Brevet FR2241710A1 — publié le 19750321

La présente invention concerne un procédé pour assembler par soudage au moins deux pièces métalliques notamment des plaques pour châssis de machines, structures d'usines, etc. Complémentairement l'invention concerne un assemblage, tel que chassis ou support de roulement pour engins lourds, notamment ponts roulants dans ies installations industrielles, cet assemblage étant réalisé au moyen du procédé précité Dans les infrastructures industrielles telles que celles qui comportent notamment des chemins de roulement pour engins lourds, les efforts dynamiques très élevés auxquels ces engins soumettent leurs rails de roulement, tels que trépidations et -chocs répétés entrainent progressivement une déformation et une fissuration des cordons de soudure qui maintiennent assemblées les diverses pièces des infrastructures de support. I1 en résulte que les matériels considérés doivent être assez fréquemment immobilisés pour remise en état, ce qui constitue une sujétion très onéreuse. Selon-les techniques de soudure connues, on assemble les pièces métalliques considérées par des cordons de soudure en V ou en X par exemple, qui limitent nécessairement l'épaisseur des éléments métalliques entrant dans la construction des bâtis ou châssis. En effet plus les pièces sont épaisses, et plus importants doivent être les chanfreins que l'on doit exécuter avant l'assemblage. Des chanfreins importants obligent à déposer des cordons de soudure corrélativement épais, ce qui provoque un accroissement important des risques de fissuration de ces cordons par retrait. En outre l'existence de fortes tensions internes dans ces cordons de soudure -oblige à exécuter des recuits de stabilisation. L'expérience montre que ces recuits aggravent à leur tour les risques de fissuration dans les cordons.Par ailleurs, pour des raisons technologiques ou géométriques, les cordons de soudure habituels peuvent ne pas être placés dans les zones soumises aux sollicitations mécaniques maximales ni dans le sens de résistance optimale aux sollicitations. De plus, les métaux des pièces à assembler peuvent présenter des incompatibilités de soudage. Lorsque l'assemblage comporte un système de boulons, la perforation des pièces par les boulons affaiblit l'assemblage. Cet affaiblissement devient de plus en plus marqué au fur et à mesure qu'on augmente la boulonnerie au cours des opérations de réfection. Celles-ci ne sont que des palliatifs pour une autre raison également : on a constaté que les contraintes dynamiques créées par le déplacement d'engins lourds tels que les ponts roulants sont en fait supérieures à celles estimées par le calcul. L'invention vise à remédier à ces inconvénients en permettant notamment d'exécuter la liaison des pièces par soudure dans les zones où celles-ci sont soumises aux contraintes dynamiques maximales. le procédé selon l'invention pour assembler par soudage au moins deux pièces métalliques, notamment des plaques pour châssis de machines, est caractérisé en ce qu'on ménage dans ces pièces au moins un perçage traversant de part en part au moins l'une desdites pièces à assembler, et en ce qu'on remplit ce perçage par un métal d'apport, à l'état fondu, constituant après solidification une cheville de soudure qui assure la liaison entre les deux pièces. De ce fait on peut disposer les chevilles, ou rivets de soudure à très courte distance des zones où sont appliquées les sollicitations dynamiques maximales, voire à l'intérieur même de ces zones. Par exemple s'il s'agit du chemin de roulement d'un pont roulant, on peut disposer les joints de soudure ainsi constitués au voisinage du rail. Ceci évite la multiplication des tensions dynamiques par bras de levier, comme cela est généralement le cas lorsque les pièces sont assemblées par les cordons de soudure habituels. Suivant une forme d'exécution avantageuse de l'invention, on fait déborder le métal d'apport fondu à l'extérieur d'au moins une extrémité du perçage pour former, après solidification, une tête en métal d'apport qui déborde à l'extérieur du perçage sur la surface de la pièce inté-ressée. Ces têtes renforcent la liaison entre les deux pièces. L'assemblage qui fait également 11 objet de l'invention, tel