Brevet FR2464782A1 — publié le 19810320

La présente invention concerne un procédé perfectionné de soudage par faisceau d'électrons, ainsi que dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. On sait que les caractéristiques mécaniques et métallurgiques d'une soudure, considérée à l'état brut de solidification, c'est-à-dire avant tout traitement thermique, caractéristiques telles que la résistance à la trac- tion, la dureté ou la résilience, sont tributaires de la composition chimique de la zone fondue ainsi que du cycle thermique de soudage auquel la soudure a été soumise. On sait aussi, que pour une composition chimique donnée, les meilleu- res caractéristiques de ténacité et, en particulier, de résilience, sont ob- tenues lorsque la structure de la zone fondue est riche en ferrite aciculaire. Le cycle thermique est, de son côté, déterminé par la morphologie que l'on souhaite donner à la soudure. C'est donc, en dernière analyse, de la seule composition chimique du métal fondu que vont dépendre, d'une part, la structure de la soudure, d'autre part et par voie de conséquence, ses caractéristiques mécaniques. Il a cepen- dant été montré récemment que les variations de la teneur en éléments d'addi- tion, tels que le carbone, le manganèse, le silicium, le nickel, le chrome, le molybdène, le soufre, le plomb, le niobium, le vanadium, le bore, etc..., tra- ditionnellement considérés comme caractérisant la composition chimique de l'acier, ne permettent pas d'obtenir, en quantité notable, de la ferrite aci- culaire dans la zone fondue. Il est en effet apparu que, lors de la transformation de l'austénite, durant le refroidissement d'une soudure, la formation de la ferrite aciculai- re est lié à l'existance de certaines inclusions non métalliques fines, dis- persées dans la masse et qui servent de germes en vue de la formation de la ferrite aciculaire. La présence d'oxygène, en quantités comprises entre 100 et 800 ppm, semble conditionner la présence des dits germes. De telles teneurs en oxygène sont fréquemment rencontrées dans les soudures exécutées au moyen de procédés classiques, tels que soudure à arc submergé, soudure M.I.G., soudure à l'aide de fils fourrés, avec ou sans gaz de protection, etc..., et l'on constate ef- fectivement que la micrQstructure de soudures de ce genre peut Jtre relative- ment riche en ferrite aciculaire, pour une gamme étendue de cycles thermiques. Mais les teneurs en oxygène rencontrées dans les soudures exécutees par fais- ceau d'électrons sont généralement inférieures aux valeurs précitées si bien que l'observation micrographique de telles soudures, exécutées sur des aciers doux ou faiblement alliés, ne révèle pratiquement jamais de quantités nota- bles de ferrite aciculaire. l La présente invention se propose de tirer parti de ces observations. Selon l'invention, on interpose entre les deux pièces que l'on se propose d'assembler par soudure par faisceau d'électrons, un insert en acier doux ou faiblement allié, insert élaboré à partir d'un dépôt obtenu, au choix premièrement par un procédé de soudage traditionnel, secondement par un pro- cédé de refusion sous laitier, après quoi l'on procède à l'opération de sou- dage par faisceau d'électrons proprement dite, le dit insert étant, au moins partiellement, englobé dans la zone qui a été soumise à refusion, du fait de l'opération de soudage par faisceau d'électrons. Selon l'invention, le dit insert est constitué par un dépôt obtenu sur au moins l'une des faces d'au moins l'une des pièces à assembler entre elles, le dit dépôt étant obtenu par un procédé de soudage traditionnel tel que ceux déjà mentionnés ou encore la soudure à l'aide d'électrodes enrobées ou bien la torche plasma. Selon une autre caractéristique de l'invention l'on dresse, dans la masse du dit dépôt, une face juxtaposable à la face en regard de la pièce à laquelle l'insert devra -être assemblé. Selon une variante d'application du procédé selon l'invention, le dit insert est remplacé par un fil obtenu par