Brevet FR2542235A1 — publié le 19840914

Procédé et dispositif pour le soudage sous gaz protecteur d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié L'invention concerne un procédé et un dispositif pour le soudage d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié dans les conditions du montage, en parti- culier pour l'assemblage de tuyaux de faible diamètre. Le problème principal du soudage des aciers Cr-Ni fortement allié est constitué par l'élimination de la couche d'oxyde adhérant au métal Dans les procédés de soudage connus, celle-ci est éliminée au moyen d'un fon- dant salin L'inconvénient de ce procédé consiste en ce qu'il reste après le soudage des résidus de fondant ag- gressifs qui conduisent, en combinaison avec l'humidité, à une corrosion du métal de base L'élimination mécanique de ces résidus de fondant est très coûteuse et peut même devenir pratiquement irréalisable. S'il subsiste des résidus de fondant même dans le cas d'un traitement chimique coûteux de l'emplacement de la soudure, ceux-ci peuvent conduire ultérieurement à des défaillances du matériau lourdes de conséquences. Compte tenu de ces problèmes, on a fréquemment recours à des procédés de soudage au four dans lesquels l'élimination de la couche d'oxyde est obtenue par le vide ou par un gaz protecteur Comme gaz protecteurs, on peut utiliser soit des gaz réducteurs (par exemple l'hy- drogène sec ou le gaz de dissociation de l'ammoniac) soit des gaz inertes (par exemple l'argon ultra pur, somme des impuretés inférieure à 10 vpm, abréviation par laquelle on désigne, dans la suite du texte, l'unité "partie en volume par million") Comme les aciers Cr-Ni contiennent souvent aussi d'autres métaux ayant une grande affinité pour l'oxygène, comme le titane, on doit opérer, lors- qu'on utilise un gaz inerte, avec un gaz protecteur extrêmement sec (point de rosée -70 fa) Pour obtenir alors un mouillage du métal de base, la surface doit être usée à grands frais, par voie mécanique ou chimique, de telle sorte qu'il ne reste plus qu'une mince pellicule d'oxyde A une température de soudage élevée ( 1000 ûC), cette peau d'oxyde se crevasse et permet ainsi à la sou- dure le contact nécessaire avec le métal de base Aux en- droits de rupture de la peau d'oxyde, celle-ci est af- fouillée par la soudure, soulevée et incorporée à la structure de la soudure (Zimmermann, K F "Mechanisiertes Hartliten auf Lâtvorrichtungen und Litmaschinen Ausf h- rungsbeispiele fur Ofenlbteinrichtungen mit und ohne Schutzgasatmosphâre", Technik die verbindet, Berichte aus Forschung und Praxis NO 25). Lors de l'utilisation de gaz protecteurs réduc- teurs, les couches d'oxyde sont éliminées par les consti- tuants réducteurs du gaz protecteur, essentiellement l'hydrogène La température et la composition du gaz pro- tecteur sont responsables de manière déterminante de son action réductrice Les oxydes métalliques difficiles à réduire (par exemple l'oxyde de chrome) nécessitent dans la pratique un gaz protecteur exempt d'oxygène et de com- posés oxygénés et extrêmement sec Pour cette raison, on utilise souvent comme gaz protecteur de l'hydrogène sec ou du gaz de dissociation de l'ammoniac sec. Un autre procédé pour éliminer les couches d'oxy- de gênantes lors du soudage consiste à utiliser le vide. Ici, l'élimination des couches d'oxyde, dans le cas de matériaux contenant du carbone, repose sur l'action ré- ductrice du carbone lui-même Les conditions d'un dérou- lement -rapide de cette réaction sont plus favorables lorsque la teneur en carbone de l'acier augmente, lorsque la stabilité de l'oxyde à réduire est plus faible et la pression dans le four à vide est plus basse Comme la stabilité de l'oxyde dépend de la température, la réac- tion de C O pour les oxydes dépend de la température et de la pression Ainsi, l'oxyde de chrome est réduit par le carbone dès 6800 C lorsque la pression partielle de Cú est inférieure à 10-6 A 10000 C, la même réaction est encore possible lorsque la pression est montée h 10-2 (Ogiermann G; Zimmermann, K F; "Mechanisiertes Hartlten auf L tvorrichtungen und Lôtmaschinen " Technik die ver- bindet, Berichte aus Forschung und Praxis NO 26). Dans le cas de matériaux non carbonés, les oxydes sont dissous par l'hydrogène, ou les couches d'oxyde se rompent lors du chauffage et sont alors affouillées par la soudure liquide, soulevées et incorporées à la struc- ture de la soudure (Mahler, W; Zimmermann, K F; "Bindungsverhalten einiger Hartlote unter Wasserstoff auf verschiedenen Grundwerkstoffen", Schweissen und Schneiden 21 ( 1969) N 06, p 249-254). Les procédés décrits ci-dessus présentent cepen- dant esentiellement les inconvénients suivants: En raison du coût élevé des appareils, la soudure sous vide n'est utilisable que