que châssis du support de roulement pour engins lourds, comporte au moins deux pièces métalliques assemblées par des joints de soudure. Suivant l'invention, l'assemblage est caractérisé en ce que chaque joint de soudure comprend une cheville qui remplit un perçage traversant de part en part au moins l'une des pièces et qui est soudée à celles-ci, dans le cadre de l'exécution du procédé précité. On reconstitue ainsi presque intégralement les pièces à assembler qui de ce fait ne sont pas affaiblies par enlèvement de métal, comme cela est le cas quand on effectue l'assemblage au moyen de boulons ou de rivets. Bien entendu comme indiqué plus haut, ces joints de soudure sont placés de préférence dans les zones des pièces où les contraintes mécaniques subies en service sont maximales. Suivant un mode de réalisation préféré, les perçages destinés à recevoir les chevilles de soudure sont sensiblement cylindriques. En effet les recherches effectuées ont permis de constater que cette géométrie était la plus favorable à l'obtention d'un équilibre des dilatations et des ntraits, ainsi que d'un équilibre entre les tensions internes dans les chevilles. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, on a représenté plusieurs modes de réalisation de l'invention. La figure 1 est une coupe transversale suivant I-I de la figure 2 avec arrachements montrant un premier mode de réalisation de 1' assemblage conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en plan de la réalisation de la figure 1. La figure 3 est une coupe transversale suivant III-III de la figure 4 montrant une seconde réalisation de 1' assemblage conforme à 1' invention, suivant laquelle la cheville de soudure est munie d'une tête fixée à l'une des pièces. La figure 4 est une vue en plan suivant IV-It de la figure 3. Les figures 5, 6 et 7 sont des coupes transversales analogues à la figure 1 montrant trois autres formes de réalisation de l'invention. La figure 8 est une coupe transversale d'un support de chemin de roulement muni de- joints de soudure conformes à l'invention. La figure 9 est une vue en plan de la réalisation de la figure 8. la figure 10 est une vue en élévation d'un rail en U et d'une éclisse assemblés par des joints de soudure conformes à l'invention. La figure 1 1 est une coupe transversale suivant X-X de la figure 9. Dans la réalisation représentée aux figures 1 et 2, l'assemblage 1 tel que châssis, élément de bati de machine ou support de roulement pour engins lourds, comporte deux pièces métalliques constituées par des plaques 2, 3 d'épaisseurs e égales, qui sont accolées l'une à l'autre et assemblées par des joints de soudure. Conformément à l'invention, chaque joint de soudure comprend une cheville 4 qui remplit un perçage 6 traversant de part en part les deux plaques 2, 3. le perçage 6 est pratiquement cylindrique, et sa partie qui traverse la plaque 3 a un- diamètre sensiblement supérieur au diamètre de sa partie qui traverse la plaque 2. L'espace annulaire ainsi ménagé dans la plaque 3 est rempli par une couche métallique 5 soudée à la plaque 3 et qui assure une liaison intime entre la cheville de soudure 4 et la plaque 3. le métal de la plaque 2 est intimement mélangé à celui du métal d'apport de la cheville 4 dans une zone périphérique 10 de transition coaxiale à la cheville 4. le procédé conforme à l'invention s'exécute de la manière suivante On fore des trous cylindriques dans les plaques 2 et 3, par exemple par des moyens mécaniques classiques, ces trous formant le perçage 6 quand ils sont placés en regard l'un de l'autre. On soude la couche 5 à la plaque 3 et on obture la partie inférieure du perçage 6 par un support approprié tel qu'une plaque de cuivre. On dépose dans le perçage 6 un métal d'apport à l'état fondu, la nature de ce métal d'apport étant choisie compte tenu de la nature des métaux constitutifs des plaques 2 et 3. Le métal d'apport fondu remplit progressivement le perçage 6 en se mélangeant sur sa périphérie avec le métal de la plaque 2 et avec celui de la couche annulaire 5 en formant la zone de transition 10. Après sa solidification, le métal d'apport forme la cheville 4 qui fait corps avec les pièces 2 et 5 et on enlève le support obturateur de la base du perçage 