Brevet FR2478509A1 — publié le 19810925

La présente invention concerne un procédé de soudage permettant de réaliser une soudure dans un tuyau calorifugé ayant une grande résistance au fluage Les tubes de reformage et de craquage utilisables dans le domaine de la pétrochimie sont généralement consti tués par des tuyaux réalisés par coulée centrifuge. Il est cependant impossible de fabriquer des tubes de grande longueur directement par coulée centrifuge du fait des limites techniques de ce procédé. En conséquence, on assemble plusieurs tubes courts de façon à obtenir un tube de longueur prédétermi né utilisable dans l'industrie pétrochimique et conçu pour résister à de fortes températures comprises entre 800 et 1000 0C par exemple. Il est évident que les joints de liaison doivent avoir une résistance mécanique comparable à celle des tubes.Par le passé, les soudures ont été réalisées par des ouvriers spécialisés puisque l'élimination de défauts de soudure était prépondérante par rapport au rendement opératoire. Cependant, le soudage manuel présente un inconvénient du fait que la qualité de la soudure varie en fonction de l'habileté et de la condition physique des ouvriers et le rendement de soudage est très faible. Il s'est manifesté une tendance pour passer du soudage manuel au soudage automatique en vue d'obtenu nir une qualité stable et un haut rendement. Avec ce procédé, on peut choisir les conditions de soudage dans une large gamme. Une analyse poussée des conditions optimales de soudage a montré que la résistance au fluage dépendait, dans une large mesure, des conditions de soudage. C'est à la suite d'autres recherches faites dans ce domaine que la présente invention a été mise au point. L'invention a en conséquence pour objet de fournir un procédé de soudage permettant de réaliser des joints soudés possédant une bonne résistance au fluage, le soudage étant effectué à l'arc protégé par atmosphère gazeuse inerte. L'invention est caractérisée en ce qu'un tuyau calorifugé à souder est maintenu de façon à former un joint bord à bord comportant une rainure étroite en forme de "I" ou de "U" et en ce qu'on effectue un soudage à l'arc protégé par atmosphare gazeuse inerte en correspondance à la relation suivante où W (mm) désigne la largeur de la rainure, D (mm# désigne le diamètre d'un fil-électrode, F (mm/s) désigne la vitesse d'avance du fil-électrode et V (mm/s) désigne la vitesse de soudage. Selon une caractéristique de la présente invention, le rapport (V/W) entre la vitesse de soudage V (mm/s) et la largeur W (mm) de la rainure est inférieur à 42. Selon une autre caractéristique de la présente invention, le rapport (V/W) entre la vitesse de soudage V (mm/s) et la largeur W (mm) de la rainure est inférieur à 33. Bien que la définition de la condition précitée soit parfaitement mise en évidence dans la description qui va suivre, il est important de noter que l'épaisseur des couches respectives est comparativement plus grande lors du soudage bord à bord d'un tube avec passes multiples. Dans le procédé de soudage connu, d'un autre côté, l'épaisseur des couches respectives est très faible et la résistance au fluage résultante est inférieure à celle obtenue par le procédé selon 1'invention, en étant typiquement d'environ 80 % de celle du métal de base dans le cas d'un soudage MIG et d'un soudage TIG, et d'environ 65 à 70 % de celle du métal de base dans le cas d'un soudage à l'arc immergé. Les inventeurs ont réalisé des cordons de soudure de différentes épaisseurs dans une rainure en utilisant le procédé de soudage TIG et en faisant intervenir un fil chaud. Divers avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels La Fig. 1 est un graphique donnant différentes conditions de soudage; les Fig. 1(A) et 1(B) sont des vues microscopiques représentant une section droite longitudinale d'une zone de soudure correspondant aux points A et B de la Fig. 1; les Fig. 2 A, B, C sont un schéma du métal déposé dans une soudure; les Fig. 2 (A-l), 2 (A-2), 2 (B-15, 2 (B-2), 2 (C-l), 2 (C-2), 2 (D-l), 2 (D-2), 2 (E-l), 2 (E-2), sont des vues microscopiques donnant des sections droites des échantillons correspondant aux points de la Fig. 3;; la Fig. 3 est un graphique donnant la relation entre la vitesse d'avance de fil chaud et le temps de rupture au fluage; les Fig. 4 a, b, c, sont une vue en plan et en#cou- pe montrant le grossissement du cordon de métal déposé; la Fig. 5 est une vue microscopique montrant la section droite de métal déposé; la Fig. 6 est un graphique donnant la relation entre la vitesse de soudage et le temps de rupture au fluage. La Fig. 1 est un graphique donnant, dans le cas d'une opération de soudage réalisée dans une rainure essentiellement