Brevet FR2299114A1 — publié le 19760827

La présente invention concerne un nouveau procédé pour unir ou souder des pièces nétalliqies en utilisant le phénomène de passage à l'état super-plastique. Un procédé de soudage est en général utilisé pour unir des pièces métalliques en utilisant ne baguette de sondage et en chauffant cette baguette de sondage et les parties voi- sines des surfaces des pièces létalliques à unir jusqu'à leur fusion afin que les surfaces voisines des pièces soient liées l'une à l'autre. Par ce procédé, qu'il soit n procédé de sondage électrique ou un procédé de soudage en bout par étincelage, une partie de la sasse métallique est chauffée au-delà de son point de fusion, de sorte qu'un changement indésirable de la structure métallurgique est inhérente à ce type de soudage, c'est-à-dire qu'une partie est affectée thermiquement, et par suite, ce procédé est extrêmement désavantageux du point de vue des propriétés mécaniques et de la résistance à la corrosion. D'autre part, il est parfois nécessaire d'établir une pression importante, en plus de l'augientation de la tempéra- ture jusque an voisinage du point de fusion, comme c'est le cas avec le soudage par diffusion. Dans ce cas, les procédés antérieurs posent de nombreux problèmes devant être résolus. Dans le cas des tubes en acier pour les chaudières, que ces tubes soient des tubes d'alimentation en eau ou des tubes de surchauffeurs, des parties unies existent toujours à ui- longueur d'u tube droit et entre un tube droit et un tube courbe. La liaison a jusqu'ici été effectuée par sondage. Cependant, dans le cas du sondage avec des machines à souder, les ouvriers sont soumis à différents dangers parce que le travail de soudage des tubes en acier de ce type est souvent effectué en un emplacement élevé.De plus, la partie soudée est chauffée à une température supérieure au point de fusion de l'acier du tube, de sorte qu'il apparut des parties aftec- tées theraiqueient non seulement dans la partie sondée nais aussi à une distance considérable. Âutreient ait, il subsiste des régions ayant des caractéristiques métallurgiques différentes. Il doit être noté en général la surface extérieure d'un tube en acier utilisé dans une chaudière est exposé à une atmosphère ayant une teneur élevée en soufre, de sorte que ce soufre réagit avec l'eau située dans une chambre de combustion au démarrage de la chaudière, ce qui se traduit par la production d'acide sulfurique. Cet acide sulfurique attaque le tube en acier, et le changement de la structure métallurgiquedans les parties affectées thermiquement, provoque une aqientation considérable de la vitesse de corrosions De plus, il est diffi- cile d'obtenir toujours une surface plane lisse pour la partie soudée parce que le laitier et les produits analogues formés pendant le soudage se solidifient d'eux-mêmes dans la partie soudée.De ce fait, il résulte des variations de la vitesse d'écoulenent de l'eau chaude le long de la surface intérieure da tube, ce qui provoque souvent une corrosion par turbulence. Il apparait ainsi que les procédés de liaison utilisant des appareils à souder ont différents inconvénients. La présente invention a pour objet un nouveau procédé pour unir des pièces Métalliques sans les inconvénients eonsidérés ci-dessus en abaissant la température et la pression nécessaires, en réduisant la durée du travail, et sans former des parties affectées thermiquement. Une caractéristique principale de la présente invention est que les surfaces à unir des pièces nétalliques sont soumi- ses à un cycle de tenpérature d'allure triangulaire passant par un point de transformation tout en établissant une charge Mécanique légère sur les surfaces à unir de façon que la liaison sous pression ait lieu en utilisant le phénomène de passage à l'état super-plastique. L'invention telle que considérée ci-dessus a été établie en partant de l'observation suivante. Pendant les recherches effectuées sur le coiportement à état super-plastique d'al- liages à deux constituants de la série fer-carbone, tels que l'acier doux et lacer coulé courant, il a été observé que la vitesse de diffusion du carbone augmente brusquement au voisinage du point de transformation. hn raison de ce phénomène observé, ces pièces nétalliques ont été soumises à un cycle de température d'allure triangulaire dont la température sédia- ne est le point de transformation, tout en exerçant une pression faible sur les pièces.Dans ces conditions, ces pièces Métalliques ont pu etre parfaitement unies dans un temps court. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement de la description suivante, donnée à titre desenple, et faite en référence an dessin annexé, sur lequel Fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un appareil utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, et Figez est une vue en élévation de deux tubes en acier unis par le procédé selon l'invention. La fig. 1 représente un appareil utilisé à unir des pièces Métalliques par le procédé selon l'invention, cet appareil colportant un banc I à une extréMité duquel est monté un Mn- drin 2 et à l'autre extrémité duquel est ponté un autre flandrin 3 par l'intermédiaire d'un pied 4 pouvant coulisser dans la direction axiale en face du Mandrin 2. Le mandrin 3 est accouplé à un appareil hydraulique 5 et la force de compression axiale exercée par l'appareil hydraulique 5 est indiquée par un manomètre 6. Un dispositif de chauffage 8 et un dispositif de refroidissement 9 sont placés autour des parties à unir des pièces métalliques 7a et 7b. De plus, un theraoiètre dn type à thermocouple 10 est appliqué sur les parties à unir pour indiquer la teupérature de ces parties. il sera noté qu'il est possible d'utiliser de façon satisfaisante le chauffage par induction haute fréquence ou le chauffage par un courant passait directemeit, et que le refroidissenent peut être assuré par la projection d'air sous pression contre les pièces nétalliques. La pièce Métallique 7a est tenue par le nandrin 3, lau- tre pièce Métallique 7b est tenue par le Mandrin 2 et, pendant qu'une force de coMpression est exercée par 10 appareil hydrau- lique 5 sur les surfaces à unir des pièces zétalliques, le dispositif de chauffage 8 et le dispositif de refroidissenent 9 sont Mis en marche alternativement et de façon répétée pour établir un cycle de température de chauffage et de refroidis sentent sur les parties à unir des pièces Métalliques 7a et 7b afin que ces pièces Métalliques soient soudées. Suivant un exemple d'utilisation du procédé, les pièces 7a et 7b devant être unies sont en acier doux SS41 (e-0,3%C) et un cycle de teupérature d'allure triangulaire contenant les points de transformation (7230a et 830 C) de ce métal dans la plage de variations, avec une limite supérieure de 95000 et une limite inférieure de 600 C est utilisé avec une fréquen- ce de quatre à cinq cycles/ninute sur la surface de liaison I-I entre les pièces Métalliques 7a et 7b an Moyen du dispositif de chauffage 8 et du dispositif de refroidissement 9. La pression devant être exercée sur les pièces à unir est appliqués à la surface de liaison par l'appareil hydraulique 5 avec une pression de 2 kg/mm. De cette façen, les pièces métalliques sont liées sous pression pendant lêétablissezent deun état super-plastique à la surface de liaison entre ces pièces. Dans ces conditions, un constituant spécifique de la satire Métallique, par exemple le carbone dans le cas des alliages à base de fer, diffuse à travers la surface liMite de liaison dans les sens opposés, de sorte que la liaison a lieu facilenent. Un apode de sise en oeuvre préf éré de l'invention pour former une pièce Métallique sous la forme d'un tube en acier est décrit ci-après. L'appareil représenté sur la fig.1 est utilisé et les pièces Métalliques 7a et 7b sont reMplacées par des tubes en acier 12a et 12b (fig. 2) en acier STBA22. Des parties des tubes 12a et 12b situées au voisinage de la surface de liaison sont représentées sur la fig.2 sur laquelle les tubes 12a et 12b sont placés de façon que les surfaces de loirs extréMités butent l'une contre l'autre. Les tubes en acier 12a et 12b sont tenus fermement, par des Mandrins convenables ou des Montages équivalents, dans des positions représentées par les lignes Z-Z qui sont espacées des surfaces en contact, c1 est- à-dire du plan I-I de 20 mm dans chaque sens.Ensuite, une force de compression inférieure à la liste élastique de la matière des tubes en acier 12a et 12b, par exemple une charge de 2 kg/n2, est exercée as moyen de l'appareil hydraulique 5. Dans cet état chargé, les parties voisines des parties en contact, indiquées par les lignes Y-Y séparées du plan I-I d'environ 10 me dans chaque sens, sont soumises à un cycle de température d'allure triangulaire au moyen du dispositif de chauffage 8 du type à chauffage à induction haute fréquence comportant un enroulement haute fréquence ou du type à chauf- fage par résistance par passage d'un courant directement à travers les parties à unir, et en utilisant un dispositif.de refroidissement 9 du type à soufflage d'air sous pression. Plus précisément, les parties voisines du plan X-X sont alternativement chauffées et refroidies en utilisant cinq cycles (dtune durée totale d'environ une Minute) de variation de la teipérature en cycle triangulaire, ces cycles contenant les points de transformation (72300 et 8500 C) de la platière des tubes en acier 12a et 12b, et la température limite supérieure (95000) et la teipérature limite inférieure (60000 > étant respectivement à environ 12000 au-dessus du point supérieur de transformation (85000) et environ 12000 en dessous du point inférieur de transformation (7234C)o De cette façon, les parties en contact des tubes en acier 12a et 12b passent à l'état super-plastique du point de transformation et elles sont unies l'une à l'autre par soudage sous pression. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la force de compression nécessaire pour la liaison sous pression à l'état super-plastique peut être exercée sur les parties en contact sans exercer aucune force extérieure de charge nécani- que0 Plus particulièrezent, aussi bien quand une charge sEca- nique légère ou une charge Mécanique importante doit Qtre exercée sur les parties en contact, si les extrémités des pièces métalliques distantes des surfaces en contact sont retenues fermement et si les parties en contact sont chauffées et refroidies alternativement de façon répétée par un cycle de température d'allure triangulaire appliqué aux parties en contact, les contraintes thermiques engendrées pendant le chauffage et le refrdidissement sont exercées sur les surfaces de liaison en tant que contraintes à la coMpression requises, et le soudage sous pression peut ainsi avoir lieu en utilisant le phénomène de passage à l'état super-plastique sans qu'il soit nécessaire d'exercer sur les pièces métalliques une force de compression agissant de l'extérieur. Dans ce cas, les extrémités voisines des pièces nétalli- ques sont appliquées l'une contre l'autre et leurs autres extrémités sont tenues fermement de n'importe quelle façon convenable. Ensuite, un cycle de température d'allure trian glaire prédéterminé est établi dans les parties en contact entre les pièces métalliques à unir, à partir de l'extérieur de ces pièces, par exemple en utilisant un système de chauffage par induction haute fréquence comportant un enroulement haute fréquence ou un système de chauffage par résistance par passage d'us courant directement à travers les parties à unir, et un système de refroidissement projetant de l'air sous pression directement sur les parties en contact. Plus particulièrement, dans le cas de pièces métalliques en acier doux SS41, comme cette matière a des points de transformation à 72300 et à 85000, un cycle de température dallure triangulaire contenant ces points de transformation et ayant une température limite supérieure de 95000 et urne température limite inférieure de 600 C est établi dans les parties en contact entre les pièces métalliques à unir afin de chauffer et de refroidir les parties en contact.Comme les pièces métalliques sont fermement tenues, les dilatations et les contractions thermiques des pièces sont provoquées par le chauf- fage et le refroidissement de sorte que les pièces métalliques sont soumises à des contraintes à la compression résultant des contraintes thermiques.Les parties en contact des pièces Métalliques subissent ainsi le passage à l'état super-plastique et les pièces Métalliques sont soudées sous pression l'une à l'autre in résumé, suivant cette caractéristique de l'invention, comme la charge mécanique légère nécessaire pour provoquer le passage à l'état super-plastique n'a pas besoin d'être particulièrement exercée de l'extérieur, un dispositif xecann que pour exercer une force de compression à partir de lsexté- rieur sur les parties en contact n'est pas nécessaire. Suivant les iodes de mise en oeuvre décrits ci-dessus de l'invention, la limite supérieure et la limite inférieure de la plage des températures pour le cycle de teérature ont été choisies à environ 12000 parrapport au ou aux points de transformation correspondants, et la fréquence des cycles de température a été choisie de quatre à cinq cycles par minute0 La raison du choix de ces valeurs résulte des variations du ou des points de transformation provoquées par les variations des vitesses de chauffage et/ou de refroidissement et du temps nécessaire entre le commencement et la fin de la transforma- tion. Dans l'utilisation pratique de l'invention, les conditions pour le cycle de température passant dans le sens croissant et le sens décroissant par le ou les points de transformation pour provoquer le phénomène de passage à l'état superplastique, par exemple la plage des températures et la fréquence, peuvent être choisies de façon appropriée selon la nature et la forme des pièces métalliques. La contrainte à la compression peut être choisie à environ 1/10 à 1/30 de la limite élastique (contrainte durable maximum) de la ratière métallique. En résumé, avec le procédé selon l'invention pour unir des pièces métalliques le temps de travail est considérablement réduit, par exemple à moins de cinq minutes, comme il