Brevet FR2926236A1 — publié le 20090717

L'invention concerne une installation et un procédé de soudage à l'arc arc submergé à 5 haute productivité pour le soudage de tubes. Les besoins en énergie fossile, notamment gaz et pétrole, impliquent le développement de nouveaux réseaux de pipelines à grande capacité pour approvisionner les utilisateurs. La construction et la rénovation des pipelines engendrent une forte demande de tubes soudés en acier de diamètres importants et ayant une épaisseur atteignant souvent plusieurs 10 centimètres. Ces tubes soudés sont fabriqués à partir de tôles mises en forme à l'aide d'une presse hydraulique, puis la fermeture du tube est réalisée par soudage à l'arc submergé. En effet, le choix du procédé de soudage à l'arc submergé (ci-après soudage � AS �) est motivé par deux raisons majeures, à savoir une productivité élevée et un taux de réparation 15 extrêmement faible. Dans la pratique, l'assemblage par soudage AS d'un tube en acier est réalisé en deux passes successives sur la longueur du tube, à savoir une première passe à l'intérieur du tube suivie d'une passe à l'extérieur du tube. Pour satisfaire la demande croissante de tubes, les installations de soudage AS ont été 20 modifiées au fil du temps. Ainsi, les installations de soudage AS mono-fil (encore appelée mono-tête de soudage) ont été progressivement remplacées par des installations multi-fils (encore appelée multi-têtes de soudage) pour augmenter la vitesse de soudage et par conséquent la productivité. Le principe des installations multi-fils ou multi-têtes repose sur la fusion simultanée 25 dans un même bain de soudage de plusieurs fils, chaque fil étant délivré par une tête de soudage qui lui est propre. La fusion de chaque fil est contrôlée séparément par un système de dévidage asservi à un générateur de courant. Les générateurs sont connectés pour obtenir le moins possible d'interactions électromagnétiques nuisibles à la stabilité des arcs existant à l'extrémité de chaque fil. 30 Schématiquement, le système de dévidage de fil se compose principalement d'une buse assurant le guidage et le passage du courant de soudage vers le fil, et d'un moteur électrique asservi au générateur de courant pour assurer le dévidage du fil de soudage. Le diamètre des fils est généralement de l'ordre de 4 mm. La vitesse de soudage est liée à l'épaisseur du tube à souder et au nombre de fils de soudage d'une installation, comme illustré dans le Tableau suivant qui donne les vitesses � optimales � obtenues en fonction de l'épaisseur soudée et du nombre de fils mis en ouvre. Tableau 1 Nombre Epaisseur Vitesse optimale Nombre Epaisseur Vitesse optimale de fils minimale pour épaisseur de fils maximale pour épaisseur (en mm) mini (en mm) maxi (en cm/min) (en cm/min) 1 5 150 1 20 50 3 10 250 3 30 75 5 15 350 5 40 100 Comme on le voit, les vitesses de soudage les plus élevées sont atteintes pour des tubes de faible épaisseur et, inversement, en réduisant la vitesse de soudage, on peut augmenter l'épaisseur soudée. En outre, l'augmentation du nombre de fils permet d'augmenter la vitesse de soudage quelle que soit l'épaisseur soudée. De là, pour accroître la vitesse de soudage, il est usuel d'augmenter le nombre de têtes de soudage. Or, dans la pratique, pour la fabrication de tubes, le nombre de fils est limité à 4 ou 5, selon l'installation de soudage considérée, en raison du manque de place pour ajouter un système de dévidage supplémentaire et à la difficulté de contrôle simultané des paramètres électriques de chaque fil. On comprend donc qu'actuellement, les procédés et installations de soudage AS existant ne permettent pas d'augmenter la vitesse de soudage au-delà des valeurs données dans le Tableau précédent puisqu'il n'est pas possible d'augmenter le nombre de têtes de soudage au-delà de 5 du fait d'un encombrement trop important. Le problème qui se pose est dès lors d'améliorer les procédés et installations de soudage AS multi-fils de manière à pouvoir augmenter la vitesse de soudage des tubes sans augmenter le nombre de têtes de soudage. En d'autres termes, la présente invention propose, pour un nombre de