Brevet FR2974528A1 — publié le 20121102

L'invention concerne un procédé de fabrication d'un fil fourré étanche destiné au soudage, dans lequel le fil est soudé par faisceau laser, après son remplissage des éléments de remplissage formant le flux interne du fil fourré, puis soumis à un traitement thermique permettant d'améliorer les opérations de tréfilage/laminage subséquentes. Les fils fourrés sont utilisés dans certains procédés de soudage, notamment à l'arc, par exemple en soudage MIG/MAG, TIG ou à l'arc submergé (SAW). Un fil fourré est habituellement constitué d'une enveloppe externe, encore appelée feuillard, formée d'une bande métallique mise sous forme tubulaire, et d'un flux de interne formé d'éléments de remplissage, tels des poudres ou des granulés. Un tel fil fourré est notamment décrit par les documents US-A-6787736 ou FR-A-2766399. La fabrication d'un fil fourré peut être réalisée selon plusieurs méthodes différentes connues présentant chacune des avantages et des inconvénients. Selon une première méthode connue schématisée en Figure 1, on part d'une bande métallique ou « feuillard », qui constitue l'enveloppe externe du fil, qui est progressivement pliée par des galets formeurs ou analogue et remplie de matières premières, c'est-à-dire de flux de remplissage contenant des éléments métalliques et éventuellement non métalliques. Plus précisément, une feuille ou bande métallique est d'abord laminée à froid jusqu'à de relativement petites dimensions, typiquement de 9 à 30 mm de largeur et de 0,4 à 1,5 mm d'épaisseur, puis mise en forme de « U » par rapprochement l'un vers l'autre de ses deux bords longitudinaux. Après formage en « U », on y introduit un mélange homogène des diverses matières premières constituant le flux interne, puis on poursuit le formage pour aboutir à une forme tubulaire en « O » non scellée, laquelle est ensuite tréfilée jusqu'au diamètre d'utilisation désiré, par exemple de 0,8 à 4 mm de diamètre. Dans ce cas, les bords longitudinaux du tube formant le fil ne sont pas soudés et donc le fil n'est pas étanche. Cette première méthode est relativement simple à mettre en oeuvre et permet de produire des fils avec une composition interne très homogène. Toutefois, les fils fourrés ainsi obtenus sont sensibles à la reprise d'humidité puisque n'étant pas étanches, de la vapeur d'eau peut pénétrer à l'intérieur du fil durant son stockage, ce qui peut conduire à des niveaux d'hydrogène diffusible trop élevés et donc non acceptables dans les cordons de soudure obtenus par fusion de ces fils. De plus, la quantité horaire de fil fourré produite est réduite à cause de la faible épaisseur et de la largeur étroite du feuillard. Par ailleurs, selon une deuxième méthode connue schématisée en Figure 2 et rappelée par les documents EP-A-847831 ou JP-A-58148096, on produit d'abord en continu, un fil tubulaire d'environ 10 à 25 mm de diamètre à partir d'une bande ou feuillard métallique, typiquement d'épaisseur de 1,5 à 3,5 mm et laminé à chaud, mis en forme de O, puis soudé par un procédé de soudage à haute fréquence et enfin éventuellement laminé en ligne jusqu'à un diamètre typiquement de l'ordre de 10 à 15 mm. Un recuit d'adoucissement peut être effectué et le tube est ensuite tréfilé/laminé jusqu'au diamètre de remplissage désiré. Dans ce cas, le remplissage avec les matières premières, c'est-à-dire le flux interne, n'est effectué qu'après soudage du tube vide. Il est généralement réalisé par vibration. Le tube rempli, outre les opérations de tréfilages susmentionnées jusqu'au diamètre d'utilisation désiré, par exemple de 0,8 à 5 mm de diamètre, subit également des étapes de traitement thermique de recristallisation et de nettoiement chimique ou électrochimique. Optionnellement, un revêtement à base de cuivre, nickel, laiton ou autre peut être réalisé sur la surface extérieure du fil. Cette technologie est plus complexe à mettre en oeuvre mais permet de produire des fils fourrés étanches, voire revêtus en surface. Ces fils fourrés sont donc totalement insensibles à la reprise en humidité et conduisent à