Brevet FR2713964A1 — publié le 19950623

L'invention se rapporte à un procédé de fabrica- tion d'un ensemble de conduit métallique par soudage et en particulier à un procédé suivant lequel un élément tubulaire ou conduit qui est utilisé pour fabriquer ledit ensemble de conduit est réalisé puis soumis à un traitement thermique de façon qu'il résiste à la déformation sous l'effet de la chaleur lorsqu'il est ultérieurement soudé. Des matières légères et extrêmement résistantes s'utilisent de plus en plus dans la fabrication de composants structurels. L'utilisation de plus en plus fréquente de ces matières est due à la nécessité d'abaisser le poids de ces composants structurels sans en sacrifier la résistance. Plus particulièrement, des conduits de ventilation destinés à certaines applications sont actuellement faits d'un tuyau à paroi mince, en alliage de titane, qui a été réalisé à l'aide d'une feuille relativement mince ayant subi un formage à la presse. Des sections de tuyau sont soudées les unes aux autres ou à une armature ou encore à un raccord de manière à former un ensemble de conduit. Il s'est révélé qu'en pratique, une partie du tuyau située dans la zone soumise à la chaleur du soudage subit une déformation pendant ce dernier. Cette déformation a un effet nuisible sur la résistance à la fatigue de l'ensemble du conduit. Il est donc souhaitable de disposer d'un procédé de fabrication d'un tuyau métallique qui rend celui-ci résistant à la déformation lorsqu'il est par la suite soudé pendant la fabrication d'un ensemble de conduit. Une technique connue et dénommée "dimensionnement thermique" a été utilisée pour mettre en forme et dimensionner avec précision des objets creux à paroi mince tels que des gaines de combustible nucléaire. Suivant le procédé de dimensionnement thermique, la force ou la pression de "dimensionnement" résulte de la différence de dilatation thermique entre deux métaux ou alliages dissemblables. L'objet creux à paroi mince est réalisé en un métal ou alliage ayant un coefficient connu de dilatation thermique. Avant le traitement de dimensionnement, l'objet à paroi mince est monté sur ou entouré d'un mandrin qui est réalisé en un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique qui est notablement supérieur à celui de l'objet à paroi mince.5 Lorsque l'objet et le mandrin ainsi assemblés sont portés à une température élevée, le mandrin se dilate davantage que l'objet à paroi mince et il exerce ainsi sur celui-ci une pression orientée radialement. Les matériaux de l'objet et du mandrin sont choisis de façon que le mandrin se dilate dans10 une plage présélectionnée de températures de manière qu'il atteigne une dimension transversale extérieure ou intérieure qui correspond à la dimension transversale intérieure ou extérieure souhaitée de l'objet ainsi dimensionné. Le problème mentionné plus haut de déformation provoquée dans un ensemble soudé de conduit réalisé en un métal ou alliage léger à grande résistance trouve une solution dans une large mesure conformément à l'invention qui apporte un procédé nouveau de fabrication d'un ensemble de conduit métallique soudé. Le procédé de fabrication selon l'invention comprend les étapes de formage d'un tuyau à partir d'un flan plan de métal ou d'un alliage, de recuit du tuyau tout en exerçant une pression orientée radialement sur une surface de celui-ci et ensuite de soudage du tuyau à une extrémité d'un autre tube traité de manière semblable ou à une armature ou encore à un raccord de façon à réaliser l'ensemble de conduit. L'étape de recuit est exécutée de préférence par montage du tuyau sur un mandrin ayant une section transversale légèrement plus petite que la dimension intérieure du tuyau non recuit, ainsi qu'un coefficient de dilatation thermique qui est notablement supérieur à celui du métal ou de l'alliage utilisé pour réaliser le tuyau, afin de former ainsi une combinaison tuyau-mandrin. La combinaison tuyau-mandrin est chauffée dans une atmosphère inerte ou sous vide et portée à une température élevée qui est suffisante à provoquer la dilatation du mandrin de manière qu'il atteigne une dimension transversale qui correspond à la dimension transversale intérieure finale désirée du tuyau. La combinaison tuyau-mandrin est maintenue à température élevée pendant un temps suffisant à éliminer pratiquement les5 contraintes résiduelles créées dans le tuyau par l'opération de formage. La combinaison tuyau- mandrin est ensuite refroidie pour être portée à une température à laquelle le tuyau et le mandrin peuvent être facilement séparés. Le procédé selon l'invention découle de la découverte que la déformation de la zone d'un ensemble