tête de soudage AS donné, par exemple 3 ou 5 têtes, et pour une épaisseur à souder donnée, d'augmenter la 25 vitesse de soudage pouvant être atteinte par rapport à un procédé AS classique. La solution de l'invention est une installation de soudage à l'arc submergé comprenant plusieurs têtes de soudage délivrant des fils de soudage, caractérisée en ce qu'au moins l'une des têtes de soudage délivre 2 fils de soudage. Selon le cas, l'installation de soudage AS de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - plusieurs têtes de soudage délivrent chacune 2 fils de soudage. - elle comporte au moins 3 têtes de soudage délivrant au moins 4 fils de soudage. - elle comporte au moins 3 têtes de soudage délivrant au moins 5 fils de soudage. - elle comporte de 3 à 5 têtes de soudage délivrant de 4 à 10 fils de soudage. L'invention porte aussi sur un procédé de soudage à l'arc submergé des deux bords longitudinaux d'un tube l'un avec l'autre, au moyen de plusieurs têtes de soudage délivrant des fils de soudage, caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites têtes de soudage délivre 2 fils de soudage. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - plusieurs têtes de soudage délivrent chacune 2 fils de soudage. - on met enivre au moins 3 têtes de soudage délivrant au moins 4 fils de soudage, de préférence au moins 5 fils de soudage. - on met enivre de 3 à 5 têtes de soudage délivrant de 4 à 10 fils de soudage. - les fils de soudage ont un diamètre compris entre 1.2 mm et 6.4 mm, de préférence entre 1.6 mm et 3.2 mm. - la première tête de soudage délivre un seul fil de soudage. - le tube à souder a une épaisseur supérieure à 0.5 mm, notamment supérieure à un ou plusieurs centimètres. -le tube à souder a un diamètre supérieur à plusieurs centimètres, notamment supérieur ou égal à une ou plusieurs dizaines centimètres. En pratique, un tel procédé de soudage à l'arc submergé des deux bords longitudinaux d'un tube s'inscrit généralement dans un procédé plus global de fabrication de tube soudé, dans lequel : a) on met en forme de U puis de O une plaque métallique en rapprochant les deux bords longitudinaux de ladite plaque, en particulier par déformation mécanique par exemple au moyen de galets presseurs ou de tout autre système analogue, de manière à obtenir un tube non soudé, de préférence les bords sont préparés avant mise en forme, b) on soude les deux bords longitudinaux du tube obtenu à l'étape a) par mise enolivre dudit procédé de soudage à l'arc submergé mettant enolivre plusieurs têtes de soudage délivrant des fils de soudage, dont l'une au moins desdites têtes de soudage délivre 2 fils de soudage, l'ensemble des fils étant progressivement fondus par des arcs électriques de manière à créer un joint de soudure entre lesdits bords du tube, et c) on obtient alors un tube soudé. La présente invention va maintenant être mieux comprise grâce à l'exemple illustratif suivant. Confronté au problème susmentionné et ne pouvant pas ajouter un système de dévidage supplémentaire sur une installation de soudage AS de tube classique du fait de l'encombrement qu'engendre une telle tête de soudage supplémentaire par rapport au peu de place disponible sur une telle installation, l'inventeur de la présente invention a eu l'idée de regrouper deux fils dans un seul système de dévidage. Dans les exemples suivants on a utilisé une installation à deux têtes de soudage, la buse d'une des têtes de soudage et les galets d'entraînement de fil sur l'arbre du moteur de dévidage qui lui sont associés ayant été modifiés pour permettre le guidage de 2 fils de diamètre 2.4 mm à la place d'un seul fil de 4 mm de diamètre, au travers de cette buse. En effet, comme montré ci-après, l'utilisation de 2 fils de 2.4 mm de diamètre permet de conserver une vitesse de dévidage proche d'un seul fil de 4 mm avec des paramètres électriques similaires. Cette modification a été réalisée ensuite sur un autre des systèmes de dévidage de l'installation, c'est-à-dire que deux têtes de soudage de l'installation ont été adaptées pour délivrer chacune deux fils au lieu d'un seul. Ensuite, des essais visant à comparer