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TUBES SOUDES.
La présente invention concerne un procédé de fabrication de tubes soudés et les tubes ainsi obtenus., et plus particulièrement un procédé par lequel on fait prendre à une bande de métal une forme tubu- laire,les bords de la bande métallique étant en contact entre eux, et on fait avancer la bande et le dispositif de soudure l'un par rapport à l'autre de façon à faire passer ce dispositif sur le joint formé par les bords en contact. En général la bande avance tandis que le disposi- tif de soudure reste dans une position fixeo
L'invention est considérée comme s'appliquant particuliè- rement à la fabrication de tubes de diamètre relativement petit, mais elle n'est pas nécessairement limitée à la fabrication des tubes de cet- te nature.
Ces tubes peuvent avoir par exemple un diamètre extérieur d9 environ 15,8 mm et être formés par une bande en acier en mouvement longitu- dinal d'une épaisseur voisine de 0,88 mm.
La fabrication de tubes de petit diamètre soudés par rap- prochement donne lieu à diverses difficultés qui ne se présentent pas dans la fabrication de tubes ou tuyaux soudés de plus grand diamètre. Une de ces difficultés consiste à maintenir les bords qui peuvent être relati- vement minces en contact rectiligne satisfaisant avant de les souder,
à réduire au minimum le refoulement du métal dans la soudure qui forme une bavure à l'intérieur ou à l'extérieur du tube ou des deux côtés$ et à obtenir un joint soudé uniforme sur toute sa longueur et une structure cris- talline uniforme du métal au voisinage du joint soudée
Suivant 1?invention on amène les bords de la bande d' acier tubulaire en contacta puis on soude les bords par pointso Cette opé- ration s'effectue de préférence par soudure électrique et les points de soudure sont espacés en laissant entre eux des interfaces non soudées.
Les bords sont ainsi maintenus avec précision dans des positions relati- ves., Puis on chauffe le métal au voisinage du joint à une température à laquelle on peut effectuer une soudure rapide en combinaison avec une
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déformation plastique provoquant la recristallisation., Ce chauffage ne détruit pas les points de soudure, qui servent de centres de recristallisation. Les cristaux s'accroissent dans toutes les direc- tions à partir des centres de recristallisation et les points de soudure sont espacés de façon que les cristaux en grossissant remplissent les intervalles entre les points de soudure et dans les interfaces,,, qui antérieurement non soudées se soudent entre elles.
L'invention est décrite ci-après avec les dessins ci-joints à l'appui sur lesquels la fige 1 représente schématiquement une machine convenant à la fabrication de tubes avec une bande métallique en mouvement longitu- dinal. la figo 2 représente le tube. une fois la soudure par points terminée la figo 3 représente le tube après déformation plastique, tandis que les cristaux sont-en cours d'accroissements la figa 4 représente le tube dont la recristallisation est terminée la figo 5 est une coupe transversale du tube soudé, la figo 6 est une vue semblable à la figo 2 et représente une variantes la fige 7 est une vue semblable à la fig. 6 et représente une autre variante la fig.
8 représente la structure d'un acier pauvre en carbone dans les interfaces entre les points de soudure et avant que les interfaces soient soudées entre elles,, la fig. 9 est une vue semblable à la fig. 8 et représente la structure dans les interfaces après recuit mais avant soudures la fig. 10 est une vue semblable aux figs. 8 et 9 et représente la structure cristalline dans les interfaces entre les points de soudure une fois la soudure terminée et sur laquelle toute trace des interfaces initiales a disparu.
La fige 1 représente une forme de réalisation d'une ma- chine destinée à la fabrication des tubes suivant l'invention. Elle com- porte un laminoir approprié de formation d'un tubes comprenant plusieurs cylindres de formations désignés d'une manière générale par 1 qui dérou- lent une bande 2 sur une bobine et lui font prendre une forme tubulai- re 5. Avant de fermer le joint du tubeon y introduit un gaz non oxydant ou réducteur par un tuyau 69 ce gaz ayant pour but de nettoyer les surfa- ces.,, d'éliminer ou de réduire au minimum la quantité d'oxydes et de les empêcher de se former.
