Brevet FR2939058A1 — publié le 20100604

La présente invention concerne un procédé de soudage d'un ou plusieurs tubes formant des piquages sur une structure de type réservoir, cuve ou similaire. Certains matériels industriels, par exemple des cuves ou des réservoirs, sont formés d'une structure creuse tridimensionnelle comprenant un ou des � piquages �, c'est-à-dire qu'un ou plusieurs tubes sont fixés à ladite structure au niveau d'orifices formés dans la paroi de la structure de manière à permettre des échanges fluidiques entre l'intérieur de chaque tube et l'intérieur de ladite structure. Généralement, la fixation des tubes ou piquages se fait par soudage circonférentiel de chacun des tubes sur ladite structure, au niveau de chaque orifice. Or, effectuer des soudures à productivité élevée, notamment en termes de vitesse de soudage, et de bonne qualité dans ce type d'application, notamment dans le cas de piquages sur une sphère ou une portion de sphère, n'est pas chose aisée. Le problème est encore plus important lorsque plusieurs tubes ou piquages doivent être soudés de manière rapprochée les uns des autres sur ladite structure car l'accès aux joints de soudure devient très restreint du fait de la position rapprochée, par exemple à 120 mm les uns des autres, des tubes faisant saillie à la surface de la structure considérée, par exemple un réservoir. Actuellement, ce type de soudage est réalisé depuis l'extérieur par procédé de soudage à l'arc de type TIG pour ce qui est de la première passe de soudage, voire de plusieurs passes successives dans certains cas, puis remplissage du chanfrein, en une ou plusieurs passes de soudage de type MAG, avec apport de métal, notamment via un fil fusible. Or, devoir effectuer la (ou plusieurs) première passe par soudage TIG nécessite de réaliser une préparation à ouverture assez large, c'est-à-dire un chanfrein typiquement en Y ou en V, sur les bords du tube et sur la périphérie de chaque orifice auquel un tube doit être raccordé, ce qui engendre après coup, l'utilisation d'une quantité importante de fil de soudage, lors du remplissage dudit chanfrein par le procédé MAG subséquent, donc un nombre de passes élevé et par conséquent une détérioration de la productivité. De plus, ceci nécessite alors souvent aussi la mise en place d'un support envers, alors que l'accès à l'intérieur de la structure n'est pas toujours possible ou aisé. Par ailleurs, la faible qualité de soudure en TIG rend obligatoire une préparation de joint après la passe de fond, ce qui est long, coûteux et nuit également à la productivité globale. En outre, la configuration de la construction soudée rend souvent l'accès à l'intérieur quasi impossible. En outre, le volume important de cordon important engendré par le remplissage du chanfrein induit parfois des déformations et retraits importants des tôles. Le but de l'invention est dès lors de proposer un procédé amélioré de soudage circonférentiel de tubes ou piquages sur une structure, au niveau d'orifices portés par ladite structure, en particulier un procédé permettant d'obtenir une meilleure qualité de la première passe de soudage, qui permette de réaliser un chanfrein d'ouverture plus faible qu'en soudage TIG, qui ne nécessite pas de préparation du joint après la dite première passe et préalablement au remplissage du chanfrein, qui permette dès lors d'utiliser moins de métal déposé lors du remplissage de chanfrein subséquent et/ou qui améliore la productivité globale du procédé. La solution de l'invention est un procédé de soudage plasma d'un tube métallique sur une structure métallique comprenant un orifice, dans lequel : a) on positionne le tube autour de l'orifice aménagé dans la paroi de la structure de manière à ce que l'intérieur du tube communique fluidiquement avec l'orifice, et b) on opère un soudage du tube positionné autour de l'orifice, à la paroi de la structure. Selon ce procédé, à l'étape b), on opère un soudage par arc plasma autour de la périphérie externe du tube. Un tel procédé de soudage plasma se différencie d'un procédé de soudage TIG par la mise en oeuvre d'une densité d'énergie transmise à la pièce à souder plus importante, à savoir de l'ordre de 106 W/mm2 au lieu de seulement 50 W/mm2 environ, ce qui permet un soudage par faisceau traversant toute l'épaisseur de la pièce appelé soudage en mode keyhole (trou de serrure) qui ne peut pas être obtenu en soudage TIG conventionnel. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la structure comprend plusieurs orifices, en ce qu'à l'étape a), on positionne un tube autour de chaque orifice et en ce qu'à l'étape b), on soude successivement les tubes autour desdits orifices. - la structure comporte une courbure, en particulier la structure est une plaque ou 30 une sphère ou une portion de sphère, de préférence un fond d'appareil à pression. - le bord d'extrémité du tube et le bord de l'orifice comportent un chanfrein usiné mécaniquement en � V �, en � Y � ou en U, de préférence le chanfrein est réalisé préalablement à l'étape a). - les deux bords comportent une préparation de type chanfrein formant un talon et en ce qu'à l'étape b), le jet de plasma d'arc engendre une fusion complète dudit talon dans toute son épaisseur. - le soudage plasma du talon de chacun des tubes est réalisé en une seule passe. - postérieurement à l'étape b), on opère un remplissage du chanfrein par dépôt dans ledit chanfrein, de métal fondu apporté par la fusion d'un fil fusible, en particulier d'un fil chaud, c'est-à-dire d'un fil chauffé par un courant électrique issu d'une source de courant annexe. - le remplissage du chanfrein est opéré par mise en oeuvre d'un procédé de 10 soudage arc sous flux gazeux avec dépôt dans ledit chanfrein de métal fondu provenant de la fusion progressive dudit fil chaud, de préférence un procédé de soudage plasma. - le remplissage du chanfrein est opéré en plusieurs passes de soudage successives opérées depuis l'extérieur du tube. - le tube a un diamètre extérieur minimum de 80 mm et une épaisseur minimale de 15 5 mm. - la structure métallique et/ou le tube est un matériau homogène en acier au carbone, en acier inoxydable ou en base nickel ou matériau plaqué avec un support acier au carbone et un revêtement acier inoxydable ou base nickel. - la structure métallique est un réservoir de stockage ou un appareil à pression, ou 20 une partie d'une telle structure. La présente invention va être mieux comprise grâce à la description suivante, faite en références aux figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est une vue schématique en coupe d'un assemblage à souder selon l'invention, 25 - la Figure 2 est une vue de côté de l'assemblage de la Figure 1, - la Figure 3a et 3b illustrent les Essais 1 et 2 ci-après, et - la Figure 4 montre un soudage de plusieurs tubes sur une structure de type réservoir à plusieurs piquages de sortie. La Figure 1 est une vue schématique en coupe d'un assemblage à souder selon 30 l'invention où l'on voit un tube 3 positionné autour d'un orifice 2 aménagé dans la paroi de la structure 2, par exemple la paroi d'un réservoir ou d'une partie d'un réservoir, tel un fond de réservoir de forme hémisphérique ou similaire. Le tube 3 est positionné au niveau de l'orifice 2 de manière à former un piquage sur la structure 1. Le bord 3a circulaire (périmètre externe) d'extrémité du tube 3 vient donc en contact avec la périphérie de l'orifice 2 et est soudé dans cette position de sorte que l'intérieur 4 du tube 3 communique fluidiquement avec l'orifice 2, c'est à dire que lors du fonctionnement de la structure, un fluide sera apte à circuler au travers de l'orifice et de l'intérieur du tube 3. Selon l'invention, opère un soudage du tube 3 positionné autour de l'orifice 2 en utilisant un jet plasma délivré par une torche dite de soudage plasma, en particulier une torche orbitale ou robotisée, de manière à réaliser une