Brevet FR2477449A1 — publié le 19810911

La présente invention porte sur une nouvelle boite soudée en acier sans étain et sur un procédé de fabrica- tion de cette boîte. Plus particulièrement, elle porte sur un procédé nouveau de fabrication de bottes soudées en acier sans étain dans lequel le soudage, par résis- tance, est effectué directement sans enlèvement d'une couche d'oxyde de chrome présente à la surface de l'acier sans étain. En outre, l'invention porte sur un procédé de réalisation d'un joint soudé excellent en matière de ré- sistance à la corrosion, d'adhérence du vernis et d'aspect. Un procédé classique ordinairement employé pour la fabrication de bottes consiste à mettre en forme de cylin- dre un flan par exemple en fer blanc, et à unir ses bords latéraux par recouvrement ou agrafage ou les deux au moyen d'une soudure ou d'une colle. Or, ce procédé classique est défectueux en ce que le joint demande une surface importante, et n'est pas avantageux du point de vue éco- nomique. En outre, le joint des bottes fabriquées par ce procédé a une résistance et une durabilité insuffisantes. Au surplus, quand le joint est réalisé avec une soudure ou une colle, il présente un décrochement important o se produisent facilement des fuites si un fond est agrafé au corps de boîte. Les boîtes peuvent aussi être fabriquées par étirage au fer. Les bottes sans soudure fabriquées par ce pro- cédé sont utilisées dans certains domaines, mais ne peu- vent pas être utilisées comme bottes sous vide, c'est-à- dire être soumises à stérilisation en vase clos après remplissage, car la pression déforme beaucoup leur paroi latérale. Les boîtes peuvent encore être fabriquées par soudage par recouvrement des bords latéraux du flan. La surface du joint d'une boîte ainsi soudée par soudage autogène est plus petite que sur une boîte soudée par soudage hétérogène, et l'épaisseur du joint est relative- ment faible. Le problème du gradin mentionné plus haut est donc moins grave et, en outre, la boîte soudée est plus avantageuse que les autres du fait qu'elle se fabrique sans agent d'union tel que soudure ou colle. Toutefois, quand on utilise une certaine sorte de matériau de botte, les opérations de fabrication deviennent compliquées, et les bottes soudées classiques ont encore un joint insuf- fisant en matière de résistance à la corrosion, d'adhé- rence du vernis et d'aspect. L'acier sans étain obtenu en soumettant une tôle d'acier laminée à froid à un traitement électrolytique à l'acide chromique, qui est utilisé comme matériau de bot- te, est meilleur marché que d'autres matériaux comme le fer blanc, on se le procure plus facilement qu'eux et il a l'avantage d'être excellent du point de vue de la ré- sistance à la corrosion et de l'adhérence du vernis. Cet acier pose toutefois le problème suivant: il présente inévitablement à sa surface une couche d'oxyde de chrome de résistance électrique élevée qui empêche le passage du courant lors du soudage par résistance. Ordinairement, pour fabriquer une botte à joint soudé, on met un flan en forme de cylindre, on superpose les bords du cylindre et on les soude par résistance en les faisant passer entre deux molettes, le cas échéant avec intercalation d'un fil électrode. En cas d'emploi d'un flan en acier sans étain, il faut, avant le soudage, enlever la couche d'oxyde de chrome précitée, de sorte que le procédé classique de fabrication de bottes soudées en acier sans étain comporte un nombre plus grand d'opérations. En outre, en enlevant la couche d'oxyde de chrome dans la zone de soudage, on y met à nu l'acier de base et par là y réduit inévitablement la résistance à la corrosion et l'adhérence du vernis. Ordinairement, on enlève la couche d'oxyde de chrome par nettoyage mécanique des parties à superposer du f t de boite, et les morceaux ou particules enlevés dans cette opération abîment la couche d'oxyde