Brevet FR2454856A1 — publié le 19801121

La présente invention concerne un procédé pour fixer un tube dans une plaque, notamment dans une plaque de tête ou plaque tubulaire d'échangeur thermique en mettant en oeuvre le procédé de soudage explo sif, et elle vise également une charge explosive pour la mise en oeuvre de ce procédé, ce dernier étant plus particulièrementdestiné à des tubes dont l'épaisseur des parois est importante par rapport au dia mètre. On sait que le soudage par explosif ou soudage explosif est un procédé dans lequel l'assemblage ou la liaison entre les deux pièces à solidariser s'effectue essentiellement à l'état solide. Il en résulte qu'un procédé facilite notamment la soudure de métaux présentant des températures de fusion très différentes. Cependant un tel procédé ne peut s'appliquer qu'à l'assemblage de surfaces présentant des formes très simples. Des applications typiques de ce procédé sont constituées par des revêtements de plaques et des assemblages de tubes. Le soudage explosif est réalisé en amenant les pièces à souder, l'une contre l'autre obliquement à grande vitesse. Sous l'effet de la forte pression survenant au point d'impact entre les deux pièces, le métal se comporte comme s'il était à l'état liquide. Pour une certaine vitesse d'impact entre les deux pièces, pour un angle d'impact et une vitesse de propagation du front d'impact déterminés, on produit un jet de métal constitué de portions des surfaces adjacentes. Ce jet enlève la couche superficielle ou peau de la surface du métal et ces surfaces mé talliques propres sont appliquées l'une contre l'autre et elles deviennent soudées. La grande vitesse d'impact exigée par ce procédé est obtenue en utilisant un explosif comme source d'énergie. Les pièces devant être assemblées par soudage explosif sbnt placées l'une contre l'autre, les surfaces devant être soudées étant espacées~l'ú e de l'autre d'une distance appelée "distance d'accumula tion". Les surfaces peuvent être positionnées parallèlement l'une à 4'autre, auquel cas on utilise le terme "géométrie parallèle" ou bien elles peuvent être positionnées selon un petit angle l'une par rapport à l'autre, auquel cas on emploie ltexpression "géométrie angulaire". La charge explosive est disposée sur la surface postérieure de l'autre pièce et la pression de l'explosion amène les surfaces l'une contre l'autre ce qui assure leur soudage dans certaines conditions.Le choc ne se produit pas simultanément sur toute la surface, mais il se propage comme un front d'impact avec l'onde de choc de la détonation sur les surfaces devant être soudées, en commençant au point d'allumage dea charge explosive. Il est possible d'unir métallurgiquement l'une à l'autre deux pièces métalliques, si les atomes des pièces à assembler sont amenas en contact étroit les uns avec les autres de façon que les forces entre atomes soient équilibrées et forment une liaison atomique. Cependant, les surfaces métalliques sont souvent recouvertes d'une pellicule d'oxydes, de nitrures et de gaz absorbéqqui s'oppose au contact direct des atomes de métal des surfaces de séparation. Dans tous les procédés de soudage, ces pellicules doivent être éliminées et les surfaces des pièces à souder doivent être amenées en contact direct les unes avec les autres. Dans un soudage par fusion, les surfaces devant être assemblées sont fondues, soit en utilisant un matériau d'apport soit sans l'aide d'un tel matériau, la pellicule de la surface étant enlevée sous la forme de scorie. La fusion du métal permet de réaliser un "mélange" des atomes des métaux devant être assemblés. Dans le soudage explosif, la pellicule nuisible de la surface est enlevée par le jet de métal produit lorsque les surfaces à assembler viennent se plaquer l'une contre l'autre. La forte déformation des surfaces à assembler, provoquée par la création du jet, brise la pellicule sur la surface et celle-ci est totalement ou partiellement enlevée avec le jet. Lorsque se propage le front de l'impact, les surfaces ainsi nettoyées sont appliquées l'une contre autre et il se forme une liaison métallurgique sur les surfaces de séparation. Si les paramètres de soudure sont convenablement choisis, la surface de séparation de la soudure est ondulée en raison des écoulements instables au point d'impact. On peut envisager également d'autres formes de soudage purement métallurgique s. Ainsi qu'on l'a expliqué ci-dessus, une condition nécessaire bien que non suffisante du soudage réside en la réalisation d'un jet de métal au point d'impact des surfaces devant être assemblées. La création de ce jet dépend de la pression et de sa distribution au point d'impact. La création du jet est possible si la vitesse de propagation du front de l'impact est plus petite que la vitesse brute du son C dans les o matériaux à souder. La valeur recommandée de la vitesse de propaga tion du front d'impact est de 1/2 CO à 2/3 C o Une condition pour réaliser le soudage est que l'angle d'impact et la vitesse d'impact demeurent dans certaines limites. La vitesse de l'onde de détonation et la quantité d'explosif doivent être choisies de façon à répondre aux exigences de