soudure circulaire ou circonférentielle tout autour de la périphérie externe du tube 3, comme illustré en Fig. 1 et 2. L'invention porte donc sur la mise en oeuvre d'un procédé de soudage par jet de plasma depuis l'extérieur du tube pour réaliser au moins une première passe de soudage à pleine pénétration. De préférence, le bord d'extrémité du tube 3 et celui de l'orifice 2 comportent un chanfrein 5 circulaire en � V �, en � Y � ou en U réalisé préalablement à l'étape a). Un chanfrein 5 en � V � est montré sur les figures 1, 3a et 3b. Le soudage par arc plasma de chacun des tubes 3 est réalisé de préférence en une seule passe. Ensuite, le remplissage du chanfrein 5 est obtenu par dépôt multi-passes de métal fondu dans le chanfrein 5 jusqu'à comblement de celui-ci. Le métal fondu est apporté par un fil de soudage, de préférence un fil chaud. Plus précisément, le remplissage du chanfrein est opéré par mise en oeuvre d'un procédé de soudage identique complété par un fil d'apport en configuration TIG avec fil chaud ou plasma avec fil chaud. Le remplissage du chanfrein 5 est donc opéré en plusieurs passes de soudage successives opérées depuis l'extérieur du tube 3, comme illustré sur la Figure 3b. La présente invention est particulièrement adaptée au soudage de plusieurs piquages tubulaires sur un réservoir, une cuve, ou une partie d'un tel équipement. Lorsque plusieurs tubes 3 doivent être soudés les uns à côté des autres sur une structure 1, alors on utilise une torche de soudage plasma compacte comme illustré en Figure 4 se caractérisant par une miniaturisation du corps de torche (62 mm de diamètre ; 105 mm de hauteur) qui autorise son passage dans des espaces réduits entre les tubes par exemple de 115 mm, mais permet néanmoins un soudage à une intensité allant jusqu'à 400 A. De préférence, en tant que gaz de soudage, on utilise un mélange gazeux formé d'argon et d'hydrogène (Ar/H2), tels les gaz ARCALTM 10 et ARCALTM 15 commercialisés 35 par L'Air Liquide. Exemples Afin de vérifier l'efficacité du procédé de l'invention, les essais comparatifs suivants ont été réalisés sur le soudage d'un tube en acier inoxydable type 304L, de diamètre égal à 200 mm et d'épaisseur égale à 15 mm, soudé en position corniche en utilisant : - Essai 1 : soit un procédé de soudage de l'art antérieur avec première passe de pénétration en soudage TIG et remplissage en plusieurs passes successives par soudage TIG avec fil chaud (FIG. 3a), - Essai 2 : soit un procédé de soudage selon l'invention avec première passe de 10 pénétration en soudage plasma mode keyhole et remplissage en plusieurs passes successives par soudage plasma avec fil chaud (FIG. 3b). En soudage TIG avec fil chaud, le fil est chauffé par effet Joule par une source de courant électrique alternatif annexe pour l'amener à une température proche mais inférieure à sa température de fusion. Cette énergie complémentaire contribue directement 15 à la fusion du fil et permet d'atteindre un taux de dépôt de 2 à 4 fois supérieur à ceux obtenus en soudage TIG conventionnel avec fil froid, c'est-à-dire non chauffé par une source annexe de courant. Le Tableau 1 donne des exemples de paramètres de soudage applicables et de temps d'exécution pour l'Essai 1, alors que le Tableau 2 donne ceux pour l'Essai 2 (selon 20 l'invention). Tableau 1 : Essai 1 / Soudage TIG classique Passe de fond (lère passe) par procédé de soudage TIG I U Gaz Diamètre Vitesse Vitesse Nbre de Temps (Ar) du fil de fil soudage passes d'exécution 200 A 13 V 15 1/min 1 mm 0.6 0.2 m/mn 1 31 mn m/mn Remplissage par procédé TIG fil chaud (section du chanfrein à remplir environ 110 mm2) Tête de soudage TIG I U Gaz Diamètre du V fil Vitesse Nbre de Temps fil soudage passes d'exécution 180 A 21.6 V Ar / / 0.5 m/min 16 201 mn 15 1/min Fil chaud 220-250 A 6-8 V Ar 1.2 9.5 0.5 16 201 mn 101/mn mm m/min m/min Temps total de soudage par mètre de joint (sans préparation) : 232 min Cet essai 1 est schématisé