Brevet FR2434000A1 — publié le 19800321

La présente invention concerne le soudage dans des conditions de pression élevée , par exemple le soudage de pipelines sur le fond de la mer . Certains des procédés de soudage qui sont utilisés dans des conditions ambiantes norsales ont été essayés avec succès pour le soudage sous l'eau. Normalement, pour obtenir des soudures de qualité à n'importe quelle profondeur , on entoure le point où se forme la soudure d'une enveloppe de gaz inerte contenu dans une petite enceinte transparente , cela pour empêcher liteau de venir en contact avec lue bain de soudure et l'arc. A des profondeurs en dessous de la distance de plongée avec air (50 mètres , c'est-à-dire 6 bars de pression) , le soudeur ou une certaine partie du soudeur est habituellement entourée par l'enveloppe de gaz inerte avec les matériaux nécessaires pour l'opération de soudage et le joint à souder . A mesure que la profondeur augmente, la pression sur l'arc s'accrott. Les procédés de soudage à 11 arc sous flux et , en particulier , le procédé manuel de soudage à l'arc avec électrode fusible et procédé de soudage avec fil d'apport à noyau ont été utilisés aveo succès en dessous de 50 mètres, profondeur qui est équivalente à une pression d'environ 6 bars. Toutefois, à des profondeurs supérieures à 50 mètres, il se produit des variations dans les réactions complexes du laitier, du métal ou du gaz qui ont lieu dans l'arc , ce qui conduit à des variations dans la composition du métal à souder déposé , variations qui,elles-mêmes, affectent les propriétés mécaniques de la soudure. Toutefois, la stabilité de l'arc est maintenue. On peut aussi utiliser un soudage classique à l'arc en gaz inerte avec électrode fusible à des profondeurs faibles mais, à des profondeurs supérieures à 50 mètres, la stabilité de l'arc et le transfert de métal deviennent irréguliers avec, pour conséquence , que de gros globules de métal en fusion sont projetés à partir de l'extrémité de l'électrode sur la-plaque entourant le bain de fusion. De plus, alors qu'à la pression atmosphérique le dégagement de fumée dans le soudage à l'arc en gaz inerte avec électrode est faible, aux pressions supérieures à 6 bars, il se produit un dégagement important de fumée et ceci pose évidemment un problème sérieux dans le soudage sous l'eau. Ces difficultés soulevées par le soudage à l'arc en gaz inerte avec électrode fusible ont conduit à l'utilisation , aux fortes profondeurs, de procédés utilisant un flux pour obtenir une- stabilisation et une modification du métal malgré les avantages que le soudage en gaz inerte avec électrode fusible procure sous la forme d'une vitesse élevée de dépôt et d'une absence de réaction complexe de laitier, du métal ou du gaz. Dans un procédé de soudage selon la présente invention , à des pressions supérieures à 7 bars on utilise un procédé de soudage en gaz inerte avec elec- trode fusible dans lequel l'électrode est électriquement négative par rapport à la pièce à souder et le fil constituant cette electrode a un diamètre qui n'est pas supérieur à 1,4mm; dans le procédé préféré de la présente invention, "la pente" ou caractéristique Volt/Ampère de la source d'énergie , vue à partir de l'arc de soudage , est de 6 à 15 V/100 A.Cette "ente1, est supérieure à la "pente" utilisée normalement dans le soudage MIG, laquelle est d'environ 3 à 4 V/100 A La demanderesse a constaté que l'utilisation d'une telle "pen te" élevée améliore la stabilité du processus permet d'obtenir dans la soudure une pénétration accrue. La pente pré fériée est de 7 V/100A . Le terme "pente" est utilisé ici dans son sens d'acceptation générale signifiant une pente négative. Au-dessus d'une pression de 10 bars, les avantages procurés par la présente invention sont même plus apparents De préférence , le gaz inerte est le plus souvent de l'argon ou de l'hélium . Un gaz oxydant, comme par exemple l'oxygène ou le gaz carbonique, peut être ajouté au gaz inerte . Un mélange approprié est celui qui contient au moins 95 % d'argon ou d'hélium et jusqu'à 5 % d'oxygène ou de gz carbonique0 Dans le présent exposé , l'expression "soudage classique en gaz inerte avec électrode fusible" désigne un soudage an gaz inerte avec électrode fusible constituée par un fil plein et non enrobé, et dans un tel procédé de soudage effectué à la pression atmosphérique normale, il est courant que l'électrode soit électriquement positive. I1 en est ainsi pour la raison que, dans cette forme de soudage la majeure partie