tréfilage à partir d'un lingot de métal déposé par fusion, par un procédé de soudage traditionnel, le dit fil étant apporté dans le bain liquide, au cours de l'eiécution de la soudure par faisceau d'électrons. C'est sous l'action du faisceau d'électrons qu'ap- paraît dans la zone fondue, une structure très riche en ferrite aciculaire, donc favorable à l'obtention de bonnes caractéristiques de ténacité et en particulier à une bonne résilience. La présente invention porte également sur un dispositif de mise en oeuvre du procédé dont il s'agit, le dit dispositif comportant un équipement de soudage par faisceau d'électrons, adapté à un cas particulier d'applica- tion qui est celui du soudage de deux portions de conduite tubulaire. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard des dessins annexés, description et dessins étant donnés à titre d'exemple illustratif et nullement limitatif de diverses applications de l'invention. Sur ces dessins: - la figure 1 représente un premier exemple d'application du procédé selon l'invention, par rechargement d'une des faces de l'une des pièces à assem- bler. - la figure 2 représente un autre exemple d'application de l'invention, par rechargement des deux faces en regard des pièces à assembler. - la figure 3 représente un autre exemple d'application de la présente - 2464782 invention, par interposition d'un insert entre les deux pièces à assembler. - la figure 4 représente un autre exemple d'application de la présente inven- tion en utilisant en tant que métal d'apport, un fil élaboré conformément à l'invention. - la figure 5 représente les trois stades d'un exemple de réalisation parti- culier d'une soudure selon l'invention appliqué à l'assemblage de deux plaques. - la figure 6 représente les trois stades d'un exemple de réalisation d'une soudure selon l'invention appliqué à l'assemblage de deux éléments tubu- laires. - la figure 7 représente, en coupe transversale, un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. On a représenté sur les figures 1, 2, 3 et 4 quatre exemples parti- culiers d'application du procédé selon l'invention. Sur ces quatre figures les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références. Ainsi on a désigné par 1 et 2 les deux pièces à assembler entre elles par soudure par faisceau d'électrons. On a désigné par 3 la trace, sur le plan de la figure, de la surface commune selon laquelle les deux pièces seront assemblées entre elles. On a désigné par 4 le tracé, en traits tiretés, limitant le contour de la zone de refusion obtenue lors de la soudure par faisceau d'électrons. On a désigné par 5, sur les figures 1 et 2 le dépôt préalablement obtenu par un procédé de soudage traditionnel respectivement sur l'une et sur les deux faces en regard des pièces à assembler. Dans l'exemple de la figure 1, on a commencé par réaliser, sur l'un des bords de la pièce 1 un cordon de soudure par un procédé traditionnel, après quoi l'on a usiné le dépt- ainsi obtenu suivant la surface 3, laquel- le, dans le cas d'espèce, est un plan. La pièce 2 dans la face en regard est également usinée selon un plan et juxtaposée à la pièce 1 au moment o les deux pièces devront être assemblées par soudure par faisceau d'électrons. Les germes contenus dans le dépôt 5 ont favorisé, comme prévu par l'inven- tion, la formation de ferrite aciculaire en quantités suffisantes pour amé- liorer sensiblement les caractéristiques mécaniques et métallurgiques de l'assemblage obtenu. On a désigné par 6 figure 3 un insert obtenu à partir d'un dépôt préa- lablement exécuté à l'aide d'un procédé de soudure traditionnel. Il suffit selon l'invention, de fixer cet insert entre les deux pièces 1 et 2 à assem- bler, puis de procéder à la soudure par faisceau d'électrons, comme déjà exposé. La figure 4 montre une application particulière de l'invention au cas o les deux pièces à assembler 1 et 2, d ment usinées sont mises en contact l'une de l'autre, seul un fil élaboré à partir d'un dépôt obtenu par 7souoage traditionnel