Brevet FR2807682A1 — publié le 20011019

La présente invention concerne un procédé de soudage à l'arc électrique type MIG ou MAG, et son application au soudage circulaire de tubes ou pièces à structure tubulaire, notamment cylindrique. technologie du soudage à l'arc est largement utilisée pour souder des matériaux métalliques divers, telles des pièces ou des plaques en aciers alliés ou non, en aciers revêtus, en aciers inoxydables, en aluminium et alliages d'aluminium. D'une façon générale, pour souder les bords ou parties à unir, l'un avec l'autre, on met d'abord bout-à-bout les bords à unir manière à former un plan de joint, puis ensuite on réalise une fusion desdits bords au niveau du plan de joint au moyen d'un (ou parfois plusieurs) arc électrique et en utilisant un gaz ou un mélange gazeux, soit en tant gaz de protection, soit en tant que gaz actif. De tels procédés de soudage sont couramment utilisés dans l'industrie selon le cas, on les appelle procédés TIG (Tunsgten lnert Gas), procédés MIG (Métal Inert Gas), procédés MAG (Métal Active Gas) ou encore procédés de soudage plasma. De tels procédés sont décrits notamment parles documents suivants : EP-A-847831, US-A- ,121, EP- A-136276, A-58148096, JP-A-03198998, JP-A-03198997, A-896853, US-A-5,192,016, US-A-4,738,714, EP-A-899052, JP-A- 07294, EP-A- 234623, US- -1,872,008, US-A-4,396,820, US-A-3,13,284, US- , 811,888 et US-A-3, 1489. Dans un procédé de soudage MIG ou MAG classique, tel que schématisé sur la figure 1, les bords 1, 2 à souder ensemble portes chacun par des pièces 5, 6 à réunir l'une avec l'autre, sont d'abord préparés, c'est-à- dire qu'ils sont usinés de manière à obtenir une découpe dite en " Y ", comme montré sur la figure 1. Chaque bord 1,2 présente alors, dans son épaisseur et au niveau du plan de joint, une portion oblique 3 (ou chanfrein) située vers la face supérieure de la pièce à souder portant le bord considéré, c' -à-dire le plus en regard de la 'torche de soudage, et une portion verticale 4 située vers la face inférieure de la pièce à souder, lesdites portion oblique 3 et portion verticale 4 de chaque bord se rejoignant selon une ligne jonction située, en général, à quelques millimètres de la surface inférieure chaque pièce, typiquement à une hauteur (h) de 1.5 mm, et formant, ailleurs, entre elles un angle (a) d'environ 30 . Juste avant le soudage, les deux bords à souder ainsi usinés sont positionnes l'un en regard de l'autre, comme montré sur la figure 1, en respectant un espacement (e) entre eux, typiquement un écartement (e) de 2 à 3 mm, manière à permettre un soudage selon toute l'épaisseur. fil-électrode fusible est utilisé pour apporté du metal d'apport servant a combler le joint de soudure, c'est-à-dire à le remplir métal fondu d'apport. Or, en pratique, il a été constaté que cette façon procéder engendrait des inconvénients, en particulier obligeait à maintenir un écartement (e) constant sur toute la longueur du joint à réaliser, est-à-dire sur toute la longueur de réunion des bords et nécessitait, des lors, un positionnement minutieux desdits bords, l'un par rapport à l'autre, avant soudage. plus, étant donné que le positionnement doit être precis, il doit être realisé de façon manuelle par pointage par un opérateur et ce, y compris dans le cas de procédés de soudage automatiques, ce n'est pas pratique et nuit à la productivité du procédé de fabrication puisque nécessite l'intervention d'un opérateur en complément de la machine. Ensuite, en procédant de la sorte, on observe souvent défauts et des irrégularités de soudage, en particulier en soudage circulaire de pièces à structure tubulaire, au début et à la fin du joint circulaire soudure, ce qui nécessite un meulage ou un traitement analogue subséquent de la soudure ainsi obtenue, destiné à la rendre plus régulière. Par ailleurs, un autre problème qui se pose aussi avec les procédés de soudage MIG ou MAG connus est qu'ils ne permettent pas d'obtenir une pénétration totale et régulière, c'est-à-dire uniforme et selon toute l'épaisseur à souder, qui soit sans défaut et de fiabilité de répétition elevée, c'est-à-dire proche de 100 % , et qui évite au maximum les projections de métal fondu. Ceci est particulièrement problématique lorsque le procédé de soudage MIG ou MAG est utilisé par souder ensemble les deux bords ou extrémités circulaires de deux tubes ou de deux structures à extrémités tubulaires devant être soudées selon un joint de soudage circulaire. En effet, en soudage circulaire, le procédé de soudage mis en oeuvre doit permettre d'éviter les projections de métal en fusion à l'intérieur