Brevet FR2201949A1 — publié le 19740503

La présente invention concerne le soudage du titane et des alliages à base de titane et elle a plus partiaulière- ment pour objet une composition de protection pour soudage, un procédé et un dispositif de soudage constituant application de ladite composition. La réalisation de soudures de bonne qualité sur des pièces en titane pose de nombreux problèmes, dus essentiellement à la très grande affinité chimique du titane fondu qui tend en particulier à s'oxyder ou à absorber de l'azote qui peut être empruntée soit à l'atmosphère dans laquelle se déroule l'opération, soit même au flux de soudage. Une soudure ainsi contaminée est fragile et inacceptable pour de nombreuses applications. Pour pallier ces difficultés on a dans le passé utilisé le soudage en chambre étanche mais cette solution est coûteuse, difficile à mettre en oeuvre, et inapplicable aux pièces de grande dimension. On a également proposé l'emploi du soudage à l'arc électrique sous courant de gaz inerte (argon ou hélium en général) mais la protection ainsi assurée n'est pas toujours suffisante et l'analyse révèle la présence dans le cordon de soudure d'une teneur d'oxygène suffisante pour augmenter la fragilité. On a également proposé l'emploi de flux divers en même temps que du soudage sous gaz inerte mais cette solution, qui est pourtant la meilleure connue à ce jour, ne suffit pas à éliminer complètement l'oxygène. La présente invention vise notamment à fournir une composition de protection pour le soudage du titane et des alliages à base de titane donnant des résultats meilleurs que ceux des flux entièrement connus. La composition selon l'invention comprend un flux constitué au moins d'un composé choisi parmi les fluorures et les chlorures alcalins et alcalinoterreux et elle est caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un agent réducteur choisi parmi les métaux alcalins, alcalinoterreux et l'aluminium, réduisant l'oxyde de titane à la température de fusion du titane. L'invention vise également à fournir un procédé de soudage permettant de constituer un cordon de soudure ductile sur un assemblage en titane pur ou allié, suivant lequel on protège le cordon par une composition contenant un flux constitué au moins en majeure partie de fluorure de calcium et contenant un agent réducteur comportant au moins un métal réducteur alcalino-terreux ou alcalin ou de l'aluminium réduisant l'oxyde de titane à la température de fusion du titane. La composition se présente avantageusement sous forme d'un mélange préfondu, pour solubiliser le métal réducteur dans le flux, puis concassé. Ce métal réducteur est avantageusement le calcium ou le magnésium dans le cas de la soudure de titane non allié. Dans le cas d'alliage à base de titane comprenant de l'aluminium, l'agent réducteur peut entre un mélange constitué de calcium ou de magnésium et d'aluminium, qui apporte au cordon de l'aluminium et diminue les inconvénients liés à l'emploi d'une électrode de métal d'apport en titane non allié. Le choix de la teneur de métal réducteur constitue un compromis entre des considérations qui sont dans une certaine mesure contraditoires. Dans le cas du calcium, une forte teneur, de l'ordre de 8%, assure une protection pratiquement complète contre l'oxydation mais en contrepartie donne au cordon de soudure fondu une tension superficielle élevée et conduit à un cordon qui n'est pas plat, mais bombé et largement en saillie. Au contraire, une teneur plus faible, de l'ordre de 4 % donne un cordon beaucoup plus plat mais la protection contre l'oxydation est moins complète. Pour conserver une protection complete tout en écartant l'inconvénient correspondant, il est nécessaire d'utiliser le calcium non pas isolément, mais avec un autre métal réducteur. Dans le cas du titane non allié, on utilise du calcium et du magnésium en quantités sensiblement égales.Dans le cas du titane allié, on utilise du calcium et de l'aluminium à raison d'environ 60% en poids de calcium et de 40% en poids d'aluminium. Au lieu d'utiliser un flux constitué uniquement de fluorure de calcium, on peut utiliser un mélange avec d'autres fluorures alcalins ou alcalino-terreux ou avec certains chlorures alcalins ou alcalino-terreux. La composition de protection peut être déversée sous forme d'une poudre divisée présentant une granulométrie inférieure à 1 mm. On peut également utiliser des baguettes enrobées de la composition pré-fondue. Cette composition peut être utilisée dans tous les procédés de soudage connus mettant en oeuvre un métal d'apport. L'adjonction d'aluminium au métal alcalin ou alcalinoterreux prévu comme réducteur principal présente un intérêt supplémentaire lorsqu'on veut souder à l'arc