de chrome ou le vernis des autres zones et se mélangent au contenu de la boîte. Or on a trouvé qu'en faisant le soudage par résis- tance avec un fil électrode recouvert d'une couche de métal tendre du groupe formé par l'étain et les alliages d'étain, maintenu en étroit contact avec une couche d'oxyde de chrome d'un flan en acier sans étain, on pou- vait obtenir un joint soudé de haute résistance mécanique sans enlever la couche d'oxyde de chrome, et que le joint soudé ainsi réalisé était très supérieur à celui d'une boite soudée en acier sans étain à bords nettoyés classi- que en ce qui concerne sa résistance à la corrosion, son aspect et l'adhérence du vernis. Le but principal de la présente invention est par conséquent de fournir un procédé de fabrication de bottes soudées 'en acier sans étain qui ne présente pas les dé- fauts précités du procédé classique de fabrication de boites soudées en acier sans étain à bords nettoyés. Un autre but de l'invention est de fournir un procé- dé de fabrication de boites soudées en acier sans étain dans lequel le soudage par résistance se fasse directe- ment sans enlèvement d'une couche d'oxyde de chrome de haute résistance électrique présente.à la surface d'un flan en acier sans étain. Un autre but encore de l'invention est de fournir une botte en acier sans étain ayant un joint soudé excel- lent en matière de résistance à la corrosion, d'adhérence du vernis et d'aspect, et un procédé de fabrication de cette botte. L'invention fournit un procédé de fabrication de bottes soudées consistant à mettre un flan en forme de cylindre et à faire passer les bords superposés du cylin- dre entre deux molettes avec intercalation d'un fil élec- trode pour les souder par résistance, procédé qui est caractérisé par le fait que le flan, en acier sans étain, comprend une t8le d'acier de base, une couche de chrome formée à la surface de cette tôle et une couche d'oxyde de chrome formée sur cette couche de chrome, et que le soudage par résistance est fait en atmosphère inerte avec un fil électrode recouvert d'une couche de 0,1 à 20 pm d'épaisseur d'un métal tendre du groupe formé de l'étain et des alliages d'étain qui est maintenu en étroit con- tact avec la couche d'oxyde de chrome du flan en acier sans étain. L'invention fournit en outre une boite soudée en acier sans étain ayant un joint latéral soudé qui est caractérisée par le fait que la face intérieure et la face extérieure de ce joint latéral sont recouvertes d'une couche protectrice continue ou discontinue compre- nant une couche de chrome et une couche d'oxyde de chrome formée sur cette couche de chrome, l'épaisseur de la couche dioxyde de fer à nu aux discontinuités de la cou- che protectrice étant inférieure à 400 A, et que la sur- face d'acier nue sur la face intérieure et la face exté- rieure du joint est inférieure à 50 % de la surface d'acier nue d'un joint latéral soudé fait par un procédé de soudage classique. - La fig. 1 est une vue de dessus de la botte soudée de l'invention. La fig. 2 est une coupe à plus grande échelle de la zone du joint latéral de la boite soudée représentée sur la fig. 1. La fig. 3 est un schéma du procédé de fabrication de bottes soudées proposé par l'invention. La fig. 4 est un graphique représentant la relation entre la concentration atomique et la durée d'attaque. Sur les dessins, les chiffres repères désignent, le chiffre 1 une ébauche de botte en acier sans étain, le chiffre 2 un bord latéral, le chiffre 3 un joint latéral, le chiffre 4 une t8le d'acier de base, le chiffre 5 une couche de chrome, le chiffre 6 une couche d'oxyde de chrome, le chiffre 7 une fissure, le chiffre 8 une couche d'oxyde, les chiffres Il et ll' des électrodes intermé- diaires (fils électrodes), les chiffres 12 et 12' des molettes et le chiffre 13 le matériau à souder. Sur la fig. 1, qui représente la botte à joint soudé de