Procédé pour la fabrication de tubes et appareil pour sa mise en aeuvre La présente invention concerne un procédé de fabrication de tubes métalliques à partir d'un métal en bande, et plus particulièrement la fabrication de tubes du genre dans lequel les bords de la bande sont unis entre eux par l'apport d'un métal fondu.
Cette invention est applicable, mais non limitée à un tube du genre dans lequel la bande est façonnée de manière à posséder une paroi d'épaisseur simple pourvue de parties marginales disposées face à face de manière à former un joint. Les bords peuvent être juxtaposés et former ainsi ce qu'on appelle habituellement un joint abouté, mais les parties marginales peuvent aussi être établies de ma nière qu'on obtienne d'autres types ou formes de joint, ces modifications étant par exemple obtenues en façonnant lesdites parties de ma nière à augmenter leurs surfaces de contact.
Conformément à l'invention, on forme la bande en la recourbant sur elle-même d'une manière inversée de telle sorte que, une fois le tube formé, les bords de jonction soient à la partie inférieure. Avec une telle disposition, le tube peut être soumis à une flexion pendant qu'il se meut longitudinalement, de façon que sa partie la plus basse puisse recevoir du métal d'union et d'obturation à l'état fondu. Ce métal fondu, directement appliqué sur la zone des bords, coule entre ceux-ci et, en se refroidis- sant, les unit l'un à l'autre. Ceci s'obtient sans faire usage d'un excès de métal d'union et sans déformer la bande de métal qui forme le corps du tube.
Le dessin annexé illustre le procédé, objet de l'invention, et représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'un appareil pour la mise en aeuvre du procédé.
La fig. 1 est une vue d'ensemble illustrant le procédé et représentant un appareil à fabri quer les tubes.
La fig. 2 est une coupe transversale à grande échelle par la ligne 2-2 de la fig. 1 et représente des rouleaux presseurs.
La fig. 3 est une coupe transversale à grande échelle par la ligne 3-3 de la fig. 1, représentant l'application de métal d'union fondu.
La fig. 4 est une coupe transversale repré sentant un tube pourvu d'une forme de joint modifiée.
La fig. 5 est une coupe transversale d'un tube pourvu d'une autre forme de joint.
La fig. 1 représente une bande de métal 1 déroulée d'une bobine 2. Cette bande est de préférence un feuillard d'acier, bien que d'au tres métaux puissent être utilisés conjointement avec un métal d'union approprié. La bande 1 est animée d'un mouvement longitudinal à tra vers un laminoir à tubes, désigné en son en semble par 5. Les laminoirs de ce genre sont bien connus et comprennent des rouleaux ou cylindres convenablement façonnés de manière à cintrer la bande transversalement pour lui donner une forme creuse en section transver sale.
Toutefois, contrairement à la méthode classique, le laminoir 5 façonne le tube de façon que le joint soit situé à la base du tube. Il est pourvu, à ou près de son extrémité de sortie, de rouleaux presseurs qui peuvent être disposés avec leurs axes verticaux, comme re présenté à la fig. 2. Ces rouleaux, désignés par 7 et 8, présentent une gorge semi-circulaire destinée à entrer en contact avec le tube T. On voit à la fig. 2 que les bords de la bande sont disposés à la partie inférieure du tube et juxtaposés en 10.
La pression exercée par les rouleaux 7 et 8 est de préférence telle qu'elle ait pour effet de presser fortement les surfaces des bords l'une contre l'autre. Cette pression peut être suffisante pour étamper ou écraser légèrement les bords.
Il va de soi que certains des rou leaux du laminoir façonneur seront comman dés par des moyens appropriés de manière à entraîner la bande longitudinalement et que, étant donné que la gorge formée par les rou leaux presseurs 7 et 8 est quelque peu limitée, il est préférable que ces rouleaux soient eux- mêmes entramés, afin qu'une pression soit exercée sur le tube, de même qu'il est préfé rable que les rouleaux 7 et 8 soient entrainés à une vitesse périphérique légèrement plus élevée que celle de certains des rouleaux du laminoir. A l'intérieur du laminoir, le tube peut être disposé à peu près horizontalement.
De préférence, le laminoir fait un angle avec l'horizontale, afin que la bande et le tube qui en est fait se meuvent longitudinalement et obliquement vers le bas. Le but de cette disposition, ainsi qu'il ressortira de ce qui suit, est de placer le tube dans la position voulue pour permettre d'appliquer le métal de jonction fondu.
Le tube est chauffé préalablement à l'ap port du métal fondu et, à cette fin, il est avantageux d'utiliser une résistance électrique. Comme représenté, il est disposé une première électrode 20 en forme de rouleau avec laquelle coopère un rouleau de soutien 21, une seconde électrode-rouleau 22 avec laquelle coopère un rouleau de soutien 23, et une troisième élec trode, établie sous forme d'une masse fondue 25 de métal d'union, qui peut être contenue dans un récipient approprié 26. 30 désigne le primaire d'un transformateur dont le secon daire est indiqué en 31, le rôle de ce trans formateur étant de fournir un courant élec trique alternatif à basse tension, de forte intensité.