6. le soudage peut être réalisé au moyen de postes de soudage électrique classiques, d'électrodes, de baguettes d'apport, à la flamme ou encore par aluminothermie. On donnera ci-après à titre indicatif deux exemples de mise en oeuvre de l'invention. a) la plaque 2 étant en acier, la plaque 7 en cuivre, la couche 5 est en bronze et la cheville de soudure 4 est en acier ordinaire. b) pour une plaque 2 en acier ordinaire et une plaque 3 en acier rapide on choisit une couche 5 en acier inoxydable, par exemple du type à 18 de chrome, 8% de nickel et 7% de manganèse, la cheville 4 étant également en acier ordinaire. Si la plaque 2 est en aluminium et la plaque 5 en cuivre, les essais montrent que la cheville 4 peut eAtre également réalisée en acier. De préférence le diamètre du perçage 6 est sensiblement égal à l'épaisseur e de chacune des plaques 2 et 3. Comme on l'a indiqué plus haut, les joints de soudure ainsi constitués peuvent être avantageusement placés dans les zones où les plaques 2 et 3 subissent les contraintes dynamiques maximales. L' assemblage 1 conforme à l'invention présente encore les avantages suivants la configuration cylindrique des perçages 6 permet d'éliminer pratiquement les inclusions de scories ou de gaz qui sont créées au moment de la soudure de la cheville 4. De plus, la réalisation de perçages 6 cylindriques est relativement aisée. La couche 5 constitue pour la cheville 4 une zone périphérique de très faible épaisseur et sensiblement homogène avec le métal de la plaque 3, tandis que la cheville 4 constitue un noyau qui présente une certaine résilience. Le métal constitutif de la cheville 4 est mélangé intimement à la périphérie de celle-ci avec les métaux de la plaque 2 et de la couche 5 dans la zone de transition 10. Cette liaison intime sur toute la hauteur du perçage 6 rend pratiquement impossible tout desserrage de la fixation entre les plaques 2, 3 et elle supprime de ce fait toute possibilité de jeu entre les pièces considérées. la liaison sans jeu et sans possibilité de desserrage entre les plaques 2 et 3 assure à l'assemblage 1 une résistance extreAmement élevée aux contraintes de cisaillement, de torsion et de flexion. Dans la réalisation des figures 3 et 4, 11 assemblage conforme à l'invention comporte une cheville de soudure 7 à deux têtes arrondies 7a et 7b dont les diamètres sont nettement supérieurs à celui du perçage 6. Ces têtes 7a, 7b débordent par rapport aux surfaces des plaques 2 et 3 à l'extérieur du perçage 6. la tête 7d, qui déborde par rapport à la plaque 2, est recouverte par un chapeau 8, qui est soudé à la tête 7b en son centre et à la plaque 2 sur sa périphérie. La tête 7a de la cheville 7 opppsée au chapeau 8 est entourée par une bague annulaire 9 qui peut être fixée par soudage à la tête 7a ou être rendue amovible. La cheville 7 est entourée sur toute sa hauteur par une zone de transition 20 dans laquelle le métal d'apport constituant la cheville 7 et les métaux des plaques 2, 7 sont intimement mélangés. Comme dans le cas de la réalisation des figures 1 et 2, cette liaison supprime pratiquement toute possibilité de jeu entre les plaques 2 et 3. La bague 9 limite ltexpansion du métal d'apport fondu quand le perçage 6 est rempli et elle délimite corrélativement le pourtour de la tête 7a. les deux têtes 7a, 7b accroissent la solidité de la liaison entre les plaques 2, 3. Elles sont très avantageuses pour les assemblages soumis à de très fortes contraintes complexes, ainsi que dans le cas où les pièces à assembler ont une épaisseur un peu faible à l'égard des contraintes appliquées. Le chapeau 8 peut etre-monté de manière amovible. On peut le réaliser notamment en un métal soudable, un métal réfractaire tel que le cuivre, ou encore en toute autre matière adéquate telle que le graphite, le carbone ou encore un ruban adhésif recouvert d'une couche réfractaire. La bague 9 est réalisée en métal ou en une matière réfractaire. Elle délimite le pourtour de la tête 7a et est avantageuse dans le cas où l'on remplit le perçage 6 de bas en haut. la zone de transition 20 s'détend sur toute la périphérie de la cheville de soudure 7, ce qui est particulièrement important pour obtenir des caractéristiques élevées de résistance aux