a été indiqué ci-dessus, en soumettant les surfaces à unir à un cycle de température et en exerçant une contrainte à la cos- pression à la surface de liaison. le procédé selon l'invention peut être utilisé non seu liement pour des aciers, mais aussi pour deautres matières métalliques, par exemple la fonte, les alliages d'aluminium, etc. considérées jusqu'ici conte difficiles à souder, et, en utilisant le procédé selon l'invention, il est possible d'unir des tubes en acier pour des chaudières ayant des qualités différentes les uns des autres, de réparer des organes et des machines en fonte devenus fragiles et s'étant cassés et d'unir sur place des canalisations d'eau ayant des diamètres pouvant attendre quatre mètres.De plus, n'importe quelle Matière ayant un point de transformation, un effet de durcissement par précipitation, un effet de recristallisation ou une transformation ordre-désordre, peut être unie avec une pression faible en un temps court en utilisant le phénomène de passage à l'état super-plastique résultant de l'utilisation d'un cycle de température d'allure triangulaire avec la plage des tempé- ratures convenable pour la matière considérée. L'invention concerne ainsi un nouveau procédé d'union ou de soudage dune grande valeur industrielle.De plus, selon une caractéristique de l'invention, en utilisant les contraintes thermiques pour les contraintes de compression nécessaires pour provoquer le passage à l'état super-plastique, l'équipement pour exercer une force de compression sur les pièces à lier devient inutile, de sorte qu'un soudage économique et efficace peut être obtenu. Quand la présente invention est utilisée pour unir des tubes en acier, la température de chauffage est de loin infé rieure au point de fusion des tubes en acier, contrairement an cas des procédés classiques de soudage, de sorte qu'il ne se produit aucun changement de la structure métallirgique par effet thermique, mais queai contraire comme les grains des cristaux sont affinés et qu'une amélioration des propriétés de résistance à la corrosion et d'antres propriétés peut être escomptée.Antrement dit, quand des tubes soudés sont assemblés, par exemple dans une chaudière, iêze Si de l'acide sulfurique est produit à la surface extérieure des tubes, la corrosion provoquée par l'acide sulfurique peut être considé- rablement réduite. De plus, comme il n'y a pas production de laitier ou de produits analogues dans la partie nie contrairement au cas des procédés de soudage, les parties unies pré- sentent toujours une surface lisse, de sorte que la corrosion résultant des turbulences peut aussi être évitée.En outre, différents avantages considérables sont obtenus du fait que l*opération de soudage ne nécessite aucune qualification et que les ouvriers ne soit pas soumis à des dangers, contraire- Ment au cas des antres procédés de sondage, et que, autre part, le sondage peut être effectué en un temps bien plus court que avec les procédés classiques de sondage. Bien que l'invention ait été décrite ci-desus en eensi- dérant principalement des tubes en acier, il est évident qat elle peut aussi être utilisée pour unir des tôles plates l'une à lawtre, une tôle plate à an tube en acier, des tiges les unes aux autres, une tige à unetôle plate, etc. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limi- tative, et le invention peut être Mise en oeuvre Suivant d'au- tres variantes, sans que on sorte de son cadre. REVENDICATIONS 1. - Procédé pour unir des pièces métalliques, caractérisé par la mise en contact des extrémités des pièces Métalliques l'une contre l'autre en exerçant une charge Mécanique légère sur les parties en contact et, pendant l'établissement de cette condition sous charge, la soumission des parties en contact à un cycle de température passant par un point de transformation de la matière afin que les pièces métalliques soient liées sous pression pendant l'établissement d'un état super-plastique dans les parties en contact des pièces zétal- liques. 20- Procédé pour unir les pièces métalliques, caractérisé par la mise en contact des extrémités des pièces métalliques l'une contre l'autre en retenant fermement les parties principales de ces pièces et, pendant le maintien de cet état de retenue, la soumission des parties voisines des parties en contact à un cycle de température passant par un point de transformation de la matière de façon que les pièces zétalli- ques soient nuies sous pression pendant l'établissement d'un état super-plastique dans les parties en contact des pièces Métalliques du fait du cycle de température et de la contrainte à la compression résultant des contraintes thermiques. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pièces Métalliques sont en métaux différents.