Brevet FR2232396A1 — publié le 19750103

La présente invention concerne le soudage bout à bout, en particulier le soudage bout à bout par friction, de tubes, tuyaux, barres ou éléments analogues. On connaît déjà différents procédés pour le soudage par friction de tubes. L'un de ces procédés connus est représenté schématiquement sur la figure 1. On fait tourner un tube à une vitesse relativement élevée autour de son axe longitudinal et on applique une force de compression élevée sur l'extrémité de l'autre tube, qui est fixe, de manière à porter la température de la zone de contact entre les deux tubes jusqu a la température de soudage, on arrête brusquement la rotation du tube tournant et on applique une force de compression finale plus élevée, de manière que les deux tubes 1 et 1' se soudent l'un à l'autre. Un autre procédé de soudage par friction fréquemment utilisé est représenté schématiquement sur la figure 2. Selon ce procédé, on dispose trois tubes bout à bout sur un axe longitudinal commun, de sorte qu'il se forme alors deux zones de contact, on fait tourner le tube 1' situé au milieu et on applique en même temps une force de compression sur les zones de contact, par exemple depuis l'une des extrémités d'un des tubes extérieurs 1, comme indiqué par la flèche 2, de manière que les deux tubes extérieurs 1 sont simultanément soudés au tube 1' situé au milieu. Dans ces deux procédés de soudage par friction connus, il faut faire tourner l'un des tubes à une vitesse élevée, et il faut brusquement arrêter sa rotation au moment ou la zone de contact a atteint la température de soudage. Comme ces deux conditions sont difficiles à remplir s'il s'agit de tubes de grandes dimensions, le soudage par friction n'est généralement pas utilisé pour des tubes dont le diamètre dépasse 100 mm, à moins qu'il ne s'agisse de tubes d'assez faible longueur. Cependant, le développement récent dans la construction des pi pelines tur de grandes distances pose de sérieux: problèmes de raccordement des tshts. Dans le but de résoudre ces problèmes, on a mis au point de grosses machines à souder par friction. A titre d'exemple, la figure 3 montre, en perspective, une grosse machine à souder à friction comme décrit dans "Metal Construction and British Welding Journal" de Mai 1970, page 198. Cette machine est montée sur deux véhicules sur chenilles propulsés par des moteurs diesel et elle est utilisée pour le soudage de tubes de grand diamètre et de grande longueur. La cabine 6 de la machine représentée sur la figure 3 est placée à proximité de deux moteurs diesel 7 qui entraînent des pompes hydrauliques 8, ainsi qu'à proximité de la zone de soudage 9. La machine comprend en outre un support à galets t xe 10, une tête de rotation 11 et un moteur hydraulique 12-. 13 désigne un tube devant être soudé par friction sur la partie déjà installée d'un pipeline, et 14 désigne le tube suivant, c'est-à-dire le tube qui sera soudé ensuite sur liextrémité libre du tube 13.Pendant le fonctionnement de la soudeuse représentée sur la figure 3, le tube de grand diamètre et de grande longueur est animé d'une rotation pendant qu'il est maintenu aligné exactement dans l'axe du tube précédent. Il est cependant difficile d'arrêter brusquement la rotation de ce tube d'un poids élevé au moment ou son extrémité frottant contre l'extrémité du tube déjà installé atteint la température de soudage. De plus, il se forme à l'intérieur des tubes, aux endroits des joints soudés, des bourrelets qui sont typiques pour le soudage par friction de tubes et dont l'enlèvement est très difficile. L'invention apporte une solution aux problèmes que pose jusqu'à présent le soudage par friction de tubes ou de barres de grandes dimensions et d'un poids élevé, notamment en ce qui concerne l'arrêt brusque d'un tube lourd tournant à grande vitesse et la suppression des bourrelets formés à 1'4ntérieur des joints soudés. L'invention crée en outre un procédé de soudage par friction selon lequel il est possible de souder simultanément plusieurs tubes ou barres de petit diamètre. Un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention est caractérisé par le biseautage des extrémités adjacentes de tubes devant être soudés bout à bout de manière qu'il se forme