Brevet FR2244595A1 — publié le 19750418

L'invention concerne un pro cédé pour réaliser le soudage d'articles en métal par friction sous L'eau entre les surfaces à souder entre elles. La recherolie technique relative aux structures soudées sous l'eau a reçu recemment un de'velop- pement considérable en conséquence des progrès réalisés dans le domaine océanographique . Comme procédés actuels pour le soudage sous l'eaux on peut citer le procédé de soudage à l'arc, le procédé au plasma- etc. Généralement le soudage sous liteau est occasionné en majeure partie par des structures de découpage ou de réparation. Aucun procédé na été mis au point jusqu'à maSn- tenant pour le soudage direct de pièces métalliques sous l'eau. La cause principale des diffi- cultés rencontrées dans le soudage sous l'eau réside dans la perte rapide de chaleur dans l'eau, ltoxydation des surfaces soudées, ltisolation nécessaire de la zone de la soudure par rapport à l'eau d'entourages etc, qui exigent des conditions opérationnelles spéciales. A une grande profondeur dans l'eau, lapression de l'eau a l'effet contraire de modifier l'unifor- mité de la distribution de la température à la zone desoudage, ce qui rend difficile la réalisation d'une union parfaite des articles métalliques soudés. Si le procédé de soudage par friction est appliqué sous l'eau, l'énergie calorifique engendrée-sur les faces de friction est tout d'abord libérée dans l'eau d1entourage, -et la température au voisinage des faces aboutées, diminue, ce qui rend le soudage difficile. Si le soudage-est effectué, d'une manière ou d'une autre; la vitesse avec laquelle la portion soudée se refroidit est considérable- ment plus élevée sous l'eau que dans l'atmosphère. Cela provoque un phinomène analogue à la trempe par immersion dans l'eau, d'où il résulte que la portion soudée et les parties voisines présentent des fissures ou une texture extrtmement fragile. L'invention a pour but de créer un procédé qui permet l'application sous l'eau de la technique de soudage par friction usuellement pratiquée à terre pour joindre des articles métalliques en utilisant la chaleur de frottement comme source de chaleur. Le procédé conforme à l'inven- tion doit permettre une jonction facile et sûre des pièces métalliques, même a une grande profondeur sous l'eau et, par conséquent, sous une pression d'eau élevée, sans influencer la texture métallique des portions soudées et sans donner nais- tance à des fissures. Le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'on enroule un matériau isolant de la cha- leur autour de la périphérie des faces d'extrémité de chacun des articles à souder avant d'absorber celles-ci et de les souder entre elles par la chaleur de frottement engendrée dans ces faces par un déplacement relatif de rotation et une preste sion appliquée en direction axiale. Lorsque le matériau isolant de la chaleur est ainsi enroulé autour des périphéries des faces d'extrémité de deux articles métalliques à souder sous l'eau, une phase gazeuse est produite dans le mince intervalle entre le métal et le matériau isolant, cette phase gazeuse s'opposant à un transfert de chaleur et permettant une accumu- lation de l'énergie de chaleur engendrée prè3 de la portion soudée En conséquence, même à une grande profondeur impliquant une pression d'eau élevée, le soudage par friction peut être effectué aussi. aisément que sur la terre ferme. La description ci-apre se rapporte à des exemples de réalisation du procédé de l'inven- tion avec référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure i est une vue en perspective d'articles métalliques préparés pour le soudage conforme au procédé de l'invention. --la figure-2 est une vue en coupe montrant les articles métalliques qui ont été soudés par le procédé. Avant que les faces d'extré- mité 2a et 2b des articles métalliques la S lb soient aboutées et soudées par la chaleur de frottement développée dans ces faces par le déplacement de rotation relative et la pression exercée en direction axiale, les périphéries des faces d'es; trémité des articles la, Zb sont entourées par des bandes er- veloppantes isolantes 3a, 3k comme représenté par le ra dans la figure 1.Comme matière pour cee bandes isolantes de la chaLeuzi 3a, 3b, on peut utiliser divers matériaux possèdant ne propriété d'isolation de la chaleur, papier, tissu, ou un matériau de