l'invention, une ébauche 1 constituée d'un morceau de t8le d'acier sans étain est mise en forme de cylindre et ses deux bords latéraux 2 sont superposés puis unis par soudage de la manière décrite en détail plus loin pour l'obtention d'un joint latéral 3. Comme le montre la fig. 2, qui représente à plus grande échelle ce joint latéral 3, la caractéristique saillante de la boîte soudée de l'invention est que sur la face intérieure et la face extérieure de ce joint 3 est formée une couche protectrice comprenant une couche de chrome 5 et une couche d'oxyde de chrome 6 formée sur cette couche 5. Comme il est dit plus haut, sur les boî- tes soudées en acier sans étain classiques, la couche de chrome est enlevée sur les bords à superposer et souder, de sorte que l'acier est mis à nu sur la face intérieure et la face extérieure du joint latéral, ce qui réduit considérablement la résistance à la corrosion du joint et l'adhérence du vernis au joint. En outre, lors du soudage, l'acier à nu est oxydé en Fe304 bleu noir, ce qui nuit à l'aspect du joint. En outre, comme cette cou- che dioxyde de fer est poreuse, la résistance à la cor- rosion et l'adhérence du vernis sont encore réduites. Dans l'invention, en revanche, comme le soudage par ré- sistance est fait directement sans enlèvement de la cou- che de chrome de l'acier de base, le joint est fait avec cette couche, excellente du point de vue de la résistan- ce à la corrosion et de l'adhérence du vernis, sur sa face intérieure et sa face extérieure, et la présence de cette couche empêche l'oxydation de l'acier et conserve un bon aspect au joint. La couche de chrome présente sur la face intérieure et la face extérieure du joint étant plus dure que l'acier et très mince, il arrive quelquefois qu'il s'y forme une fissure 7 lors du soudage. Cependant, dans l'invention, la surface d'acier nue dans cette fissure, c'est-à-dire la discontinuité, est inférieure à 50 %, particulière- ment à 40 %, de la surface d'acier nue du joint réalisé par le procédé de soudage classique avec une électrode en fil de cuivre nu et dans l'air. Dans l'invention, si le soudage par résistance de l'ébauche en acier sans étain est fait en atmosphère inerte et que, de préférence, la vitesse de refroidisse- ment est dans l'intervalle indiqué plus loin, l'épais- seur de la couche d'oxyde 8 qui se forme inévitablement dans la zone de l'acier 4 à nu dans la fissure 7 est inférieure à 400 A. Dans la couche protectrice, la couche de chrome a un rapport avec la résistance à la corrosion et la couche d'oxyde de chrome un rapport avec l'adhérence du vernis. Si la couche d'oxyde de chrome est trop épaisse, il ne passe pas suffisamment de courant lors du soudage et l'aspect du flan de botte est altéré. Il y a par consé- quent un intervalle préféré pour l'épaisseur de la couche de chrome. Plus précisément, sur le flan en acier sans étain utilisé dans l'invention, il est préférable que la couche de chrome ait une masse surfacique de 20 à 100 mg/m 2, particulièrement de 20 à 50 mg/m 2, et que la couche d'oxyde de chrome ait une masse surfacique en 2 2 chrome de 1 à 10 mg/m, particulièrement de 2 à 6 mg/m Le flan en acier sans étain est caractérisé par le fait que la couche d'oxyde de chrome a une masse surfacique plus faible que sur les flans en acier sans étain clas- siques ordinairement utilisés pour la fabrication de bot- tes collées ou semblables. Le flan en acier sans étain précité utilisé dans l'invention est fabriqué par les procédés décrits dans les brevets japonais 13008/66 et 5532/68 ou par d'autres procédés. La fig. 3 montre le procédé de fabrication de l'in- vention, dans lequel, pour faire le soudage sans enlever la couche protectrice au chrome du flan en acier sans étain, il importe d'utiliser comme fils électrodes Il et 11' (appelés souvent électrodes intermédiaires) des fils recouverts d'une couche de métal tendre du