de la structure tubulaire à réaliser car de telles projections de métal nécessitent des opérations subséquentes de parachèvement, c'est-à-dire des opérations de finition ou d'usinage de l'intérieur de la structure tubulaire après soudage, pour en éliminer ces résidus de projections, ce qui est d'autant plus difficile à réaliser que le diamètre de la structure tubulaire soudée est faible et engendre, par ailleurs, des pertes de productivité. Or, on comprend aisément que souder ensemble deux structures tubulaires en positionnant les bords circulaires à souder comme montré sur la figure 1, conduit obligatoirement à des projections de métal fondu à l'intérieur de la structure soudée puisque les bords sont écartés de l'autre d'une distance (e) non nulle d'où il résulte obligatoirement un écroulement du bain de fusion vers l'intérieur de la structure tubulaire creuse durant son soudage. Une solution immédiate pour l'homme du métier consisterait à simplement rapprocher davantage les bords circulaires à unir de maniere à réduire l'écartement (e) au minimum. Toutefois, cette solution ne résout que partiellement le problème car, si elle permet de réduire la quantité de projections, il se trouve que cette réduction des projections est réalisée au détriment d'une pénétration totale et donc d'une fiabilité du procédé de soudage circulaire. En effet, en procédant ainsi, il a été observé que portion verticale 4 de chaque bord à réunir était souvent mal ou pas soudee, ce qui engendre alors inévitablement une fragilité et des imperfections la soudure ainsi obtenue pouvant conduire à des problèmes ultérieurs rupture et/ou de corrosion accelérée due à l'infiltration par exemple de fluide corrosif dans le joint de soudure. De là, but de la présente invention est de résoudre les problèmes susmentionnes en proposant un procédé de soudage ou MAG, en particulier applicable au soudage circulaire de tubes ou de structures tubulaires, permettant d'obtenir un positionnement rapide et efficace des deux bords circulaires à souder sans nécessiter l'intervention d'un opérateur, c' -à-dire de manière automatique ; qui conduise à un soudage régulier sur toute la longueur du joint circulaire de soudure à réaliser, ainsi qu'à une pénetration maximale et constante, y compris au niveau de la zone de recouvrement après soudage de toute la périphérie du tube (>360 ) ; et qui permette d'éviter au maximum les projections de métal vers l'intérieur de la structure creuse tubulaire à souder. La solution apportée par la présente invention est alors un procédé de soudage MIG ou MAG pour souder ensemble une première pièce métallique ayant un premier bord avec une seconde pièce métallique ayant un second bord, dans lequel lesdits bords sont soudés ensemble selon un joint de soudure de manière à réunir lesdites pièces l'une à l'autre, caractérisé en ce que (a) préalablement au soudage desdits bords l'un avec l'autre, on positionne au moins une partie d'un talon porté par ledit premier bord et faisant saillie par rapport à la surface latérale dudit premier bord dans au moins une partie d'un logement aménagé dans le second bord et en retrait par rapport à surface latérale dudit second bord, (b) on soude ensemble lesdites pièces réunies lesdits premier et deuxième bords tout en maintenant en position ledit talon dudit premier bord au moins partiellement positionné dans ledit logement dudit second bord. Selon cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes - la surface latérale d'au moins un desdits bords comporte une portion oblique formant un angle ((3) compris entre 10 et 80 rapport au plan de joint, de préference un angle (P) compris entre 15 et de préférence encore un angle ([3) compris entre 15 et 45 . Dans le cadre l'invention, le plan de joint peut être défini comme le plan passant approximativement au centre de la soudure et perpendiculaire à la surface superieure des pièces à souder ou à plan tangentiel à la surface desdites pièces lorsque ces pièces sont tubulaires ou incurvées. - le talon est usiné à proximité de la surface inférieure de la pièce portant le premier bord, de préférence la surface inferieure du talon est formée par partie de la surface inférieure de la pièce portant le premier bord. - le logement présente, en coupe transversale, un profil correspondant approximativement à au moins une partie du profil du talon. En d'autres termes, le logement et le talon peuvent revêtir des formes tridimensionnelles variées mais celles-ci devront toutefois permettre un emboîtement d'au moins une partie du talon dans le logement. - le talon et/ou le logement présente, en