les vitesses de soudage obtenues avec l'installation équipée des 2 systèmes de dévidage, avant et après modification, ont été opérés. Les essais de soudage AS ont été réalisés avec des tôles destinées à constituer des tubes de 20 mm d'épaisseur en acier au carbone. La préparation du joint est réalisée selon le schéma donné en Figure 1. Le flux de soudage utilisé est le flux aggloméré référencé OP 132 de la gamme commerciale Oerlikon, commercialisé par la société Air Liquide Welding France. Ce flux est couramment utilisé dans la fabrication de gros tubes soudés du fait de ses qualités opératoires et des propriétés mécaniques en zone fondue qu'il permet d'obtenir. Une première série d'essais (Exemple 1 ci-après) est réalisée avec une installation classique où chaque tête de soudage délivre un seul fil de 4 mm de diamètre, puis une deuxième série d'essais (Exemple 2 ci-après) est réalisée avec une installation modifiée comme expliqué ci-dessus, c'est-à-dire comprenant deux têtes de soudage délivrant chacune 2 fils de 2,4 mm de diamètre. Les Exemples 1 et 2 sont donnés ci-après. Exemple 1 : Essais avec 2 têtes et 2 fils de 4 mm (selon l'art antérieur) Dans cet Exemple 1, on a réalisé une série d'essais avec 2 fils de diamètre de 4 mm, soit un fil par tête de soudage, sans modification des systèmes de dévidage de l'installation. 10 Cette configuration est classique en fabrication de tubes soudés par procédé AS. On a ajusté le courant de soudage des deux générateurs de courant auxquels sont asservis les moteurs de dévidage afin d'obtenir un remplissage satisfaisant du chanfrein extérieur de la préparation de joint de la Figure 1 (sur la figure 1, le chanfrein extérieur est celui du dessus). 15 Les valeurs de courant et de tension appliquées à chaque tête sont données dans le Tableau 2 ci-après, ainsi que les résultats obtenus. Pour obtenir un aspect de soudure satisfaisant, il est aussi nécessaire d'ajuster les tensions de soudage appliquées à chaque fil. Dans les conditions des essais, il est possible d'atteindre une vitesse maximale de 20 soudage de 100 à 110 cm/min en effectuant un réglage adéquat des tensions de soudage. Cependant, au delà de cette vitesse de 110 cm/min, il a été impossible, dans cette configuration, d'obtenir un cordon satisfaisant, même en augmentant le niveau de courant. En effet, les soudures présentent alors de nombreux défauts : cordons étroits, caniveaux, irrégularités des bords, mauvais détachement de laitier. 25 Tableau 2 i n° Courant et Courant et Vitesse de Résultats Essai tension de la 1 ère tension de la 2e soudage obtenus tête de soudage tête de soudage maximale obtenue A 1200 A/34V 900 A/36V 110 cm/min Aspect de cordon correct B 1300 A/34V 1000 A/36V 110 cm/min Nombreux défaut d'aspect de cordon5 Exemple 2 : Essais avec 2 têtes et 4 fils de 2.4 mm (selon l'invention) Des essais comparatifs ont été réalisés en mettant enolivre la même installation de soudage AS que précédemment mais dont deux des têtes de soudage et, bien entendu, les systèmes de dévidage associés ont été modifiés pour permettre le passage de 4 fils de 2.4 mm au lieu de seulement 2 fils comme dans l'Exemple 1. Autrement dit, 2 fils sont délivrés par chacune des têtes de soudage modifiées. Les valeurs de courant et de tension appliquées à chaque tête et les résultats obtenus sont donnés dans le Tableau 3 ci-après. Tableau 3 i n° Courant et Courant et Vitesse de Résultats Essai tension de la 1 ère tension de la 2e soudage obtenus tête de soudage tête de soudage C 1450 A/32V 1100 A/36V 170 cm/min Aspect satisfait Aucun défaut Comme on le voit dans le Tableau 2, de façon surprenante, il a été possible d'augmenter le courant sans engendrer de défauts et d'atteindre alors une vitesse de l'ordre de 170 cm/min. Cette vitesse est très supérieure (+ 60% environ) aux valeurs normalement attendues avec 2 têtes de soudage, à savoir de l'ordre de 100 à 110 cm/min. Ceci démontre que l'ajout d'un fil de soudage dans une ou plusieurs des têtes de soudage d'une installation de soudage AS permet d'augmenter significativement la vitesse de soudage. La présente invention est applicable à toute installation