en forme de I (angle de rainure de 4 ) et d'une largeur de 6 mm (W), la relation entre la vitesse de soudage (exprimée en mm/mn et portée en ordonnée) et la vitesse d'avance du fil chaud (exprimée en cm/mn et portée en abscisse). Les droites représentant une relation linéaire indiquent les épaisseurs (H, exprimées en mm) des passes respectives. Les courbes indi quées sur le graphique représentent le courant minimal capable d'empêcher un soudage de qualité inférieure, tandis que les zones situées en haut et à droite des courbes respectives indiquent qu'un soudage doit être effectué avec les valeurs de courant indiquées par les courbes supérieures situées plus à droite.Les points A, B, C, D et E de la Fig. 1 mettent en évidence des conditions correspondantes de soudage qui seront décrites ultérieurement dans des exemples de réalisation. Ona utilisé les autres conditions de soudage suivantes Electrode TIG : ~ 8,2 mm Fil chaud : TGS-310 HO ~ 1,2 mm Courant d'alimentation : continu Gaz de protection : Argon débit intérieur : 17,5 l/mn extérieur : 12,5 l/mn Métal de base : HK-40 diamètre intérieur : 108 mm diamètre extérieur : 140 mm Valeurs de courant A, B, D, E : 300 A C : 350 A. La Fig. 3 donne les résultats d'essais de rupture au fluage (deux séries dans l'une desquelles la contrainte 2 ff = 2,0 kg/mm2, tandis que dans l'autre ~ #= 2,8 kg/mm2) sur des échantillons de métal déposé qui ont été obtenus dans des conditions de soudage indiquées en A,- B et C sur la Fig. 1, la vitesse d'avance du fil chaud étant portée en abscisse et exprimée en cm/mn tandis que le temps de rupture au fluage est portée en ordonnée et exprimé en heures (h). Les photographies de référence 2 sont des vues microscopiques donnant des sections droites des échantillons (A-l), (B-1), (C-l), (A-2), (B-2) et (C-2) correspondant aux points blancs de la Fig. 3. En d'autres termes, l'épaisseur par couche est faible (H = 0,5) comme indiqué sur la Fig. 1, les sections droites des zones de soudure étant indiquées sur la Fig. 2 (A) aux points respectifs (A-l) et (A-2). Sur les Fig. 2 (A) à 2 (C), les lignes indiquées dans les couches respectives montrent la direction de grossissement des cristaux en colonnes, les flèches blanches indiquent la propagation de la chaleur et les dimensions et le nombre des flèches indiquent la quantité de chaleur dégagée. Lorsque les épaisseurs sont faibles et H = 0,5, les cristaux en colonnes ont principalement grossi dans la direction de l'épaisseur, comme indiqué sur la Fig. 2 (A), et le temps de rupture au fluage a été relativement court, comme indiqué en (A-l) et (A-2) sur la Fig. 3. Dans le cas oh la vitesse d'avance du fil chaud a augmenté pour un courant de 300 A, comme indiqué en B sur la Fig. 1, la quantité de chaleur dégagée a augmenté en parallèle à l'épaisseur, comme indiqué sur la Fig. 2 (B), et le temps de rupture au fluage a atteint essentiellement un maximum, comme indiqué sur la Fig. 3. Le métal déposé dans la condition de soudage définie par le point C sur la Fig. 1 présente la section droite indiquée sur la Fig. 2 (C), et on voit que les cristaux en colonnes ont remarquablement grossi en parallèle avec ltépais- seur; on a constaté une tendance à la diminution graduelle du temps de rupture au fluage, comme indiqué sur la Fig. 3. Sur la base de ces résultats, on a trouvé comme li mite inférieure de la vitesse d'avance du fil chaud, quand le temps de rupture au fluage devient plus long que ce qui est obtenu pour C-l et C-2 sur la Fig. 3, une valeur d'environ 290 cm/mn pour les deux séries d'essais de la Fig. 3, alors que, lorsqu'son porte cette valeur en abscisse sur la Fig. 1, lorsqu'on détermine les intersections des points respectifs A, B, C, avec la même vitesse de soudage (environ 350 mm/mn) et lorsqu'on évalue une fonction linéaire (épaisseur) passant par ces points, on trouve une épaisseur d'environ 1,6 mm. Il en résulte que l'épaisseur par couche doit etre au moins supérieure à 1,6 mm. La quantité de fil soudé par unité de temps est généralement définie par et W (mm) désigne la largeur de la rainure, D (mm) désigne le diamètre du fil chaud, et V (mm/s) désigne la vitesse de soudage. La quantité de métal déposé est égale à W x H x V lorsque cette condition est remplie. Comme indiqué ci-dessus, 1'épaisseur minimale-H est de 1,6 mm quand W = 6 mm.Du fait que (H/W) > (1,6/6), les quantités de fil soudé et de métal déposé sont liées par la relation suivante On peut réécrire la formule précitée de la façon suivante Cela correspond à la condition minimale correspondant à la présente invention. On a observé sur les photographies de référence 2 (C-l) et (C-2), qui correspondent chacune à (C-l) et (C-2) de la Fig. 3, une section droite