électrique des pièces en titane allié à l'aluminium en utilisant des baguettes de soudage en titane pur à faible taux d'oxygène. Ce cas se présente en particulier dans le soudage de plaques en titane a 6% d'aluminium et 4% de vanadium alliage très difficile à filer en baguettes. En utilisant une composition de protection contenant de l'aluminium à un taux suffisant ( 40% par exemple) on introduit dans le cordon de soudure une teneur d'aluminium qui rapproche la constitution du cordon de celle des plaques. Dans le cas de soudage de titane allié à un autre métal suffisamment réducteur, cet autre métal peut être substitué à l'aluminium. Un exemple particulier de mise en oeuvre de l'invention et une variante sont maintenant décrits à titre d'exemples non limitatifs. Ces exemples correspondent au soudage bord à bord de plaques en titane ou en alliage à base de titane à l'arc électrique avec métal d'apport. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels: - la figure 1 montre très schématiquement en coupe élévation dans le plan de joint les divers composants de l'installation utilisée pour la mise en oeuvre de l'invention, - la figure 2 est une vue de dessus montrant la disposition des becs des trémies d'alimentation, dans une variante de l'installation de la figure 1. L'installation illustrée en figure 1 comporte une torche de soudage 10 déplaçable le long de la zone à souder, constituée par la jonction bord à bord entre deux plaques 12 dont l'une apparaît: sur la figure 1. Cette torche permet de maintenir une électrode de soudage constituée par l'extrémité d'un fil ou d'une baguette 14 de titane a une distance de la zone de soudage telle que la tension fournie par une source 16 fasse éclater un arc entre l'électrode et les pièces. La torche 10 illustrée est munie d'une gaine 18 dans laquelle une tubulure d'admission 20 permet d'introduire un gaz inerte (argon ou hélium en général). Ce gaz inerte s'écoule le long du fil 34 et sort par une buse 22 de répartition. La disposition décrite jusqu'à présent est classique. Toutefois, dans les installations antérieures à l'invention, le débit de gaz inerte devait être suffisant pour maintenir la zone fondue en atmosphère exempte d'oxygène. Ce rle devient très secondaire dans la mise en oeuvre de l'invention, mais le gaz inerte permet d'éviter une oxydation superficielle du titane, la où le titane peut se trouver porté à température élevée entre le contact glissant d'alimentation électrique et l'arc. L'installation illustrée en figure 1 comporte une tremie 24 qui se déplace en même temps que la torche de soudage le long de la zone à souder. Cette trémie est munie d'un vibreur non représenté de façon à déverser un débit réglable de composition de protection et à constituer en arrière de la trémie une couche 26 assez large pour recouvrir l'ensemble de la zone fondue lors du soudage. Pour assurer le synchronisme des déplacements de la torche 10 et de la trémie 24 ces deux organes peuvent être couplés par une plaque 28. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, la torche et la tremie se déplacent dans le sens indique par la flèche f de sorte que l'électrode et la zone fondue 30, se trouvent noyées dans la composition de protection. On voit que l'installation illustrée en figure 1 permet la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention: l'ensemble constitué par la trémie et la torche étant placé de façon que le bec 32 soit au-dessus du début de la zone à souder, on met en marche le vibreur de la trémie pour déverser un débit convenable et on commence à déplacer l'ensemble dans la direction indiquée par la flèche f. L'électrode étant placée à la hauteur convenable et alimentée par la source 16 (ainsi éventuellement que par un dispositif d'amorçage haute fréquence), le soudage intervient alors que l'électrode est noyée dans la composition. Une fois le cordon de soudure terminé et le métal refroidi, on balaye la composition qui est récupérable pour régénération éventuelle et réemploi. Plusieurs passes successives peuvent être effectuées dans le cas de soudures de fortes épaisseurs. Dans le mode de réalisation illustré en figure 1, tous les constituants de la composition sont déversés à la fois: il peut s'agir notamment d'un mélange préfondu puis broyé à une granulométrie comprise entre 0,1 et lmm de fluorure de calcium. Cette limite inférieure de 0,lmm est imposée par la nécessité d'éviter que les tubulures du gaz inerte utilisé ne disséminent une trop fine poudre en dehors de la zone de soudage. La préfusion permet de solubiliser le calcium dans le flux. Elle peut être effectuée en creuset de tungstène ou par induction directe de courant haute fréquence dans le mélange placé dans un creuset