des niveaux d'hydrogène diffusible bas dans le métal déposé, c'est-à-dire typiquement de l'ordre de 1 à 5 ml/100g de métal déposé. En effet, durant le recuit de recristallisation, le tube devient perméable à l'hydrogène, qui s'échappe à travers l'enveloppe tubulaire. Apres refroidissement, le tube redevient étanche et empêche donc l'hydrogène de rentrer à l'intérieur et d'affecter les matières premières, c'est-à-dire le flux, qui s'y trouve. De même, sous l'effet de la pression et de la température, l'eau réagit à l'intérieur du tube avec les poudres qui s'y trouvent. De l'hydrogène (H) est généré lequel diffuse facilement dans le tube du fait de la petite taille de la molécule d'hydrogène et de la température qui y règne. Par ailleurs, l'eau présente à l'extérieur du tube sous forme de molécules de H2O, ne diffuse pas dans le métal donc ne peut pas entrer dans le tube. L'inconvénient de la fabrication du fil fourré tubulaire est le risque de ségrégation des matières premières, en effet si la granulométrie et/ou la granulation des matières premières n'est pas optimisée, on risque d'avoir une distribution non homogène du flux dans le tube Une troisième méthode connue combine les avantages des deux méthodes de fabrication précédentes et permet de produire des fils fourrés remplis en ligne, c'est-à-dire de manière continue avec fil se déplaçant continuellement en étant entraînés par des galets motorisés, à partir d'un feuillard et de les souder, également en ligne, seulement après remplissage par du flux. Dans cette méthode représentée en Figure 3, le fil est produit à partir d'un feuillard laminé que l'on forme d'abord en « U ». Ensuite, le tube formé en U est rempli avec un mélange homogène de différentes matières premières et on poursuit le formage pour aboutir à une forme de O. Le tube est alors soudé en ligne, par exemple avec laser en pénétration totale (Fig. 4a) ou partielle (Fig. 4b), de manière à garantir l'étanchéité. Par la suite, le tube est tréfilé jusqu'à un diamètre intermédiaire où il subi un traitement thermique et il est enfin réduit à son diamètre final d'utilisation. Une telle méthode, notamment décrite par les documents US-A-4,673,121, GB-A-1199736, JP-A-56148494 ou WO-A-2010102318, présente cependant des inconvénients 5 plus ou moins importants. De plus, on s'est aperçu qu'au plan industriel, les fils fourrés ainsi produits pouvaient se rompre ou être facilement détériorés lors des étapes de tréfilage et de laminage subséquentes. Le but de la présente invention est donc de résoudre les problèmes susmentionnés, 10 c'est-à-dire de proposer une méthode de fabrication de fils fourrés soudés et étanches qui soient plus résistants, c'est-à-dire qui ne se rompent pas pendant les opérations de tréfilage et de laminage subséquentes. La solution est un procédé de fabrication d'un fil fourré à partir d'une bande métallique et d'éléments de remplissage, comprenant les étapes de : 15 a) amener une bande métallique ayant deux bords longitudinaux parallèles, b) conformer la bande métallique en une gouttière (section en « U ») par rapprochement de ses bords longitudinaux, c) remplir la gouttière obtenue à l'étape b) d'éléments de remplissage, d) conformer la gouttière remplie d'éléments de remplissage obtenue à l'étape c) en 20 un pré-fil de forme tubulaire (section en « O ») par rapprochement de ses bords longitudinaux jusqu'au contact ou quasi-contact l'un de l'autre, et e) souder par faisceau laser, les deux bords longitudinaux du pré-fil de l'étape d) pour obtenir un fil soudé contenant des éléments de remplissage, caractérisé en ce que, subséquemment à l'étape e), il comprend une étape de 25 traitement thermique par recuit du fil soudé. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la bande métallique est amenée de manière continue, c'est-à-dire qu'elle est 30 entraînée en permanence par des galets d'entraînement ou analogues. - on opère un ou plusieurs recuits successifs. - le recuit est opéré par chauffage par induction à haute fréquence entre 1 et 1000 kHz, de préférence à une fréquence comprise entre 1 et 100 kHz. - le recuit est opéré en continu par chauffage par induction. De préférence, via un 35 traitement en ligne de production, c'est-à-dire en continu. Le recuit par induction est le procédé de traitement préféré dans le cadre de la présente invention car il permet d'obtenir un produit fini, c'est-à-dire un fil fourré, avec des caractéristiques mécaniques homogènes. - de façon alternative, le recuit peut aussi être opéré par chauffage statique au sein d'un four, de préférence dans un four à puit ou à cloche. L'avantage d'un traitement thermique statique, typiquement opéré à une température de 550 à 700 °C environ pendant un temps de permanence de 4 à 10 heures environ, est principalement la possibilité d'éliminer de l'eau résiduel éventuellement contenue dans le flux de remplissage venant surtout du liant. Toutefois, cette solution conduit à une inhomogénéité du traitement et à des réactions chimiques non désirées au sein du flux, c'est-à-dire entre les éléments de remplissage notamment. - le recuit est réalisé par chauffage du fil à une température de chauffage comprise 10 entre 550 et 900°C. - le recuit par induction est réalisé pendant une durée de chauffage comprise entre 0,1 et 20 sec en fonction du diamètre de recuit, preferablement entre 0,5 et 4 sec. - après chaque recuit, le fil subit une ou plusieurs étapes de refroidissement en continu. 15 - après recuit, le fil subit une étape de refroidissement avec mise en oeuvre d'une atmosphère gazeuse contrôlée contenant un ou plusieurs gaz choisis parmi l'argon, l'azote, l'hélium ou leurs mélanges, le fil étant en contact avec ladite atmosphère gazeuse contrôlée. - après recuit, le fil subit une étape de refroidissement au sein d'un tunnel de refroidissement contenant l'atmosphère gazeuse contrôlée. 20 - après recuit, le fil subit une ou plusieurs étapes de réduction de son diamètre extérieur, en particulier une ou plusieurs étapes de tréfilage et/ou de laminage. - après recuit, on tréfile et lamine le fil depuis un diamètre initial compris entre 9 et 30 mm jusqu'à un diamètre final compris entre 0,5 et 5 mm, de préférence entre 1 et 5 mm. - le chauffage par induction est effectué au moyen d'un ou plusieurs bobines 25 d'induction ayant une dimension interne supérieure au diamètre externe du fil à recuire, de préférence supérieure d'au plus 5 mm par rapport au diamètre externe du fil à recuire. - la bande métallique formant l'enveloppe du fil ou feuillard est en acier, de préférence en acier carbone manganèse (C-Mn) non allié ou faiblement allié, ou en acier inox, ou en Inconel..., c'est-à-dire contenant moins de 5% de métaux d'alliage, lequel est 30 laminé à chaud ou à froid, et contenant outre les éléments Fe, C et Mn, éventuellement d'autres éléments, par exemple Si, P, Cr, Ni, Cu... - les éléments de remplissage comprennent des éléments métalliques, non métalliques ou les deux. - les éléments de remplissage comprennent des éléments métalliques, tels des 35 métaux élémentaires ou des ferro-alliages métalliques, des éléments non métalliques, par exemple des éléments formateurs de laitier par exemple les oxydes et les feldspaths de type TiO2, Al2O3, SiO2, MgO, KA1Si3O8..., ou des éléments ionisants sous forme de carbonates, de fluorures, de sulfates ou de silicates, par exemple CaF2, Na2SO4, CaCO3... L'invention concerne aussi une installation de fabrication en continu d'un fil fourré à partir d'une bande métallique et d'éléments de remplissage comprenant : - des premiers moyens de déplacement conçus pour et aptes à déplacer de manière continue une bande métallique ayant deux bords longitudinaux parallèles, - des premiers moyens de formage permettant de conformer la bande métallique en une gouttière (section en « U ») par rapprochement de ses bords longitudinaux, - des moyens de remplissage permettant de remplir ladite gouttière d'éléments de remplissage, - des seconds moyens de formage permettant de conformer la gouttière remplie d'éléments de remplissage en un pré-fil de forme tubulaire (section en «O ») par rapprochement de ses bords longitudinaux jusqu'au