Des électrodes de soudure par résistance électrique sous forme d'électrodes rotatives 8 sont disposées à la sortie du laminoir à tube. Les électrodes viennent en contact avec le tube de chaque côté du joints en exerçant une pression sur lui et le tube s'appuie contre des cylindres 9 résistant à la pression. On fait tasser de préférence un courant alternatif dans les électrodes 8 qui soudent par points les bords, comme l'indique la fig. 2. Les portions du tube soudées par points sont repré- sentées sur la figo 2 par des circonférences en pointillé 10 et les inter- faces des bords en contact entre eux entre les points de soudure sont dé- signés par 11.
Bien entendu,, ces interfaces ne sont pas soudées,, mais la totalité du joints désignée d'une manière.générale par 12. est formée avec précision du fait que les bords en contact sont en position relative pré- cise. Les interfaces sont maintenues en contact entre elles. On choisit la relation entre la fréquence du courant alternatif et la vitesse du mou- vement de la bande de façon à séparer les points de soudure l'un de l'au-
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tre par des intervalles appropriés ainsi qu'on le verra plus loin.
On voit que plus la fréquence est élevée., plus la vitesse du mouvement de la bande peut être grande pour obtenir un intervalle donné entre les points de sou- dure
La machine comporte à la suite des électrodes de soudure par points un dispositif de chauffage du métal au voisinage du joint et servant à compléter la soudure du. joint.
Ce dispositifs tel qu'il est représentés a la forme d9un dispositif de chauffage par résistance électrique et comporte une enveloppe 15 avec tu- bulure d'entrée 16 dans laquelle passe le tube soudé par points. L'envelop- pe contient des électrodes appropriées,,, de préférence sous forme de galets, en face de chacun desquels se trouve un galet de support. Une extrémité d'un transformateur 16' est connectée à l'électrode intermédiaire 18 et son autre extrémité à l'électrode antérieure 17 et à l'électrode pes- térieure 19. Le courant électrique passe ainsi dans le sens longitudi- nal du tube qui. par suite, est chauffé à peu près uniformément d9un bout à l'autre.
Aussitôt après les électrodes et de préférence à l'inté- rieur de l'enveloppée se trouvent des dispositifs provoquant une défor- mation plastique et représentés sous forme de cylindres de réduction 20 qui viennent en contact avec le tube et exercent sur lui une action d'écrasement ou de réduction de section. On n'a représenté sur la figure que deux cylindres de réduction. mais il est évident que la machine peut comporter un nombre quelconque approprié de cylindres de réduction.
On introduit de préférence dans l'enveloppe 15 un gaz non oxydant ou ré- ducteur approprié; ce gaz peut arriver par un tuyau 21 et s'échapper et brûler à l'extrémité d'entrée 16 du four.
A la suite du four se trouve un refroidisseur dans lequel passe le tube. Le refreidisseur représenté est du type à double envelop- pe d'eau comportant un tuyau intérieur 22 dans lequel passe le tube et une . double enveloppe extérieure 23. L'eau de refroidissement peut arriver par un tuyau 24 et sortir par un tuyau 26. Des cylindres appropriés d'entraînement et de conformations' désignés d'une manière générale par 30, sont disposés à la sortie du refroidisseur.
Le gaz pénétrant dans le four peut brûler à l'extrémité d'entrée 16, Pour faciliter cette combustion: l'extrémité de sortie 31 du.refroidis- seur peut être de section réduite et en outre la longueur du refroidisseur est considérable. de sorte que l'extrémité d'entrée de l'enveloppe est plus près du tuyau d9admission du gaz que l'extrémité de sortie du refreidis- seur et que le gaz tend à circuler dans la direction de moindre résistan- ce.
Ainsi qu'il a déjà été indiqué la soudure par points sert non seulement à amener les interfaces en contact étreit et dans la posi- tion précise voulue. mais encore les points soudés qui se succèdent et se répartissent dans l'espace servent de centres à partir desquels, à la température élevée et à l'état nécessaire de déformation plastique. le phénomène de la recristallisation provoque la croissance de nouveaux grains dans les interfaces en contact étroit mais encore non soudées.
Le joint partiel de la fig. 2 est évidemment un joint insuffisante du fait qu'il n'est pas étanche au passage des liquides et n'est pas complè- tement soudé.
