Brevet FR2486843A1 — publié le 19820122

-1- 2486843 La présente invention concerne une pâte écran suscep- tible d'être utilisée dans la soudure à l'arc et plus particuliè- rement dans la soudure sous-marine. Les entreprises qui réalisent des soudures et fabriquent des équipements de soudage ont tenté de réaliser pour leur propre utilisation ou pour offrir en vente des procédés et des équipe- ments de soudage qui permette de réaliser des soudures indépendam- ment des conditions externes. On sait d'une manière générale que la soudure à l'arc et plus particulièrement la soudure en atmos- phère gazeuse qui est simple à utiliser dans de bonnes conditions externes ne peut être appliquée dans des conditions de vent, de pluie ou d'humidité, sans parler de la soudure sous-marine. La soudure sous-marine a fait l'objet d'un intérêt et d'un travail de développement croissants dans les années récentes. La soudure sous-marine a été utilisée principalement dans les travaux de réparation sur des plateformes de forage, des conduites de gaz ou de pétrole sous-marines, des navires ou des installa- tions portuaires. Les structures ainsi soudées l'ont généralement été du fait qu'il était impossible ou d'un coût trop élevé de les amener à la surface. Le but de la soudure sous-marine est de réaliser des soudures de bonne qualité. Les procédés connus de soudure sous-marine peuvent être divisés selon l'environnement de soudures en deux groupes princi- paux: les procédés humides et les procédés à sec. Les procédés humides bien connus utilisant des tiges de soudage emploient généralement des électrodes de soudage ordinaire auxquelles on a fourni une enveloppe étanche de peinture vinylique ou de cire de paraffine pour les empêcher de devenir humides. Dans les méthodes humides utilisant un arc sous atmosphère gazeuse, en outre de l'équipement conventionnel, on utilise un outil de soudage dans lequel un jet d'eau est projeté sous la forme d'un cône creux depuis un orifice annulaire extérieur afin d'écarter l'eau de la région de l'arc. Un jet d'eau a été utilise avec de relativement bons résultats dans la méthode humide au CO 2* Dans les méthodes humides, comme l'indique leur nom, l'eau a librement accès à la zone de l'arc. Dans la méthode sècher l'eau est empêchée d'attein- dre la zone de l'arc en couvrant celui-ci par une protection de soudage qui est essentiellement fermée (bien que, évidemment, le joint soudé doive être laissé libre) ou autrement ouvert à son fond et qui peut être transparent ou opaque. Avec les protec- -2 -2- 2486843 tions de soudage qui sont ouvertes au fond l'outil de soudage est généralement introduit par en-dessous; avec ceux qui sont complè- tement enfermés et de petites dimensions, l'outil est introduit à travers la paroi. Si la protection de soudage est suffisamment grande, le soudeur peut travailler à son intérieur. L'atmosphère à l'intérieur de la protection peut être un gaz écran ou de l'air. Dans les soudures sous-marines par les procédés secs, presque la même qualité de soudage peut être obtenue au moins à de faibles profondeurs que lors de soudage à l'air hors de l'eau. Ces méthodes sèches ont par contre l'inconvénient que la fixation de la protection de soudage et son déplacement prennent du temps et que le soudage avec une protection est un procédé incommode et manquant de souplesse. De plus, dans de nombreux cas, il n'est pas possible d'utiliser de protection de soudage. Le soudage humide qui est celui du domaine de l'inven- tion est un procédé très souple et économique de réaliser des soudures sous-marines. Il peut être réalisé en utilisant en plus de l'équipement de plongée nécessaire le même équipement que celui qui est utilisé pour le soudage à terre. La qualité de la soudure réalisée par les méthodes humides n'approche cependant pas les résultats obtenus par les méthodes sèches. Trois facteurs affec- tent de façon nuisible la qualité de la soudure et chacune est une conséquence de l'eau environnante. Il s'agit de la vitesse élevée de refroidissement, du contenu