contraintes ou tensions de cisaillement, de torsion ou de flexion. Dans la version de la figure 5, seule 1' extrémité de la cheville 12 adjacente à la bague 9 fait saillie par rapport à la surface de la plaque 3 en formant une tête 1 2a similaire à la tête 7a (figure 3). le métal d'apport de la cheville 12 forme avec les métaux des plaques 2, 3 une zone périphérique 20 de transition. L'extrémité opposée à la tête 12a de la cheville 12 est au meme niveau que la surface de la plaque 2. Elle est recouverte par un obturateur métallique plat il soudé à la cheville 12 dans sa zone centrale. Dans cet exemple, l'obturateur 11 est en métal soudable et fait corps avec le métal d'apport constituant la cheville 12. Si cet obturateur tff est en métal non soudable, il peut être enlevé après l'opération de soudage. Dans la version représentée à la figure 6, l'assemblage des conforme à l'invention comporte en plus/deux plaques 2 et 3, une plaque intermédiaire 13 de moindre épaisseur. les plaques 2, 3, 13 sont traversées de part en part par une cheville de soudure 14 qui comporte deux têtes extérieures 14a, 14b-débordant à ltextérieur du perçage 30. la tête 14b adjacente à la plaque 2 est recouverte par un chapeau 15 similaire au chapeau 8 de la figure 3. Dans cet exemple le métal d 'apport constituant la cheville 14 ne se combine pas aux métaux des plaques 2, 3 et 13. De ce fait, aucune zone périphérique de transition similaire aux zones 10, 20 (figures 1 et 3) ne se crée autour de la cheville 14. Celle-ci assure une liaison mécanique solide entre les plaques 2, 3, 13 grace à ses t8tes de maintien 14a, et 14b. Le chapeau 15 peut être fixe ou amovible et être constitué, soit par une matière réfractaire au soudage, soit par un métal soudable. 4 Dans le mode de réalisation représenté à la figure 7, l'assemblage comporte deux plaques 16 et 17, l'épaisseur de la plaque 16 étant nettement supérieure-à celle de la plaque 17. Un trou borgne 18 est agencé dans la plaque 16 en regard d'une perforation.19 de la plaque 17, ces deux ouvertures constituant un perçage qui est rempli par une cheville soudure 21. La profondeur du trou borgne 18 est égale à environ les deux tiers de l'épaisseur de la plaque 16. Cette profondeur est suffisante pour permettre à la cheville 21 d'assurer entre les plaques 16 et 17 une liaison présentant la solidité nécessaire. La cheville 21 est entourée sur toute sa périphérie par une zone de transition 22 similaire aux zones 10 et 20 (figures 1, 3, 5). Cette variante de l'invention peut être mise en oeuvre quand l'une des pièces à assembler a une épaisseur nettement supérieure à celle de l'autre pièce. Dans la version de l'invention représentée aux figures 8 et 9, l'assemblage est constitué par deux plaques 23, 24 qui sont soudées transversalement à une base de section en T 25. La base 25 et les plaques 23, 24 forment ensemble un support pour un chemin de roulement 26 qui est solidarisé avec la plaque supérieure par des boulons 27. Le~chemin de roulement 26 est constitué par un rail destiné à permettre le déplacement d'un engin lourd tel qu'un pont roulant dans une installation industrielle. On a représenté en 28 l'extrémité inférieure d'une roue d'un tel engin, en appui sur le chemin de roulement 26 les plaques métalliques 23-, 24 sont soudées le long de leurs bords longitudinaux par des cordons de soudure 128.Des joints de soudure 29 à chevilles 12-et têtes plates Il sont placés en regard des boulons 27 dans la moitié des plaques 23, 24 qui est située à l'intérieur par rapport à la roue 28. C'est en effet cette moitié des plaques 23; 24 qui subit les contraintes mécaniques les plus fortes-puisqutelle est située à l'intérieur du polygone de sustentation de 11 engin qui roule sur le chemin 26. les joints de soudure 29 sont situés sensiblement plus près des boulons 27 que du cordon de soudure 128 adjacent. Les contraintes mécaniques subies par les plaques 23, 24 pendant le roulement de 1' engin sur le rail 26 sont transmises aux plaques 23, 24 par l'intermédiaire des boulons 27. Ces contraintes sont symbolisées par les lignes de force F issues de chaque boulon 27 et qui ?'