entre ces extrémités une gorge en V qui est ouverte à la périphérie des tubes lorsque deux tubes sont disposés bout à bout, l'interposition d'une bague faite du même métal que les tubes ou d'un métal analogue entre les extrémités biseautées et dans cette gorge, cette bague ayant une section transversale en V qui correspond à celle de la gorge, ou une section transversale en forme de trapèze symétrique ou disymétrique, l'entrainement en rotation de cette bague intercalée autour de l'axe des tubes pendant que ceux-ci sont soumis à une compression axiale initiale, ce qui provoque la montée de la température des extrémités des tubes et de la bague intercalée sous l'effet du frottement de la bague tournante contre les tubes fixes, l'entrainement en rotation de la bague étant poursuivi jusqu'à ce que les zones an contact soient devenues plastiques, et par une compression axiale finale des tubes, de manière que ceux-ci se soudent l'un à l'autre dans la zone de la gorge en V. Selon une variante. de mise en oeuvrè-,- les extrémités-adjacentes des tubes disposés bout à bout ne sont pas biseautées mais formentqun angle droit avec lraxe longitudinal des tubes, et la bague intercalée ou bague de raccordement est formée par un court tronçon de tube qui correspond à ceux devant~8tre soudés bout à bout, ce court tronçon de tube portant une denture extérieure ou étant supporté par une couronne dentée qui entoure concentriquement le court tronçon de tube et qui est elle-mAme en tramée, de préférence par un engrenage. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de plusieurs exemples de réalisation non limitatifs, ainsi que des dessins annexés, sur lesquels la figure 1 est une vue en élévation schématique de la zone de jonction de deux tubes soudés bout à bout selon un procédé connu, comme déjà décrit dans ce qui précède; la figure 2 est une vue en élévation schématique des extrémités adjacentes de deux tubes qui sont soudés l'une à l'autre avec intercalation d'un tronçon de tube intermédiaire selon un autre procédé de soudage par friction connu, également décrit déjà dans ce qui précède;; 1i figure 3 est une représentation schématique, en perspective, d'une grosse machine à souder par friction de type connu, décrite également dans ce qui précède, qui travaille selon le procédé de soudage par friction représenté schématiquement sur la figure 1; la figure 4 est une coupe axiale de la zone de jonction de deux tubes soudés l'un à l'autre selon les procédés connus, montrant en particulier les bourrelets se formant à l'endroit du joint; la figure 5 est une~coupe axiale de deux tubes soudés l'un à l'autre selon le procédé de soudage par friction suivant l'invention, c'està-dire avec utilisation d'une bague intercalée entre les extrémités adja A centes des tubes; ; la figure 6 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un mécanisme destiné à faire tourner la bague intercalée de la figure 5 et à provoquer ainsi le-soudage par friction suivant l'invention des extrémités adjacentes de deux tubes; la figure 7 est une représentation schématique d'une des extrémités d'un mécanisme permettant le soudage bout à bout et en même temps de quatre tubes à un second groupe de quatre tubes avec intercalation de bagues conformément au procédé de l'invention, ce mécanisme comprenant essentiellement une roue principale dentée disposée au centre et quatre couronnes dentées disposées à la périphérie de cette roue centrale et entrainées par elle, qui font chacune tourner une bague intercalée entre les extrémités adjacentes de deux tubes devant être soudés bout à bout;; la figure 8 est une vue en perspective, en partie arrachée, montrant le second mode de mise en oeuvre de l:invention, dans lequel un court tronçon de tube intermédiaire est soudé bout à bout à deux tubes de grande longueur disposés de part et d'autre du tronçon intermédiaire Les figures 5, 6 et 7 représentent un premier mode de mise en oeuvre du procédé de l'inventíon. La figure 5 représente ras extrémités adjacentes et appliquées l'une contre l'autre de deux tubes la et lb comme on le voit, les extrémités des tubes sont bisealtées de manière à former une gorge en V qui s'ouvre vers l'extérieur et dans laquelle est disposée une bague 3 faite du même métal