Le phénomène de la recristallisation consiste dans la croissance de nouveaux cristaux dans les solides à une température infé- rieure au point de fusion. Pour que la cristallisation se produise. deux conditions doivent être remplies: 1) Un état d9instabilité doit exister ou s'établir dans le solide et 2) une température limite inférieure appropriée doit être at- teinte ou dépassée. Un état d'instabilité peut exister dans un solide du fait a) de tensions internes résiduelles et b) de variations de la
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teneur en-éléments d'alliage ou éventuellement d'impuretés.
Un état dins- tabilité peut s'établir dans un solide du fait c) d9efforts résultant d'une dilatation thermique irrégulièred) dune variation de la forme cristal- line de substances allotropiques et e) de Inapplication de forces extérieu- res de déformation.
Le fer est une substance allotropique dont les divers états sont stables dans certains intervalles de température qui sont les suivants:
EMI4.1
<tb> Etat <SEP> Structure <SEP> cristalline <SEP> Limite <SEP> de <SEP> stabilité
<tb>
<tb> - <SEP> #-##### <SEP> en <SEP> oC
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alpha <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> volume <SEP> centré <SEP> 910 <SEP> et <SEP> inférieure
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gemma <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> face <SEP> centrée <SEP> 910 <SEP> à <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Delta <SEP> Cubique <SEP> à <SEP> volume <SEP> centré <SEP> 1400 <SEP> à <SEP> 1535
<tb>
Les limites de stabilité des alliages ferreux sont modifiées et dans certains cas de métaux ferreux à forte teneur en éléments d'allia- ge,
ces limites peuvent être supprimées complètement ou à peu près complètement.
@ La présente description est basée sur le fera quoique l'acier pauvre en carbone n'en diffère pas beaucoup, sauf en ce qui concerne les variations de la température de stabilité. Il semble donc que le fer puisse théoriquement recristalliser complètement, que les cristaux puissent croître dans une interface et former une soudure sans qu' une déformation plastique soit nécessaire.
Cette recristallisation n'est guère susceptible de se produire dans une large mesure au passage de 1' état alpha à l'état gamma à 910 C, car la vitesse de recristallisation est lente à cause de la faible mobilité des atomes de fer à cette tempé- ratures ainsi que de la faible mobilité et du défaut de tendance à la coalescence et au rassemblement des impuretés et des inclusions de gaz existant dans 19interface initialeo
Il est évident que ces inclusions de gaz et autres impu- retés doivent se rassembler et s'agglomérer lorsque les nouveaux cristaux grossissent dans l'interface, sinon il existe un plan de faiblesse dans l'interface initiale (le joint).
Mais si on chauffe les interfaces en contact étroit à une température supérieure au changement d'état allotropique suivant (de 1' état gamma à l'état delta à 1400 C) la recristallisation a lieu au cours de ce changement d'état allotropique et une soudure peut se former sans déformation plastique.
Il est donc théoriquement possible par un traitement ther- mique seul approprié de faire grossir les cristaux dans une interface et de faire ainsi disparaître l'interface. c'est-à-dire de former une soudu- re.
Mais les surfaces comportent des pellicules d'oxydes; de nitrures de gaz absorbés., etc, qui forment un obstacle à la croissance des cristaux à une température inférieure au point de fusion. Cette re- cristallisation dépend de l'action dynamique des atomes entre des limi- tes spatiales de l'ordre des distances interatomiques dans le cristal.
Si on ne fait intervenir d'autre énergie que l'énergie vibratoire des atomes à température élevéecomplétée par l'énergie de la transforma- tion au moment du changement d'état allotropique,,, de faibles obstacles, tels que ceux qui résultent des impuretés, sont susceptibles de s'op- poser dans une large mesure à la recristallisation.
Si la croissance des cristaux a commencé en un ou plusieurs points et par des moyens quelcon- ques dans les interfaces et si les interfaces sont en contact étroit, (à part des couches minces d'impuretés ou d'atomes étrangers), on peut provoquer., en faisant agir d'une manière continue une température éle-
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vée et/ou par des oscillations répétées de température passant par la tem- pérature du changement dictât allotropiques l'agglomération des impuretés et 19accroissement des cristaux. Bien entendu, cette solution n'est pas applicable à une opération industrielle à grande vitesse.