étendent en éventail vers le cordon de soudure 128. les zones intéressées par les lignes de force F étant approximativement triangulaires, les joints de soudure 29 sont disposés au voisinage des sommets de ces zones triangulaires, c' est-à-dire dans les régions où la densité des lignes de force F est la plus grande. On assure ainsi aux plaques 23, 24 une résistance maximale aux efforts de flexion et éventuellement de torsion qu' elles subissent en service La variante de réalisation représentée aux figures 10 et 11 montre un assemblage constitué par une poutre ou un longeron en U 34 et une éclisse rectangulaire 31 dont les extrémités présentent des évidements en queue d'aronde 32. L'éclisse 31 est disposée à l'intérieur du rail 34 et soudée à celui-ci par des chevilles 33 qui sont réparties sur toute la surface de l'éclisse 31. la combinaison constituée par la poutre 34 et 11 éclisse 31 à queues d'aronde 32 permet de supprimer 11 excès de rigidité qui résulterait de cordons de soudure continus autour d'une éclisse rectangulaire sur des poutres travaillant en flexion et éventuellement en torsion. L'invention présente les avantages suivants - sous la condition d'utiliser un métal d'apport adéquat pour la cheville de soudure, on reconstitue presque intégralement les pièces à assembler. De ce fait celles-ci ne sont pas affaiblies par enlèvement de métal et on obtient un assemblage extrêmement solide qui résiste sans jeu ni desserrage à des contraintes alternées complexes très élevées, à des trépidations, des chocs répétés et à l'usurpe par frottement. le travail de préparation des pièces, de perçage, de remplissage des perforations par le métal d'apport fondu, et de finition peut être exécuté en un lieu quelconque. Notamment ce travail peut être effectué sur le site même d'utilisation de l'élément de bâti ou de chassies conforme à l'invention, ce qui abaisse considérablement les frais afférents à une réfection. - On peut assembler des pièces telles que des charpentes métalliques, des éléments de construction à l'aide de tôles fortes et de poutrelles, des éléments de chaudronnerie lourde et moyenne et des éléments de machines diverses, sans autre appareillage qu'un poste de soudure classique, - On peut exécuter avec précision des préassemblages de pièces réalisées en des métaux ou alliages difficilement usinables ou non usinables. - On peut assembler des pièces réalisées en des métaux non soudables entre eux ou difficilement soudables, en constituant des chevilles de soudure à deux têtes du genre de celle illustrée à la figure 6o L'invention n'est pas limitée aux réalisations décrites et peut comporter de nombreuses variantes d'exécution. On citera notamment les suivantes - il est possible d'exécuter les perçages ou perforations destinées à recevoir les chevilles de soudure en leur donnant une configuratinn oblongue ou ovale par exemple. Cette géométrie confère au joint de soudure une résistance accrue à des sollicitations de directions déterminées. - Les axes des chevilles de soudure peuvent être inclinés d'un angle déterminé par rapport à la surface des pièces à assembler. La valeur de cet angle est liée, soit aux possibilités d'accès des appareils à l'emplacement de la cheville, soit à des nécessités technologiques. - On peut donner aux perçages une forme tronconique ou légèrement irrégulière, par exemple à l'aide d'une électrode creuse à soufflage d'oxygène coaxial ou par un appareillage similaire. - Dans le cas où le métal d'apport constituent 1e keville de soudure ne se combine pas avec les métaux des pièces à assembler (version de la figure 6)-, ou chanfreine de préférence les bords des perçages. Les chanfreins annulaires ainsi réalisés permettent de ménager sous les tettes 14a, 14b (figure 6) des congés de raccordement - La cheville de soudure peut être composite, c'est-à-dire constituée avec deux ou plusieurs métaux d'apport utilisés tour à tour pour obtenir des caractéristiques plus particulières de résilience et de résistance complexe.Notamment le pourtour de la cheville peut être constitué par un métal d'apport dur ou fortement allié pour obtenir une liaison intime avec le métal des-pièces à assembler. le centre de la cheville est alors constitué par un noyau en métal doux pour assurer une meilleure résilience à l'assemblage. Inversement, pour réduire le diamètre de