que celui des tubes la et lb ou d'un métal différent mais compatible avec celui des tubes, dont la section transversale en V correspond à.celle de la gorge définie par les chanfreins des deux tubes. Comme dans les figures 1, 2 et 4 - représentant l'art antérieur - une flèche 2 représente une force de compression appliquée par le tube lb sur le tube la et la bague intercalée 3. Il est notamment possible, dans le cadre du procédé de l'invention, d'utiliser une bague 3 portant une denture extérieure 20, voir la figure 6, et de disposer cette bague contre le chanfrein d'un des deux tubes, par exemple- contre celui du tube la.La bague 3 est entourée d'une couronne dentée 4 dont la denture intérieure 21 correspond à la denture extérieure 20 de la bague 3 et qui est amenée en prise avec cette denture de la bague. La couronne 4 peut etre glissée sur la bague 3 avant que cette dernière ne soit mise en place contre le chanfrein du tube la, ou avant que le second tube lb ne soit approché axialement du tube la et appliqué contre la face opposée de la bague 3, mais il est également possible de glisser la couronne dentée 4 sur les deux tubes déjà appliqués l'un contre l'autre avec intercalation de la bague 3 dans la gorge en V définie par les chanfreins, et d'engager ensuite sa denture interne dans la denture extérieure de la bague 3.Dans l'exemple de la figure 6, la bague 3 est entraidée en rotation par l'intermédiaire d'un arbre 22 sur lequel est calé un pignon 5 dont la denture 23 est en prise avec la denture extérieure 24 de la couronne 4. La rotation de l'ar- bre 22 dans un sens ou dans l'autre permet donc l'entraînement positif de la bague 3 pendant qu'elle frotte sur les chanfreins des tubes la et lb. Comme les chanfreins des tubes fixes la et lb ainsi que les chanfreins de la bague 3 ont été convenablement usinés au- préalable, on obtient ainsi un contact intime sur toute ltétendue des surfaces biseautées de ces éléments. De plus, il n'est pas nécessaire de prévoir un centrage particulier étant donné que celui-ci découle automatiquement de la force de compression exercée comme indiqué par la flèche 2 sur le tube lb la bague 3 et le tube la.Pendant que l'arbre 22 fait tourner la bague 3 à une vitesse élevée, par l'intermédiaire de la couronne dentée 4, la force de compression dans le sens de la flèche 2 est maintenue à une valeur initiale qui est telle que les extrémités biseautées des tubes la et lb ete surtout, la bague 3- - dont la masse est beaucoup plus faible que celLe des grands tubes la et lb - soient rapidement portées à une température élevée. Lorsque la zone de soudage définie par ces surfaces en contact atteint la température de soudage, la rotation de la bague 3 est brusquement interrompue par l'arrêt de l'arbre 22 et une force de cotpreesion finale d'une valeur plus élevée est appliquée au tube lb également dans le sens de la flèche 2, de sorte que la bague 3, devenue plastique, est soudée sur les extrémités~des deux tubes pendant qu'elle est poussée radialement vers l'extérieur en raison de l'effetde coin des chanfreins sur le tube la et lb. Comme la bague 3 n'a qu'une faible masse, le brusque arrêt de sa rotation peut être obtenu assez facilement et avec peu d'énergie, comparativement au procédé connu5 représenté notamment sur la figure 3.De plus, à la différence du joint soudé représenté sur la figure 4, les bourrelets de soudage qui se forment avec les procédés connus n'apparaissent pas à l'intérieur des tubes soudés conformément à l'invention, grâce à l'effet de coin que les chanfreins de tubes la et lb exercent sur la bague intercalée et qui tend à refouler la matière de la bague 3 radialement vers 1 taxtérieur. On obtient ce même effet si la gorge et la bague intercalée ont une section transversale trapézoidale. La tendance à la formation de bourrelets à l'intérieur des joints soudés peut en outre être contrôlée par la forme de la section transversale de la bague 3, la forme de la gorge recevant cette bague, la grandeur de la force de compression initiale et la grandeur de la force de compression finale sur la zone de soudage. De plus, le soudage par friction suivant l'invention nécessite seulement un dispositif d'entraînement relativement petit et compact et la force