refroidi et transparent au champ électromagnétique. Mais on peut également apporter séparément divers constituants, comme dans le cas du mode de réalisation illustré sur la figure 2.Cette solution est notamment utilisable lorsque le flux est constitué non seulement par du fluorure de calcium qui joue le rôle essentiel, mais aussi par un chlorure qui abaisse la température de fusion du flux. Sur la figure 2 ne sont représentés que les becs 32' et 34 de deux trémies qui se déplacent ensemble dans le sens indiqué par la flèche f'. Les pièces 12 et 12' à souder étant placées bord à bord et munies d'un chanfrein 37 dans lequel est déposé le cordon de soudure, on choisit la largeur du bec d'alimentation32' et le débit de mélange de CaF2-Ca fourni par la trémie correspondante à une valeur telle que la couche 26' ne recouvre que le chanfrein. Les becs 34 déversent de leur côté deux bandes 36 d'un second constituant à point de fusion plus bas que celui du flux déversé par le bec 32'. Ce second constituant contient un chlorure tel que le chlorure de baryum mais pas d'élément réducteur dont la présence n'est pas nécessaire. De cette façon, on conserve au cours du soudage un point de fusion peu élevé. les bandes qui recouvrent le flux réducteur et assurent de ce fait une protection complémentaire plus large, s'étendant sur toute la zone thermiquement affectée autour du cordon de soudure. REVENDICATIONS 1. Composition de protection pour soudage du titane et des alliages à base de titane, comprenant un flux constitué au moins d'un composé choisi parmi les fluorures et les chlorures alcalins et alcalinoterreux, caractérisé par le fait qu'elle comprend en outre un agent réducteur choisi parmi les métaux alcalins, alcalinoterreux et l'aluminium, réduisant l'oxyde de titane à la température de fusion du titane. 2. Composition selon la revendication 1, caractérisée en ce que la composition est constituée par un mélange préfondu et finement divisé. 3. Composition selon la revendication#1 ou 2, caractérisée en ce que le flux comporte, en plus du fluorure de calcium, un autre fluorure métallique et/ou un chlorure tel que le chlorure de baryum. 4. Composition selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que l'agent réducteur est du calcium ou du magnésium et en ce que sa teneur est comprise entre 4% et 8% en poids du flux. 5. Composition selon la revendication 4, caractérisée en ce que la composition contient de l'aluminium 6. Composition selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'aluminium est présent à raison de 30 à 50% en poids de calcium. 7. Procédé de soudage permettant de constituer un cordon de soudure ductile sur un assemblage en titane ou en alliage à base de titane, caractérisé en ce qu'on protège le cordon de soudure fondue de la contamination par l'atmosphère ambiante par une composition contenant un flux constitué au moins en majeure partie de fluorure de calcium et contenant un agent réducteur comportant au moins un métal réducteur alcalino-terreux ou alcalin réduisant l'oxyde de titane à la température de fusion du titane. 8. Procédé de soudage permettant de constituer un cordon de soudure ductile sur un assemblage en titane ou en alliage à base de titane, caractérisé en ce qu'on protège la zone fondue par une composition suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu'on effectue le soudage à l'arc électrique avec électrode consommable en titane ou à base de titane. 10. Procédé selon la revendication 7, 8 ou 9, caractérisé en ce que l'on déverse la composition sous forme finement divisée le long de la zone souder, en amont ou en aval de la zone fondue dans le sens de déplacement de celle-ci, soit en une seule fois, soit successivement en deux fractions dont la première est à base de fluorure et la seconde contient un chlorure, de façon que la bande déposée déborde latéralement de part et d'autre de la zone fondue. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'on dispose la composition sous forme d'un enrobage autour de l'électrode. 12. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le soudage est effectué par induction de courants haute fréquence avec concentrateur de flux. 13. Procédé de préparation de la composition selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'on fond à l'abri de l'air un mélange du flux et du métal réducteur et en ce que l'on concasse la composition obtenue pour lui donner une granulométrie inférieure à 1 mm. 14. Procédé de préparation de la composition selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on concasse la composition obtenue pour lui donner une granulométrie comprise entre 0,1 et 1 mm. 15. Installation de soudage mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13.