soudabilité. On doit à cet égard prendre en considération les propriétés du matériau ainsi que la géométrie du joint. Lors de la mise au point du procédé selon cette invention on a pris plus particulièrement en considération les problèmes qui surviennent dans les échangeurs de chaleur à haute pression. On sait que dans de tels échangeurs thermiques, on utilise des tubes qui présentent des parois épaisses par rapport à leur diamètre et qui sont fixés dans des plaques de tête ou plaques tubulaires, les exigences d'étanchéité de l'assemblage étant très strictes. Généralement les tubes sont fixés dans les plaques en fixant les extrémités du tube par exemple par soudage classique. La longueur du joint ou cordon est au plus 2 à 3 mm à partir de l'extrémité du tube. L'expérience montre qu'il est difficile d'obtenir une étanchéité appropriée du joint. En outre, il se produit dans un joint aussi court, une importante crête de tension thermique ce qui initie la formation de fuites.En soudant par la technique du soudage par explosif, la surface extérieure du tube à la surface de l'alésage dans la plaque, on peut augmenter la longueur du joint. Dans un joint long, la température change de façon uniforme et on réduit la crête de la tension thermique. Simultanément, on améliore, de façon décisive, l'étanchéité du joint. Afin de produire un long joint soudé, on a du utiliser la géométrie dite parallèle, et dans ce cas les alésages de la plaque sont cylindriques. Etant donné que la paroi du tube utilisé est épaisse par rapport au diamètre du tube, il est difficile de répondre à toutes les exigences pour produire une soudure. En particulier le maintien de l'angle d'impact à une valeur suffisamment importante entraine des difficultés. On en expliquera les raisons ci-après. Lorsque la paroi du tube est très épaisse, on est amené à dépenser beaucoup d'énergie pour dilater le tube et pour donner à la paroi une vitesse d'impact convenable. Ceci est possible si l'on utilise une forte charge, c'est-à-dire une grande quantité d'explosif à faible énergie ou une pelte quantité d'explosif à grande énergie. Cependant il n'est pas possible d'utiliser un explosif à faible énergie, étant donné que le diamètre interne du tube à souder est plus petit que le diamètre critique de explosif de faible énergie (c'est-à-dire le diamètre minimal de la charge pour lequel la détonation de celle-ci est possible). Les explosifs, dont le diamètre critique est convenablement faible, sont en général des explosifs à grande énergie.La vitesse de détonation de ces substances est cependant largement supérieure à la vitesse brute du son dans les métaux à souder, ce qui signifie que la vitesse de propagation du front d'impact dans le cas d'une géométrie parallèle serait trop importante. La vitesse de détonation des explosifs de grande énergie peut etre diminuée en leur ajoutant des additifs inertes. Bien qu'il soit possible de faire décroitre de cette façon la vitesse de détonation, les exigences en énergie présupposent que l'on utilise une charge en conditionnement très étanche, ce qui augmente encore la vitesse de détonation. Il en résulte que le problème d'un angle d'impact trop faible du à une vitesse de détonation trop importante subsiste encore. Le problème que pose l'ange d'impact peut être évité en appliquant la géométrie dite angulaire dans le joint. L'alésage dans la plaque doit alors être conique. On peut par conséquent utiliser un explosif ayant une vitesse élevée de détonation sans que se pose le risque d'une trop importante vitesse de propagation du front d'impact ou d'un angle d'im- pact trop faible.Par ailleurs, il n'est pas possible de produire de cette façon un long joint de soudure étant donné que seul est possible l'établis se- ment d'une soudure dans la partie conique de l'alésage. Si la partie conique de l'alésage était trop longue, le diamètre de l'ouverture de l'alésage serait trop important et soit le tube à souder se déchirerait lors de l'ex- plosion, soit la qualité de la soudure diminuerait en raison de la trop grande vitesse d'impact. Même s'il était possible de réduire les exigences en ce qui concerne la longueur du joint de soudure, Irespacement des tubes devrait être augmenté en raison de la partie conique de l'alésage, ce qui alors augmenterait les dimensions de tout lréchangeur thermique. La réalisation de l'alésage qui est nécessaire lorsqu'on utilise la géométrie parallèle est plus simple que la réalisation de l'alésage conique nécessité par la géométrie angulaire. Il en résulte que cet abaissement des coûts d'usinage apporte un avantage supplémentaire de la géométrie parallèle venant s'ajouter à celui que présente la longueur de la soudure qu'il est possible d'obtenir. Lorsque l'on considère la fabrication de la totalité de l'échangeur thermique, le fait que l'espacement des tubes reste sans changement, constitue un autre avantage remarquable. L'invention se propose d'apporter un procédé grâce auquel les difficultés énumérées ci-dessus peuvent être surmontées. Selon une caractéristique du procédé selon cette invention, l'explosion est effectuée de façon que la vitesse de détonation décroisse dans la direction de la propagation de la détonation. De cette façon l'angle d'impact peut être maintenu artificiellement plus grand qu'il le serait si la vitesse de détonation était mainenue constante. Selon une autre caractéristique de cette invention, on utilise une charge explosive qui est remplie d'un explosif dont la vitesse de détonation décroît dans la direction de la propagation de la détonation. La charge préférée est une charge dont la densité décroît graduellement dans la direction de la propagation de la détonation. Afin de simplifier la fabrication, la charge peut comprendre deux parties, la première présentant une densité de charge plus élevée que la seconde. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence au dessin annexé qui en illustre un exemple de réalisation non limitatif. Sur le dessin - la figure 1 est une vue en coupe d'une charge explosive pour la mise en oeuvre du procédé selon cette invention, et - la figure 2 illustre la façon selon laquelle la vitesse de détonation change dans la charge explosive. Sur la figure 1, la référence 1 désigne une plaque de tête ou plaque tubulaire dans laquelle a été usiné un alésage comprenant deux parties. La longueur de la partie 2 de cet alésage présente un diamètre plus important qui est fonction de la longueur de la partie du tube qui doit être métallurgiquement solidarisé ou soudé à la plaque de tête 1. Le rôle de la partie 3 de l'alésage, dont le diamètre est plus petit que celui de la partie 2 est de s'assurer que le tube 4 est disposé concentriquement dans l'alésage. La charge explosive 5 comprend une charge d'initiation 6, une première partie 7 d'une charge de fond et une seconde partie 8 de la charge de fond. Les deux parties de la charge contiennent le même explosif, mais la densité de charge de la première partie est supérieure à celle de la seconde. La charge explosive est mise à feu électriquement au moyen d'un allumeur 9 qui émet un jet de flammes permettant la mise à feu de la charge d'initiation.Comme explosif pour la charge d'initiation, on peut utiliser un oxyde de plomb inflammable. La détonation est transmise de la charge d'initiation à la charge de fond. La vitesse de détonation de la première partie de la charge de fond est supérieure à celle de la seconde en raison de la densité de charge plus élevée. Afin de faciliter la manipulation de la charge explosive, tous les composants sont assemblés dans une cartouche 10, comportant une collerette qui détermine la position axiale de la cartouche par rapport au tube. Avant d'effectuer le soudage du tube dans la plaque de tête, le diamètre extérieur de la partie à souder peut être réduit afin de diminuer la masse du matériau qui doit être déplacé sous l'effet de la dilatation du tube, ce qui fait que les dimensions de la partie 2 de l'alésage ayant un diamètre plus important peuvent être également réduites. L'exemple suivant qui n'a bien entendu aucun caractère limitatif illustre l'invention. Exemple On a mis en oeuvre le procédé selon l'invention sur un échangeur de chaleur dans lequel la pression du coté de l'enveloppe est de 25, 4 MPa et du cté des tubes de 38, 5 MPa et dont la température est de 2000 C. Des tubes de diamètre 17, 2 x 2, 9 mm ont été soudés sur une plaque de tête ayant une épaisseur de 200 mm, - en utilisant le procédé selon l'invention. Le diamètre extérieur de la partie des tubes à souder a été réduit à 15, 7 mm par décolletage. Les dimensions de la partie de l'alésage présentant le diamètre le plus important étaient de 19) 2 (diamètre) x 100 mm. On a utilisé comme explosif un mélange de penthrite. La densité de charge de la première partie de la charge de 3 fond ayant une longueur de 35 mm était de 1, 0 g/cm3 et celle de la seconde partie ayant une longueur de 72 mm était de 0, 6 g/cm3. La vitesse de détonation VD de la charge de fond allait en décroissant dans la direction X de la propagation de l'explosion ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 2. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de fixation d'un tube dans une plaque, notamment dans une plaque tubulaire d'échangeur thermique, en mettant en oeuvre le soudage par explosif, caractérisé en ce que la détonation est effectuée de façon que la vitesse de détonation décroisse dans la direction de la propagation de la détonation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la vitesse de détonation décroit par étapes. 3. Charge explosive pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisée en ce qu'elle contient un explosif dont la vitesse de détonation décroit dans la direction de la propagation de la détonation. 4. Charge explosive selon la revendication 3, caractérisé en -ce qu'elle contient un explosif-dont la densité de charge décroft dans la direction de propagation de la détonation. 5. Charge explosive selon la revendication 4, caractérisée en ce que la densité de charge de la charge explosive décroît par étapes. 6. Charge explosive selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comprend deux parties et en ce que la densité de charge de la première, par rapport à la propagation de la détonation, est supérieure à celle de la seconde.