coupe transversale, un profil polygonal, préférence triangulaire, carré, rectangulaire ou trapézoïdal. - le premier bord constitue une extrémité d'une pièce de forme incurvée et second bord constitue une extrémité d'une pièce de forme incurvée, lesdites pièce et pièce étant assemblées l'une à l'autre par soudage desdits bord et bord l'un avec l'autre selon joint de soudure incurvé, de préférence lesdites pièces sont approximativement tubulaires et le joint dé soudure est approximativement circulaire. Par pièces tubulaires, on entend des pièces ayant, au niveau des bords à souder ensemble pour permettre leur assemblage, une forme ou structure tridimensionnelle cylindrique, ovale, elliptique ou analogue. les bords sont soudés en moins de 5 passes de soudage, de préférences 1 à 3 passes. un métal d'apport est amené sous forme d'un -électrode fusible, par exemple un fil plein ou un fil fourré, de préférence un plein. la profondeur (d2) du logement est comprise entre 0,1 et 4,8 mm, de préférence entre 0,2 et 2 mm. la distance (d) entre l'extrémité avant du talon l'extrémité arrière du talon est comprise entre 1,5 et 7 mm, de préférence entre environ 2,2 et 5 mm. la hauteur (H) du talon et/ou la hauteur du logement est comprise entre 0.1 et 4 mm, de préférence entre 0,4 et mm. les bords des pièces ont une épaisseur (E) moins 2 mm, de préférence de 3 mm à 10 mm. le gaz de soudage est choisi parmi les gaz mélanges gazeux commercialisés par la Société L'AIR LIQUIDE TM sous la dénomination ARCALTM. Selon un autre aspect, l'invention porte aussi un procédé de soudage d'une première pièce ayant une extrémité tubulaire comportant un premier bord avec une deuxième pièce ayant une extrémité tubulaire comportant un second bord, dans lequel on opère un soudage circulaire desdits bords l'un avec l'autre par mise en oeuvre d'un procédé de soudage MIG ou MAG, le premier bord comportant un talon faisant saillie par rapport à la surface latérale dudit premier bord, au moins une partie dudit talon du premier bord venant s'insérer avant soudage et étant maintenu pendant le soudage dans au moins une partie d'un logement aménagé dans la surface latérale dudit second bord. - la hauteur (H') du logement est approximativement égale ou inférieure à la hauteur (H) du talon. - pièces à souder sont en un métal ou un alliage métallique choisi parmi aciers au carbone, les aciers inoxydables, les aciers à hautes limites elastiques, les duplex, les cuivres et alliages de cuivre. - on réalise un soudage à 360 sur lesdites pièces, c'est-à-dire sur toute périphérie externe desdites pièces au niveau des bords les réunissant l'une à l'autre. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un procédé de préparation d'une première pièce métallique ayant un premier bord et d'une seconde pièce métallique ayant un second bord, lesdites pieces devant être assemblees l'une avec l'autre par soudage MIG ou MAG desdits bords selon un joint soudure, dans lequel, préalablement au soudage, on usine au moins un talon faisant saillie par rapport à la surface latérale dudit premier bord et on usine au moins un logement en retrait par rapport à la surface latérale dudit second bord, ledit talon et ledit logement étant dimensionnés de manière à permettre une insertion au moins partielle dudit talon dans ledit logement, de préférence ladite première pièce métallique ayant un premier bord et ladite seconde pièce métallique ayant un second bord sont tubulaires au niveau desdits premier bord et second bord. Selon encore un autre aspect, l'invention porte aussi un ensemble soudé formé par une première pièce métallique ayant un premier bord de forme tubulaire et par une seconde pièce métallique ayant second bord de forme tubulaire, lesdites pièces étant soudées ensemble selon un joint de soudure approximativement circulaire unissant lesdits desdits bords l'un avec l'autre, un talon faisant saillie par rapport à la surface latérale dudit premier bord étant inséré et maintenu dans cette position du fait du soudage dans un logement en retrait par rapport à la surface latérale dudit second bord. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à une description detaillée faite en références aux figures 2 à 5 illustratives ci- jointes. Les figures 2 et 3 représentent des schémas en coupe de la zone de réunion, avant soudage par un procédé MIG ou MAG selon l'invention, d'une première pièce 5 métallique ayant un premier bord 1 avec une seconde pièce 6 métallique ayant un second bord 2, lesdits bords 1, 2 étant usines conformément à l'invention. Plus précisément, le premier bord 1 comporte un talon 7 faisant saillie par rapport à surface latérale 11 dudit premier bord 1. Par ailleurs, le second bord 2 de la deuxième pièce 6 comporte, quant à lui, un logement 8 en retrait par rapport à la surface latérale 12 dudit second bord Comme on le voit, préalablement au soudage desdits bords 1, 2 avec l'autre, talon 7 est mis en position, c'est-à-dire partiellement insére et maintenu dans le logement 8 du second bord 2, pendant le soudage desdits bords 1, 2 avec l'autre par mise en oeuvre du procédé de soudage ou MAG selon l'invention de manière à réaliser le joint 10 de soudure et a unir ensemble les pièces 5 et 6. Après soudage, comme montré sur la figure 5 représentant un ensemble soudé selon l'invention, les pièces 5, 6 tubulaires sont réunies par soudage de leurs bords ou extrémités 1, 2 selon un joint 10 de soudure, ici de forme circulaire. En outre, comme on le voit sur les figures 2 à 4, les surfaces latérales 11, 12 des bords 1, 2 comportent chacune une portion oblique , 22 formant un angle P compris préférentiellement entre 15 et 45 rapport au plan 50 de joint, les portions obliques 21, 22 commençant au niveau de la surface supérieure 5b, 6b, des pièces 5, 6 et se terminant dans l'épaisseur desdites pièces 5, c'est-à-dire au niveau de l'extrémité arrière 7c du talon 7 pour ce qui concerne la portion oblique 21 et au niveau de l'extrémité avant 8a du logement 8 pour ce qui concerne la portion oblique 22. Les pentes (i.e. les angles P respectifs ) des portions obliques 21, 22 peuvent être égales ou differentes, de préférence approximativement égales. A titre d'exemple, le talon 7 et le logement 8 peuvent avoir le dimensionnement suivant - profondeur d2 du logement 8 entre 0,2 et 2 mm, - distance d du talon 7 entre 2,2 et 5 mm, - la hauteur H du talon entre 0,1 et 1 mm, - hauteur H' du logement 8 est entre 0,4 et 1 mm. Il est à noter que le logement 8 et le talon 7 peuvent être usinés de n'importe quelle façon connue exemple par meulage ou analogue. La figure 4 montre le positionnement de deux pièces 5,6 tubulaires l'une par rapport à l'autre (vue en coupe), juste avant leur soudage l'une avec l'autre par mise en oeuvre d'un procédé de soudage MIG ou MAG selon l'invention, et la figure 5 montre la structure globale soudée ainsi obtenue, laquelle est formée par assemblage des pièces 5 et 6 selon un joint 10 de soudure circulaire réalisé sur périphérie externe desdites pièces 5, 6. La présence du talon 7 dans le fond du joint 10 de soudure circulaire à réaliser, comme montré sur la figure 4, est particulièrement avantageux car ce talon 7 permet d'éviter une projection de métal fondu vers l'intérieur de la structure tubulaire 5,6 obtenue par assemblage des pièces 5 et 6, avec insertion du talon 7 dans le logement 8. En effet, la présence du talon 7 permet de maintenir le bain de métal fondu, obtenu par fusion d'un fil-électrode fusible, dans la gorge délimitée latéralement par les surfaces obliques 21, 22 des bords 1 et 2, et au fond par le talon 7. Ainsi, soudage circulaire de l'intégralité du joint circulaire, c'est- à-dire le soudage sur les 360 de circonférence des pieces 5,6, peut "ter réalisé en, exemple, deux passes. L'invention est applicable au soudage MIGIMAG tubes quels que soient leur diamètre et la nuance du métal ou de l'alliage les constitue. Revendications 1. Procédé de soudage MIG ou MAG pour souder ensemble une première pièce (5) métallique ayant un premier bord (1) avec une seconde pièce (6) métallique ayant un second bord (2), dans lequel lesdits bords (1, 2) sont soudés ensemble selon un joint (10) de soudure de manière à réunir lesdites pièces (5, 6) l'une à l'autre selon ledit joint (10), caractérisé en ce que (a) préalablement au soudage desdits bords (1, 2) l'un avec l'autre, on positionne au moins une partie d'un talon (7) porté par ledit premier bord ) et faisant saillie par rapport à la surface latérale (11) dudit premier bord ) dans au moins une partie d'un logement (8) aménagé dans le second bord (2) et en retrait par rapport à la surface latérale (12) dudit second bord on soude ensemble lesdites pièces (5, 6) réunies par lesdits premier deuxième bords (1, 2) tout en maintenant en position ledit talon (7) dudit premier bord (1) au moins partiellement positionné dans ledit logement dudit second bord (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface latérale , 12) d'au moins un desdits bords (1, 2), de préférence des premier deuxième bords (1, 2), comporte une portion oblique (21, formant angle (P) compris entre 10 et 80 par rapport au plan (50) joint, préférence un angle (P) compris entre 15 et 60 , de préférence encore angle ((3) compris entre 15 et 45 . Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le talon (7) est usiné à proximité de la surface inférieure (5a) de la pièce (5) portant le premier bord (1), de préférence la surface inférieure (7b) du talon (7) est formée par une partie de la surface inférieure (5a) la pièce portant le premier bord (1). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caracterisé en ce le logement (8) est usiné à proximité de la surface inférieure (6a) de la deuxième pièce (6) portant le deuxième bord (2), de préférence logement est un évidemment pratiqué dans la surface (6a) inférieure de la deuxième pièce (6). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caracterisé en ce le logement (8) présente, en coupe transversale, un profil correspondant approximativement à au moins une partie du profil du talon (7), de preférence le talon (7) et/ou le logement (8) présente, en coupe transversale, un profil polygonal, préférentiellement triangulaire, carré, rectangulaire ou trapézoïdal. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caracterisé en ce le premier bord (1) constitue une extrémité d'une pièce de forme incurvée et le second bord (2) constitue une extrémité d'une piece (6) de forme incurvée, lesdites pièce (5) et pièce (6) étant assemblées l'une à l'autre par soudage desdits bord (1) et bord (2) l'un avec l'autre selon un joint de soudure (10) incurvé, de préférence lesdites pièces 6) sont approximativement tubulaires et le joint de soudure 0) est approximativement circulaire. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bords (1, 2) sont soudés en 1 à 3 passes de soudage. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un métal d'apport est amené sous forme d'un fil-électrode fusible. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caracterisé en ce que - profondeur (d2) du logement (8) est comprise entre 0,1 et 4,8 mm, de préférence entre 0,2 et 2 mm, - distance (d) entre l'extrémité avant (7a) du talon (7) l'extrémité arrière (7c) du talon (7) est comprise entre 1,5 et 7 mm, de préference entre environ 2 et 5 mm, - hauteur (H) du talon (7) et/ou la hauteur (H') du logement (8) est comprise entre 0.1 et 4 mm, de préférence entre 0,4 et 1 mm. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que bords (1, 2) des pièces (5, 6) ont une épaisseur (E) moins 2 mm, préférence de 3 mm à 10 mm. . Procédé de soudage d'une première pièce (5) ayant une extrémité tubulaire comportant un premier bord (1) avec une deuxième pièce (6) ayant une extremité tubulaire comportant un second bord (2), dans lequel on opère un soudage circulaire desdits bords (1, 2) l'un avec l'autre par mise en ceuvre procédé de soudage MIG ou MAG, le premier bord (1) comportant un talon (7) faisant saillie par rapport à la surface latérale (11) dudit premier bord (1), au moins une partie dudit talon (7) du premier bord (1) venant s'insérer avant soudage et étant maintenu pendant le soudage dans moins une partie d'un logement (8) aménagé dans la surface latérale 2) dudit second bord (2). 1 Ensemble soudé formé par une première pièce métallique ayant un premier bord (1) de forme tubulaire et par une seconde pièce (6) métallique ayant un second bord (2) de forme tubulaire, lesdites pièces (5, 6) étant soudées ensemble selon un joint (10) soudure approximativement circulaire unissant lesdits desdits bords (1, 2) l'un avec l'autre, un talon (7) faisant saillie par rapport à la surface latérale (11 dudit premier bord (1) étant inséré et maintenu dans cette position du fait du soudage dans un logement (8) en retrait par rapport à la surface latérale (12) dudit second bord (2). 13. Procédé de préparation d'une première pièce (5) métallique ayant un premier bord (1) et d'une seconde pièce (6) métallique ayant un second bord (2), lesdites pièces (5, 6) étant susceptibles d'être assemblées l'une avec l'autre par un procédé de soudage MIG ou MAG desdits bords (1, 2) selon un joint (10) de soudure, dans lequel, préalablement au soudage, on usine au moins un talon (7) faisant saillie par rapport à la surface latérale (11) dudit premier bord (1) et on usine au moins un logement (8) en retrait par rapport à la surface latérale (12) dudit second bord (2), ledit talon (7) et ledit logement (8) étant dimensionnés de manière à permettre une insertion au moins partielle dudit talon (7) dans ledit logement (8), de préference ladite première pièce (5) métallique ayant un premier bord (1) et ladite seconde pièce (6) métallique ayant un second bord (2) sont de forme tubulaire au niveau desdits premier bord (1) et second bord (2).