de la chaleur est engendrée à la cathode, c'est-à-dire la pièce à souder qui est électriquement négative, et ceci permet d'obtenir une bonne pénétration et un transfert de métal adéquat à partir de l'électrode fusible. Si on faisait en sorte que l'électrode soit négative, la chaleur gerait engendrée à la pièce à souder serait faible et la pénétration peu importante ; la création de chaleur aurait lieu en majeure partie à l'extrémité de l'électrode ce qui entraSnerait la fusion d'une fraction trop importante de l'électrode avec , pour conséquence, que l'arc tendrait à revenir vers le tube de guidage en cuivre entourant lté- lectrode. De ce fait, quand ltélectrode est électriquement négative, dans des conditions de pression atmosphérique normale, la vitesse de dépit sur la surface de la pièce à souder est très élevée, mais l'arc peut présenter une stabilité médiocre et la pénétration est faible. Le soudage en gaz inerte avec une électrode fusible électriquement négative a été très peu utilisé dans la pratique en-raison des inconvénients mentionnés ci-dessus, bien que l'on puisse obtenir une certaine atténuation de ces inconvénients grâce à l'utilisation d'un gaz riche en argon contenant de l'oxygène ou du C02 On a également proposé d'utiliser un courant alternatif pour le soudage en gaz inerte avec électrode fusible, les alternances positives de l'élestrode stabilisant larc et les alternancex négatives de l'électrode chauffant le fil. Les conditions nécessaires pour obtenir en équilibre entre la quantité de métal fondu à partir du fil-électrode etla quantité d'énergie engendrée à l'endroit de lalpitceg sou- der,dans le cas d'un procédé de soudage en gaz inerte avec/ fusible, varient en fonction de la pression sous laquelle la soudure est effectuée. Lorsque, quand on utilise la technique classique de soudage en gaz inerte avec électrode fusible, la pression sous laquelle l'opération est effectuée dépasse la pression atmosphérique, on se trouve dans une condition qui conduit aux problèmes de dégagement de fumée et de stabilité mentionnés ci-dessus.Toutefois, avec la mêm augmentation de pression, l'altération de l'équilibre mentionné ci-dessus agit en faveur d'une opération avec électrode négative, de sorte que la pression mentionnée ci-dessus de 7 bars, il devient préférable d'opérer avec une électrode négative et, à une pression de 14 bars, une opération avec électrode négative est extrêmement avantageuse. A titre d'exemple, on peut obtenir des arcs stables avec peu de projection et avec une absence relative de fumée, même à une pression dépassant 32 bars (équivalent à 310 mètres de profondeur) Un soudage MIG exige généralement une caractéristique plate.L'une des façons d'augmenter la "pente" ou caractéristique V/A de la source d'énergie (vue de l'arc) consiste à augmenter la longueur des conducteurs entre la source d'énergie et la tête de soudage. 13e cette façon, l'utilisation d'un procédé selon la présente invention permet de placer la source d'énergie sur le navire, les longs conducteurs s'étendant du navire jusqu'au lieu de soudage sous-marin apportant de la stabilité à l'opération de soudage. Une autre façon d'augmenter la "pente" ou caractéristique V/A de la source d'énergie, vue à partir de l'arc, consiste à augmenter la résistance entre la source d'énergie et la tette de soudage en réduisant le diametre des câbles de connexion ou en réduisant le nombre de câbles, lorsque plusieurs câbles sont utilisés en parallèle. On peut aussi obtenir le meme résultat en augmentant l'inductance entre la source d'énergie et la zeste de soudage car, pendant la courte période de temps durant laquelle l'arc demande des changements rapides de tension et de courant, l'effet de l'inductance sur la "pente" ou caractéristique V/A apparente de la source d'énergie, telle qu'elle est vue à partir de l'arc, sera le méme que l'effet de l'augmentation de résistance proposé antérieurement. L'inductance peut entre introduite par augmentation du nombre de câbles de connexion parallèle ou par inclusion d'une composante inductive dans les conducteurs. La pente accrue favorise également la première passe dans une opération de soudage, laquelle est très difficile dans des conditions de pression élevée par le fait que la soudure a tendance à griller. La tolérance dans le choix de l'écartement des bords se trouve également améliorée et on peut utiliser un soudage avec écartement étroit, par exemple un soudage avec un angle inclus de joint de 30, dans n'importe quelle