comprenant au moins 2 têtes de soudage AS et typiquement de 2 à 5 têtes de soudage. De cette manière, on peut délivrer simultanément jusqu'à 10 fils de soudage avec une installation à 5 têtes de soudage et donc d'atteindre des vitesses nettement supérieures aux vitesses maximales du Tableau 1 ci-dessus. En d'autres termes, selon l'invention, on met enoaivre un nombre de fils supérieur au nombre de têtes de soudage. Un exemple de réalisation d'une installation de soudage à 4 têtes de soudage est schématisé en Figures 2 et 3 ; la Figue 2 étant une vue grossie des têtes de soudage 1 à 4 de la Figure 3. Ici, l'installation de soudage AS comprend 4 têtes de soudage 1 à 4 portées par une poutre 7 et qui délivrent 7 fils 5 de soudage. Seules les deuxième 2, troisième 3 et quatrième 4 têtes de soudage sont modifiées et délivrent 2 fils 5 chacune, alors que la première tête 1 délivre un fil unique 5. En effet, selon un mode préféré de l'invention, la première tête de soudage délivre un seul fil pour obtenir une bonne pénétration de soudage. Les fils fusibles utilisables selon l'invention peuvent être des fils fourrés ou des fils 5 massifs. L'alimentation en flux de soudage utilisé lors de la mise enoazvre du procédé de soudage AS, se fait via la frémie 7. La solution de l'invention est applicable aussi bien aux installations existantes qu'aux nouvelles installations, dès lors que des problèmes d'encombrement ne permettent pas l'ajout 10 d'une tête de soudage supplémentaire. L'invention est particulièrement adaptée au soudage AS de tubes, en particulier ceux destinés au transport de gaz naturel et de pétrole. 15 Revendications 1. Installation de soudage à l'arc submergé comprenant plusieurs têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant des fils (5) de soudage, caractérisée en ce qu'au moins l'une des têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivre 2 fils (5) de soudage. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que plusieurs têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrent chacune 2 fils de soudage (5). 3. Installation selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins 3 têtes de soudage délivrant au moins 4 fils de soudage (5). 4. Installation selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins 3 têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant au moins 5 fils de soudage (5). 5. Installation selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comporte de 3 à 5 têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant de 4 à 10 fils de soudage. 6. Procédé de soudage à l'arc submergé des deux bords longitudinaux d'un tube 20 l'un avec l'autre, au moyen de plusieurs têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant des fils (5) de soudage, caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivre 2 fils de soudage (5). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que plusieurs desdites têtes 25 de soudage (1, 2, 3, 4) délivrent 2 fils de soudage (5). 8. Procédé selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'on met en oivre au moins 3 têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant au moins 4 fils de soudage (5), de préférence au moins 5 fils de soudage, de préférence on met enivre de 3 à 5 têtes de soudage 30 (1, 2, 3, 4) délivrant de 4 à 10 fils de soudage. 9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la première tête de soudage délivre un seul fil de soudage.15 10. Procédé de fabrication d'un tube soudé, dans lequel : a) on met en forme de U puis de O une plaque métallique en rapprochant, l'un de l'autre, les deux bords longitudinaux de ladite plaque de manière à obtenir un tube non soudé, de préférence lesdits bords sont préparés avant mise en forme, b) on soude ensemble les deux bords longitudinaux du tube obtenu à l'étape a) par mise enoazvre du procédé de soudage à l'arc submergé selon l'une des revendications 6 à 9 qui met enoazvre plusieurs têtes de soudage (1, 2, 3, 4) délivrant des fils (5) de soudage qui sont progressivement fondus par des arcs électriques de manière à créer un joint de soudure entre lesdits bords du tube, et c) on obtient un tube soudé.