groupe formé de l'étain et des alliages d'étain. Dans le brevet japonais 36860/74, il est utilisé pour le soudage par résistance d'une t8le d'acier revê- tue telle que fer blanc un fil électrode revêtu d'une couche de métal tendre tel qu'étain de 30 à 300 t d'é- paisseur. Dans l'invention, l'épaisseur de la couche de revêtement de chacun des fils électrodes ll et Il' est très faible, à savoir de 0,10 à 20 pm et de préférence de 0,15 à 2 pm, et l'on a trouvé que grâce à cela, même une t8le ayant une couche d'oxyde de chrome de résistance électrique élevée se soudait très bien. Plus précisément, dans le procédé connu précité, il est interposé une cou- che relativement épaisse destinée à réduire la résistance électrique entre le matériau à souder 13 et le fil élec- trode 1l ou ll', tandis qu'on a trouvé qu'en réduisant comme indiqué ci-dessus l'épaisseur de la couche de revê- tement de l'électrode, on pouvait souder de façon très efficace et avantageuse une tôle pourvue d'une couche d'oxyde de chrome de haute résistance électrique. Quand on soude les bords superposés, pour obtenir un joint soudé excellent en matière de résistance à la corrosion, dtadhé- rence du vernis et d'aspect, il importe que la température de la zone extérieure des bords soit très inférieure à celle de leur zone centrale, et l'on peut obtenir cette distribution préférée de température dans la partie en recouvrement en utilisant des fils électrodes Il et ll' revêtus d'une couche ayant l'épaisseur mentionnée plus haut. Si l'épaisseur de la couche de revêtement de l'élec- trode est trop grande, c'est-à-dire au-dessus de l'inter- valle précité, la température de la surface extérieure de la partie en recouvrement devient trop élevée lors du soudage et les caractéristiques précitées sont altérées. Cela est probablement dû à ce que lorsque la couche de revêtement de l'électrode est trop épaisse, il- se pro- duit facilement un glissement entre le fil électrode et la surface de l'ébauche de boîte. Si l'épaisseur de la couche de revêtement de l'électrode est trop petite, c'est-à-dire au-dessous de l'intervalle précité, il faut augmenter la tension pour obtenir le courant nécessaire au soudage, de sorte que la couche de chrome se brise et que la surface de fer nu augmente. Les fils électrodes ll et il' sont constitués d'un fil de cuivre revêtu comme il est dit plus haut, et il, est préférable qu'ils soient méplats et aient une sec- tion de 0,2 à 4 mm2 Pour maintenir l'épaisseur de la couche d'oxyde au- dessous de 400 A, il importe de faire le soudage par ré- sistance en atmosphère non oxydante. Comme atmosphère non oxydante, on peut utiliser par exemple une atmosphère d'azote, d'argon, de néon, d'hélium, d'hydrogène ou de monoxyde de carbone, Il est préférable de souder en main- tenant la partie à souder dans un courant d'un gaz inerte comme ceux précités. On-peut effectuer le soudage dans une enceinte fermée remplie du gaz inerte. Pour maintenir l'épaisseur de la couche d'oxyde dans l'intervalle préci- té, il est préférable de conserver l'atmosphère non oxy- dante jusqu'à ce que la température superficielle de la partie soudée soit descendue à 5500C. Dans l'invention, l'épaisseur de la couche d'oxyde superficielle est déterminée par mesure du rapport de con- centration atomique par la méthode ESCA (electron spec- troscopy for chemical analysis) pendant l'attaque de la surface en atmosphère d'argon. Quand l'attaque du joint d'une botte soudée en atmosphère non oxydante est faite à la vitesse de 15 A/mn dans le cas du fer et de l'oxy- gène et de 26 A/mn dans le cas du chrome, on trouve que la concentration en oxygène est la plus forte à l'exté- rieur, diminue progressivement quand l'attaque progresse et devient constante au bout de 20 à 30 mn. On considère par conséquent que l'épaisseur de la couche d'oxyde su- perficielle est inférieure à 400 A. Les résultats obte- nus