Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
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La présente invention concerne un procédé perfectionné
de soudage par ~aisceau d'électrons, ainsi qu'un dispositif de
mise en oeuvre de ce procédé.
On sait que les caractéristiques mecaniques et métal-
lurgiques d'une soudure, considérée à l'état brut de solidifica-
tiont c'est-à-dire avant tout traitement thermique, caractéris-
tiques telles que la résistamce à la traction, la dureté ou la
résilience, sont tributaires de la composition chimique de la
zone fondue ainsi que du cycle thermique de soudage auquel la
soudure a été soumise. '
On sait aussi, que pour une composition chimique
' donnée, les meilleures caractéristiques de ténacité et, en par-
ticulier, de résilience, sont obtenues lorsque la structure de -
la zone fondue est riche en ferrite aciculaire.
Le cycle thermique est, de son côté, déterminé par
; la morphologie que':l'on souhaite donner à la soudure.
C'est donc, en dernière analyse, de la seule composi-
tion chimique du métal fondu que vont dépendre, d'une part, la
structure de la soudure, d'autre part et par voie de conséquen-
ce, ses caractéristiques mécaniques. Il a cependant été montré ~ ~
récemment que les variations de la teneur en éléments d'addition, ~--
.
tels que le carbone, le manganèse, le silicium. le nickel, le
chrome. le molybdène, le soufre, le plomb, le niobium, le
vanadium, le bore, etc ..O~ traditionnellement considérés comme
caractérisant la-composition chimique de llacier, ne permettent
pas d'obtenir, en quantité notable, de la ferrite aciculaire
;
dans la zone fondue.
; Il est en effet apparu que, lors de la transformation
de llausténite, durant le refroidissement d'une soudure, la for-
mation de la ferrite aclculaire est liée à llexistence de cer-
taines inclusions non métalliques fines, dispersés dans la masse
... .
et qui servent de germes en vue de la formation de la ferrite ~ ~
: ~ :
,
-
i ~645~
acicuIaire.
La presence d'oxygene, en quantites comprises entre
100 et 800 ppm,;semble conditioner la presence desdits germes.
De telles teneurs en oxygene sont frequemment rencontrees dans
les soudures executees au moyen de procedes classiques de
soudage à l'arc, tels que soudage à arc submerge, soudage M.I.G.,
soudage T.I.G., soudage à l'aide de fils fourres, avec ou sans
gaz de protection, soudage à l'aide d'electrodes enrobees,
souda~e par torche a plasma, etc... et l'on constate effecti-
vement que la microstructure de soudures de ce genre peut
être relativement riche en ferrite aciculaire, pour une gamme
etendue de cycles thermiques. Mais les teneurs en oxygène
rencontrees dans les soudures executees par faisceau d'elec-
trons sont generalement inferieures aux valeurs precitees si
bien que l'observation micrographique de telles soudures,
executees sur des aciers doux ou Eaiblement allies, ne revèle
p~atiquement jamais de quantites notables de ferrite aciculaire. - ;
La presente invention se propose de tirer parti de
., .
ces observations.
La presente invention concerne donc un procede per-
fectionne de soudage de deux pieces, formees d'un même materiau,
~ . .
par faisceau d'electrons, dans lequel on introduit un materiau
d'insertion dans une region soumise à une refusion lors d'une
operation de soudage des deux pièces par faisceau d'electrons.
Ce procede est caracterise en ce que le materiau d'insertion
est obtenu en appliquant à un acier doux ou faiblement allie
un procede de soudage a l'arc ou de refusion sous laitier afin
que le materiau d'insertion contienne de 100 a 800 p.p.m.
d'oxygène, de sorte que la microstructure de la soudure ainsi
realisee est amelioree.
; . .
-~ Ce procede peut egalement être caracterise par les
points suivants: ~
r~ ~ 2 --
'
.. ~ , :
3 4
Une masse du materiau drinsertion peut être formee
sur au moins une face d'au moins l'une des pieces à souder,
¦ ledit materiau d'insertion etant obtenu par soudage à l'arc,
ou par refusion sous laitier tel que dejà mentionne, et l'on
dresse, dans cette masse, une face juxtaposable a une face en
regard solidaire de l'autre pièce.