base tel que papier, tisau, ou obtenu par projection d'un produit collant de silicone sur un tissu de fibres de verre. D'autre msnière-, la même protection périphérique peut être réa lisée en préparant un collet de même matériau et possédant une circonférence intérieure exactement conformée à la circonfé- rence -extérieure des articles métalliques à souder, et en insérant ce collet autour de la portion d'extrémité de chacun des articles. Le ruban ou le collet suffit à ce but s'il a une largeur de 20 cm à partir de la face d'ex- trémité de l'article. Après que le matériau isolant a été enroulé -autour des périphéries des faces des articles, l'un de ces articles la est entraîné en rotation autour de son axe par un dispositif dtentrataement (non représenté) et, -en même temps, l'autre article 1b est immobilisé par un mandrin canon représenté Les faces des deux articles métalliques sont pressées l'une contre l'autre, de manière à imposer un dépla- cement de rotation relative et une pression axiale aux faces d'extrémité. En conséquence, de la chaleur de frottement est engendrée dans les faces en contact pour élever la température de l'endroit de soudage et-des portions voisines.Une partie de cette énergie calorifique est dépensée en vapeur produite.- Cette vapeur produite nJest pas totalement transmise dans l'eau environnante mais donne lieu à une phase gazeuse dans la fine ouverture séparant la surface des articles métalliques et la surface intérieure du matériau isolant de la chaleur. En consé- quence un film composé -de gouttelettes de vapeur agglomérées est formé entre ces surfaces des articles et du matériau iso lant. Ce film sert à s'opposer à un transfert autrement possible de la chaleur de frottement et il permet ainsi une accumu- station de l'énergie thermique prés de l'emplacement de soudage sans dispersion éventuelle. Il en résulte que le soudage peut être effectué dans-des conditions similaires de celles d'un soudage dans l'atmosphère. Cet effet est manifeste aussi bien sous une pression d'eau élevée (50 au2) que sous une basse pression de l'eau. Au-eours du processus de soudage la chaleur de frottement provoque une saillie des surfaces aboutées vers l'extérieur (analogue à un gonflement). Dans les portions en saillie 4, 4b, des portions limitées des bandes isolantes de la chaleur brûlent, tandis que la plus grande -partie s'étale sur les surfaces des bourrelets sail- lante et s'y maintient attachée. lorsque le soudage par frof tement est-effectué sous l'eau, comme lorsqu'il est effectué à sec, le soudage est terminé en provoquant un arrêt brusque du mouvement de rotations et, en même temps, en augmentant la pression axiale jusqu'à une valeur supérieure à celle pratiquée au cours du soudage, après que les portions aboutées des articles métalliques ont été fondues ou amenées à l'état plastique. --Âprès la fin du soudage, la plus grande part du matériau isolant de la- chaleur reste adhé- rente aux portions soudées des articles métalliques. Le reste de matière isolante contribue à l'abaissement de la vitesse de refroidissement des portions soudées, ce qui protége ces poru tions contre une fragilité éventuelle rendue possible par des pertes de chaleur vers l'eau environnante. Dans le cas où le soudage par friction sous l'eau est effectué sans utiliser le matériau isolant de la chaleur mentionné plus haut, l'énergie thermique engendrée dans les faces aboutées des articles métalliques est consommée pour convertir une partie de l'eau environnante en bulles de vapeur qui sont dispersées. Etant donné que la pression de liteau augmente dans ces conditions, la conductibilité de la chaleur vers l'eau est accrue et la chaleur spécifique de l'eau déeroft. En conséquence, l'énergie calorifique perdue dans l'eau augmente, et la température au voisinage des faces soudées décline, ce qui rend difficile l'accomplissement du soudage.Etant donné que, pour la meme raison, la vitesse à laquelle la portion soudée se refroidit après exécution du soudage devient notablement plus élevée que lorsque le soudage est effectué dans l'atmosphère, il se produit un phénomène analogue à une --trempe par immersion dans l'eau effectuée sur la terre ferme, d'où résulte des fissures au voisinage de la portion soudée. Cependant, d'après la descrip- tion précédente, il est clair que le matériau isolant de la chaleur enroulé autour des