Un côté du secondaire 31 est connecté par un fil 33 avec l'électrode 25 et par un fil 34 avec l'électrode 20, son autre côté étant relié par un fil 35 à l'électrode in termédiaire 22. De cette façon, le courant est divisé, à partir d'un des côtés du secondaire, entre les deux électrodes extérieures, ce qui simplifie l'isolement électrique de la machine et du tube.
Le métal 25 peut être maintenu à l'état fondu par un dispositif de chauffage, repré senté dans ce cas sous forme d'éléments de résistance électriques 37 pourvus de conduc teurs 38 destinés à être reliés à une source convenable de courant électrique.
Au-dessus du récipient 26, qui est ouvert au sommet, est disposée une roue 40 présen tant une gorge 45, de forme semi-circulaire en section. Cette roue est composée de parties respectivement intérieure 41 et extérieure 42, entre lesquelles est insérée une matière d'iso lation électrique, désignée par 43. La roue 40 est montée pour tourner autour d'un axe 44 et est entramée pour tourner à une vitesse périphérique qui correspond sensiblement à la vitesse linéaire du tube.
La partie de tube qui s'étend obliquement vers le bas s'engage dans la gorge 45 de la roue 40, dont la position par rapport au niveau du métal fondu est telle que le côté inférieur du tube plonge dans le métal fondu pendant le mouvement du tube le long du segment ou arc de la roue qui est situé le plus bas. Ceci est indiqué à la fi-. 3. La gorge 45 possède de préférence une profondeur approximative- ment égale au rayon extérieur du tube, afin que celui-ci soit étroitement reçu dans cette gorge et que les bords juxtaposés 10 soient ainsi maintenus l'un contre l'autre.
Au moment où le tube passe sous la roue 40 d'un côté à l'autre du plan vertical contenant l'axe de cette roue, il épouse la forme courbe de la roue de façon à former une boucle aplatie ou coude, puis est guidé vers le haut et obliquement à travers un groupe de rouleaux 46 dont quel ques-uns au moins sont commandés à une vitesse telle qu'ils entraînent le tube et le soumettent à une tension propre à le mainte nir en contact avec la roue 40. Les rouleaux 46 se comportent aussi comme des rouleaux re froidisseurs destinés à refroidir le tube à une température suffisamment basse pour solidifier le métal d'union.
En quittant les rouleaux de refroidissement et d'entraînement 46, le tube pénètre dans un refroidisseur 48, qui peut être une structure tubulaire enveloppée et de forme allongée comportant une chemise extérieure 49 et une chemise intérieure 50. Un agent réfri gérant, par exemple de l'eau, peut être intro duit entre les chemises par des tuyaux 51 et 52, et le tube fini sort du refroidisseur par l'extrémité de celui-ci, comme indiqué.
La roue de guidage et de façonnage 40 occupe une position telle que la portion infé rieure saillante du coude du tube plonge dans le métal fondu, comme indiqué à la fig. 3. Le tube a été préchauffé à la température qui convient pour l'application du métal d'union, et le métal s'infiltre rapidement, par capilla- rité, entre les bords juxtaposés, en formant ainsi entre ces bords une pellicule d'union continue et uniforme.
Le procédé décrit est particulièrement ap plicable à la formation d'un tube d'acier her métiquement joint par une brasure au cuivre. Dans ce cas, le métal de la masse 25 est le cuivre, celui-ci pouvant être sensiblement de la pureté du cuivre commercial. Il ne reste tout au plus qu'une très faible proportion qui adhère aux surfaces extérieures immergées dans le bain de cuivre fondu, mais par capil larité le cuivre s'infiltre rapidement entre les bords du joint.
Ce métal ne passe toutefois pas entre les bords au point de pénétrer à l'intérieur du tube parce que, à l'intérieur des bords, il ne s'exerce aucune force de capilla- rité. Bien entendu, des métaux de brasage autres que le cuivre pur - considéré ici comme un métal de brasage - peuvent être appliqués avec l'acier. On peut fabriquer un tube par le présent procédé en utilisant une bande d'acier dont les bords sont unis entre eux par une forme de soudure tendre, telle qu'un alliage d'étain et de plomb, ou par une des soudures dites dures, qui peuvent contenir de l'argent.
De plus, on peut employer pour le tube d'autres métaux, tels qu'une bande de cuivre ou de métal Monel, auquel cas la sou dure ou métal d'union serait convenablement choisi en vue de son application avec le cuivre ou le métal Monel, ce métal d'union consistant par exemple en un alliage de plomb et d'étain, ou encore en une soudure dure, pourvu que le point de fusion de la soudure dure soit inférieur au point de fusion du métal de la bande.
