Brevet FR2620956A1 — publié le 19890331

Procédé de formage d'un élément de tôle de surface r&églée en titane ou alliage de titane La présente invention concerne un procédé de formage d'un élément de tôle de surface réglée à partir d'une tôle plane en titane ou en alliage de titane, par emboutissage à chaud dans une presse. Il s'avère nécessaire dans certains cas de fabriquer des formes de surface réglée, notamment tronconiques ou cylindriques, par exemple pour la fabrication de tubes, d'épaisseur pouvant atteindre et dépasser 10 mm, en titane ou alliage de titane, notamment celui contenant en poids 6% d'aluminium et 4% de vanadium, généralement connu sous la désignation TA 6V, qui présente de bonnes qualités de légèreté (densité 4,5), de résistance mécanique (résistance à la rupture en traction d'au moins 900 MPa) et de résistance à la corrosion, notam- ment par l'eau de mer. De tels tubes ou éléments de tubes conviendraient notamment pour la liaison entre une plate-forme de forage et une tête de forage sur le fond sous-marin en mer profonde, car des tubes ou éléments de tube en acier seraient d'un poids excessif. L'alliage contenant en poids 3 % d'aluminium et 2 % de vanadium, connu sous la désignation TA 3V, pourrait notamment aussi convenir par de telles applications. Le formage de tels tubes à partir de tôles planes implique en premier lieu un formage de la tôle plane en un élément de surface réglée, notamment cylindrique ou conique, d'angle au centre (angle formé par les plans passant par l'axe et les génératrices extrêmes) par exemple de 1800 ou 120 , suivi d'un soudage des éléments obtenus selon des génératrices pour constituer le tube ou une coque fermée. L'état de l'art confirmé par des essais, indique qu'un tel formage ne pouvait s'effectuer à froid, les caractéristiques mécaniques de la tôle ne lui permettant pas de se prêter à froid à cette déformation sans la rendre inutilisable. Il est notamment impossible de contrôler de manière précise les caractéristiques dimensionnelles de la pièce fabriquée. Toutefois, un formage à chaud est une opération relativement complexe, qui s'effectue généralement en positionnant la tôle dans un outil lui- même préchauffé au-dessus de la température minimale à laquelle le formage doit avoir lieu. L'outil doit être réchauffé à la - 2 - température voulue avant chaque opération de formage, ce qui entraîne une cadence de fabrication relativement lente. La présente invention a pour but de procurer un procédé de fabrication d'éléments de tôle de surface réglée, notamment cylindriques ou coniques, plus simple et plus rapide, et qui cependant procure des éléments d'épaisseur régulière et de cotes précises, exempts de fis- surations. Le procédé de formage selon l'invention est caractérisé en ce que l'on préchauffe l'élément de tôle plane à une température au moins égale à 730 C, en ce que l'on transfère l'élément préchauffé dans un outil d'emboutissage non préchauffé mis en place dans la presse en un temps suffisamment court pour que la température de l'élément reste au moins égale à 700 C au moment de l'opération d'emboutissage, en ce que l'on transfère l'élément embouti dans un outillage de calibrage et l'y chauf- fe à au moins 650 C pendant une durée suffisante pour sa mise en forme définitive, puis le laisse refroidir à la température ambiante. Il répond en outre de préférence à au moins l'une des caractéris- tiques suivantes: - Pour le formage d'un élément de tôle d'épaisseur 25 mm ou inférieure, on maintient l'élément embouti chauffé à au moins 650 C dans l'outillage de calibrage pendant au moins une heure. - Pour le formage d'un tel élément de tôle, on élève la température de l'élément de tôle embouti à environ 650 C en au moins 5 heures, le main- tient à environ 650 C pendant environ une heure, le laisse refroidir dans l'outillage de calibrage en au moins 10 h, puis l'extrait de cet outillage et le laisse refroidir à l'air. - On soumet l'élément de tôle mis en forme à un décapage par corindonnage à l'aide de billes de métal dur. - On utilise des billes d'acier de diamètre compris entre 0,06 mm et 0,16 mm. - On effectue après le corindonnage un décapage dans un bain froid d'une