Brevet FR2533479A1 — publié le 19840330

La présente invention concerne le soudage et a notamment pour objet un procédé de soudage sous laitier électroconducteur à l'aide d'électrodes en lamelle ou en plagie consommables. L'invention peut être utilisée avec le plus de succès dans la construction de machines pour la métallurgie et l'industrie lourde en vue de la fabrication d'ébauches de grands poids, encombrements et masses, par exemple d'ébauches pour les rotors destinés à des alternateurs de grandes dimensions, d'ébauches de cylindres d'appui de laminoirs à tôles uniques, de plaques à tourillons de convertisseurs, etc. On connait des procédés de soudage sous laitier électroconducteur d'ébauches de grande épaisseur à l'aide d'électrodes mobiles ou fixes par rapport aux bouts à souder, lesdits procédés prévoyant l'amenée de matériaux d'apport sur le miroir du bain de laitier lors du soudage. L'un de ces procédés de soudage sous laitier électroconducteur prévoit l'amenée du matériau d'apport à l'aide d'un tube métallique ou difficilement fusible conduisant au bain de métal fondu en passant par le laitier. Le procédé en question d'amenée du matériau d'apport n'assure pas une répartition régulière dudit matériau le long de l'axe de la soudure. La présence de puissants champs électromagnétiques entre les électrodes et les paf rois de la pièce soudée contribue à l'adhérence du matériau d'apport aux parois du canal du tube d'amenée, d'où des arrêts spontanés de l'amenée dudit matériau pendant le soudage. L'amenée du matériau d'apport en grande quantité dans une partie relativement petite de l'interstice du joint à souder compromet le bilan thermique du processus de soudage sous laitier électroconducteur et n'assure pas une composition chimique, uniforme dans toute sa profondeur, du métal formantla soudure, d'où l'hétérogénéité des propriétés physico-mécaniques dudit métal, On connaît également un autre procédé de soudage sous laitier électroconducteur au moyen d'électrodes en lamelle consommables (B.E. Paton, B.I. Medovar, "Electrosha- kovye pechi", Kiev, "Naukova Duinka ", 1976, pp.226-228). Lorsqu'on opère selon ce procédé connu, les ébauches à réunir sont installées dans une cuve en sorte que leurs bords forment un angle d'écartement prédéterminé. On utilise normalement deux paires d'électrodes consommables : une paire d'électrodes mobiles qui sont introduites dans l'interstice du joint à souder à l'aide d'un porte-électrode se déplaçant dans un guidage vertical de la colonne, et une paire d'électrodes immobiles, montées à l'aide de supports spéciaux directement sur les ébauches de la pièce à obtenir. Toutes les électrodes consommables sont montées de manière à former unerangée le long du joint à souder. Une fois les électrodes montées, on leur applique la tension d'un transformateur de puissance., et ensuite, à l'aide d'un dispositif de coulée en source, on crée un bain de laitier. Lorsque le courant de soudage atteint une valeur prédéterminée, on met en action le mécanisme de déplacement vertical des électrodes consommables mobiles et on amène dans l'espace entre les électrodes un matériau d'apport métallique concassé. Le processus de soudage étant terminé, on arrête le mécanisme de déplacement des électrodes, on interrompt l'amenée du matériau d'apport, on met hors circuit le transformateur de puissance, on démonte le dispositif de coulée en source et on enlève les bouts résiduels d'électrodes consommables. Il y a lieu de remarquer que, dans ce procédé,au moment initial de l'opération de soudage, a lieu une ouverture de l'interstice du joint à souder, c'est-à-dire un pivotement des pièces à souder autour d'un axe vertical et dans le sens d'une augmentation dudit interstice, tandis que pendant le soudage on assiste à une fermeture de l'in terstice par suite des phénomènes de retrait dont est le siège le métal de la soudure. Ce mouvement de rotation des pièces dans un sens ou dans l'autre entraîne un déplacement des électrodes consommables à la position initiale et, par conséquent , une variation spontanée des espaces entre les électrodes et les pièces à souder, ce qui provoque, à son tour, une pénétration asymétrique et non uniforme de la soudure dans les bords et même, quelquefois, une pénétration incomplète de la soudure suivant sa hauteur dans l'un des bords, ce qui affecte la qualité du joint soudé. Les recherches effectuées ont montré que les variations de l'espace entre les électrodes et les