Le chauffage du tube, surtout lorsque le cuivre est appliqué pour unir l'acier, peut être tel qu'il élève la température à un point où l'élasticité du métal du tube diminue ou est entièrement supprimée. Toutefois, dans ce cas, comme le tube est déjà façonné avec ses bords étroitement appliqués l'un contre l'autre, la perte d'élasticité ne provoque pas l'ouverture ou l'élargissement des bords.
Par conséquent, au moment où le tube chauffé quitte la roue de guidage 40 et passe entre les rouleaux de traction et de refroidissement 46, les bords et la pellicule de métal d'union existant entre eux restent en relation intime, et au moment où le tube traverse le train de rouleaux 46, le métal d'union s'est solidifié à tel point que le léger cintrage communiqué au tube à son entrée dans le refroidisseur n'a pas d'effet nui sible sur le joint. Il est préférable de maintenir le tube chauffé et le métal fondu dans un milieu non oxydant ou réducteur.
A cet effet, une enve loppe appropriée 55 est disposée autour des électrodes-rouleaux 20 et 22, ainsi qu'autour de l'espace séparant ces électrodes, cette enve loppe étant raccordée à une enveloppe 56 qui entoure la roue de guidage 40 et le récipient 26 à métal fondu. Une troisième enveloppe 57 est raccordée à l'enveloppe 56 et renferme les rouleaux de traction, l'enveloppe 57 étant d'autre part raccordée au refroidisseur, par un élément d'enveloppe tubulaire 58. Les enveloppes 56 et 57 se comportent à la façon d'un prérefroidisseur propre à abaisser la tem pérature de manière à solidifier le métal d'union, les rouleaux 46 contribuant à cette action. Un gaz réducteur ou non oxydant approprié peut être admis par un tuyau 60.
Une partie de ce gaz peut s'échapper par l'extrémité d'entrée de l'enveloppe 55, comme indiqué par des flèches, et une autre partie peut s'échapper par l'extrémité du refroidisseur. Le tube est de préférence refroidi jusqu'à ce que, lorsqu'il passe finalement à l'air libre, sa température ait été réduite à une valeur telle qu'aucune oxydation nuisible n'a lieu. Le procédé décrit est applicable à la fabri cation de tubes pourvus de joints très divers. Le joint décrit, qui est du type dans lequel les bords de la bande sont directement juxta posés, est un joint dit abouté .
Une autre forme de joint est représentée à la fig. 4, où l'on voit que les bords de la pièce Tz sont formés de façon à se recouvrir mutuellement, comme indiqué en 65.
Bien que ce joint soit une forme de joint à recouvrement, les bords des parties à recou vrement sont abrupts, de sorte que le joint peut être soumis à une compression avant que les interfaces aient été unis entre eux. Une autre forme de joint est représentée à la fig. 5, dans laquelle un des bords de la pièce T est pourvu de faces convergentes qui se terminent sensiblement par une arête, le bord opposé étant rainuré de façon correspondante de telle sorte que les deux bords s'ajustent l'un à l'autre pour former un joint 66. Ce type de joint peut aussi être soumis à une pression avant que les bords aient été unis par un apport de métal.
Les avantages du procédé décrit peuvent être illustrés d'une manière plus évidente si l'on considère, à titre d'exemple, la fabrica tion d'un tube dont le diamètre extérieur est de l'ordre de 9 à 12 mm à partir d'une bande du feuillard d'acier dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,7 mm, les bords étant unis à l'aide de cuivre. La surface de contact des bords est très petite, et la quantité de matière est faible. La quantité de cuivre dont on a besoin pour établir le meilleur joint est si faible qu'il ne serait guère possible d'appliquer le cuivre à l'état solide. Une mince pellicule représentant la quantité correcte de cuivre ne pourrait pas être appliquée parce qu'elle serait trop petite, délicate et trop faible pour sa manutention.
Un tronçon, bande ou fil métallique ayant une section suffisante pour pouvoir être manuten tionné fournirait une trop grande quantité de cuivre, et il en résulterait un joint affaibli et, peut-être, la formation de dépôts ou goutte lettes de cuivre le long du tube. Pour qu'on puisse fournir le métal au poste de jonction sous forme d'un fil ou bande de métal solide, il faudrait façonner préalablement les bords de manière à constituer une cavité propre à recevoir ledit métal, et ceci aurait pour effet d'affaiblir le joint. En fournissant le cuivre à l'état fondu, après que le tube a été façonné et chauffé, l'intervalle qui sépare les bords reçoit par capillarité juste la quantité de cuivre nécessaire pour remplir ledit intervalle, outre que, au voisinage du joint, la matière de la bande n'est déformée en aucune façon.