solution aqueuse à 15 à 40% en poids d'acide nitrique et 1 à 2% en poids d'acide fluorhydrique, le rapport pondéral acide nitrique/acide fluorhydrique restant supérieur à 10, et la solution contenant moins de 10g/l du total fer + titane, pendant 1 à 5 minutes, puis un rinçage et - 3 - un séchage. Si après formage, corindonnage et décapage chimique de finition, on laisse l'élément stocké pendant un temps relativement long, il se forme un film de patine qui nuit à son aspect mais pas à ses propriétés. On peut alors effectuer un décapage chimique dans un bain froid analogue à celui du décapage chimique de finition. Il est décrit ci-après, à titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, un appareillage de formage d'éléments de tôle cylindriques et un mode opératoire de formage et de décapage selon l'in- O vention. La figure 1 représente en perspective deux éléments de tôle cy- lindriques emboutis et calibrés. La figure 2 représente un four de chauffage d'éléments de tôle et une presse d'emboutissage des éléments chauffés en demi-viroles cylin- driques. La figure 3 représente un outillage de calibrage à chaud des demi- viroles. La figure 4 représente un exemple d'insert. Dans la figure 1, les demi-viroles 1 et 2 sont représentées en O perspective, dans la position o elles seront présentées l'une en face de l'autre en vue de leur soudage le long de leurs arêtes longitudinales 4, , 6, 7 pour constituer un élément de tube. De telles demi-viroles présentent une épaisseur importante, pouvant dépasser 12,7 mm, comme il apparait par leurs extrémités semi-circulaires 7, 8. !5 Dans la figure 2, le four 11, par exemple un four électrique ou à gaz, assure le préchauffage des éléments de tôle plane. Après chauffage à la température désirée, la porte du four 12 est relevée, par manoeuvre des leviers à contrepoids 13, 14. Les éléments préchauffés sont déposés sur le convoyeur motorisé 15 à éléments cylindriques rotatifs 16, et acheminés vers la presse 17. Cette presse comporte un poinçon allongé fixe 18, à partie acti- ve 19 solidaire du bâti supérieur 20, et de section droite sensiblement semi-circulaire entre deux épaulements latéraux. Au-dessous de ce poin- çon se trouve une matrice mobile dont la position basse de chargement (reposant sur le socle 21) est représentée en 22 et la _ 4 position haute d'emboutissage en 23 (traits interrompus). Il est bien évident qu'on ne sortira pas du cadre de la présente invention si c'est le poinçon qui est mobile et la matrice qui est fixe. Le poinçon et/ou la matrice mobile peuvent être munis d'inserts d'épaisseur variable entre lesquels est introduit l'élément de tôle plane. Ce ou ces inserts permettent d'obtenir des coques de dimensions différentes à partir d'un couple, poinçon/matrice, donné. Ainsi ces inserts sont des outils qui s'adaptent au poinçon et/ou à la matrice pour permettre de modifier les caractéristiques géométriques de la coque fabriquée. Il est bien évident que les modifications que l'on peut obtenir sont limitées par les dimen- sions du poinçon et de la matrice en l'absence d'insert. La figure 4 représente un insert 36 utilisable sur la matrice 22 et qui permettrait s'il était utilisé la réduction de la dimension exter- ne des demi-viroles fabriquées. Après emboutissage, les éléments mis en forme de demi-viroles ne présentent cependant pas une forme complètement semi-cylindrique, leur rayon de courbure restant supérieur à la valeur désirée. Ils doivent donc être soumis à un traitement de calibrage à une température d'au moins environ 650 C. Les demi-viroles à calibrer, éventuellement, maintenues dans les inserts de la presse, sont introduites avec ceux-ci dans l'appareillage de calibrage représenté en figure 3. Cet appareillage comprend un socle et un poinçon 24A comprenant une partie centrale semi- cylindrique 25 et des épaulements latéraux. La demi-virole 26 est serrée entre le socle 24 et le poinçon 24A grâce à des vérins 27, 28 supportés par des portiques 29, 30 et appuyant sur des poutres planes 31, 32. Des brides 33 assurent le maintien en compression de l'outillage. Une oreil- le 34 permet le levage des portiques et une autre oreille 35 le levage de l'ensemble de