la cheville, on peut réaliser un noyau en métal à haute résistance ou limite élastique, et une zone périphérique en métal d'apport doux pour obtenir une meilleure liaison avec le métal - des pièces de 1' assemblage. - La cheville de soudure peut être réalisée en une ou plusieurs étapes, en remplissant le perçage avec un métal d'apport obtenu par aluminothermie - Dans la version de la figure 8 et de la figure 9 on peut disposer des chevilles de soudure telles que les chevilles 29 de chaque côté du chemin de roulement 26. Omette disposition est particulièrement indiquée lorsque les plaques 23, 24 subissent des contraintes alternées. REVESDICADIONS 1. Procédé pour assembler par soudage au moins deux pièces métalliques notamment des plaques pour châssis de machines, caractérisé en ce qu'on ménage dans ces pièces au moins un perçage traversant de part en part au moins l'une desdites pièces à assembler, et en ce qu'on remplit ce perçage par un métal d'apport à l'état fondu, constituant après solidification une cheville de soudure qui assure la liaison entre les deux pièces. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on fait déborder le métal d'apport fondu à l'extérieur d'au moins une extrémité du perçage pour former, après solidification, une toute en métal d'apport qui déborde à 11 extérieur du perçage sur la surface de la pièce intéressée. 3. Procédé conforme à l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on perfore dans l'une des pièces un perçage de diamètre supérieur au diamètre du perçage associé de l'autre pièce et en ce qu'on soude une couche métallique dans l'espace annulaire ainsi réservé, cette couche assurant une liaison entre la cheville et l'élément correspondant. 4. Procédé conforme à l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on remplit le perçage en deux ou plusieurs étapes avec un métal d'apport obtenu par aluminothermie. 5. Assemblage tel que châssis, élément de bâti de machine ou support de roulement pour engins lourds, comportant au moins deux pièces métalliques assemblées par des joints de soudure notamment au moyen du procédé conforme à l'une-des revendications à à 3, caractérisé en ce que chaque joint de soudure comprend une cheville qui remplit un perçage traversant de part en part au moins l'une des pièces et qui est soudée à celles-ci. 6. Assemblage-conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que la cheville de soudure comporte au moins une tête qui déborde à l'extérieur du perçage sur la surface de la pièce adjacente 7. Assemblage conforme à Itune des revendications 5et 6, caractérisé en ce que les perçages sont, soit sensiblement cylindriques, soit tronconiques, soit légèrement ovales. 8 Assemblage conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que la tête de la cheville est recouverte par un chapeau obturateur fixé à la cheville ou amovible. 9. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que les axes des chevilles de soudure sont inclinés par rapport à la surface des pièces assemblées. 10. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les perçages comportent un trou borgne agencé dans l'une des pièces assemblées. 11. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le perçage présente des irrégularités. 12. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à t1, caractérisé en ce que des chanfreins annulaires sont ménagés sur les bords des perçages. 13. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que la cheville de soudure comporte au moins deux métaux d'apport différents. 14. Assemblage conforme à la revendication 13, caractérisé en ce que la cheville de soudure comporte un noyau central en métal doux et une zone périphérique en métal dur ou fortement allié. 15. Assemblage conforme à la revendication 13, caractérisé en ce que la cheville de soudure comprend un- noyau central en métal à haute résistance ou limite élastique et une zone périphérique en métal d'apport doux. 16. Assemblage conforme à l'une des revendications 5 à 12 et constitué par deux plaques métalliques assurant le support dtun chemin de roulement, notamment pour pont roulant, caractérisé en ce que les chevilles de soudure sont placées dans les zones où les contraintes mécaniques en service sont maximales