Brevet FR2263061A1 — publié le 19751003

La piésente invention , qui résulte des recherches de MM. Franchis COLAS et carcel JOLIT a pour objet un procédé de fabrication d'un corps creux Siéger soumis à une pression interne. Elle relève du secteur de l'empaquetage et de celui du soudage. Les bouteilles à gaz comprimé et, plus particulièrement, les petites bouteilles utilisées pour le camping, sont habituellement réalisées en acier et sont, par conséquent, lourdes. Il est également connu de réaliser de telles bouteilles en alliage d1a- luminium. On fabrique ainsi, des bouteilles, en Hongrie, par l'assemblage d'un cylindre avec un couvercle portant la bonde. On réalise de même, aux Etats Unis d'Amerique, une bouteille à partir de deux demi-coquilles soudées sur soyage en méridienne. Dans les deux cas on utilise le soudage MIG ou TIG classique, c'est àdire un soudage à arc électrique sous atmosphère neutre (en général sous argon), avec électrodesconstituée par du métal de la nature de celui des pièces à souder dans le premier cas, avec électrode tungstène dans le deuxième cas. La législation française actuelle, en matière de corps creux soumis à pression interne utilisés en vue du stockage des gazs liquéfiés, oblige à se ré férer aux caractéristiques mécaniques des métaux de base pris à l'état recuit. Or, il existe deux catégories d'alliages d'aluminium, ceux dont les ca ractéristiques mécaniques sont améliorées par traitement mécanique, et ceux dont les caractéristiques mécaniques sont obtenues par traitement thermique. Les premiers, utilisés à un état de recuit partiel ou total, sont particulièrement pénalisés dans le cas où on les soude, puisque leur limite élastique à l'état recuit est particulièrement basse vis à vis de celle des aciers doux. On sait que les soudages TIC ou MIG automatiques d'alliages à l'état quartdur, demi-dur ou écroui ne ramènent pas les carac#éristques de la soudure à celles de l'état recuit.Il est donc nécessaire de tenir compte de ce fait en appliquant, aux caractéristi ques mécaniques du métal, un coefficient d'efficacité de la soudure qui, par ex periences, a été trouvé égal à environ 0,8. Par sécurité et pour tenir compte de la dispersion observée dans les caractéristiques des soudures, on est amené à des cendre à 0,5. Cette nécessité réduit considérablement ltinterêt de l'utilisation des alliages d'aluminium dans le domaine envisagé. L'objet de l'invention est un procédé de fabrication d'un corps creux léger soumis à une pression interne, qui échappe à ces inconvénients. Dans le procédé selon l'invention, on réalise le corps creux par sou dage d'au moins deux éléments, ce soudage s'opérant au moyen d'un faisceau d'élec trons, selon une méthode connue en elîeme'e. L'invention ainsi définie est expliquée à partir d'un exemple illustré par les figures jointes. La figure I est un schéma d'un appareil de soudage par faisceau d'élec tronc La figure 2 représente, en coupe par un plan axial, un exemple de corps creux soumis à une pression interne. Le soudage par faisceau d'électrons est connu par le brevet français N0 1.141.535, au nom de M. STOKER il utilise la transformation de I'énergie cinétique d'un faisceau d'électrons en énergie thermique. Les électrons ayant acquis dans un champ électrique intense une force vive de quelques dizaines de kiloélectronvolts, cette énergie apparaît, sur les pièces, sous forme de vibration thermique. L'échauffement de celles-ci est la manifestation macroscopique de la somme de ces énergies de vibration atomique, Par focalisation électrostatiqùe ou électromag étique, ou par combinaison de ces deux moyens, on peut obtenir une très forte concentration thermique. Le profil de la zone fondue, la profondeur de pénétration et, par conséquent, le rapport hauteur sur largeur de la soudure, dépendent He la puissance utilisée et de la possibilité de