surfaces à souder nuisent aussi à la stabilité du processus de soudage. En outre, en cas de soudage par le procédé qui vient d'être décrit, on assiste à une baisse de la résistance du métal déposé à la formation de fissures de cristallisation, laquelle baisse est due à une pénétration non uniforme de la soudure dans les bords et à la formation d'un joint à coefficient de forme variable en épaisseur. L'invention vise donc un procédé de soudage sous laitier é1èctoooond#i#iir qui permettrait d'améliorer la qualité #u joint soudé en changeant la disposition des électrodes en lamelle consommables. Le problème ainsi posé est résolu en ce que dans un procédé de soudage sous laitier électroconducteur à l'aide d'électrodes en lamelle consommables,du type dans lequel un matériau d'apport concassé est amené dans l'interstice du joint à souder, formé par les bords des pièces à souder, suivant l'invention lesdites électrodes sont introduites dans ledit interstice deux par deux,l'une en face de l'autre et de sorte que l'angle formé par ces électrodes soit égal à celui d'écartement des bords à souder, les grandes faces desdites électrodes étant parallèles aux bords à souder et leurs petites faces dépassant la surface latérale de la pièce à souder. Lors des mouvements angulaires des ébauches à réunir, les espaces entre les électrodes immobiles et les bords à assembler des ébauches demeurent invariables pendant tout le processus de soudage, ce qui assure une répartition uniforme de la puissance de la source de chaleur dans toute la profondeur de la soudure, une pénétration uniforme-de la soudure dans les bords et, par conséquent, une résistance élevée du métal de la soudure à la formation de fissures de cristallisation. Il est rationnel que lesdites grandes faces des électrodes éloignées des bords à souder d'une distance de 6 à 17% de la largeur de leur petite face. Lorsque cette distance est inférieure à 6% de ladite largeur, on assiste au perçage du bain de laitier dans l'interstice "électrode-bord à souder", ce qui nuit au déroulement stable du processus. En cas où cette distance est supérieure à 17% de la largeur de la petite face, on constate des zones de non-pénétration de la soudure dans les bords soudés, et dans le métal de la soudure apparaissent des particules non fondues de matériau d'apport. Il est également possible de disposer les électrodes de manière que leurs petites faces dépassent la surface latérale de la pièce à souder de 6 à 13% de la largeur desdites faces. Lorsque les électrodes dépassent la surface latérale de la pièce à souder de moins de 6% de la largeur de leur petite face, on constate des zones de pénétration incomplètes près de la surface latérale de la pièce, et au cas où ce dépassement est supérieur à 13%, on assiste à un accroissement excessif de la soudure, ce qui conduit à une augmentation de la quantité de déchets métalliques. Un tel mode de réalisation du procédé assure une répartition uniforme de la puissance de la source de chaleur dans toute la profondeur de la soudure, une pénétration symétrique et uniforme de la soudure dans les bords, une résistance élevée du métal de la soudure à la formation de fissures de cristallisation, car lors de pivo- tements des pièces à souder, les espaces entre les électrodes consommables fixes et les bords à souder demeurent inchangés pendant t#out -le processus de soudage. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle ci apparaitront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec référence au dessin unique non limitatif annexé dans lequel - la figure 1 est le schéma de disposition des électrodes en lamelle consommables en vue de la réalisation du soudage par le procédé conforme à l'invention; la figure 2 est une vue en coupe suivant Il-Il de la figure 2. Pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, les ébauches de la pièce à souder 1 (comme montré sur la figure 1) sont disposées sur un plateau 2 refroidi par eau. Les bords à souder 3 de la pièce I sont disposés sous un angle donné d'écartement qui est choisi en fonction de la masse des ébauches à réunir et de leur forme géométrique. Ensuite,onrn'-t#o#tdans l'interstice du joint à souder les électrodes en lamelle consommables 4. Suivant l'invention, les électrodes 4 sont disposées deux par deux et l'une en face de l'autre. Cette disposition permet d'assurer une répartition uniforme de la puissance de la source de chaleur dans toute l'épaisseur de la soudure. (Il