Ledit materiau peut être un fil obtenu par trefilage ~
à partir d'un lingot de metal deposé par fusion, soit par ~'
soudage à l'arc, soit par refusion sous laitier, ledit fil
etant amene entre les deux pièces ~ souder ayant des faces en
regard qui ont ete prealablement dressées, soit dans la region
en fusion, au cours de l'execution de la soudure par faisceau
d'electrons. Selon une autre caracteristique de ce procéde,
c'est sous l'action du faisceau d'electrons qu'appara~t, dans
la region fondue, une structure tres riche en ferrite acicu-
laire, donc favorable a l'obtention de bonnes caracteristiques
de tenacite et en particulier à une bonne resilience.
Selon la presente invent:ion, il est aussi prevu un
dispositif de mise en oeuvre d'un procede de soudage bout à
:: ::
boue de deux pieces cylindrigues par ~aisceau d'electrons,
avec une introduction,dans une region soumise à une refusion
lors d'une operation de soudage des deux pièces par faisceau
d'electrons, d'un materiau d'insertion, sous forme d'un fil,
obtenu en appliquant à un acier doux ou faiblement allié un
procede de soudage à l'arc ou de refusion sous laitier afin
.
, que ce materiau d'insertion contienne de 100 à 800 p.p.m.
d'oxygene. Ce dispositif comprend: une enceinte etanche en forme
; generale de tore dans laquelle regne un vide pousse, cette
enceinte recevant au moins un canon à electrons et delimitant
un espace radialement interne dans lequel sont placees les
pieces cylindriques; et une gaine recevant interieurement le fil
constituant le materiau d'insertion. Le dispositif de l'inven-
-- 3 --
. '
~ ~64~
tion est caractérisé en ce que la gaine s'étend à l'intérieurde l'enceinte depuis un premier joint d'étanchéite lie ~ la
gaine et disposé sur une paroi externe de l'enceinte pour
former une entree du fll, jusqu'à un deuxieme joint d'etan-
cheité lié à la gaine et disposé sur une paroi radialement
interne de l'enceinte pour former une sortie du fil.
D'autres particularites et avantages de l'invention
ressortiront de la description qui va suivre en regard des
dessins annexés, description et dessins donnés à titre d'exemple
illustratif et nullement limitatif de diverses applications de
l'invention.
Sur ces dessins:
- la Fiyure 1 représente un premier exemple d'appli-
cation du procede selon l'invention, par rechargement d'une
des faces de l'une des pieces à assembler.
- la Figure 2 represente un autre exemple d'applica-
tion de l'invention, par rechargement des deux faces en regard
! des pièces à assembler.
- la Figure 3 represente un autre exemple d'applica-
tion de la presente invention, par interposition d'un insert
entre les deux pieces a assembler.
- la Figure 4 represente un autre exemple d'applica-
tion de la presente invention en utilisant en tant que metal
d'apport, un fil elabore conformement à l'invention.
- la Figure 5 represente les trois stades d'un
exemple de realisation particulier dlune soudure selon l'inven-
tion applique a l'assemblage de deux pla~ues.
- la Figure 6 represente les trois stades d'un
exemple de realisation d'une soudure selon l'invention applique
à l'assemblage de deux elements tubulaires.
- la Figure 7 represente, en coupe transversale, un
dispositif de mise en oeuvre du procede selon l'invention.
:
, 4
.. ~
~ f ~45~ '
On a represente sur les Figures 1, 2, 3 et ~ quatre exemples
particuliers d'application du procedé selon l'invention. Sur
ces quatre figures les mêmes elements sont designes par les
memes references.
Ainsi on a designe par 1 et 2 les deux pieces à
assembler entre elles par soudure par faisceau d'electrons.
On a designe par 3 une trace, sur le plan de la
figure, representant les surfaces selon lesquelles les deux
pièces seront assemblees entre elles.
On a designe par 4 le trace, en traits tiretes,
limi-tant le contour de la zone de refusion obtenue lors de la
soudure par faisceau d'electrons.
On a designe par 5, sur les Figures 1 et 2 le dépôt
' prealablement obtenu par un procede de soudage traditionnel
respectivement sur l'une et sur les deux faces en regard des
pièces à assembler.