De plus, certains métaux ne subissent pas de changements d'état allotropique ou les subis- sent à des températures tellement basses que l'énergie globale de vibra- tion des atomes est trop faible pour modifier sensiblement la forme initia- le des cristaux ou les faire grossir au-delà de leurs limites initiales.
Suivant 1?invention le métal à souder subit une déformation plastique après chauffage à la température de recristallsation. La défor- mation plastique accélère le phénomène de recristallisation et en outre contribue à briser les obstacles opposés par les oxydes, nitrures, gaz ab- sorbés etc.
En conséquence, la couture ou les points de soudure main- tiennent les bords en contact en position précise et traversent les cou- ches d'oxydes. gaz absorbés,. impuretés, etc. entre les faces en contact, en formant des centres à partir desquels la recristallisation peut se produi- re ultérieurement à la température qui convient. et avec déformation plas- tique en vue de compléter l'adhérence des interfaces dans le joint. Les points de soudure sont espacés l'un de l'autre de fagon que la recristal- lisation progresse complètement d'un point de soudure au suivant. L'inter- valle entre les points de soudure peut être de 6 à 8 mm environ. La tempé- rature de chauffage du tube est comprise entre les limites de l'état gamma.
On a constaté qu9une température donnant satisfaction dans le four dans lequel passe le tube est d'environ 1315 C. Pendant que le tube est à cette température les cylindres de réduction 20 viennent à son contact sous pression et lui font subir une déformation plastique, et les grains gros- sissent à partir des centres de croissance précédemment établis, c'est-à- dire les points de soudure, dans toutes les directions. Cette croissance des cristaux est très rapide et il est difficile de l'interrompre, sauf lorsque des impuretés d'une sorte quelconque s'y opposent.
Sur la fig. 2, les circonférences en pointillé 10 représentent les points de soudure. Sur la fig. 3, les zones en pointillés 35 représentent l'ac- croissement partiel des cristaux et sur la fig. 4, la zone totale en poin- tillé 36 indique que la recristallisation est complète. Les cristaux ont grossi dans les interfaces initiales non soudées et par suite celles-ci n'existent plus car elles sont réunies ou soudées. Les circonférences en pointillé qui représentent les centres de recristallisation initiaux sont reproduites sur les fig. 3 et 4.- mais ces points soudés ont effectivement disparu dans le produit final.
Si on chauffe le tube uniformément sur toute sa périphérie, la déformation plastique a tendance à se répartir uniformément sur toute la périphérie du tube et la recristallisation se produit aussi sur toute la périphérie. Il n'en résulte pas de conséquence nuisible en soi dans le tube, pourvu que la déformation plastique soit suffisante pour que les cristaux de recristallisation soient petits et qu'on obtienne un degré élevé d'iso- tropie dans le tube fini.
Si on chauffe le tube uniformément, la déformation se ré- partit à peu près uniformément sur toute sa périphérie. Mais.en principe, la déformation plastique n'est nécessaire qu'au voisinage immédiat de la soudure. Si on ne chauffe le métal et si on le déforme plastiquement quau voisinage de la soudurela presque totalité de la réduction de diamètre peut se concentrer dans la région de la soudure. Cette opération de soudu- re peut s'effectuer en chauffant le tube plus ou moins localement le long du joint.
Dans certains cas, par exemple dans celui d'un petit tube à paroi mince, le tube est très mou et fragile lorsqu'on le chauffe sur toute sa périphérie à la haute température qui convient à la recristalli- sation, et il peut être difficile de réaliser une forte déformation en une
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seule passe sans risquer d'endommager le tube formée Il peut être avan- tageux dans ce cas de réaliser une déformation préférentielle ou loca- lisée dans et au voisinage immédiat du joint.
La fig. 6 représente un moyen d'arriver à ce résultat. Les bords du tu- be 5b de cette figure ont une forme en quelque sorte ondulée, comme 1' indique la figure sous forme très exagérée. Les bords comportent des portions 40 en contact étroit entre elles et soudées par points. Les portions intermédiaires comportent en raison de la forme ondulée des surfaces 41 en face l'une de 1?autre et séparées par un intervalle.