élevé en hydrogène et de la pres- sion ambiante qui affecte en particulier aux grandes profondeurs les réactions se produisant dans l'arc et dans le dépôt-de matière et affecte également les réactions entre le bain de fusion et le laitier. Le problème le plus sérieux dans les méthodes humides est la présence de criques produite par l'hydrogène qui résulte du contenu élevé en hydrogène qui est absorbé par le joint soudé. Le problème est rendu plus difficile par la vitesse rapide de refroi- dissement qui réduit la diffusion de l'hydrogène à l'extérieur du joint soudé et par l'impossibilité d'utiliser un préchauffage ou un postchauffage pour le retrait de l'hydrogène, la réduction des contraintes, ou la suppression d'une microstructure fragile. En conséquence de la vitesse rapide de refroidissement, les aciers des structures forment fréquemment une microstructure possédant des contraintes internes importantes et une tendance à la fragi- lité. -3- Un autre problème d'importance dans les méthodes humides est la faible résistance aux chocs du joint soudé. La pression ambiante en particulier à de grandes profondeurs affecte les conditions de réaction du laitier. De plus, le refroidissement rapide entraIne que les conditions cinétiques pour un nettoyage suffisant du matériau de soudage ne sont pas obtenues. En particulier, lors de soudage de tige par la méthode humide, la suppression des défauts de soudage tels que la porosi- té, les inclusions de laitier et les défauts d'emplanture néces- site une grande habileté lors du travail dans des conditions difficiles. Le but de la pâte écran de l'invention est d'éliminer ces inconvénients associés aux méthodes humides de soudage et d'obtenir une pâte écran qui est utilisable pour la soudure à l'arc réalisée dans l'eau ou dans d'autres liquides et dans l'air. Les composants de base de la pâte écran de l'invention sont la base, un éclairant (qui rend le travail plus facile) et une substance pour l'enlèvement de l'hydrogène. La base est formée d'acide oléique, d'acide stéarique et d'acide palmitique mélangés dans de la glycérine. L'éclairant peut être du phosphore, et un oxyde de fer peut être utilisé pour le retrait de l'hydrogène. Le magnésium peut être utilisé à la fois comme éclairant et pour le retrait de l'hydrogène. Une faible quantité de poudre d'aluminium peut être mélangée à la pâte écran lors du soudage d'acier inoxydable et de l'utilisation d'électrodes austénitiques. Dans la forme préférée de réalisation de l'invention la base contient de 41 à 60% en poids d'acide oléique, de 8 à 21% en poids d'acide stéarique et de 20 à 30% en poids d'acide palmiti- que. En outre elle peut contenir de 1 à 4% en poids d'acide myristique et/ou de 1 à 10% en poids d'acide linoléique. La quantité de phosphore amorphe utilisée comme éclai- rant dépend de la profondeur de travail et de la visibilité mais elle est généralement de l'ordre de 2 à 10% en poids de la base. Une quantité convenable d'oxyde de fer utilisée pour le retrait de l'hydrogène est d'environ 4 à 6%, par exemple 5%, du poids de la base. Du magnésium peut être utilisé à la fois comme éclairant et pour le retrait de l'hydrogène auquel cas la quantité présente est de préférence de l'ordre de 5 à 15% en poids de la base. -4- 2486843 A l'aide d'une substance introduite dans la zone de l'arc et/ou d'une substance qui forme avec l'eau un mélange liquide ou fluide, une solution ou équivalent qui conduit l'élec- tricité on tente de faciliter la combustion contrôlée de l'arc, de réaliser un bain de soudure plus important, de retarder le refroidissement du bain et de limiter la présence directe d'eau dans la zone de l'arc et son contact avec le bain de soudure. Grâce à l'invention, le matériau électriquement conduc- teur dans la zone de l'arc facilite l'éclatement de l'arc et son maintien dans l'eau. En brûlant, il forme une zone de gaz écran empêchant l'eau d'atteindre l'arc et le bain. Une telle zone de gaz écran est formée en particulier lorsqu'on utilise des subs- tances organiques. De plus, il