dans le domaine de la fabrication fixe. Les gaz réducteurs, qui contiennent principalement de l'hydrogène comme réducteur, sont éliminés pour des raisons de sécurité, car le risque d'une explo- sion de mélange détonant dans les conditions du mon- tage sur chantier est trop élevé. Un autre procédé connu d'assemblage des aciers Cr-Ni est le soudage par induction en utilisant de l'ar- gon ultra pur (Kaiser, L; Induktions 11 ten von Hoch- druckrohrleitungen im Flug und Raumfahrzeugbau, 5 chweis- sen und Schneiden 24 ( 1972) N 05, p 161-165) En raison du coût élevé de l'appareillage pour l'installation du chauffage, ce procédé ne convient lui aussi que pour la fabrication fixe, le coût élevé du décapage mécanique des, couches d'oxyde et les coûts élevés du gaz protecteur (argon ultra pur) ayant une incidence négative sur la rentabilité de cette technologie d'assemblage. L'invention a pour but de créer un procédé et un dispositif pour l'assemblage d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié, qui permettent en parti- culier dans les conditions du montage, une liaison simple et sûre de ces éléments. L'invention a pour but de créer un procédé et un dispositif pour le soudage d'éléments de construction en -acier Cr-Ni fortement allié dans une atmosphère de gaz protecteur inerte, évitant un prétraitement chimique ou mécanique séparé de la couche d'oxyde adhérant au métal. Conformément à l'invention, ce but est atteint en entourant d'une chambre protectrice l'emplacement de la soudure qui doit être chauffé selon le principe du chauf- fage direct par résistance électrique Ce dispositif est traversé par un courant de gaz inerte pendant la phase de chauffage et la phase de refroidissement qui lui fait suite La teneur maxima technique en impuretés peut ici être de 100 vpm, la teneur en humidité ne pouvant pas être supérieure à 35 vpm, la teneur en oxygène à 8 vpm, la teneur en méthane à 10 vpm, la teneur en hydrogène à 1 vpm et la teneur en anhydride carbonique à 1 vpm Le dis- positif pour le soudage d'éléments de -construction en acier Cr-Ni fortement allié se compose d'une chambre de protection disposée autour de l'emplacement de soudage, ayant un volume de 200 cm 3 au maximum Ce volume de cham- bre doit cependant être 20 à 30 fois plus élevé que le volume de la partie de l'élément impliquée dans l'opéra- tion de soudage L'orifice d'entrée pour le gaz inerte dans la chambre protectrice se trouve à 2-3 cm au maximum de l'emplacement de soudage. Exemple d'exécution L'invention sera expliquée plus en détails ci- après sur la base d'un exemple d'exécution. Des tubes d'acier fortement allié (X 8 Cr Ni Ti 18, ) de 12 x 2 mm doivent être soudés entre eux sur un tracé de canalisation A cet effet, on nettoie l'emplace- ment de soudage avec un solvant dissolvant les graisses et on le prépare de la manière suivante: on glisse d'a- bord sur les deux extrémités des tuyaux des anneaux de soudage, par exemple en Cu Ma 1 O Co 3 et on les aligne avec un calibre. Puis on glisse un manchon de soudage sur l'extré- mité d'un tuyau et on glisse également le second tuyau dans ce manchon de soudage, de telle sorte que les extré- mités des tuyaux se touchent Autour de l'emplacement de soudage ainsi préparé, on met en place une chambre à gaz protecteur qui est munie sur son côté supérieur d'une glace antibuée. A droite et à gauche de la chambre, les contacts électriques-d'un appareil de soudage par résistance sont serrés sur les tuyaux, et sur un côté des tuyaux à sou- der, on fixe un branchement pour l'introduction d'un gaz protecteur inerte à l'intérieur du tuyau Puis on balaie le tuyau avec le gaz protecteur ( 10 1/min), de sorte qu'il ne reste plus d'air à l'intérieur du tuyau On ob- ture alors l'autre extrémité du tuyau et on refoule le gaz protecteur introduit par la jointure des tuyaux à travers l'interstice entre les tuyaux dans la chambre à gaz protecteur Après avoir également fait parcourir de gaz protecteur la chambre à gaz protecteur par un bran- chement séparé pendant 30 secondes environ avec le même débit que les tubes à souder, et après que l'air présent est éliminé ici aussi, on peut commencer l'opération de soudage. Les couches d'oxyde s'opposant à l'écoulement de la soudure lors de l'opération de soudage se romptent aux températures supérieures à l OOO 1 C L'écoulement de la soudure n'est possible que lorsqu'on empêche une réoxyda- tion du métal de base Ceci est obtenu grâce à l'atmos- phère de gaz protecteur inerte, qui peut être constituée d'argon ou d'azote avec jusqu'à 100 vpm d'impuretés tech- niques (argon: humidité 35 vpm, oxygène 8 vpm, méthane 1 vpm; azote: humidité 30 vpm, oxygène 1 vpm, anhydride carbonique 1 vpm, hydrogène 10 vpm). Dans ces conditions, la soudure liquide s'infil- tre