concentrer les électrons sur une surface d'impact faible. La caractéristique de cette méthode de soudage est l'action directe des électrons sur les atomes de la matière. La concentration d'énergie est telle qu'elle agit plus rapidement que la conduction de la chaleur à travers le métal. On obtient ainsi - un rendement énergétique éleyé, - une soudure à bords sensiblement parallèles, - une zone affectée par la chaleur zone faible largeur, - des déformations dans l'assemblage tout à fait négligeables. L'appareil de soudage (figure 1) comprend : un canon à électrons (1) ; des bobines de focalisation (2) et des bobines de déflexion (3). Le canon à électrons (I) se compose d'une cathode à chauffage direct constituée par un filament (4), d'un "Wehnelt1,, électrode (5) dont la polarisation agit sur ltintensité du faisceau d'électrons, d'une anode (6) et de bobines de correction (7), L'anode est percée de façon à permettre au faisceau d'électrons (8 (8) de stéchapper. Ce faisceau est ensuit ocalisé par les bobines (2) puis dévie par les bobines (3), il-tonche la jonction de deux pièces (9) et (10) à joindre sur une surface d'impact (11) tres faible. Une tension de chauffage est appliqué aux bornes du filament (4). L'anode est reliée au pôle positif d'une source continue élevée, dont le négatif est connecté au filament, tandis que le "Wehnelt" est relié au pale négatif d'mise source continue dont le pôle positif est relié au filament, l'intensité débitée par le "Wehnelt" est négligeable. Le filameT i t-st chauffé par courant continu ou alternatif. L'ensemble, y compris les pièces à souder, est logé dans une enceinte dan laquelle règne une session inférieure à 10-4 torr Sous l'impact des électrons, le métal fond à la jonction des pièces (9) et (10), et il se forme une cavité puis un trou interessant toute l'epais- seur des éléments, tapissé d'un fourreau de métal en fusion. Lorsque le faisceau dtélectrons se déplace, il échauffe plus fortement le front avant du cylindre liquide : il y a évaporation, et le métal fondu est chassé vers l'arrière du faisceau, dégageant ainsi une surface solide qui fond à son tour alors que, à ltarriere, il y a solidification et constitution d'une soudure étroite sléten- dant sur toute la hauteur des pièces.On obtient ainsi, par fusion, une continuité de matière sur toute l'épaisseur des pièces et la constitution d'une soudure. La géomètrie de la zone fondue dépend de la puissance spécifique du faisceau et de la vitesse de soudage. La pénétration est propoz-tioJnelle à la puissance spécifique, la largeur du cordon est inversement proportionnelle à la vitesse. L'énergie est apportée directeme#. dans le plan du joint à souder. On distingue trois types de machines - les machines universelles dans lesquelles le canon à électrons et les pièces à souder sont logées dans une meme enceinte dans laquelle on fait un vide poussé (10~5 torr) avant chaque opération ; le canon eat orientable ; ce type de machine est universel et permet des travaux variés, mais en petite série ; - les machines à double enceinte et à vide partiel, dans lesquelles on fait transiter le faisceau d'une première enceinte où règne en permanence un vide de torr, à une seconde enceinte où se trouvent les pièces et où on établit, avant chaque opération, un vide partiel de lO-2 torr ; le temps de pompage St en trouve réduit, ce qui permet des cadences élevées pouvant atteindre six pièces à la minute ; - les machines à double enceinte et sous pression atmosphérique, dans lesquelles le canon demeure dans une première enceinte sous vide poussé, les pièces étant placées dans une seconde enceinte sous pression atmosphérique, ceci permet des cadences élevées et le soudage continu, mais exige des tensions d'accélération plus élevées et une protection de la soudure par un gaz neutre En regle générale, on utilise des deuxièmes