forme une couche de laitier qui protège le bain de l'action de l'eau quand il y a peu de substan- ces qui n'est pas entièrement consumée dans l'arc. Cette couche de laitier supplémentaire formée par la substance retarde le refroi- dissement du bain et par conséquent améliore la séparation des gaz du bain. Du fait du refroidissement plus lent, il est plus facile d'obtenir une forme de soudure satisfaisante. La substance affec- te la vitesse de fusion et sa pénétration. La vitesse de fusion et sa pénétration sont améliorées en particulier lorsqu'on utilise les substances organiques qui, lorsque l'arc brûle, produisent des quantités considérables d'énergie thermique. Dans les essais de soudures avec des pates-écran selon l'invention d'excellents résultats ont été obtenus. Les raisons pour cela ne sont pas totalement comprises. Un autre facteur re- tardant le refroidissement du bain en plus de l'effet de protec- tion de la substance auxiliaire pourrait être que, en conséquence de l'utilisation de la substance auxiliaire, des courants élec- triques sont formés à l'extérieur de l'arc entre l'électrode et le reste de l'objet soudé ce qui chauffe l'objet, l'eau qui peut se trouver dans son voisinage et le cordon de soudure de même que la couche de laitier et la couche additionnelle de laitier. La soudure pourrait ainsi rester chaude plus longtemps en améliorant l'échappement de l'hydrogène et par conséquent en réduisant la fragilisation à l'hydrogène et ainsi en renforçant le cordon de soudure. Les soudures réalisées sous l'eau avec la pâte écran de l'invention peuvent être classées dans les méthodes humides du fait que de l'eau ainsi que des additifs possibles ont un accès -5- 2486843 pratiquement illimité à la zone de l'arc. Le procédé peut être utilisé avec tout type de procédé de soudage à l'arc et au gaz comme des soudures avec apport de matière (tiges, SMA) ainsi que les soudures MIG, MAG, TIG (GTA), Arcatom et au plasma. L'équipe- ment et l'appareil nécessaire varient en fonction de la méthode de soudage choisie. La description donnée ci-dessous concerne principalement la soudure sous-marine du fait que la soudure à l'arc sous-marine présente couramment les problèmes les plus sérieux. Toutefois, il est possible d'utiliser le procédé pour des soudures à l'arc réalisées dans des conditions externes par exemple avec une soudure à l'arc réalisée dans l'air. Dans ce cas, la substance électriquement conductrice et/ou la substance qui forme avec l'eau un liquide électriquement conducteur un mélange fluide, une solution ou équivalent empêche les effets nuisibles de l'air comme de l'eau sur la soudure. Lorsque la pâte écran est utilisée pour une soudure à l'arc réalisée dans l'air, la formation de fumée est plus importante que lorsqu'elle est utilisée pour une soudure sous-marine. On peut d'ailleurs mentionner une application de l'invention dans laquelle un gaz écran normal utilisé dans la soudure à l'arc est remplacé par une pâte qui protège à la fois l'arc et la soudure. La pâte convient tout à fait pour être uti- lisée avec des soudures à l'arc réalisées à la fois dans l'air et dans l'eau, la pâte protégeant à la fois l'arc et la soudure. Des procédés d'utilisation de la pâte selon l'invention seront maintenant décrits en référence aux dessins annexés. Dans la figure 1, l'arc 1 est provoqué entre l'électrode de soudure 9 et le matériau de base 13. En même temps l'électrode de soudure 9 fond et forme le bain 10 qui fond avec le matériau de base 13. Lorsque la soudure 10 est formée le revêtement de l'élec- trode de soudure 9 forme une couche de laitier il à la partie supérieure de la soudure. La pâte 2 selon l'invention est intro- duite dans la zone de l'arc 1. Dans l'application représentée à la figure 2, la pâte est introduite dans la zone de l'arc 1 par l'intermédiaire d'une buse annulaire qui entoure l'électrode de soudage 9 et l'arc. La pâte amène la zone de l'arc a devenir électriquement conductrice. Cette méthode est similaire à la soudure à l'arc utilisant un gaz écran (MIG, MAG, TIG) mais avec la pâte selon l'invention à la place du gaz. La buse annulaire peut bien entendu s'étendre -6- 2486843 jusqu'au fil de remplissage. L'utilisation d'un gaz écran en plus de la pâte est bien entendu possible. La figure 3 représente une application dans laquelle l'arc 1 qui est formé entre l'électrode de soudage 9 et le maté- riau de base 13 est partiellement protégé par une pâte 3 selon l'invention. Dans la zone de l'arc une substance est répandue par la pâte 3 qui se dissout et rend l'eau dans la zone de l'arc électriquement conductrice; la soudure se produit sous l'eau avec l'eau entourant l'objet soudé. Au fur et à mesure que la soudure se produit, la pâte 3 est déplacée derrière l'arc lorsque la soudure est formée de sorte que l'arc brûle dans la cavité 7 formée par la pâte. La pâte 3 dépose également une couche protec- trice 8 sur la soudure 10. La couche protectrice 8 retarde le refroidissement du joint de soudure et empêche le contact entre l'eau et le joint de soudure. De plus, la pâte 3 restant sur le joint de soudure chaud 10 étant une substance organique, continue de brûler après l'arc et ceci permet d'éviter efficacement un refroidissement trop rapide de la soudure. L'application de l'invention à une électrode de soudage 9 est représentée à la figure 4. Dans celle-ci, une électrode de soudage 9 conventionnelle nue ou revêtue est en outre revêtue d'une pâte 3 qui dégage et/ou dissout dans la zone de l'arc 1 une substance rendant cette zone électriquement conductrice. La cavité 7 peut bien entendu être également enfermée par la pâte sur le coté ouvert de l'espace réuni par la soudure auquel cas l'arc se trouve essentiellement par un espace fermé. Les applications de l'invention ne sont pas limitées aux exemples donnés ci-dessus mais différentes variantes peuvent leur être apportées. Ainsi par exemple les guides pour la substance auxiliaire utilisés dans la soudure et qui font partie de l'équi- pement de soudage utilisé peuvent consister par exemple d'une buse annulaire ou similaire entourant partiellement ou de préférence complètement la tige ou le fil d'électrode ou consister en une ou plusieurs buses tubulaires ou équivalent situées dans le voisinage immédiat de la tige ou du fil d'électrode. De plus la substance auxiliaire peut être alimentée au moyen d'un piston, d'une pompe centrifuge ou à membrane ou d'un autre dispositif d'alimentation tel par exemple qu'une vis d'alimentation ou similaire. -7- 2486843- REVENDICATIONS 1. Pâte écran susceptible d'être utilisée pour des soudures et plus particulièrement pour des soudures sous-marines par des procédés humides, caractérisée par le fait que la pâte contient une substance de base contenant de la glycérine mélangée avec de l'acide oléique, de l'acide stéarique et de l'acide palmitique, du phosphore amorphe et/ou du magnésium comme éclai- rant et de l'oxyde de fer et/ou du magnésium pour le retrait de l'hydrogène. 2. Pâte écran selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la substance de base contient 41 à 60% en poids d'aci- de olélque, 8 à 21% en poids d'acide stéarique et 20 à 30% en poids d'acide palmitique. 3. Pâte écran selon la revendication 2, caractérisée par le fait que la substance de base contient en outre 1 à 4% en poids d'acide myristique et/ou 1 à 10% en poids d'acide linoléique. 4. Pâte écran selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait qu'elle contient 2 à 10% de phosphore amorphe en pourcentage de poids de la substance de base. 5. Pâte écran selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle contient environ 4 à 6% et de préférence 5% d'oxyde de fer en pourcentage en poids de la substance de base. 6. Pâte écran selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle contient en plus de la substance de base et en pourcentage du poids de la substance de base, environ 5 à 15% de magnésium comme éclairant et pour le retrait de l'hydrogène. 7. Pâte écran selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle contient de la poudre d'aluminium.