Dans l'exemple de la Figure 1, on a commence par
réaliser, par exemple en usine, sur une face de la pièce 1
parallele à la face en regard de l'autre pièce 2, un cordon
~., -,
de soudure 5 par un procede de soudage à l'arc, après quoi
l'on a usine lè depot-ainsi obtenu suivant la surface, representee par
la trace 3, 1~ , dans le cas d'esp~ce, est un plan. La pièce 2 est
dans la face en regard, egalement usinee selon un plan et elle
sera juxtaposee a la piece 1 au moment ou les deux pièces
devront etre assemblees par soudure par faisceau d'electrons,
par exemple sur un chantier. Les germes contenus dans le depot
5 favorisent, comme on l'a trou~e selon l'invention, la formal-
tion de ferrite aciculaire en~quantités suffisantes pour
ameliorer sensiblement les caracteristiques mecaniques et
metallurgiques de l'assemblage obtenu. Dans le cas de la Figure
' 2, la piece est traitee comme la pièce 1, par exemple en -
usine, tandis que le soudage des surfaces representees par la
5 ~ 4
trace 3 l'une à l'autre s'e~fectue sur un-chantie:r par
faisceau dlelec-trons.
On a désigne par 6 Figure 3 un 1nsert obtenu a
partir d'un depô-t prealablement exécute à l'aide d'un procedé
de souda~3e ~ arc ~rad:Ltionnel. Il su~it selon l'lnvention,
de Eixer cet insert entre les deux pieces l et 2 à assembler,
. puis de proceder au soudage par faisceau d'electrons, comme :
deja expose, la re.gion de refusion lors de ce soudage englobant
i la totalité de l'insert.
La Figure 4 montre une application particuli8re au
cas ou les deux pieces a assembler 1 et 2, dûment usinées
sont mises en contact l'unè de l'autre. Un fil elabore à partir
; d'un depôt obtenu par soudage à l'arc est apporte, durant
le soudage : lors -
~: /
/
': - / :
:; - / ' ~
r/ ~
~' '
r
- 5 ~ ~.
~ lB4~
de la soudure par faisceau d'électrons, le métal de ce fil rem-
plira la fonction de l'insert de la figure 3 en apportant les
germes nécessaires à la formation de ferrite aciculaire.
La figure 5 est une vue perspective d'une solution
variante de l'invention, variante dans laquelle l'on commence
par pratiquer latéralement une soudure en pleine tôle et au voi-
sinage de l'un des bords de cette tôle, soudure effectuée par
un procédé de soudage à l'arc traditionnel, après quoi l'on
effectue, dans la masse du cordon de soudure, le dressage de la
face destinée à être soudée par faisceau d'électrons. On se
trouve ainsi ramené, pour la suite des opérations, à un cas
assez similaire à celui de la figure 1, la face dressée n'étant
~ ici qu'en partie réalisée dans la masse de soudure 5, mais pou-
vant aussi l'être complètement.
La figure 6 représente également en vue perspective les
trois phases de l'assemblage entre eux de deux éléments tubulaires.