enceintes dont la dimension est appropriée au plus juste à la forme des pièces à obtenir. Dans le cas dtassesblages de pièces par soudage circulaire, la longueur des corps creux assemblés n'est guère limitée qu'aux dimensions du bâtiment dans lequel est placée la machine. Dans ce cas, les pièces à asseib1Pr e ont que partiellement placées dans l'enceinte, l'étanchéité étant assurée par des joints en élastomère gonflés à l'air comprimé Le canon se déplace sur un chemin de roulement circulaire Les épaisseurs soudables par faisceaux d'électrons sont comprises en tre O,i et 200 millimètres. Dans un premier expie, on opère le soudage de deux demi-coquilles (12) et (i3), telles que celles qu'illustre la figure 2, en partant d'un alliage d'aluminium contenant, outre les impuretés habituelles : 0,45 % de manganèse, 4,1 2 de magnésiu#fl et 0,1% de chrome en poids, à lletat laminé à froid pour quart-dur,avec traitement de restauration. Apres emboutissage, et au niveau de la soudure méridienne, ltetat dû à l'écrouissage passe à demi-dur. Le raccordement se fait bout-à-bout, à l'aide de dispositif de mise en position à revins de fa çon à bien centrer les deux demi-coquilles. On soude en (14) au moyen d'une machine universelle.Les propriétés mécaniques sont données par le tableau N 1. Tableau 1 Limite élastique Résistance à la rupture Allongement hectobars bectobars sur métal de base 26,9 - 34,9 11,2 sur métal soudé 26,3 31,9 6,5 sur métal à l'état reduit 13 26 12 Dans certains cas, les cahiers de charge des bouteilles à gaz exigent que le corps creux se défonilH 'un certain minimum, par exemple 12 % avant d'é- dater. Dans ce cas, on opère des traitements thermiques de recristallisation partielle pour améliorer les allongements. Dans un deuxième exemple, on opère de façon identique le soudage de deux demi-coquilles (12) et (13) semblables, mais obtenues à partir d'un alliage ~'aluminium contenant : 0,6 % de silicium, 0,6-% de cuivre, l % de magnésium et 0,20 % de chrome, en poids. Dans un premier essai, l'alliage est pris à l'état recuit, formée, en deux demi-coquilles qui sont ensuite soudées par procédé MIG ; la bouteille terminée subit une trempe et un revenu. L'alliage de soudage est un alliage d'aluminium contenant 5 % de magnésium. La zone soudée présente des allongements très réduits, pouvant descendre jusqu'à 1 %, et les pressions dtéclatement sont très inférieures aux pressions données par le calcul. L'utilisation, en tant que métal de soudage, d'un métal identique au métal de base donne des résultats analogues. La mise en oeuvre du soudage par faisceau d'électrons donne les résultats résumés par le tableau N 2. Tableau N 2 Limite élastique Résistance à la rupture Allongement hectobas hectobars z Sur métal de base 32,7 36,5 13,9 Sur métal soude 31,1 35 13,9 D'autres essais sont faits sur des alliages d'aluminium contenant, le premier : 4,8 Z de zinc, 1,2 X de magnésium et 0,2 Z de chrome, le deuxième : 2,5 Z de cuivre et 0,5 Z de mggnésius, avec le même succés. L'invention s'applique à la fabrication de corps creux soumis à une pression interne, c1est-à-dire contenant des gaz comprimés ou liquéfiés tels que: réservoirs du type camping, bouteilles à gaz domestique pour butane ou propane, bouteilles normales pour gaz comprimé, bouteilles de plongée sous#narine, bouteilles pour alimentation de véhicules en carburant en phase liquide ou gazeux (méthane, gaz naturel, hydrogène, oxygène). bouteilles d'extincteurs. REYENDICATIONS 1) Un procede de fabrication d'un corps creux léger soumis à une pression interne, par soudage d'au moins deux éléments, caractérise en ce que le soudage s'opère au moyeu d'un faisceau d'électrons, selon une méthode connue en elle Eme. 2) Un corps creux leger soumis à une pression interne, caracterisé en ce qu'il est obtenu par la mise en oeuvre du procédé selon la revendication N01.