Lorsqu'on chauffe ce tube et qu'on lui fait subir un effort de compres- sion,il se produit une déformation plastique relativement forte dans la région des points de soudure, donnant lieu à une recristallisation locale satisfaisante.
Cette déformation plastique a pour effet de fermer les zones ouvertes et d'amener les faces en contact entre elles, et les petites zones de soudure constituent des centres d'où part la recristallisation, qui se propage dans toutes les directions et dans les faces 41 qui viennent en contact et se soudent.
La fig. 7 représente une autre variante, suivant laquelle les bords en contact comportent de faibles irrégularités ou dentelures désignées d'une manière générale par 42.
Ces bords sont soudés par points 10 comme précédemment et la déforma- tion une fois terminée se localise plus complètement étant donné que les saillies ou dentelures se déforment et s'aplàtissent plus ou moins. Les point de soudure servent comme précédemment de centres de recristalli- sation dans la soudure de la totalité du joint. Cependant, la solution de la figo 7 peut donner lieu à un épaississement du métal dans le joint.
L'atmosphère réductrice ou non oxydante maintenue à 1' intérieur et à l'extérieur du tube facilite la réduction et empêche la formation d'oxydes qui ralentiraient la recristallisation dar.s les in- terfaceso Ainsi qu'il a été dit, cette atmosphère se propage dans le refroidisseur et empêche l'oxydation du tube pendant son refroidissement.
La description de l'invention peut se compléter en consi- dérant les figa 8, 9 et 10 qui sont des reproductions de microphotogra- phies avec un grossissement de 100 diamètres, représentant la structure des grains. La ligne de séparation des interfaces apparaît sur la fig.
8, sur laquelle on aperçoit nettement une ligne de clivage de la struc- ture cristalline. Cette ligne représente les interfaces des intervalles entre les points de soudure avant la soudure et le traitement thermique.
Les mêmes interfaces apparaissent sur la fig. 9 avant la soudure et après le traitement thermique ou de recuit à 815 C environ, et la ligne de sé- paration des interfaces est nettement indiquée par la structure cristal- line. Mais la même position des interfaces est représentée sur la fig. 10 après soudure suivie d'un recuit à 1149 C environ et on voit que la dif- férence de structure dans la zone du joint a disparu, ainsi que toute trace des interfaces initiales.
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WELDED TUBES.
The present invention relates to a process for manufacturing welded tubes and the tubes thus obtained, and more particularly to a process by which a metal strip is made to take a tubular shape, the edges of the metal strip being in contact with each other. , and the strip and the welding device are advanced with respect to each other so as to pass this device over the seal formed by the edges in contact. In general, the band advances while the welding device remains in a fixed position.
The invention is considered to be particularly applicable to the manufacture of tubes of relatively small diameter, but it is not necessarily limited to the manufacture of tubes of this nature.
These tubes may have, for example, an outside diameter d9 of about 15.8 mm and be formed by a steel strip in longitudinal movement with a thickness of about 0.88 mm.
The fabrication of welded small diameter pipes gives rise to various difficulties which do not arise in the fabrication of larger diameter welded pipes or tubes. One of these difficulties consists in keeping the edges which may be relatively thin in satisfactory rectilinear contact before welding them,
to minimize backing of metal into the weld which forms a burr on the inside or outside of the tube or on both sides $ and to obtain a uniform welded joint along its entire length and a uniform crystalline structure of the tube. metal in the vicinity of the welded joint
According to the invention, the edges of the tubular steel strip are brought into contact and then the edges are spot welded. This operation is preferably carried out by electric welding and the weld spots are spaced apart leaving between them uninterrupted interfaces. welded.
The edges are thus held precisely in relative positions. The metal in the vicinity of the joint is then heated to a temperature at which a rapid weld can be effected in combination with a
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plastic deformation causing recrystallization., This heating does not destroy the solder points, which serve as recrystallization centers. The crystals grow in all directions from the centers of recrystallization and the solder points are spaced so that the crystals as they grow in size fill the gaps between the solder spots and in the interfaces which previously unwelded are welded together.