qui apparat comme une contre surface des cristaux en colonnes. Quand H/W est augmenté co me indiqué sur la Fig. 2 (C), la contre-surface située à l'es- trémité de grossissement des cristaux en colonnes présente une anisotropie et il en résulte un grand risque de rupture au fluage dans cette zone. La photographie de référence 1 (A) représente une section droite longitudinale d'une zone de soudure correspondant au point A de la Fig. 1, tandis que la photographie de référence 1 (B) correspond au point (B) de la Fig. 1. La Fig. 5 représente une vue microscopique de la partie centrale du métal déposé, à échelle agrandie et en correspondance au point (C) de la Fig. 1. Bien qu'on n'ait observé aucun grossissement des cristaux en colonnes en parallèle à,l'épais- seur sur les photographies de référence 1 (A) et 1 (B), une contre-surface bien définie a été mise en évidence dans la zone centrale dans une direction verticale sur la Fig. 5. Une analyse des conditions de soudage permettant d'éviter la formation de la contre-surface fait ressortir que le temps de rupture de fluage pourrait être empeché de diminuer même lorsque le rapport H/W reste le meme et lorsque la vitesse de soudage reste suffisamment faible. La Fig. 6 donne les résultats d'essais de rupture au fluage effectués sur des échantillons de métal déposé réalisés dans les conditions correspondant à E, D et C de la Fig. 1, de la meme façon que les deux séries d'essais de la Fig. 3. Dans ces conditions, quand la vitesse de soudage est diminuée (portée en abscisse et exprimée en mm/mn), le temps de rupture au fluage porté en ordonnée et exprimé en heures (h) devient plus long et, plus particulièrement, il commence à augmenter à une vitesse de 250 mm/s et il devient sensiblement long à une vitesse de 200 mm/s.En généralisant la relation existant entre la vitesse de soudage V (mm/s) et la largeur de rainure W (mm) pour ltex- primer en fonction de V/W, on trouve pour ce rapport V/W une valeur d'environ 42 pour une vitesse de 250 mm/s et une valeur d'environ 33 pour une vitesse de 200 mm/s. En conséquence, il est souhaitable que le rapport V/W soit inférieur à 42, et il est encore plus avantageux qu'il soit inférieur à 33. Les Fig. 4 (a), 4 (b) et 4 (c) sont des diagrammes d'explication permettant de justifier la conclusion donnée ci-dessus respectivement pour une faible vitesse de soudage (a), une vitesse moyenne de soudage (b) et une grande vitesse de soudage (c), le soudage étant réalisé dans une direction orientée vers le bas en regardant les dessins et les lignes en trait plein représentent la direction de grossissement des cristaux en colonnes, tandis que les lignes en traits interrompus sont des lignes isothermiques. En d'autres termes, quand la vitesse de soudage est faible, les lignes isotber- miques passent par le centre de la largeur de rainure, et les cristaux en colonnes grossissent dans la direction de progression du soudage.En correspondance, dans le cas où les cristaux en colonnes ont été observés comme ayant une section droite longitudinale telle que celle indiquée sur la Fig. 2 C, on a obtenu une direction de grossissement des cristaux en colonnes conforme, en vue en plan, à ce qui est indiqué sur la Fig. 4 (a) et il a été possible de prolonger le temps de rupture au fluage, comme indiqué aux points (E-l) et (E-2) sur la Fig. 6. Les photographies de référence 2 (D-l), (D-2), (E-l) et (E-2) sont des vues microscopiques des échantillons correspondant à la Fig. 6 (D-l), (D-2), (E-l) et (E-2), où on a pu constater une disparition de la contre-surface apparaissant sur les photographies de référence (C-1) et (C-2). Comme indiqué ci-dessus, l'invention permet d'éta- blir des conditions de soudage automatique de tuyaux calorifugés en vue d'obtenir un haut rendement de soudage et une grande résistance au fluage pour les tuyaux. REVENDICATIONS. 1. Procédé de soudage d'un tuyau calorifugé, caractérisé en ce qu'on effectue une opération de soudage à 1'arc protégé suivant le mode TIG en utilisant du gaz inerte et un fil chaud et en faisant intervenir la relation suivante où W (mn) désigne la largeur de la rainure, D (mm) désigne le diamètre d'un fil-électrode, F (mm/s) désigne la vitesse d'avance du fil-électrode et V (mm/s) désigne la vitesse de soudage, en vue du soudage bord à bord du tuyau calorifugé dans une rainure présentant une forme de "I" ou de "U" et une faible largeur. 2. Procédé selon la revendication l, caractérisé en ce que le rapport (V/W) entre la vitesse de soudage V (mi/8) et la largeur W (m) de la rainure est inférieur à 42. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport (V/W) entre la vitesse de soudage V (fl/s) et la largeur W (mm) de la rainure est inférieur à 33.