de conduit métallique soudé qui est soumise à la chaleur résulte de la relaxation localisée des contraintes résiduelles provoquées dans le tuyau pendant l'opération de formage. Il a été observé qu'un ensemble de conduit en alliage de titane réalisé suivant le procédé de l'invention présente une déformation qui est faible ou nulle après soudage et qu'ainsi il a une résistance excellente à la fatigue ainsi qu'une bonne constance et une bonne uniformité dimensionnelles d'un ensemble à un autre. Pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention afin de réaliser un ensemble de conduit métallique soudé, il faut choisir un matériau en feuille ayant une longueur, une largeur et une épaisseur qui conviennent. Un matériau avantageux pour être utilisé suivant ce procédé est un alliage de titane tel que Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn ou 21S, bien que le procédé selon l'invention puisse à l'évidence être mis en oeuvre avec d'autres métaux ou alliages. Le matériau en feuille subit un formage à la presse, avantageusement sur une presse à frein du type bien connu dans cette technique, afin de former un tube ayant la géométrie transversale souhaitée. Une géométrie avantageuse est circulaire, bien qu'une autre géométrie, par exemple une section transversale ovale, elliptique ou polygonale puisse être utilisée à volonté pour une application particulière. Lors du formage du tube selon l'invention, sa dimension interne doit être légèrement sous-dimensionnée par rapport au produit fini. A la fin de l'opération de formage à la presse, les bords opposés du matériau en feuille sont placés à proximité immédiate l'un de l'autre de manière à former un joint longitudinal ouvert. Une soudure longitudinale continue des bords est effectuée de manière à fermer le joint. Un procédé avantageux de réalisation de la soudure longitudinale est le soudage au tungstène sous gaz inerte. La soudure longitudinale subit ensuite une réduction, par exemple par planage au cylindre polisseur afin de lisser le joint de10 soudure et de minimiser toute déformation circonférentielle résultant des processus de formage et/ou de soudage. Dans un tuyau ayant une section transversale circulaire, cette phase supplémentaire améliore aussi l'ovalité du tuyau. Le tuyau est ensuite placé sur un mandrin de manière à former la combinaison tuyau-mandrin. Le mandrin est constitué d'un matériau ayant un coefficient de dilatation thermique qui est notablement supérieur à celui de la matière du tuyau de façon que le mandrin se dilate rapidement pour atteindre le diamètre intérieur souhaité du tuyau lorsqu'il est porté à une température élevée. Ainsi, le tuyau est dimensionné de manière fiable et avec précision. Une matière avantageuse du mandrin est l'acier inoxydable, bien qu'un alliage à base de nickel ou analogue, résistant aux températures élevées, puisse aussi être utilisé facultativement. Le mandrin a une géométrie transversale qui correspond à celle souhaitée du tuyau fini. La dimension extérieure du mandrin est choisie de manière à laisser subsister un petit intervalle entre lui et le tuyau pour faciliter la mise en place de ce dernier et son enlèvement du mandrin sans détériorer la surface intérieure du tuyau. La combinaison tuyau-mandrin est placée dans un récipient résistant à la pression qui est ensuite fermé et isolé hermétiquement de l'atmosphère ambiante. Le récipient est évacué afin d'éliminer les gaz atmosphériques, puis rempli de gaz inerte tel que de l'hélium ou de l'argon. Le récipient est ensuite placé dans un four de traitement thermique et chauffé jusqu'à ce que la combinaison tuyau-mandrin atteigne une température élevée qui est suffisante à provoquer la dilatation du mandrin à la dimension intérieure finale souhaitée du tuyau. La dilatation du mandrin pendant le chauffage exerce une pression orientée radialement sur la surface intérieure du tuyau en lui faisant subir un élargissement plastique à la dimension souhaitée. La pression de remplissage du gaz inerte est réglée de manière à éviter de dépasser la résistance à la pression du récipient lorsque la pression augmente dans ce dernier par suite du chauffage du gaz inerte sous volume constant. Au lieu d'utiliser un gaz inerte, l'intérieur du récipient peut être maintenu à une pression inférieure à celle de l'atmosphère pendant le chauffage. La combinaison tuyau-mandrin est maintenue à la température élevée pendant un temps suffisant à garantir qu'elle est portée uniformément à la température souhaitée et à garantir que les contraintes résiduelles soient totalement éliminées du tuyau. Le temps de maintien en température se choisit facilement sur la base de la