d'entrarnement en rotation peut être produite par un moteur électrique ou un moteur hydraulique commandé à distance, ce qui permet de varier la vitesse de rotation de la bague 3 puisque seule cette bague est entraînée en rotation, par 11 intermédiaire du pignon 5 et de la couronne dentée 4, les tubes la et lb étant simplement soumis à une force de compression mais ne tournant pas. Comme la bague intercalée ne fond pas, le soudage peut être effectué en n'importe quelle position des tubes devent être soudés bout à bout.Le procédé est applicable au soudage d'élé ments ayant des compositions différentes, il est réalisable facilement, et il est également applicable à des tubes ou d'autres éléments en métaux spéciaux qui ne peuvent pas être soudés par le procédé conventionnel de soudage à l'arc. La figure 7 représente schématiquement un mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention pour le soudage simultané de plusieursstu- bas. La figure 7 montre plus particulièrement une série de couronnes dentées 4 réparties autour de la périphérie d'une roue dentée principale 7 qui est entraînée par un arbre 22 et qui fait donc tourner simultanément plusieurs couronnes dentées, au nombre de quatre dans cet exemple, qui font chacune tourner une bague intercalée entre deux tubes devant être soudés bout à bout. Un mécanisme comme celui représenté à titre d'exemple sur la figure 7 peut être stabilisé par des éléments dentés en~prise avec les dentures extérieures des couronnes 4 et situés à l'extérieur de ces couronnes. Bien que la gorge etlabague de la figure 5aient une forme en V divergeant vers l'extéríeur, la gorge et la bague complémentaires peu- vent également avoir la forme d'un trapèze symétrique ou dissymétrique, à condition que les extrémités des tubes soient biseautées suffisamment pour que la force de compression exercée sur la zone de soudage ait tendance à forcer le métal plastifié contenu dans la gorge radialement vers l'extérieur pendant le soudage par friction, afin d'exclure la formation de bourrelets à l'intérieur des tubes, étant entendu que les bourrelets qui se forment à l'extérieur des joints peuvent facilement être enlevés ensuite, La figure 8 représente schématiquement un appareil pour le second mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention; c'est-à-dire pour celui dans lequel la bague est remplacée par un court tronçon de tube. Cet appareil comprend un arbre d'entrainemant 22' sur lequel est calé un pignon d'attaque 5' dont la denture 23' est en prise avec la denture extérieure 241 de la couronne 4'. La rotation de l'arbre 22' dans un sens ou dans l'autre permet de faire tourner le court tronçon de tube 3' de façon posi tive, et de provoquer ainsi lléchauffement de la zone de soudage par le frottement des faces extrêmes du court tronçon de tube 3' sur les faces extrêmes dsstubesla' et lb', sensiblement comme dans l'exemple représenté sur la figure 6.A la différence de cet exemple précédent, les extrémités des tubes fixes la' et lb' sont formées, non pas par des chanfreins comme dans 11 exemple de la figure 6, mais par des faces perpendiculaires à l'axe des tubes. De même, le court tronçon de tube 3' de l'exemple de la figure. 8 n'est pas une bague portant des chanfreins à l'extérieur, mais un simple tronçon de tube ayant la même épaisseur et fait de la même matière que les tubes la' et lb', et présentant des faces extrêmes droites. Le tronçon de tube 3' porte de préférence une denture extérieure 25' qui s'étend seulement sur une partie de la longueur axiale du tronçon de tube, conformément à l'épaisseur ou à la largeur de la couronne dentée 4'.Cette dernière peut également être remplacée par des pignons ou d'autres éléments d'entraînement et de support du court tronçon de tube 3'. Comme dans l'exemple de la figure 6, les tubes la' et lb' ainsi que le court tronçon de tube intermédiaire 3' sont alignés coaxialament; par la rotation de l'arbre 22', les tubes la' et lb' étant empêchés de tourner par des dispositifs non représentés et étant axialement poussEs l'un vers l'autre, comme indiqué par la flèche 2, le frottement dans les deux zones de contact 6a et 6b engendre une grande quantité de chaleur. Lorsque les zones de contact atteignent la température de