sont indiqués sur la fig. 4. Si l'on introduit lors du soudage une quantité minime d'air dans l'atmosphère non oxydante (courant d'azote), la zone soudée se décolore progressivement. Les résultats des essais faits montrent que si la zone soudée est brun à brun foncé, l'épaisseur de la cou- che d'oxyde superficielle est de 410 à 450 A et si la zone soudée est entièrement brun foncé, cette épaisseur est on de 700 à 800 A. La pression appliquée à la partie en recouvrement par l'intermédiaire des fils électrodes est de préférence de 20 à 90 kg par point de soudage, et cette pression est appliquée par les molettes 12 et 12'. Le soudage par ré- sistance peut être fait avec une source de courant alter- natif, de courant continu ou de courant redressé. On peut utiliser dans l'invention les tensions et les cou- rants ordinairement utilisés pour la fabrication de boi- tes soudées. Sur la boite soudée en acier sans étain de l'inven- tion, une couche protectrice continue ou discontinue est formée sur la face intérieure et la face extérieure du joint et la surface d'acier nue est inférieure à 50 % de la surface d'acier nue sur la boite en acier sans étain connue classique soudée dans l'air avec une électrode en fil de cuivre nu. La boîte soudée de l'invention est par conséquent bien meilleure que la boîte soudée connue classique en ce qui concerne la résistance à la corrosion et l'adhérence du vernis. En outre, alors qu'une couche bleue ou noire relativement épaisse de Fe304 ou d'oxyde analogue se forme sur le joint de la boite soudée connue classique, la surface du joint de la boîte soudée de l'in- vention est recouverte de la couche d'oxyde de chrome et l'épaisseur de la couche d'oxyde de fer nue est inférieure à 400 A. La botte soudée de l'invention est par consé- quent bien meilleure que la boite soudée classique en ce qui concerne l'aspect superficiel. L'invention est décrite en détail ci-après à l'aide d'exemples qui n'en limitent nullement la portée. Exemple 1 Des boîtes soudées ont été fabriquées avec un flan en acier sans étain (TFS) ayant 50 mg/m2 de chrome, 4 mg/m2, en chrome, d'oxyde de chrome, 0,23 mm d'épais- seur et une dureté T4. Le soudage a été effectué dans les conditions indiquées ci-dessous dans un courant d'azote avec, comme fils électrodes 11 et 11' (fig. 3), des fils de cuivre méplats étamés ayant une couche d'étain de 0,6 ym d'épaisseur. Conditions de soudage Vitesse de soudage 7 m/mn Pression appliquée par les électrodes 50 kg Largeur de recouvrement 0,8 mm Exemple comparatif 1 Des boites ont été fabriquées avec le même flan et les mêmes conditions de soudage que dans l'exemple 1, excepté que les fils électrodes 11 et 11' étaient des fils de cuivre nus et que l'azote était remplacé par de l'air. Exemple 2 Des bottes soudées ont été fabriquées avec un flan en acier sans étain ayant 100 mg/m2 de chrome, 4,0 mg/m2, en chrome, d'oxyde de chrome, 0,23 mm d'épaisseur et une dureté T4. Le soudage a été effectué dans les mêmes condi- tions que dans l'exemple 1, dans l'azote, avec des fils de cuivre étamés ayant une couche d'étain de 0,6,&m. Exemple comparatif 2 Des boîtes ont été fabriquées avec le même flan et les mêmes conditions de soudage que dans l'exemple 2, excepté que l'azote était remplacé par de l'air et que les fils électrodes étaient des fils de cuivre nus. Les résultats obtenus dans les exemples 1 et 2 et les exemples comparatifs 1 et 2 sont indiqués dans le tableau 1. il Tableau 1 Exemple Exemple Exemple Exemple 1 comparatif 2 comparatif 1 2 Fils fil de fil de fil de fil de électrodes cuivre cuivre cuivre cuivre étamé étamé Intervalle admissible de courant 1520-1650 A 1170-1200 A 14701540 A 1150-1160 A de sou- dage x Valeur relative de la sur- 30 mA 80 mA 35 mA 80 mA face de fer nu vs Essai de O X A X corrosion "au Notes a Intervalle admissible de courant de soudage On a pris comme limite supérieure