The invention is described below with the accompanying drawings on which the pin 1 schematically shows a machine suitable for the manufacture of tubes with a metal strip in longitudinal movement. figo 2 represents the tube. once the spot welding is completed, figo 3 represents the tube after plastic deformation, while the crystals are growing. figa 4 represents the tube whose recrystallization is complete figo 5 is a cross section of the welded tube, figo 6 is a view similar to figo 2 and represents a variant figo 7 is a view similar to fig. 6 and shows another variant in FIG.
8 shows the structure of a low carbon steel in the interfaces between the weld points and before the interfaces are welded together, FIG. 9 is a view similar to FIG. 8 and shows the structure in the interfaces after annealing but before welding; FIG. 10 is a view similar to FIGS. 8 and 9 and represents the crystal structure in the interfaces between the weld points after the weld is complete and on which all traces of the initial interfaces have disappeared.
Fig. 1 represents an embodiment of a machine intended for the manufacture of tubes according to the invention. It comprises a suitable rolling mill for forming a tube comprising a number of forming rolls generally designated by 1 which unwind a strip 2 from a reel and cause it to assume a tubular shape 5. Before closing the joint of the tube introduces therein a non-oxidizing or reducing gas through a pipe 69 this gas having the purpose of cleaning the surfaces. ,, to eliminate or reduce to a minimum the quantity of oxides and to prevent them from forming .
Electric resistance welding electrodes in the form of rotary electrodes 8 are arranged at the outlet of the tube rolling mill. The electrodes come into contact with the tube on either side of the seal by exerting pressure on it and the tube rests against pressure-resistant cylinders 9. An alternating current is preferably packed into the electrodes 8 which spot weld the edges, as shown in FIG. 2. The spot welded portions of the tube are shown in Fig. 2 by dotted circumferences 10 and the interfaces of the edges in contact with each other between the weld spots are denoted by 11.
Of course, these interfaces are not welded, but the entire seam, generally designated 12, is precisely formed because the contacting edges are in precise relative position. The interfaces are kept in contact with each other. The relation between the frequency of the alternating current and the speed of the movement of the strip is chosen so as to separate the welding points one from the other.
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be at appropriate intervals as will be seen later.
It can be seen that the higher the frequency, the greater the speed of the movement of the strip can be to obtain a given interval between the weld points
The machine comprises after the spot welding electrodes a device for heating the metal in the vicinity of the joint and serving to complete the welding of the. attached.
This device as shown has the form of an electrical resistance heating device and comprises a casing 15 with an inlet tube 16 through which the spot welded tube passes. The envelope contains suitable electrodes, preferably in the form of rollers, opposite each of which is a support roller. One end of a transformer 16 'is connected to the intermediate electrode 18 and its other end to the front electrode 17 and to the weight electrode 19. The electric current thus flows in the longitudinal direction of the tube which . as a result, is heated almost uniformly throughout.
Immediately after the electrodes and preferably inside the casing are devices which induce plastic deformation and shown as reduction cylinders 20 which come into contact with the tube and exert on it a deformation action. crushing or reduction of section. Only two reduction cylinders have been shown in the figure. but it is obvious that the machine can have any suitable number of reduction cylinders.
A suitable non-oxidizing or reducing gas is preferably introduced into the casing 15; this gas can arrive through a pipe 21 and escape and burn at the inlet end 16 of the furnace.
Following the furnace is a cooler through which the tube passes. The cooler shown is of the type with a double water jacket comprising an inner pipe 22 through which the tube passes and a. outer jacket 23. The cooling water can arrive through a pipe 24 and exit through a pipe 26. Appropriate driving and shaping cylinders, generally designated 30, are arranged at the outlet of the cooler.
The gas entering the furnace can burn at the inlet end 16. To facilitate this combustion: the outlet end 31 of the cooler can be of reduced section and, moreover, the length of the cooler is considerable. so that the inlet end of the casing is closer to the gas inlet pipe than the outlet end of the cooler and gas tends to flow in the direction of least resistance.