Un premier élément tubulaire de référence 10 reçoit latéralement
un cordon de soudure préliminaire 12, obtenu par un procédé de
soudage à l'arc traditionnel. L'élément 10 est ensuite usiné,
20~ ~dàn~s ]'épaisseur~mê~me du cordon 12 de manière à présenter une
~ace plane 13 en re~ard de la face correspondante, également
dressée, du second élément tubulaire 11 à assembler à l'élément
10. L~es dits éléments~sont ensuite rapprochés et maintenus
l'un contre l'autrel et l'on procède comme précédemment à l'opé-
ration de soudage par faisceau d'électrons. Un~exemple pratique~
~; d'application de l'lnvention~est~donné ci-après, pour de la
tôle d'acier. La composition chimique d'une soudure effectuée
de la manière habituelle, par faisceau d'électrons, a été la
suivante : ~ -
C Si Mn S P Ni Cr Mo Cu Co
0,071 0,26 1,53 0,006 0,034 0,21 0,034 0,25 0,004 0,011 ~ ;
~'~
~ - 6 -
-
~ 3. 6 4 ~i ~ 4
A1 B ppm Nb Ti V Sn Pb ~2
0,1G 6 0,040 0,010 0,067 0,001 0,008
La résilience Kcv, à -10 C a présente la valeur
moyenne, sur cinq essais de:
2,6 da J/cm2
Dans un second essai, l'on a procédé conformément à
l'invention. La composition ~inale de la soudure a été la
suivante
C Si Mn S P Ni Cr Mo Cu
10 0,079 0,27 1,64 0,009 0,033 0,17 0,032 0,37 0,070 ~'
Co I Al B ppm Nb Ti V Sn Pb 2
0,015 1 0,015 8 0,028 0,009 0,050 0,002 0,010 0,0271 -
La résilience, à -10~C a présenté la valeur moyenne,
sur deux essais, de:
17 ~ da J/cm2
Dans un troisième essai, la composition finale ùe la soudure
a été la suivante:
C Si ~In S P Ni Cr Mo Cu
0,0~9 0,32 1,74 0,009 0,030 0,18 0,060 0,35 0,044
20 Co Al I B ppm Nb Ti V Sn Pb ~2
' 0,014 0~014 ¦ 32 0,027 0,031 0,052 0,003 0,0I0 0,038
- La résilience à -10 C a présenté la valeur moyenne de: ;
26,3 da J/cm2
On voit sur la figure 7 un dispositif de mise en oeuvre
du procédé selon la présente invention, dispositif adapté au ~ ;
soudage par faisceau d'électrons, de pièces cylindriques, par
exemple de deux éléments d'une conduite tubulaire.
On a designe par la reference 14 un des eléments
tubulaires a assembler.
3'0 On voit en 15 le canon à électrons, une gaine 16 s'éten-
dant à l'intérieur de ladite enceinte et recevant intérieurement
le fil d'apport 17 aboutissant au point de soudage; c'est-à-dire
- 7 -
4~
à l'impact du Eaisceau d'électrons sur la ligne de soudage.
~ ne enceinte 18 a une fo ~ generale de tore, un vide pousse
regnant a l'in-terieur de cet~ enceinte. L'espace 19 se trouvant
radialement à l'intérieur de ce tore et dans lequel se trouve la
conduite 14 est également susceptible d'être mis sous vide, ceci
pendant l'opération de soudage~
La gaine 16 comporte, de place en place, des perçages
16a, la faisant communiquer avec le vide régnant à l'intérieur
de l'enceinte 18, afin de permettre l'aspiration par pompage,
des rentrées d'air intempestives ayant pu se produire au joint
20, qui est lié à la gaine 16 et à la paroi externe de l'enceinte
18 et assure l'étanchéité à l'entrée du fil 17 dans l'enceinte
en partant du moto-dévideur primaire 21. Ledit joint 20 est,
de préférence, d'un type réglable et notamment du type gonfla-
ble, à deux positions: position étanche entre deux opérations
de soùdage lorsque le fil d'apport est arreté; position ouverte,
pendant toute la durée d'une opération de soudage.
Quant à la gaine 16, elle comporte, en aval dudit joint
20, un passage rétréci, étroitement ajusté sur le fil d'apport
17, dans le but de renforcer l'étanchéité à cet endroit.
Un moto-dévideur secondaire 22 recoit le fil 17 contenu
dans la gaine l6 et dirige ce fil vers le point de soudage.
Ledit moto-dévideur secondaire 22 est asservi en vitesse au moto-
dévideur primaire 21. Un joint gonflable 23, de meme construction
que~le joint 20 assure le passage étanche du fil d'apport 17 en
aval du dévideur 22, à la sortie de l'enceinte 18 sur une paroi
radialement interne de celle-ci. Le long de son parcours, entre
le canon à électrons 15 et le point de soudage, le ~aisceau
d'électrons traverse une buse escamotable 24 qui en assure la
protection magnétique, ladite buse assure également la protec-
tion mécanique du fil d'apport 17 jusqu'au point d'impact.
Il va sans dire que le dispositif, représenté avec
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un seul canon à électrons 15 peut en comporter plusieurs, répar-
tis sur tout le pourtour de la ligne de soudage.
Il reste entendu que la présente invention ne saurait
être limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être
décrits~ des modifications de détail pouvant encore y être ap-
portées sans pour autant sortir du oadre de l'invention ni en
~ dépasser la portée..
' '
-
'
g _
.
,