dimension et de l'épaisseur de paroi du tuyau et de la dimension du mandrin. Lorsque la combinaison tuyau-mandrin a été intégralement chauffée, le récipient est enlevé du four et autorisé à se refroidir. La combinaison tuyau-mandrin est refroidie à l'intérieur du récipient en présence du gaz inerte ou sous vide, selon le cas, de manière qu'elle atteigne une température à laquelle il est facile de séparer le tuyau et le mandrin. Le tuyau est séparé du mandrin et préparé de toute manière connue pour être soudé à un tuyau traité de manière semblable. Deux tubes sont soudés l'un à l'autre pour former un ensemble de conduit dont le soudage est exécuté par toute technique convenable connue. Suivant un mode de mise en oeuvre du procédé, deux tubes sont alignés bout à bout sur un appareillage de soudage, puis ils sont soudés l'un à l'autre à la circonférence. Les extrémités des tubes peuvent être légèrement évasées avant le soudage afin d'en améliorer la rondeur dans le cas de conduits de section transversale circulaire et pour faciliter l'alignement des extrémités. L'homme de l'art comprendra que le tuyau peut aussi être ajusté pour être soudé à une bride, une entretoise, un raccord ou analogue afin de former un ensemble de conduit selon l'invention. Une technique avantageuse de soudage de l'ensemble du conduit est le soudage au tungstène sous gaz inerte. Pour réaliser la soudure, un fil chargé d'un décapant peut être utilisé, si nécessaire. La technique de soudage à l'arc sous plasma donne aussi des résultats satisfaisants et peut être utilisée lorsqu'elle est souhaitée. A titre d'exemple, des tubes ayant environ 6 m de longueur et ayant une épaisseur de paroi de 0,5 mm et une section transversale circulaire ont été réalisés à l'aide d'une feuille d'alliage de Ti-15V-3Cr-3A1-3Sn sur une presse à frein. Les tubes ont été assemblés sur des mandrins d'acier inoxydable du type AISI 304 et mis en forme par voie thermique à un diamètre extérieur d'environ 17,5 cm. Le formage thermique des tubes a été exécuté par chauffage des combinaisons tuyau-mandrin dans un récipient sous pression rempli d'hélium gazeux à une température de recuit de l'ordre de 760-790 C et maintien à la température de recuit pendant environ 5 minutes. Les combinaisons tuyau-mandrin ont été refroidies juste au-dessous de 200 C dans le récipient sous pression en présence de l'hélium gazeux, puis ils ont été séparés. Les tubes ont été ensuite soudés de manière à former un ensemble de conduit. Après soudage, la déformation du tube était faible ou nulle dans la zone soumise à la chaleur du soudage. D'après la description ci-dessus, le procédé de l'invention est utile pour fabriquer un ensemble de conduit métallique soudé à partir d'un tuyau métallique, suivant lequel celui-ci est dimensionné avec précision et débarrassé des contraintes internes avant son soudage. Un ensemble de conduit fabriqué selon le procédé décrit ne comporte pratiquement aucune déformation dans la zone ayant été soumise à la chaleur de soudage entre tubes. Le procédé5 décrit est particulièrement avantageux dans la fabrication d'ensembles de conduit soudé réalisés en titane ou en alliage de titane. Il va de soi que diverses modifications peuvent être apportées au procédé décrit sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un ensemble de conduit, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de mise en forme d'un tuyau à partir d'un flan plan de métal ou d'un alliage, de recuit dudit tuyau tout en exerçant une pression orientée radialement sur l'une de ses surfaces, puis de soudage d'une extrémité dudit tuyau à un élément tel qu'une armature, une entretoise, un raccord, une bride ou un tuyau préparé de manière semblable. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mise en forme du tuyau comprend les étapes de sélection d'une feuille du métal ou de l'alliage, celui-ci ayant un coefficient souhaité de dilatation thermique, de formage de ladite feuille en un conduit ayant une géométrie transversale souhaitée, ladite feuille subissant un formage tel que ses bords opposés soient mis à proximité immédiate l'un de l'autre de manière à former un joint longitudinal, puis de soudage des bords opposés de ladite feuille le long dudit joint longitudinal afin de fermer le conduit. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de recuit dudit tuyau comprend les étapes de montage du tuyau sur un mandrin ayant une section transversale plus petite et un coefficient de dilatation thermique notablement plus grand que ceux du métal ou de l'alliage utilisé pour former ledit tuyau, de manière à former une combinaison tuyau-mandrin, de chauffage de la combinaison-mandrin pour les porter à une température élevée qui soit suffisante à provoquer la dilatation du mandrin à une dimension transversale qui correspond à la dimension transversale interne souhaitée dudit tuyau, de maintien de la combinaison tuyau-mandrin à ladite température élevée pendant un temps suffisant à éliminer pratiquement les contraintes résiduelles à l'intérieur dudit tuyau et ensuite de refroidissement de ladite combinaison tuyau-mandrin pour la porter à une température à laquelle ledit tuyau et ledit mandrin peuvent être facilement séparés. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'étape de chauffage de la combinaison tuyau-mandrin comprend les étapes d'introduction de la combinaison tuyau-mandrin dans un récipient résistant à la pression, puis de fermeture et d'isolation hermétique du récipient, d'évacuation du récipient pour éliminer les gaz atmosphériques et ensuite d'introduction du récipient dans un four de traitement thermique.10 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs l'étape de remplissage du récipient par un gaz inerte après qu'il a été évacué. 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le soudage du tuyau pour réaliser l'ensemble comprend les étapes d'alignement de l'extrémité d'un premier tuyau sur une extrémité d'un ensemble et ensuite de réalisation d'une soudure circonférentielle entre le tuyau et l'ensemble pour les raccorder. 7. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le tuyau est en alliage de titane et le mandrin est en alliage d'acier inoxydable. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tuyau a une section transversale circulaire. 9. Procédé de fabrication d'un ensemble de conduit, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de formage d'un premier et d'un second tubes à partir d'un flan plan de titane ou d'alliage de titane, de recuit desdits premier et second tubes tout en exerçant une pression orientée radialement sur une surface de chacun desdits tubes et ensuite de soudage d'une extrémité dudit premier tube à une extrémité dudit second. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de formage des tubes comprend les étapes de sélection d'une feuille de titane ou d'un alliage de titane ayant un coefficient souhaité de dilatation thermique, de formage de ladite feuille en un conduit ayant une géométrie transversale souhaitée, ladite feuille subissant un formage tel que ses bords opposés soient mis à proximité étroite l'un de l'autre de manière à former un joint longitudinal et ensuite de soudage des bords opposés de ladite feuille le5 long du joint longitudinal pour fermer ledit conduit. 11. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de recuit desdits tubes comprend les étapes de montage d'un tube sur un mandrin ayant une section transversale qui est inférieure, et un coefficient de dilatation thermique qui est supérieur à ceux du titane ou de l'alliage de titane utilisé pour former ledit tube afin de former une combinaison tube-mandrin, de chauffage de la combinaison tube- mandrin pour les porter à une température élevée suffisante à provoquer la dilatation du mandrin à une dimension transversale qui correspond à une dimension transversale intérieure souhaitée dudit tube, de maintien de la combinaison tube-maintien à ladite température élevée pendant un temps suffisant à éliminer pratiquement les contraintes résiduelles dans ledit tube et ensuite de refroidissement de ladite combinaison tube- mandrin à une température à laquelle ledit tube et ledit mandrin peuvent être facilement séparés. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape de chauffage de la combinaison tube-mandrin comprend les étapes d'introduction de la combinaison tube-mandrin dans un récipient résistant à la pression, puis de fermeture et d'isolation hermétique du récipient, d'évacuation du récipient pour éliminer les gaz atmosphériques et ensuite d'introduction du récipient dans un four de traitement thermique. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend par ailleurs l'étape de remplissage du récipient par un gaz inerte après qu'il a été évacué. 14. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'étape de soudage des premier et second tubes il comprend les étapes d'alignement de l'extrémité dudit premier tube sur l'extrémité dudit second tube de manière former un joint entre elles et ensuite de réalisation d'une soudure circonférentielle autour des tubes pour les raccorder. 15. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la combinaison tube-mandrin est portée à une température d'environ 760-790 C. 16. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le conduit a une section transversale circulaire.