As has already been indicated, spot welding serves not only to bring the interfaces into close contact and into the precise position desired. but again the welded points which follow one another and are distributed in space serve as centers from which, at the high temperature and the necessary state of plastic deformation. the phenomenon of recrystallization causes the growth of new grains in the interfaces in close contact but not yet welded.
The partial seal of fig. 2 is obviously an insufficient seal because it is not tight to the passage of liquids and is not completely welded.
The phenomenon of recrystallization consists in the growth of new crystals in solids at a temperature below the melting point. For crystallization to occur. two conditions must be fulfilled: 1) A state of instability must exist or establish in the solid and 2) an appropriate lower limit temperature must be reached or exceeded. A state of instability can exist in a solid due to a) residual internal stresses and b) variations in the
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content of alloying elements or possibly impurities.
A state of instability can be established in a solid due to c) stresses resulting from irregular thermal expansion;) a change in the crystal form of allotropic substances and e) the application of external deformation forces.
Iron is an allotropic substance whose various states are stable in certain temperature ranges which are as follows:
EMI4.1
<tb> State <SEP> Crystalline <SEP> structure <SEP> Limit <SEP> of <SEP> stability
<tb>
<tb> - <SEP> # - ##### <SEP> in <SEP> oC
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Alpha <SEP> Cubic <SEP> to <SEP> volume <SEP> centered <SEP> 910 <SEP> and <SEP> lower
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Gemma <SEP> Cubic <SEP> to <SEP> face <SEP> centered <SEP> 910 <SEP> to <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Delta <SEP> Cubic <SEP> to <SEP> volume <SEP> centered <SEP> 1400 <SEP> to <SEP> 1535
<tb>
The stability limits of ferrous alloys are modified and in certain cases of ferrous metals with a high content of alloying elements,
these limits can be removed completely or almost completely.
@ The present description is based on the will although the low carbon steel does not differ much, except with regard to the variations of the temperature of stability. It therefore appears that iron can theoretically recrystallize completely, that crystals can grow in an interface and form a weld without plastic deformation being necessary.
This recrystallization is unlikely to occur to a large extent on the transition from the alpha state to the gamma state at 910 C, since the rate of recrystallization is slow due to the low mobility of the iron atoms at this temperature. - erasures as well as the low mobility and the lack of tendency to coalesce and to collect the impurities and gas inclusions existing in the initial interface
Obviously, these gas inclusions and other impurities must coalesce and agglomerate as the new crystals grow in the interface, otherwise there is a plane of weakness in the initial interface (the seal).
But if the close contact interfaces are heated to a temperature above the next allotropic state change (from the gamma state to the delta state at 1400 ° C) recrystallization takes place during this allotropic state change and a weld can form without plastic deformation.
It is therefore theoretically possible by a suitable heat treatment alone to make the crystals in an interface grow and thus make the interface disappear. that is, to form a weld.
But the surfaces have oxide films; absorbed gas nitrides, etc., which form an obstacle to crystal growth at a temperature below the melting point. This recrystallization depends on the dynamic action of atoms between spatial limits of the order of interatomic distances in the crystal.
If one does not bring in any other energy than the vibratory energy of the atoms at high temperature, supplemented by the energy of the transformation at the moment of the change of allotropic state ,,, small obstacles, such as those which result from impurities , are likely to oppose recrystallization to a large extent.
If the crystal growth has started at one or more points and by any means in the interfaces and if the interfaces are in close contact, (apart from thin layers of impurities or foreign atoms), one can cause ., by causing an elevated temperature to act continuously
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and / or by repeated oscillations of temperature passing through the temperature of the allotropic change, the agglomeration of impurities and the growth of crystals. Of course, this solution is not applicable to a high speed industrial operation.
In addition, some metals do not undergo allotropic state changes or undergo them at such low temperatures that the overall vibrational energy of the atoms is too low to significantly alter the initial crystal shape or shape. get fat beyond their initial limits.
According to the invention, the metal to be welded undergoes plastic deformation after heating to the recrystallization temperature. Plastic deformation accelerates the phenomenon of recrystallization and also helps to break down the obstacles posed by oxides, nitrides, absorbed gases, etc.