position. D'une façon générale, ceci n'était pas possible dans l'air, spécialement dans une position en surplomb, ou position dite "au plafond", avec un fil-électrode d'un diamètre d'un millimètre, car il était difficile d'assurer une fusion adéquate des parois latérales. Un soudage avec écartement étroit réduit le temps de soudage. Un autre avantage de l'utilisation du soudage en gaz inerte avec électrode fusible dans les conditions sous-marines est que, du fait que ce soudage utilise une électrode continue, il se prote de lui-mtme à une mécanisation. La limite du soudage par des plongeurs a maintenant été atteinte dans la pratique en ce sens qu'à des profondeurs maintenant envisagées, un plongeur doit subir une très longue période de décompression. Par conséquent, pour souder à des profondeurs plus importantes, des procédés mécanisés seraient extrtmement souhaitables. I1 n'est pas nécessaire de modifier la composition du métal de soudure en fonction de la pression. On va maintenant décrire un exemple d'appareil réalisé selon la présente invention et destiné à un soudage sous-marin, en se référant aux dessins annexés parmi lesquels la figure 1 est une vue en perspective d'un appareil de soudage MIG automatique en train d'exécuter une opération de soudage de canalisation ; et la figure 2 montre l'appareil placé dans une enceinte sur le fond de la mer et relié électriquement à une source d'énergie se trouvant sur un navire de surface. Sur les figures, la référence id représente une canalisation devant être soudée et sur laquelle sont formées des pistes 12 destinées à guider un chariot 14 pourvu de roulettes 16.Le chariot 14 transporte une bobine 18 sur laquelle est enroulée un fil-électrode fusible 20 ayant un diamètre de 1 millimètre ou moins. L'extrémité du fil-électrode traverse une tête de soudage 22 supportée par le chariot 14. Le chariot 14 loge les systèmes d'entraSnement des roues 16 et de la- bobine 18 L'énergie électrique nécessaire à ces systèmes d'entratnement ainsi qu'à l'arc de soudage arrive d'une boîte 24 par l'intermédiaire d'un cible 26.La botte 24 peut comprendre un système de commande d'oscillation destiné à la tête de soudage ainsi qutune source d'énergie locale et dans ce cas, la source d'énergie a une "pente" ou caractéristique volt/Ampère de 6 à 15 V/100A . Dans une variante, comme on peut le voir sur la figure 2, la botte 24, placée avec le chariot 14 dans une enceinte 28 sur le fond 30 de la mer, comprend le système de commande d'oscillation et sert également à coupler le cible t6 à un autre câble 32 et, de 1à, à une source d'énergie se trouvant sur le navire 34. Dans ce dernier cas, la "pente" ou caractéristique volt/ampère du système qui fournit l'énergie et qui comprend une source d'énergie à bord du navire et le cable raccordant cette source d'énergie à l'arc de soudage est de 6 à 15 V/1OOA.De plus, les connexions entre la source d'énergie et le fil-électrode sont tElles que le fil-électrode est électriquement négatif par rapport à la canalisation 10 pendant ltopEra- tion de soudage. Dans une série d'essais de soudage effectués à des pressions de 7, 14 et 32 bars et dans des positions en surplomba verticale et horizontale, on a maintenu constants durant toute la série d'essais les paramètres suivants 1. Plaque de base - BS 4360 qualité 50D 2. Epaisseur de la plaque - 19 mm 3. Type de joint - soudure en bout avec chanfrein en V sur un seul c8té, angte inclus de 600 > 4. Méplat - 1,6 + 0,6 mm 5. Ecartement - 2,0 + 1,0 mm 0,5 6. Procédé - MIG 7. Polarité - électrode négative sous courant continu 8. Métal d'apport - BS 2901 part 1 A18 9. Diamètre du métal d'apport - 0,9 mm 10. Source d'énergie - du type état solide intensité 500A 11. Tension en circuit ouvert - 45 V 12.Pente ou caractéristique V/A - 7V/1OOA 13. Longueur.des conducteurs du circuit - 4 mètres 14. Inductance ajoutée au circuit - aucune 15. Diamètre de la buse de soudage - 12,5 mm 16. Distance d'extrémité de contact/pièce - 10-15 mm 17. Débit du gaz de protection - 10-15 1/mon à la pression de travail 18. Composition du gaz de protection 7 bars - argon/2 % d'oxygène 14 bars- argon/l 96 d'oxygène 32 n - argon 0,5 46 d'oxygène 19. Nettoyage et meulage entre passes - néant 20.Temps entre passes consécutives - 5-10 minutes Une analyse du métal (BS4360, qualité ROD) de la plaque de base a donné les pourcentages suivants en poids C : 0,14 ; S : 0,012 ; P : 0,020 ; Si : 0,35 ; Mn : 1,43 Cu : 0,02 ; Nb : 0,035 ; Al : 0,021 ; 0 : 0,0178 ; N : 0,0093. Une analyse