convient de noter queue nombre de paires d'électrodes est choisi en fonction de la lar- geur de la pièce 1). En outre, lesdites électrodes 4 sont disposées dans l'interstice du joint à souder sous un angle égal à celui d'écartement des bords à souder 3, les grandes faces 5 (figure 2) des électrodes 4 étant parallèles aux bords à souder 3. Ainsi, lors des mouvements angulaires des bouts à souder 3, les espaces entre les grandes faces 5 des électrodes 4 et les bords soudés 3, ainsi que ceux entre les électrodes 4demeurent inchangés au cours du soudage, ce qui permet de réaliser une pénétration uniforme et symétrique de la soudure dans les bords à souder. La grandeur de l'espace entre les grandes faces 5 des électrodes 4 et les bords à souder 3 influe sur la qualité de la soudure. Suivant l'invention, les grandes faces 5 des électrodes 4 sont disposées de manière que la distance entre elles et les bords 3 soit de 6 à 17% de la largeur de la petite face 6 (figure 2). Ici et dans la suite de la présente description, on entend par "largeur de la petite face 6" la plus petite distance entre les grandes faces 5 des électrodes 4. Les valeurs précitées desdits espaces sont choisies du fait que, quand les espaces sont inférieurs à 6% de ladite largeur, ont lieu des perçages du bain de laitier dans l'intervalle entre l'électrode 4 et le bord à souder 3, ce qui affecte le déroulement stable du processus. Dans le cas où lesdits espaces dépassent 17%, on constate des pénétrations incomplètes de la soudure dans les bords soudés et la présence de particules non fondues dans le métal de la soudure. On a également constaté que la qualité du métal déposé dépend de la mesure dans laquelle les électrodes 4 dépasse les limites de la surface latérale 7 de la pièce à souder 1 (figure 1). Suivant l'invention, les électrodes 4 peuvent être disposées de manière que leurs petites faces 6 (figure 2 dépassent les limites de la surface latérale 7 de la pièce à souder d'une distance qui varie de 6 à 13% de leur largeur. On a établi que lorsque les électrodes 4 dépassent les limites de la surface latérale 7 d'une distance inférieure à 6% de la largeur de leur petite face 6, il se produit des pénétrations incomplètes de la soudure près de la surface latérale 7 de la pièce, tandis qu'une distance supérieure à 13% provoque une augmentation du renforcement de la soudure, d'où une plus grande quantité de déchets métalliques. Une fois les électrodes 4 installées,,on les met sous tension à partir du transformateur de puissance 8, après quoi on forme un bain de laitier. Le bain de laitier est formé par un dispositif de coulée en source du laitier fondu (non représenté sur le dessin) Quand la valeur prescrite du courant de soudage est atteinte, on amène dans l'espace entre les électrodes 4 un matériau d'apport métallique concassé 9e Le processus terminé, la tension appliquée aux électrodes consommables 4 est coupée, les matériaux d'ap- port concassés 9 cessent entre amenés, les bouts résiduels des électrodes consommables 4 ainsi que le dispositif de coulée en source du laitier fondu sont enlevés Le procédé selon l'invention assure une répartition uniforme de îa puissance de la source de chaleur suivant toute 1'épaisseur de la soudure et, par conséquent, une pénétration uniforme de la soudure dans les bords et une résistance élevée du métal de la soudure à la formation de fissures de cristallisation0 Le procédé proposé se distingue par sa haute fiabilité, son efficacité et sa simplicité, Le procédé suivant l'invention permet d'obtenir des joints soudés de haute qualité en cas de soudage d'ébauches en aciers peu soudables. La mise en oeuvre du procédé proposé de soudage sous laitier électroconducteur à l'aide d'électrodes en lamelle permet de résoudre le problème de la fabrication de très grands cylindres d'appui de laminoirs à tôles- uniques0 Ci-après sont décrits des exemples concrets mais non limitatifs de mise en oeuvre du procédé de soudage sous laitier électroconducteur suivant l'invention. On a soumis au soudage des aciers à haut carbone (ou5.0. 1,2%), alliés avec du nickel (1... 1,5%), du chrome (3... 