As a result, the seam or spot welds keep the edges in contact in precise position and pass through the oxide layers. absorbed gases ,. impurities, etc. between the contacting faces, forming centers from which recrystallization can subsequently take place at the appropriate temperature. and with plastic deformation in order to complete the adhesion of the interfaces in the joint. The solder spots are spaced apart from each other so that recrystallization progresses completely from one solder spot to the next. The gap between the welds can be approximately 6 to 8 mm. The heating temperature of the tube is within the limits of the gamma state.
It has been found that a satisfactory temperature in the furnace through which the tube passes is about 1315 C. While the tube is at this temperature, the reduction rolls 20 come into contact with it under pressure and cause it to undergo plastic deformation, and the grains grow larger from the previously established growth centers, ie the welds, in all directions. This crystal growth is very rapid and it is difficult to stop it, except when impurities of some kind oppose it.
In fig. 2, the dotted circumferences 10 represent the weld points. In fig. 3, the dotted areas 35 represent the partial growth of the crystals and in FIG. 4, the total dotted area 36 indicates that recrystallization is complete. The crystals have grown in the initial unwelded interfaces and consequently these no longer exist because they are united or welded. The dotted circumferences which represent the initial recrystallization centers are shown in Figs. 3 and 4.- but these welded points have effectively disappeared in the final product.
If the tube is heated uniformly over its entire periphery, the plastic deformation tends to be distributed uniformly over the entire periphery of the tube and recrystallization also occurs over the entire periphery. This does not result in any detrimental consequence per se in the tube, provided that the plastic deformation is sufficient so that the recrystallization crystals are small and that a high degree of isotropy is obtained in the finished tube.
If the tube is heated evenly, the strain is distributed more or less evenly over its entire periphery. But in principle, plastic deformation is only necessary in the immediate vicinity of the weld. If the metal is heated and plastically deformed only in the vicinity of the weld, almost all of the reduction in diameter can be concentrated in the region of the weld. This welding operation can be carried out by heating the tube more or less locally along the joint.
In some cases, for example in that of a small, thin-walled tube, the tube is very soft and brittle when heated around its entire periphery to the high temperature suitable for recrystallization, and it may be difficult. to achieve a strong deformation in one
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single pass without risking damage to the formed tube. It may be advantageous in this case to achieve a preferential or localized deformation in and in the immediate vicinity of the joint.
Fig. 6 represents one way to achieve this result. The edges of tube 5b in this figure have a somewhat wavy shape, as the figure indicates in very exaggerated form. The edges have portions 40 in close contact with one another and spot-welded. The intermediate portions have due to the corrugated shape surfaces 41 facing each other and separated by a gap.
When this tube is heated and subjected to a compressive force, a relatively strong plastic deformation occurs in the region of the welds, giving rise to satisfactory local recrystallization.
This plastic deformation has the effect of closing the open zones and bringing the faces into contact with each other, and the small weld zones constitute centers from which recrystallization starts, which propagates in all directions and in the faces 41 which come into contact and weld together.
Fig. 7 shows another variant, according to which the edges in contact have small irregularities or indentations generally designated by 42.
These edges are spot welded as before and the deformation when complete becomes more localized as the protrusions or serrations deform and flatten out more or less. As before, the solder points serve as recrystallization centers in the solder of the entire joint. However, the solution of Figo 7 may result in thickening of the metal in the joint.
The reducing or non-oxidizing atmosphere maintained inside and outside the tube facilitates reduction and prevents the formation of oxides which would slow recrystallization in the interfaces. As has been said, this atmosphere propagates in the cooler and prevents oxidation of the tube as it cools.
The description of the invention can be completed by considering Figures 8, 9 and 10 which are reproductions of microphotographies with a magnification of 100 diameters, showing the structure of the grains. The line separating the interfaces appears in fig.
8, on which we can clearly see a line of cleavage of the crystalline structure. This line represents the interfaces of the gaps between the weld points before welding and heat treatment.
The same interfaces appear in fig. 9 before welding and after heat treatment or annealing at about 815 C, and the line of separation of the interfaces is clearly indicated by the crystal structure. But the same position of the interfaces is shown in fig. 10 after welding followed by annealing at approximately 1149 ° C. and it is seen that the difference in structure in the region of the joint has disappeared, as well as all traces of the initial interfaces.