dans les couches d'oxyde déchirées, les soulève et s'incorpore à la structure de la soudure Une condition du soudage avec les gaz indiqués est l'utilisation d'une chambre à gaz protecteur Les dimensions de la chambre à gaz protecteur doivent cependant être choisies ici de telle sorte que son volume ne dépasse pas 200 cm 3, le vo- lume de la chambre devant concrètement être choisi de telle sorte qu'il soit 20 à 30 fois, de préférence 25 fois plus grand que le volume de la partie de l'élément impliquée dans l'opération de soudage L'orifice d'entrée du gaz protecteur dans la chambre à gaz protecteur doit simplement être distant de 2 à 3 cm de l'emplacement du soudage En outre, le chauffage de l'emplacement de sou- dage doit s'effectuer selon le principe du chauffage di- rect par résistance électrique, de façon qu'un chauffage de courte durée de l'interstice de soudure soit assuré et que la soudure puisse pénétrer dans l'interstice de sou- dage Lorsque les anneaux de soudage sont fondus sur tot le pourtour du tuyau, on peut arrêter le chauffage La jonction soudée doit alors être refroidie encore pendant secondes environ dans l'atmosphère de gaz protecteur pour éviter une oxydation du métal de base Puis on reti- re les câbles de soudage et la chambre à gaz protecteur, et on élimine à la toile émeri les couleurs de revenu éventuellement présentes. *Les éléments d'acier fortement allié sont souvent soudés dans un four à gaz protecteur avec des soudures à base de nickel Celles-ci contiennent, pour abaisser la température de fusion de la soudure à 835 a C-11351 C, des éléments d'alliage non métalliques, Si, B ou P Il en ré- sulte que ces éléments d'alliage, combinés au fer, for- ment des couches intermédiaires cassantes qui ne peuvent être éliminées, après le soudage, que par un recuit de diffusion ultérieur, coûteux Suivant la proportion de Si, B ou P, la durée du recuit est d'une à cinq heures. C'est pourquoi de telles soudures à base de nickel ne conviennent pas pour l'utilisation dans les conditions de montage sur chantier. Le procédé de l'invention avec le dispositif qui en fait partie permet d'utiliser à présent des soudures dont le point de fusion n'est que peu inférieur à celui du métal de base, car une régulation de température peut être effectuée juste à l'emplacement du soudage, de sorte que l'on peut renoncer aux constituants abaissant la tem- l Opérature de fusion Une soudure satisfaisant à ces exi- gences se compose des constituants suivants: 0,1 % de C, 1 % de Si, 0,60 % de Mn, 0,02 % de P, 0,015 % de S, 19 % de Cr, 29 % de Ni, le reste de fer. L'utilisation de cette soudure à haute températu- l 5 re permet de supprimer le recuit de diffusion coûteux. Comme le métal de base et la soudure possèdent à peu près les mêmes compositions, l'emplacement de jonction présen- te un comportement à la corrosion semblable à celui du métal de base. REVENDICATIONS 1 Procédé pour le soudage sous gaz protecteur d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié dans les conditions du chantier, caractérisé en ce que l'emplacement du soudage devant être chauffé selon le principe du chauffage direct par résistance électrique est entouré d'une chambre à gaz protecteur, et en ce que ce dispositif est traversé par un courant de gaz inerte contenant des impuretés techniques jusqu'à un maximum de 10100 vpm, la teneur en humidité ne pouvant pas être supé- rieure à 35 vpm, la teneur en oxygène à 8 vpm, la teneur en méthane à 10 vpm, la teneur en hydrogène à 10 vpm et la teneur en anhydride carbonique à 1 vpm. 2 Procédé pour le soudage sous gaz protecteur d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié dans les conditions de montage sur chantier selon la re- vendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise une sou- dure contenant O à 0,1 % de C, 1 à 1,5 % de Si, O à 0,6 % de Mn, O à 0,02 % de P, O à 0,015 % de S, 15 à 25 % de Cr, 20 à 80 % de Ni et le reste de Fe. 3 Dispositif pour le soudage sous gaz protec- teur d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié dans les conditions du chantier, caractérisé en ce que l'emplacement de soudage est entouré d'une chambre à gaz protecteur ayant un volume de 200 cm 3 au maximum, ce volume de chambre devant être de 20 à 30 fois plus élevé que le volume de la partie de l' élément impliquée dans l'opération de soudage et en ce que l'orifice d'entrée du gaz inerte dans la chambre de protection est éloigné de 2 à 3 cm au maximum de l'emplacement du soudage. 4 Dispositif pour le soudage sous gaz protec- teur d'éléments de construction en acier Cr-Ni fortement allié dans les conditions du chantier selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la chambre protectrice est 3 Smunie sur son côté supérieur d'une glace antibuée.