4%), du molybdène, du vanadium et d'autres éléments. Dans l'interstice dupintàsudfflaéteanene un matériau métallique concassé -dont la composition chimique était la même que celle des ébauches à souder. Exemple 1 Nombre d'électrodes : 2 Section à souder : 700 x 1000 mm Angle d'écartement des bords : 2015l Les grandes faces des électrodes étaient parallèles aux bords à souder et la distance les séparant de ceuxci était de 9% de la largeur de leur petite face. Les petites faces des électrodes dépassaient la surface latérale de la pièce à souder d'une distance égale à 11% de ladite largeur. L'étude de la qualité du joint soudé par des procédés connus a permis de constater une pénétration uniforme et symétrique de la soudure dans les bords de la pièce. Malgré les grandes dimensions de la soudure, le métal formant celle-ci présentait une structure à grains fins, uniforme et non orientée. Les inclusions non métalliques présentes dans la soudure avaient une forme déterminée et étaient réparties uniformément dans tout le volume du métal. La composition chimique du métal de la soudure était analogue à celle du métal de base. Exemple 2 Les conditions du soudage étaient les mêmes que dans l'exemple 1, sauf que la distance séparant-les grandes faces des électrodes des bords à souder était égale à 5% de la largeur de leur petite face. Des variations brusques du régime de soudage ont été constatées pendant le soudage, ce qui a entraîné une baisse de la qualité du joint soudé. Exemple 3 Les conditions du soudage étaient les mêmes que dans l'exemple 1, sauf que la distance séparant les grandes faces des électrodes des bords à souder était égale à 18% de la largeur de leur petite face. Dans le métal du joint soudé, on a constaté des défauts sous forme de particules non fondues de matériau d'apport, ainsi que des pénétrations incomplètes de la soudure suivant sa profondeur. Exemple 4 On a soudé des ébauches cylindriques de 2500 mm de diamètre. Nombre d'électrodes : 4 Angle d'écartement des bords à souder : 1o36v. Les grandes faces des électrodes étaient parallèles aux bords à souder et en étaient séparées par une dis tance égale à 12% de la largeur de leur petite face. Les petites faces dépassaient la surface latérale de la pièce à souder de 12% de ladite largeur. Le joint soudé possédait de hautes propriétés physiques et mécaniques (voir le tableau). Le métal déposé n'avait aucun défaut sous forme de fissures ou inclusions diverses, etc. Tableau Zone du joint aTs dB, zS, , zH, MPa MPa % % N/cm Soudure 588,6# 966,2 14,1 16,0 13,7 Zone voisine de la soudure 618,0 922,1 12,1 16,0 14,7 Métal de base 588,6 928,0 10,1 16 14,7 Exemple 5 Les conditions du soudage étaient les mêmes que dans l'exemple 4, sauf que les petites faces des électrodes dépassaient la surface latérale des ébauches de 5%. L'étude de la qualité du joint soudé a permis de constater des pénétrations incomplètes de la soudure dans les bords près des surfaces latérales. Le joint soudé ne présentait aucun défaut sous forme de fissures de cristallisation ou de particules non fondues de matériau d'apport. Exemple 6 Le soudage a été réalisé dans les mêmes conditions que dans l'exemple 4, sauf que les petites faces des électrodes dépassaient la surface latérale des ébauches de 17%. Bien que la soudure fût exempte de défauts sous forme de fissures de cristallisation et de particules non fondues de matériau d'apport, le renforcement accru de la soudure a provoqué une forte augmentation des déchets métalliques. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage sous laitier électroconducteur au moyen d'électrodes consommables en lamelle du type dans lequel un matériau d'apport métallique concassé est amené dans l'interstice du joint à souder formé par les bords des pièces à réunir, caracterisé en ce que les élec trodes(4)scntintroduites dans ledit interstice deux par deux et disposées l'une en face de l'autre et de manière à former entre elles un angle égal à celui d'écartement des bords à souder(3)~, les grandes faces (5)-de-sdites électrodes étant parallèles aux bords à souder (3) et les petites faces (6) desdites électrodes dépassant la surface latérale (7) de la pièce à souder (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (4) sont disposées de sorte que la distance séparant les- grandes faces (5) des électrodes (4) des bords à souder (3) soit de 6 à 17% de la largeur de leur petite face (6) 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les électrodes (4) sont disposées de sorte que les petites faces (6) des électrodes (4) dépassent la surface latérale (7) de la pièce à souder (1) de 6 à 13% de la largeur desdites petites faces. 4. Pièces soudées, caractérisées en ce qu'elles sont obtenues par soudage conformément au procédé faisant l'objet de l'une des revendications 1 à 3.