est apporté, durant le soudage; lors de la soudure par fais- ceau d'électrons, le métal de ce fil remplira la fonction de l'insert de la figure 3 en apportant les germes nécessaires à la formation de ferrite aci- culaire. La figure 5 est une vue perspective d'une solution- variante de l'in- vention, variante dans laquelle l'on commence par pratiquer une soudure en pleine tôle et au voisinage de l'un des bords de cette tôle, soudure effec--: tuée par un procédé de soudage traditionnel, après quoi l'on effectue, dans la masse du cordon de soudure, le dressage de la face destinée à être soudé par faisceau d'électrons. On se trouve ainsi ramené, pour la suite des opé- rations, au cas de la figure 1. La figure 6 représente également en vue perspective les trois phases de l'assemblage entre eux de deux éléments tubulaires. Un premier élément tu- bulaire de référence 10 reçoit un cordon de soudure préliminaire 12, obtenu par un procédé de soudage traditionnel. L'élément 10 est ensuite usiné, dans l'épaisseur même du cordon 12 de manière à présenter une face plane 13 en re- gard de la face correspondante, également dressée du second élément tubulai- re 1l devant être assemblé à l'élément 10. Les dits deux éléments étant en- suite rapprochés et maintenus l'un contre l'autre, l'on procèdera comme pré- cédemment à l'opération de soudure par faisceau d'électrons. Un exemple pratique d'application de l'invention est donné ci-après, pour de la tôle d'acier. La composition chimique d'une soudure effectuée de la manière habi- tuelle a été la suivante: C Si Mn S P |Ni | Cr Mo Cu Co A1 ppm 0,071 0,26 1,53 0,006 0,034 0,21 10,034 0,25 0,004 0,011 0,16 6 Nb 1Ti V Sn 1Pb O 09 0,040 0,010 0,067 0,001 0,008 - La résilience Kcv, à:10 C a présenté la valeur moyenne, sur cinq essais, de: 2,6 da J/cm2 Dans un second essai, l'on a procédé conformément à l'invention. La composition finale de la soudure a été la suivante: C 1Si Mn S P jNi Cr Mo Cu Co Ai IBppm 0,079 p,27 1,64 0,009 0,033 10,17 0,032 0, 37.0,070 0,015 0,015 8 Nb | Ti | V |Sn | Pb | 0,028 0,009 10,050 10,002 0,010 0,027-1 La résilience, à -10 C a présenté la valeur moyenne, sur deux essais, de: 17,8 da J/cm2 Dans un troisième essai, la composition finale de la soudure a été la suivante: C;_Si |Mn S P Ni 1 Cr Mo Cu Co | Al IB ppm 0, 069 I0,32 11,74 o0,009 0,030 l,18 10,060 0,35 0,044 0,014 10,0141 32 Nb Ti V Sn Pb 02 0,027 10,031 10,052 0,003 IOo1o 0,038 La résilience à -10 C a présenté la valeur moyenne de 26,3 da J/cm2 On voit sur la figure 7 un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, dispositif adapté au soudage par faisceau d'élec- trons, de deux éléments d'une conduite tubulaire. On a désigné par 14 la trace, sur le plan de la figure, d'un des élé- ments tubulaires à assembler. On voit en 15 le canon à électrons, la gaine 16, à l'intérieur de laquelle se déroule le fil d'apport 17 aboutissant au point de soudage; c'est-à-dire à l'impact du faisceau d'électrons sur la ligne de soudage. 18 est une enceinte de forme générale toroldalef, à l'intérieur de laquelle règne un vide poussé. L'espace 19 emprisonné à l'intérieur de la gaine et dans laquelle se trouve la conduite 14 est également susceptible d'être mis sous vide, ceci pendant l'opération de soudage. La gaine 16 comporte, de place en place, des perçages 16a, la faisant communiquer avec le vide régnant à l'intérieur de l'enceinte 18, afin de permettre l'aspiration par pompage, des rentrées d'air intempestif, ayant pu se produire au joint 20, devant assurer l'étanchéité du passage de la gaine 16, partant du moto-dévideur primaire 21. Le dit joint 20, est du type gon- flable, à deux positions: position étanche lorsque entre deux opérations de soudage, le fil d'apport est-arrêté; position ouverte, pendant toute la durée d'une opération de soudage. Quant à la gaine 16, elle comporte, en aval du dit joint 20, un pas- sage rétréci, étroitement ajusté sur le fil d'apport 17, dans le but de ren- forcer l'étanchéité à cet endroit. Un moto-dévideur