du fil de métal d'apport (BS2901) a donné les résultats suivants en pourcentages en poids C : 0,09 ; S : 0,029 : P : 0,022 ; Si : 0,94 ; Mn : 1,55 Cu : 0,24 ; Nb C 0,005 ; All : 0,007 ; 0 : 0,0053 ; N : 0,0073 Pour la position en surplomb, 6 passes ont été faites ; pour les positions horizontale et verticale, on a effectué 7 passes. Dans chaque cas, pour la passe de fond, la vitesse d'avance du fil était de 5 mètres/minute et la vitesse de déplacement de 200 mm/minute ; pour les autres passes, la vitesse d'apport du fil était-de 7,1 mètrestminute, et les vitesses de déplacement étaient comprises entre 110 et 80 mm/minute. L'amplitude ou largeur d'oscillation augmentait progressivement de 10 mm à la seconde passe Jusqu'à 22 mm à la septième passe pour les positions horizontale et verticale tandis que de la seconde à la sixième passe dans la position en surplomb, les amplitudes d'oscillation étaient respetivement de 7, 13, 13, 14 et 10 mm. Les fréquences d'oscillation étaient comprises entre 15,4 et 21,4 oscillations par minute. Aucune oscillation nta été utilisée pour la passe de fond. La vitesse de dépôt du métal pour les passes de fond était de 1,5 kg/heure et pour les autres passes de 2,05 kg/h. Les résultats des essais d'impact Charpy sur le métal de la soudure pour les soudures à exécuter étaient comme indiqué ci-dessous, la valeur en joules dans chaque cas étant la moyenne des valeurs pour trois soudures. t = - = - = - = - = - - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - = - Pression Temérature Ooc Pression Température OOC (en bars) 0 -10 -30 Position in joules joules joules 1 En surplomb i 7 118 56 50 14 14 59 57 31 n 32 66 68 50 Verticale 7 100 78 55 " | 14 90 81 55 n ! 32 90 67 54 Hori-zontale 7 76 79 46 n 14 81 71 54 li 32 80 50 46 --r-X--P-P-=-r-=-=-r---I---=-=-E-PTIIP- -- -- - -- I1 est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention, laquelle est définie par les revendications ci-annexées e REVENDICATIONS Procédé de soudage à des pressions supérieures à 7 bars, caractérisé par le fait que l'on utilise un procédé de soudage en gaz inerte avec électrode fusible, l'électrode étant électriquement négative par rapport à la pièce à souder et le fil constituant l'électrode ayant un diamètre qui n'est pas supérieur à 1,4 mm. 2. Procédé suivant la revendication 1 , caractérisé par le fait qu'il est effectué à une pression supérieure à 10 bars 3. Procédé suivant les revendications 1 ou 2 , caractérisé par le fait que le diamètre du fil-électrode n'est pas supérieur à 1,0 mm- 4. Procédé de soudage à des pressions supérieures à 7 bars, caractérisé par le fait que l'on utilise un procédé de soudage en gaz inerte avec électrode fusible dans lequel l'électrode est électriquement négative-par rapport à la pièce à souder et le fil constituant l'électrode a un diamètre qui n'est pas supérieur à 1,0 mm, la pente (ou caractéristique V/ ) de la source d'énergie, vue à partir de l'arc de soudage,étant de 6 a' 15 V/1OOA. 5. Procédé suivant la revendication 4 , caractérisé par le fait que le soudage est effectué sur le fond de la mer et la source d'énergie transportée par un navire de surface, la "pente" (ou caractéristique V/A) de la source d'alimentation, comprenant la source d'énergie et un cible reliant la source d'énergie à une tête de soudage se trouvant sur le fond de la mer, étant de l'ordre de grandeur précité , c'est-à-dire 6 à 15 V/1OOA. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1, 2,3, 4 ou 5 , caractérisé par le fait que le gaz inerte est, d'une façon prédominante, de l'argon. 7. Système de soudage en milieu sous-marin pour souder à des pressions supérieures à 7 bars, caractérisé par le fait qu'il comprend un appareil de soudage en gaz inerte avec électrode fusible comportant une alimentation de fil-électrode fusible d'un diamètre de 1 mm ou moins, et un moyen d'alimentation d'énergie comprenant une source d'énergie et des connexions entre ladite source d'énergie et l'appareil de soudage de telle manière que, pendant l'utilisation, le fil-électrode soit électriquement négatif par rapport à la pièce à souder, la "pente" (ou caractéristique V/A) dudit moyen d'alimentation en energie étant de 6 à t5 V/100A. 8. Système de soudage en milieu sous-marin suivante revendication 7 , carantérisé par le fait que le moyen d'alimentation en énergie comprend une source d'énergie et un composant inductif introduit dans la connexion entre la source d'énergie et l'appareil de soudage en gaz inerte avec électrode fusible.