contact ou quasi-contact l'un de l'autre, et - des moyens de soudage laser comprenant une tête laser permettant de souder par faisceau laser, les deux bords longitudinaux du pré-fil pour obtenir un fil soudé contenant des éléments de remplissage, - des seconds moyens de déplacement conçus pour et aptes à déplacer de manière continue le fil soudé, et - des moyens à induction permettant de réaliser un recuit du fil soudé. Selon le cas, l'installation de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - les premiers moyens de déplacement et/ou les seconds moyens de déplacement comprennent des galets rotatifs entraînés par des moteurs. - les premiers moyens de formage et/ou les seconds moyens de formage comprennent une ou plusieurs séries des galets motorisés (ou pas motorisées) qui déforment en plusieurs étapes les feuillard pour arriver a la forme intermédiaire de « U » ou a la forme finale de « O ». - les moyens à induction comprennent un ou plusieurs inducteurs. - les moyens à induction comprennent un générateur de puissance comprenant un convertisseur CA/CC, un circuit à onduleur et un circuit résonant couplé à une ou plusieurs bobines inductrices. L'invention va maintenant être mieux comprise grâce à la Figure 4 qui représente un schéma d'un mode de réalisation d'une installation ou ligne de fabrication industrielle selon la présente invention. Selon l'invention, comme illustré en Figure 4, on part d'une bande métallique 1 ou « feuillard », qui constitue l'enveloppe externe du fil fourré, par exemple une bande en acier C-Mn, qui est amenée de manière continue (étape A) par des galets d'entraînement motorisés et est progressivement pliée (étape B) et mise en forme de U par des galets formeurs ou analogue, puis remplie (étape C) de matières premières ou éléments de remplissage 2, c'est-à-dire de flux de remplissage contenant des éléments métalliques et/ou non métalliques. Plus précisément, la feuille ou bande métallique 1, typiquement obtenue par laminage à froid, laquelle est de relativement petites dimensions, typiquement de 9 à 30 mm de largeur et de 0,4 à 1,5 mm d'épaisseur, est convoyée en continue par des galets rotatifs mis en mouvement par des moteurs électriques, avant d'être mise en forme de « U » (étape B) par rapprochement l'un vers l'autre de ses deux bords longitudinaux. Après formage en « U », on y introduit (étape C) un mélange homogène des diverses matières premières 2 constituant le flux interne, puis on poursuit le formage pour aboutir à une forme tubulaire en « O » non scellée (étape D), encore appelé pré-fil, laquelle forme tubulaire est ensuite soudée (étape E) par un faisceau laser 3 venant souder les bords longitudinaux l'un avec l'autre. Le taux de remplissage du tube est généralement inférieur à 50%, de préférence entre 8 et 45% en masse par rapport à la masse du fil. Selon l'invention, afin de faciliter les étapes de tréfilage/laminage subséquentes, on 15 prévoit un système de recuit (étape F) du tube rempli de manière à pouvoir effectuer un ou plusieurs traitements thermiques en ligne. Pour ce faire, on utilise un générateur ou inducteur à moyenne/haute fréquence, c'est-à-dire ayant une fréquence d'induction comprise de préférence entre 1 kHz et 100 kHz. Les moyens à induction, c'est-à-dire le dispositif à induction servant à opérer le recuit 20 comprend un générateur de puissance constitué par un convertisseur CA/CC complètement contrôlé (CA : courant alternatif ; CC : courant continu) ; un circuit à onduleur (inventer en anglais) avec un pont en H et un circuit résonant (capacité/inductance) couplé avec des bobines inductrices. Pendant le recuit par induction, le fil est porté à une température comprise entre 550 25 et 900°C. Ceci permet d'avoir un produit fini avec des caractéristiques mécaniques homogènes et d'éviter ainsi ou de minimiser la rupture du fil pendant les opérations de tréfilage et de laminage subséquente (étapes G et H) jusqu'au diamètre final d'utilisation du fil désiré, par exemple environ de 0,8 à 4 mm de diamètre final pour le fil fourré 4 obtenu (étape I). 