l'outillage. Le chauffage de cet outillage et des demi- viroles est assuré par leur introduction dans un four chaud, la montée en température s'effectuant en 5h, et étant suivie d'un maintien à 650 C au moins pendant une heure et d'un refroidissement en 10h dans le four. La pièce et les inserts sont défournés à environ 200 à 3000 C, puis refroi- dis à l'air. La pièce est alors à la forme semi-cylindrique définitive. Elle est extraite de ses inserts. -5- Après calibrage, les demi-viroles doivent être décapées pour éli- miner la couche d'oxyde formée. Il s'est avéré qu'un décapage chimique par immersion dans un bain d'acides nitrique et fluorhydrique, même chaud, est peu efficace, et que l'immersion dans une solution alcaline aqueuse ne permet d'éliminer que des couches d'oxyde peu épaisses. L'immersion dans un bain de soude concentrée ou de soude concentrée et nitrate est plus efficace, mais pose des problèmes de sécurité et doit être suivie d'une neutralisation dans un bain acide. La méthode de déca- page préférée selon l'invention est un corindonnage par projection de O billes d'acier de dimension 0,06 à 0,16 mm pendant un temps suffisant pour observer la disparition de la couche d'oxydes. On peut faire suivre ce décapage mécanique d'un décapage de finition par immersion dans une solution aqueuse à 15 à 40% (et de préférence 20%) en poids d'acide nitrique et 1 à 2% en poids d'acide fluorhydrique, le rapport pondéral acide nitrique/acide fluorhydrique restant supérieur à 10 pour limiter le risque d'absorption d'hydrogène par l'alliage. La solution doit contenir en outre moins de lOg/l du total (fer + titane), et elle est à renouveler en tout état de cause dès que la teneur en titane dépasse 10g/l. O La durée d'immersion peut varier entre 1 et 5 minutes, une durée de 2 minutes étant en général suffisante. Apres retrait de la demi- virole du bain de décapage de finition, on la soumet à un rinçage à l'eau et à un séchage. Si l'on veut fabriquer des éléments de t8le de surface réglée différent, notamment semi-tronconique, on utilisera des presses et des outillages de calibrage adaptés à la forme désirée. D -6- REVENDICATIONS 1/ Procédé de formage d'un élément de tôle de surface réglée (1, 2) à partir d'une tôle plane en titane ou alliage de titane, par emboutissage à chaud dans une presse (17), caractérisé en ce que l'on préchauffe l'élément de tôle plane à une température au moins égale à 730 C, en ce que l'on transfère l'élément préchauffé dans un outil d'emboutissage non préchauffé (18, 23) mis en place dans la presse (17), en un temps suffisamment court pour que la température de l'élément reste au moins égale à 700oC à la fin de l'opération d'emboutissage, en ce que l'on transfère l'élément embouti dans un outillage de calibrage et l'y chauf- fe à au moins 650 C pendant une durée suffisante pour sa mise en forme définitive, puis le laisse refroidir à la température ambiante. 2/ Procédé selon la revendication 1, pour le formage d'un élément de tôle d'épaisseur 25 mm ou inférieure, caractérisé en ce que l'on maintient l'élément embouti chauffé à au moins 650 C dans l'outillage de calibrage pendant au moins une heure. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on élève la température de l'élément embouti à environ 650 C en au moins 5 heures, le maintient à environ 650 C pendant environ une heure, le laisse refroidir dans l'outillage de calibrage en au moins 10h, puis l'extrait de cet outillage et le laisse refroidir à l'air. 4/ Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on soumet l'élément de tôle mis en forme à un décapage par corindonnage à l'aide de billes de métal dur. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on utilise des billes d'acier de diamètre compris entre 0,06 mm et 0,16 mm. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on effectue après le corindonnage un décapage dans un bain froid d'une solution aqueuse à 15 à 40% en poids d'acide nitrique et 1 à 2% en poids d'acide fluorhydrique, le rapport pondéral acide nitrique/acide fluorhydrique restant supérieur à 10, et la solution contenant moins de lOg/l du total fer + titane, pendant 1 à 5 minutes, puis un rinçage et un séchage.