant le procédé proposé s'effectue de la façon suivante. les pièces à souder 7 et 8 (figure 4a) sont accostées sans écartement et réunies rigidement. Sur la tranche inférieure des pièces à souder on fixe rigidement une plaque 12 danslaquelle commencera le soudage. Dans la plaque 12, à l'endroit où sera commencé le soudage, on réalise, par exemple par perçage, un trou perpendiculaire au joint et de profondeur égale à 7/10 ou 8/10 de l'épaisseur des pièces. Le diamètre du trou est de 2 à 2,5 fois le diamètre du faisceau. En cas de soudage de cordons circulaires, un tel trou d'amorçage, ayant les dimensions indiquées, est pratiqué directement dans les pièces,comme montré en 13 sur les figures Sa et 5b. Les pièces accostées pour le soudage (figure 1) par un cordon rectiligne sont fixées de telle façon que le joint soit disposé verticalement. On serre étroitement contre les pièces 7 et 8 les patins 4 et 5, le patin 4 étant positionné de telle façon que l'encoche 10 soit alignée avec le faisceau d'électrons 14. Le patin 5 est placé de l'autre côté du joint. les pièces 7 et 8 ainsi réunies en vue du soudage sont déplacées par le mécanisme 3 jusqu'à la position dans laquelle le trou d'entrée de la plaque 12 se trouve aligné exactement avec l'encoche 10 du patin avant 4. On bouche la rainure du patin 4, au-dessous de l'encoche 10, avec un tampon d'amiante ou autre matériau réfractaire. Le canon à électrons avec un système optique Pearce, d'une puissance de, par exemple, 50 kW, avec une tension d'accélération allant jusqu'à 60 kV, engendre un faisceau d'électrons de 4 mm de diamètre (pour des épaisseurs de 100 à 120 mm). On peut ainsi obtenir dans le faisceau une densité d'énergie d'environ 5.105W/cm2. le diamètre de la cathode en tungstène d'un tel canon peut être de 6 à 8 mm. A une faible intensité du courant réalise la focalisation optimale du faisceau sur la pièce, puis, à l'aide du système déviateur, on aligne exactement le faisceau d'électrons avec le trou des pièces. le soudage commence par la mise en mouvement des pièces verste bas et l'augmentation de l'intensité du faisceau jusqu'à sa valeur nominale.Le régime de soudage approximatif pour les tôles en acier doux de 120 mm d'épaisseur est le suivant U= 40 kV, I = lA, vitesse de soudage 10 m/h. Au cours de la fusion des bords des pièces par le faisceau de grande puissance et pendant que les pièces se déplacent, le métal liquide coule sous forme de gouttes suivant les parois du canal 15 vers la partie inférieure de celui-ci, où il se solidifie. L'échappement latéral du métal liquide est interdit par les patins 4 et 5. Si les dimensions de la rainure du patin 4 sont choisies correctement, pendant toute la durée du soudage il y aura sous le faisceau un canal à section ovale allongée suivant la verticale, la distance entre l'axe du faisceau et le niveau supérieur du métal liquide restant constante, égale à 2 ou 2,5 fois le diamètrqffu faisceau d'électrons. Au cours du soudage, les vapeurs et les gaz du métal en fusion peuvent s'en dégager plus facilement et s'en aller par le canal 15 dont la section est allongée verticalement, ce qui améliore notablement la qualité du cordon. Dans le cas dé soudage avec un fil d'apport introduit dans le canal 15, par exemple en vue d'allier le métal du cordon, un excédent de métal apparaît, qui doit obligatoirement se loger dans la rainure 11 (figure 3). Dans ce cas, la profondeur de la rainure 11 est choisie plus grande que 5/100 de l'épaisseur des pièces. La formation du cordon de soudure s'effectue par bain, avec moulage forcé des surfaces du cordon par les patins 4 et 5 refroidis. L'encoche ménagée dans le patin 4 permet d'observer le niveau du bain et le comportement du métal le constituant. Dans le cas d'exécution de soudures rectilignes, le soudage s'achève au-delà d'une plaque terminale de dégagement (non représentée sur les dessins), par coupure du courant. Dans le cas d'exécution de cordons circulaires, on exécute un recouvrement du commencementde la soudure, puis on réduit progressivement le courant jusqu'à zéro afin de boucher le cratère. L'application du procédé proposé permet d'obtenir une pénétration complète dans.des épaisseurs de 150 mm et plus, d'employer des appareils de soudage par faisceau électronique à basse tension, d'améliorer la qualité des cordons de soudure et de donner n'importe quelle forme requise à leurs renforts, cette forme étant déterminée par la rainure des patins. Bien entendu, l'invention n' est nullement limitée au mode de réalisation décrit et représenté qui nta été donné qu a titre d'exemple. En particulier, elle comprend tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, ci celles-ci sont exécutées selon l'esprit de l'invention et mises en oeuvre dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. - Un procédé de soudage par faisceau électronique pour l'assemblage de pièces épaisses par un cordon vertical ou circulaire vertical, avec disposition horizontale du faisceau d'électrons et déplacement relatif de celui-ci et des pièces à souder accostées, caractérisé en ce qu'au cours du soudage on maintient la distance entre le niveau du métal en fusion dans la masse des pièces et l'axe du faisceau d'électrons 14 à l'intérieur des pièces à souder à une valeur environ 2 à 2,5 fois le diamètre du faisceau d'électrons, et en ce que l'on assure un maintien forcé du métal liquide dans la zone de soudage, ce qui permet de réaliser le soudage avec une basse tension d'accélération. 2. - Un procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'à l'endroit où est amorcée la soudure on pratique dans le joint desdites pièces un canal perpendiculaire au cordon de soudure et dont la dimension transversale est de 2 ou 2,5 fois le diamètre du faisceau d'électrons. 3. - Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le canal a une longueur égale à 0,7 ou 0,8 fois l'épaisseur des pièces à souder. 4. - Un procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le diamètre du faisceau d'électrons dans le canal est de 0,02 à 0,04 fois l'épaisseur des pièces à souder, pour une densité d'énergie du faisceau égale à environ 105 W/cm2 et une tension d'accélération comprise environ entre 30 et 60 kV. 5. - Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'une des revendications 1 à 4, du type comprenant un canon à électrons et un mécanisme de déplacement relatif du faisceau d'électrons et des pièces à souder, caractérisé en ce qu'il comporte en outre deux éléments ou patins de moulage du cordon-de soudure, disposés le long du joint de part et d'autre des pièces à souder, chacun desdits éléments de moulage se présentant sous forme d'une plaque refroidie assurant le maintien forcé du métal et comportant une rainure disposée le long du cordon lors du soudage, l'un desdits éléments de moulage ccmportant en outre une ouverture débouchante pour le passage du faisceau d'électrons. 6. - Un dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que la proiondeur de la rainure de l'élément ou partie de moulage se trouvant du côté du canon à électrons est égale à 0,05 fois l'épaisseur des pièces à souder, et en ce que la largeur de ladite rainure est légèrement supérieure au diamètre du faisceau d'électrons. 7. - Les pièces ou produits soudés, caractérisés en ce qu'ils sont obtenus par le procédé suivant l'une des revendicatiòns i à 7.