30 Optionnellement, après le recuit (étape F), le fil subit une étape de refroidissement (étape F') au sein d'un tunnel de refroidissement contenant une atmosphère gazeuse contrôlée formée par exemple d'un ou plusieurs gaz choisis parmi l'argon, l'azote, l'hélium ou leurs mélanges, le fil étant en contact avec ladite atmosphère gazeuse contrôlée pour assurer son refroidissement avant laminage et tréfilage. 35 Typiquement, après refroidissement le fil est à une température de l'ordre de 300 à 50 °C, alors qu'avant refroidissement, il est à la température de recuit, soit entre 550 et 900°C environ. De façon générale, selon l'invention, le fil fourré 4 contient, en tant qu'éléments de remplissage 2, des éléments métalliques, tels des métaux élémentaires ou des ferro-alliages métalliques, des éléments non métalliques, par exemple des éléments formateurs de laitier par exemple les oxydes et les feldspaths de type TiO2, Al2O3, SiO2, MgO, KA1Si3O8..., ou des éléments ionisants sous forme de carbonates, de fluorures, de sulfates ou de silicates, par exemple CaF2, Na2SO4, CaCO3... Selon un mode de réalisation particulier, lors du remplissage après formage en U (étape C), le feuillard 1 en forme de U est d'abord rempli par les matières premières les plus sensibles à la radiation laser, tel que les éléments métalliques ou un mélange d'éléments métalliques et non métalliques, de manière à constituer au moins une sous-couche dans le fond de la gouttière (en U), puis ensuite des matières premières non métalliques sont distribuées en une (ou plusieurs couches) couche protectrice superficielle venant se superposer à la sous-couche. Cette couche protectrice supérieure forme une barrière mécanique suffisamment épaisse et continue sur toute la longueur du tube permettant de protéger la sous-couche métallique et éviter que les éléments sensibles ne soient impacter par le faisceau laser 3, pendant l'étape de soudage (étape E). La source laser utilisée pour générer le faisceau laser 3 peut être une source laser de type CO2, YAG (Nd:YAG, Yb:YAG, Er:YAG...), à diodes, à disque ou à fibre (Yb) de puissance comprise entre 500 W et 10 kW, de préférence 2 kW et 8 kW. Par ailleurs, la tête laser utilisée est une tête classique apte à et conçue pour permettre de distribuer le faisceau soit verticalement, soit selon un angle a compris entre 0 et 55°, typiquement 0° et 50°(par exemple 45°), par rapport à la verticale au joint de soudage et donc aussi l'axe du pré-tube. Par ailleurs, les bords longitudinaux de la bande métallique 1 sont avantageusement chanfreinés et comportent un angle 13 de chanfreinage inférieur à 73°, de manière que les bords de la bande métallique 1 soient parfaitement en contact entre eux et parallèles quand le pré-tube est plié en « O ». Le contact entre des bords longitudinaux, l'un avec l'autre, est obtenu par avec un système de galets ou analogue venant appuyer sur la bande métallique de manière à lui conférer progressivement une forme en U puis en O, comme déjà mentionné. Les fils fourrés étanches fabricables avant le procédé et l'installation de l'invention sont notamment ceux destinés au soudage d'acier à haute limite élastique, notamment mais pas exclusivement > 690 N /mm2. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un fil fourré (4) à partir d'une bande métallique (1) et d'éléments de remplissage (2), comprenant les étapes de : a) amener une bande métallique (1) ayant deux bords longitudinaux parallèles, b) conformer la bande métallique (1) en une gouttière (section en «U ») par rapprochement de ses bords longitudinaux, c) remplir la gouttière obtenue à l'étape b) d'éléments de remplissage (2), d) conformer la gouttière remplie d'éléments de remplissage obtenue à l'étape c) en un pré-fil de forme tubulaire (section en « O ») par rapprochement de ses bords longitudinaux jusqu'au contact ou quasi-contact l'un de l'autre, et e) souder par faisceau laser (3), les deux bords longitudinaux du pré-fil de l'étape d) pour obtenir un fil soudé contenant des éléments de remplissage (2), caractérisé en ce que, subséquemment à l'étape e), il comprend une étape de traitement thermique par recuit du fil soudé. 2. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'on opère un ou plusieurs recuits successifs. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le recuit est opéré par chauffage par induction à haute fréquence entre 1 et 1000 kHz, de préférence à une fréquence comprise entre 1 et 100 kHz. 25 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le recuit est opéré en continu par chauffage par induction. 5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le recuit est opéré par chauffage statique au sein d'un four, de préférence dans un four à puit ou à cloche. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le recuit est réalisé par chauffage du fil à une température de chauffage comprise entre 550 et 900°C. 35 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après recuit, le fil subit une étape de refroidissement. 30 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après recuit, le fil subit une étape de refroidissement avec mise en oeuvre d'une atmosphère gazeuse contrôlée contenant un ou plusieurs gaz choisis parmi l'argon, l'azote, l'hélium ou leurs mélanges, le fil étant en contact avec ladite atmosphère gazeuse contrôlée. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après recuit, le fil subit une étape de refroidissement au sein d'un tunnel de refroidissement contenant l'atmosphère gazeuse contrôlée. 10 10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après recuit, le fil subit une ou plusieurs étapes de réduction de son diamètre extérieur, en particulier une ou plusieurs étapes de tréfilage et/ou de laminage. 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 15 qu'après recuit, on tréfile et lamine le fil depuis un diamètre initial compris entre 9 et 30 mm jusqu'à un diamètre final compris entre 0,5 et 5 mm, de préférence entre 1 et 5 mm. 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le chauffage par induction est effectué au moyen d'un ou plusieurs inducteurs ayant une 20 dimension interne supérieure au diamètre externe du fil à recuire, de préférence supérieure d'au plus 5 mm par rapport au diamètre externe du fil à recuire. 13. Installation de fabrication en continu d'un fil fourré à partir d'une bande métallique et d'éléments de remplissage comprenant : 25 - des premiers moyens de déplacement conçus pour et aptes à déplacer de manière continue une bande métallique ayant deux bords longitudinaux parallèles, - des premiers moyens de formage permettant de conformer la bande métallique en une gouttière (section en « U ») par rapprochement de ses bords longitudinaux, - des moyens de remplissage permettant de remplir ladit gouttière d'éléments de 30 remplissage, - des seconds moyens de formage permettant de conformer la gouttière remplie d'éléments de remplissage en un pré-fil de forme tubulaire (section en « O ») par rapprochement de ses bords longitudinaux jusqu'au contact ou quasi-contact l'un de l'autre, et 35 - des moyens de soudage laser comprenant une tête laser permettant de souder par faisceau laser, les deux bords longitudinaux du pré-fil pour obtenir un fil soudé contenant des éléments de remplissage,5- des seconds moyens de déplacement conçus pour et aptes à déplacer de manière continue le fil soudé, et - des moyens à induction permettant de réaliser un recuit du fil soudé. 14. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que : - les premiers moyens de déplacement et/ou les seconds moyens de déplacement comprennent des galets rotatifs entraînés par des moteurs et - les premiers moyens de formage et/ou les seconds moyens de formage comprennent une ou plusieurs séries des galets motorisés (ou pas motorisées) qui déforment en plusieurs étapes les feuillard pour arriver a la forme intermédiaire de « U » ou a la forme finale de « O ». 15. Installation selon la revendication 13, caractérisée en ce que les moyens à induction comprennent un générateur de puissance comprenant un convertisseur CA/CC, un circuit à onduleur et un circuit résonant couplé à une ou plusieurs bobines inductrices.