faces d'extrémité des articles soumis au soudage permet d'effectuer ce soudage par friction aussi avantageusement sous L'eau que sur la terre ferme, parce qu'il s'oppose à ce que l'énergie calorifique engendrée dans les faces aboutées soit perdue vers l'eau environnante, ce qui empOche la portion soudée de se refroidir soudainement après l'opération de soudage. La description qui a été faite était relative au cas où les articles en métal soumis au soudage avaient la forme de barres rondes. Il est évident, cependant, que l'invention est également applicable au soudage d'une barre ronde sur une plaque métallique. Un exemple pratique est décrit ci-après étant entendu que l'invention n'est pas limitée à cet exemple. Exemple Des articles métalliques de 20 mm de diamètre dans la partie coudée et respectivement 13 mm et 30 mm de diamètre à la partie - soudée, ont été constitués en un métal recuit ayant une composition de 0,32 % de C, 0,20 % de Si, 0,70 % de Mn, 0,014 % de P, 0,016 % de S, 0,024 % de Or, 0,019 % de Ni, 0,03 % de Ou et le reste en fer jusqu'à 100 *. Deux de ces pièces ont été soudées, dans la forme de barres. La vitesse de rotation relative était de 4000 tours/minute, la pression axiale d'environ 4 kg/mm2 s'élevant à la fin à & w mm2. La durée du soudage à été de 15 secondes et l'opération a été effectuée sous diverses pressions d'eau : 1 kg/cm2, 4 kv am2 et 6 kg/cm2. Les résultats sont donnés dans le tableau suivant: Tableau I Pression : Montant du : Résistance : d'eau : bourrelet : à traction : Position de rupture kg/ cm : (mm) : (kg/cm) : I : 1,4 - 11,6 : 54,8 - 56,6 5 dans l'article métalli- : : : que lui-même 4 : 2,0 - 6,1 : 56,0 - 56,7: id. 6 : 0,5 - 5,2 : 21,3 - 33,6 o dans la portion soudée Les deux valeurs indiquées pour le montant du bourrelet et pour la résistance à la traction correspondent respectivement aux valeurs maximales et minimales chacune dans des essais sur dix échantillons On voit que la résistance mécanique de la portion soudée décroît fortement lorsque la pression d'eau s'élève à 6 kg/cm en conséquence des rubans de 19 m/m de largeur et 150 mm de longueur préparés .ar projection d1un adhésif résistant à l'eau sur un ruban de matière plastique disponible sur le marché et sur tissu de tétrafluoréthylène et fibre de verre ont été enroulés autour de la périphéris sur les faces d'extrémité des articles métalliques, et les articles ont été alors soudés dans les mêmes conditions sous une preesion de 6 kg/am d'eau. Les résultats sont donnés dans le tableau 2. Tableau 2 Pression 9 Matériau :Montant : Résistance 5 Position de d'eau : isolant de : du : à : la kg/cm : la chaleur : bourrelet : traction : rupture -mm- : (kg/cm) : : ruban plasti- :1,0-2,2 : 54,3 X 56,5: Article métal : que : : : lique lui-même 6 : Polytétrafluo- : : : : ro éthylène t o :1,7 1,9 54,8 - 56,7: id fibres de ver o re On voit que le ruban enroulé autour des faces d'extrémité soumises au soudage s'oppose aux effets contraires possiblesode la pression d'eau au moment du soudage. La forme du bourrelet saillant sur la portion soudée, qui est l'un des éléments permettant l'estimation des résultats du soudage, était bien équilibrée sur les. deux côtés de l'inter- face soudée. Aucune craquelure n'a été observée. Les deux types de ruban décrits ont donné des résultats satisfaisants sans différence entre les résultats. De ce fait, il est logique de conclure que des résultats similaires seraient obtenus avec un ruban adhésif thermodurcissable avec pour beè un tissu de fibres de verre, ou de papier, un ruban isolant pour câbles électriques au lieu des deux types mentionnés. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation ci-dessus décrits et réprésentés, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d 'autres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATION Procédé pour le soudage sous l'eau par friction entre articles métalliques dans lequel on aboute les faces d'extrémité des articles l'une contre l'autre, on provoque un mouvement de rotation relatif entre les faces aboutées et on soude les articles l'un à l'autre en utilisant la chaleur de friction causée dans les faces aboutées par ce mouvement de rotation relatif et par une pression axiale, procédé caractérisé en ce qu'on enroule un matériau Isolant de la chaleur autour des périphéries des faces d'extré- mités avant de procéder au soudage.