secondaire 22 reçoit le fil 17contenu dans la gai- ne 16 et dirige ce fil vers le point de soudage. Le dit moto-dévideur secon- daire 22 est asservi en vitesse au moto-dévideur primaire 21. Un joint gon- flable 23, de même construction que le joint 20 assure le passage étanche du fil d'apport 17 sortant du dévideur 22. Le long de son parcours, entre le canon à électrons 15 et le point de sou- dage, le faisceau d'électrons traverse une buse escamotable 24 qui en assure la protection magnétique, la dite buse assure également la protection méca- nique du fil d'apport 17 jusqu'au point d'impact. Il va sans dire que le dispositif, représenté avec un seul canon à électrons 15 peut en comporter plusieurs, répartis sur tout le pourtour de la ligne de soudage. Il reste entendu que la présente invention ne saurait être limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, des modifications de détail pouvant encore y être apportées sans pour autant sortir du cadre de l'invention ni en dépasser la portée. REVENDICATIONS 2 46 478 2 1 ) Procédé perfectionné de soudage par faisceau d'électrons, caracté- risé en ce que, dans un premier temps, on prépare, un composant, à partir d'un dépôt obtenu, au choix, premièrement, par un procédé de soudage traditionnel, appliqué à un acier doux ou faiblement allié, secondement, par un procédé de refusion sous laitier, composant comportant des inclusions non métalliques, devant servir de germes qui donneront naissance, lors du soudage par faisceau d'électrons, à une structure micrographique, riche en ferrite aciculaire, le dit procédé étant encore caractérisé en ce que, dans un second temps, on inter- cale le dit composant, sous forme d'insert, entre les deux pièces à assembler par soudure par faisceau d'électrons, le dit procédé étant enfin caractérisé en ce que, dans un troisième temps, on effectue la dite soudure, en refondant, au moins partiellement, le dit insert. ) Procédé tel qu'exposé à la revendication 1, caractérisé en ce que l'insert est constitué par un dépôt, obtenu sur au moins l'une des. faces. d'au moins l'une des pièces à assembler, dépôt dans la masse duquel l'on dresse une face juxtaposable à la face en regard de l'autre pièce. ) Procédé slon l'une quelconque des revendications 1 et 2; caracté- risé en ce que l'insert est remplacé par un fil obtenu par tréfilage à partir d'un lingot de métal déposé par fusion, soit par un procédé de soudage tradi- tionnel, soit par un procédé de refusion sous laitier, et interposé entre les deux pièces à assembler dont les faces en regard ont été préalablement dressées en conséquence. 4 ) Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte à l'intérieur d'une enceinte étanche, de forme générale toroldale, dans laquelle règne un vide poussé, un canon à élec- trons et une gaine dans laquelle circule le fil d'apport, des joints d'étan- chéité protégeant l'entrée de la gaine dans l'enceinte et sa sortie, les pièces à assembler par soudage se trouvant à l'intérieur de l'espace emprisonné par l'enceinte, une buse escamotable protégeant le faisceau d'électrons le long de son trajet allant d'un canon à électrons au point de soudage. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un moto-dévideur primaire, à l'entrée du fil d'apport dans l'enceinte, et un moto-dévideur secondaire à la sortie du dit fil de l'enceinte. 6 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dite gaine comporte de place en place des perçages faisant communiquer l'inté- rieur de cette gaine avec l'intérieur de l'enceinte. 7 ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'en aval du joint d'étanchéité d'entrée de la gaine dans l'enceinte, la dite gaine présente, sur une certaine longueur, une section rétrécie, ajustée à celle du fil d'apport. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de canonsà électrons. ) Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que la buse escamotable est agencée de manière à protéger le faisceau d'électrons contre les champs magnétiques, parasites.