soudage, la rotation du court tronçon de tube 3' est brusquement interrompue puis les trois tubes 3', la' et lb' sont soumis à une force de compression axiale finale plus grande, appliquée d'un côté ou des deux côtés, de manière que les deux tubes la' et lb' sont soudés l'un à l'autre ou, plus précisément, sur le court tronçon intermédiaire 3'. l'invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et l'homme de l'art pourra y apporter diverses modifications, sans pour autant sortir de son cadre. R E V E N D I C A TI 0 N S 1. Procédé pour le soudage bout à bout de tubes ou d'éléments analogues, caractérisé en ce qu'il comprend l'intercalation5 entre deux tubes disposés bout à bout, d'une bague métallique ayant un diamètre et une épaisseur correspondant à ceux des tubes, l'entraînement en rotation de la bague intercalée autour d'un axe commun aux tubes et à la bague, pendant que les tubes et la bague intercalée sont soumis à une force de compression axiale, de sorte que la température des extrémités des tubes et de la bague monte sous l'effet du frottement des surfaces en contact, l'arrêt de la rotation de la bague, et l'application d'une force de compres sion axiale finale sur les tubes pour provoquer leur soudage bout à bout au moyen de ladite bague. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les ex trémités des tubes devant être soudés bout à bout sont biseautées de manière à former des surfaces opposées qui divergent vers l'extérieur lorsque les extrémités des tubes sont appliquées l'une contre l'autre, et en ce que ladite bague présente une section transversale qui correspond à celle de la gorge divergeante formée entre les extrémités des tubes lorsque ceux-ci sont appliqués l'un contre l'autre. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite bague porte une denture extérieure qui dépassa radialement de la surface extérieure des tubes, et an ce que la bague est entraînée en rotation par l'intermédiaire d'un élément denté qui est en prise avec la denture de la bague. 4. Appareil pour le soudage bout à bout d'au moins une paire de tubes ou d'éléments analogues disposés bout à bout, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif pour supporter au moins deux tubes disposés bout à bout et coaxialement, un dispositif pour supporter une bague métallique présentant des surfaces extrêmes complémentaires aux extrémités des tubes correspondants de manière que ces surfaces extrêmes soient en contact avec les extrémités des tubes, un dispositif pour exercer une compression axiale sur les tubes et la bague intercalée entre eux, et un dispositif pour faire tourner la bague autour d'un axe commun aux tubes et à la bague intercalée, de manière que la rotation de la bague provoque le frottement de celle-ci sur les extrémités des tubes et l'élévation de la température des extrémités des tubes et de la bague, si bien que les zones en contact deviennent plastiques, et de manière que, la rotation de la bague étant ensuite arrêtée et une force de compression finale étant exercée sur les tubes, les extrémités de ces derniers sont soudées l'une à l'autre par l'intermédiaire de ladite bague. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bague intercalée entre les tubes porte une denture extérieure, une couronne dentée'étant en prise avec la bague par une denture intérieure et avec un pignon d'attaque par une denture extérieure, ledit dispositif destiné à l'entraînement en rotation de la bague faisant tourner ce pignon. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est équipé de plusieurs unités pour effectuer simultanément le soudage bout à bout de deux groupes de tubes, cet appareil comprenant plusieurs couronnes dentées qui entourant chacune une bague intercalée dont les bords frottent contre les extrémités de deux tubes devant être soudés bout à bout, l'un de ces tubes faisant partie du premier groupe et l'autre faisant partie du deuxième groupe, chaque couronne étant en prise avec la bague intercalée qu'elle entoure, les couronnes étant en outre en prise avec un pignon d'attaque autour duquel sont réparties les couronnes, de manière que ledit dispositif destiné à faire tourner le pignon d'attaque fait simultanément tourner les couronnes dentées de chaque paire de tubes.