de cet intervalle le courant de soudage au moment o du fer fondu com- mence à être expulsé de la partie soudée et, comme limite inférieure, le courant de soudage au moment o le soudage cesse. Plus cet intervalle est grand, -plus le soudage se fait facilement. ma Mesure de la valeur relative de la surface de fer nu On a rempli une boite d'une solution tampon à pH 10 contenant 0,2 mole/i de carbonate de sodium et 0,2 mole/i de bicarbonate de sodium et a mesuré le cou- rant d'oxydation du fer en prenant la boîte comme anode et du graphite comme cathode afin de déterminer la valeur relative de la surface de fer nu. Le cou- rant d'oxydation du fer est à peu près proportionnel à la surface de fer nu. On a réglé la tension du dis- positif à tension constante utilisé pour cette mesure à une valeur telle que le courant d'oxydation de l'étain et du chrome soit négligeable. On a découpé dans la botte utilisée pour cette mesure une éprou- vette de 50 mm x 10 mm dont la longueur était parallèle à la direction de soudage. Ean Essai de corrosion: Une solution saline à 5 % maintenue à 371C a été projetée à l'état de brouillard sur l'éprouvette pendant 30 mn et l'état de corrosion a été observé à l'oeil nu. Dans le tableau 1, X indique le plus fort degré de corrosion, O le plus faible degré de corrosion et a un degré de corrosion moyen. 247?7449 REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication de boites soudées consis- tant à mettre un flan en forme de cylindre et à faire passer les bords superposés du cylindre entre deux mo- lettes avec intercalation d'un fil électrode pour les souder par résistance, caractérisé par le fait que le flan, en acier sans étain, comprend une t8le d'acier de base, une couche de chrome formée à la surface de cette t8le et une couche d'oxyde de chrome formée sur cette cou- che de chrome, et que le sondage par résistance est fait en atmosphère inerte avec un fil électrode recouvert d'une couche de 0,1 à 20 u.m d'épaisseur d'un métal tendre du groupe formé de l'étain et des alliages d'étain qui est maintenu en étroit contact avec la couche d'oxyde de chrome du flan en acier sans étain. 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'épaisseur recouvrant le fil électrode est de 0,15 à 2 ". 3 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel pour le soudage par résistance, on applique une pression de 20 à 90 kg à la partie en recouvrement. 4 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel le soudage par résistance est effectué dans un courant de gaz inerte. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 4, dans lequel le gaz inerte est de l'azote. 6 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel, à l'issue du soudage, la partie en recouvrement est main- tenue dans une atmosphère inerte jusqu'à ce que sa tempé- rature superficielle soit descendue au-dessous de 5501C. 7 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que sur le flan en acier sans étain, la masse surfacique de la couche de chrome est de 20 à 100 mg/m2 et celle de la couche d'oxyde de chrome est, en chrome, de 1 à 10 mg/m2. 8 - Boite soudée en acier sans étain ayant un joint latéral soudé, caractérisée par le fait que la face intérieure et la face extérieure de ce joint latéral sont recouvertes d'une couche protectrice continue ou discontinue comprenant une couche de chrome et une cou- che d'oxyde de chrome formée sur cette couche de chrome, l'épaisseur de la couche d'oxyde de fer à nu aux discon- tinuités de la couche protectrice étant inférieure à 400 A, et que la surface d'acier nue sur la face inté- rieure et la face extérieure du joint est limitée. 9 - Botte soudée selon la revendication 8, caracté- risée par le fait que la surface d'acier nue sur la face intérieure et la face extérieure du joint est inférieure à 50 % de la surface d'acier nue sur une botte soudée en acier sans étain classique.