en Figure 3a. 5 10 Tableau 2 : Essai 2 / Soudage plasma selon l'invention Passe de fond par procédé plasma I U Gaz Gaz Diamètre Vitesse Vitesse Nombre Temps Plasma annulaire de fil de fil soudage de passes d'exécution (Ar) (Ar/H2) 270-300 28-30 3.5 - 4 25 1.2 mm 1.8 0.25 1 25 mn A V 1/min 1/min m/min m/min Remplissage par procédé plasma fil chaud (section du chanfrein à remplir environ 50 mm2) I U Gaz Gaz Diamètre Vitesse Vitesse Nombre Temps Plasma annulaire de fil de fil soudage de passes d'exécutio (Ar) (Ar/H2) n 150-180 26-28 41/min 25 / / 0.60 8-10 105 mn A V 1/min m/min Fil chaud 220-250 6-8 V Ar / 1.2 mm 11.5 0.60 8-10 105 mn A 10 1/mn m/min m/min Temps total de soudage par mètre de joint (sans préparation) : 125 min Cet essai 3 est schématisé en Figure 3b. Comme on peut le voir, les gains effectifs se situent : - d'une part, au niveau de l'exécution de la première passe que l'on soit en mode 5 keyhole ou en mode plasma déconfiné, soit 25 mn au lieu de 31 mn, - et surtout au niveau du remplissage du chanfrein essentiellement du fait de la réduction de section de métal déposé autorisée par la première passe plasma plus conséquente en épaisseur de tube. Le procédé de l'invention permet d'obtenir un temps d'exécution de 105 mn au lieu de 201 mn en procédé TIG conventionnel. 10 La solution de l'invention affiche donc un temps global d'exécution de 125 mn au lieu de 232 mn, soit un gain de productivité de 46% par rapport à un procédé de soudage TIG conventionnel. Revendications1. Procédé de soudage d'un tube (3) métallique sur une structure (1) métallique comprenant un orifice (2), dans lequel : a) on positionne le tube (3) autour de l'orifice (2) aménagé dans la paroi de la 5 structure (2) de manière à ce que l'intérieur (4) du tube (3) communique fluidiquement avec l'orifice (2), et b) on opère un soudage du tube (3) positionné autour de l'orifice (2), à la paroi de la structure (2), caractérisé en ce qu'à l'étape b), on opère un soudage par arc plasma autour de la 10 périphérie externe du tube. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure (1) comprend plusieurs orifices (2), en ce qu'à l'étape a), on positionne un tube (3) autour de chaque orifice (2) et en ce qu'à l'étape b), on soude successivement les tubes (3) autour 15 desdits orifices (2). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure (1) comporte une courbure, en particulier la structure (1) est une plaque ou une sphère ou une portion de sphère, de préférence un fond d'appareil à pression. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord d'extrémité du tube (3) et le bord de l'orifice (2) comportent un chanfrein (5) usiné mécaniquement en � V �, en � Y � ou en U, de préférence le chanfrein (5) est réalisé préalablement à l'étape a). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux bords comportent une préparation de type chanfrein (5) formant un talon et en ce qu'à l'étape b), le jet de plasma d'arc engendre une fusion complète dudit talon dans toute son épaisseur. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le soudage plasma du talon de l'un ou de chacun des tubes (3) est réalisé en une seule passe. 20 25 30 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que postérieurement à l'étape b), on opère un remplissage du chanfrein (5) par dépôt dans ledit chanfrein (5), de métal fondu apporté par la fusion d'un fil fusible. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplissage du chanfrein est opéré par mise en oeuvre d'un procédé de soudage arc sous flux gazeux avec dépôt dans ledit chanfrein (5) de métal fondu provenant de la fusion progressive dudit fil chaud. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le remplissage du chanfrein (5) est opéré en plusieurs passes de soudage successives opérées depuis l'extérieur du tube (3). 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le 15 tube (3) a un diamètre extérieur minimum de 80 mm et une épaisseur minimale de 5 mm.