The present invention relates to a method of manufacturing metal tubes from a strip metal, and more particularly to the manufacture of tubes of the kind in which the edges of the strip are united by the contribution of a molten metal.
This invention is applicable, but not limited to a tube of the kind in which the strip is shaped to have a single wall thickness provided with marginal portions disposed face to face so as to form a seal. The edges can be juxtaposed and thus form what is usually called a butt joint, but the marginal parts can also be made so that other types or shapes of joint are obtained, such modifications being obtained for example by shaping said parts so as to increase their contact surfaces.
According to the invention, the strip is formed by bending it back on itself in an inverted manner so that, once the tube is formed, the junction edges are at the bottom. With such an arrangement, the tube can be flexed as it moves longitudinally, so that its lower part can receive molten bonding and sealing metal. This molten metal, applied directly to the area of the edges, flows between them and, as it cools, joins them together. This is achieved without using an excess of joining metal and without deforming the band of metal which forms the body of the tube.
The appended drawing illustrates the method, object of the invention, and represents, by way of example, an embodiment of an apparatus for carrying out the method.
Fig. 1 is an overall view illustrating the process and showing an apparatus for manufacturing the tubes.
Fig. 2 is an enlarged cross section taken on line 2-2 of FIG. 1 and represents pressure rollers.
Fig. 3 is an enlarged cross-section taken on line 3-3 of FIG. 1, showing the application of molten bonding metal.
Fig. 4 is a cross section showing a tube provided with a modified form of seal.
Fig. 5 is a cross section of a tube provided with another form of seal.
Fig. 1 shows a strip of metal 1 unwound from a coil 2. This strip is preferably a steel strip, although other metals can be used in conjunction with a suitable bonding metal. The strip 1 is driven in a longitudinal movement through a tube rolling mill, designated in its appearance by 5. Rolling mills of this kind are well known and comprise rolls or cylinders suitably shaped so as to bend the strip transversely to give it a hollow shape in a dirty cross section.
However, unlike the conventional method, the rolling mill 5 shapes the tube so that the seal is located at the base of the tube. It is provided, at or near its outlet end, with pressure rollers which can be arranged with their axes vertical, as shown in FIG. 2. These rollers, designated by 7 and 8, have a semi-circular groove intended to come into contact with the tube T. It is seen in FIG. 2 that the edges of the strip are arranged at the lower part of the tube and juxtaposed at 10.
The pressure exerted by the rollers 7 and 8 is preferably such that it has the effect of strongly pressing the surfaces of the edges against each other. This pressure may be sufficient to stamp or lightly crush the edges.
It goes without saying that some of the rollers of the shaping mill will be controlled by suitable means so as to drive the strip longitudinally and that, since the groove formed by the pressure rollers 7 and 8 is somewhat limited, it is necessary to preferable that these rollers themselves be driven, so that pressure is exerted on the tube, just as it is preferable that the rollers 7 and 8 are driven at a peripheral speed slightly higher than that of some of the rollers of the rolling mill. Inside the rolling mill, the tube can be arranged approximately horizontally.
Preferably, the rolling mill forms an angle with the horizontal, so that the strip and the tube made from it move longitudinally and obliquely downwards. The purpose of this arrangement, as will emerge from what follows, is to place the tube in the desired position to allow the molten junction metal to be applied.
The tube is heated prior to the addition of molten metal and, for this purpose, it is advantageous to use an electrical resistance. As shown, there is disposed a first electrode 20 in the form of a roller with which a support roller 21 cooperates, a second electrode-roller 22 with which a support roller 23 cooperates, and a third electrode, established in the form of a. molten mass 25 of union metal, which may be contained in a suitable container 26. 30 designates the primary of a transformer whose secondary is indicated at 31, the role of this transformer being to supply an alternating electric current low voltage, high current.
One side of the secondary 31 is connected by a wire 33 with the electrode 25 and by a wire 34 with the electrode 20, its other side being connected by a wire 35 to the intermediate electrode 22. In this way, the current is divided, from one side of the secondary, between the two outer electrodes, which simplifies the electrical isolation of the machine and the tube.
The metal 25 can be maintained in the molten state by a heating device, represented in this case in the form of electrical resistance elements 37 provided with conductors 38 intended to be connected to a suitable source of electric current.
Above the container 26, which is open at the top, is arranged a wheel 40 having a groove 45, of semi-circular shape in section. This wheel is composed of inner 41 and outer 42 respectively parts, between which is inserted an electrical insulation material, designated by 43. The wheel 40 is mounted to rotate about an axis 44 and is driven to rotate at a speed device which substantially corresponds to the linear speed of the tube.
The obliquely downwardly extending portion of tube engages groove 45 of wheel 40, the position of which relative to the level of the molten metal is such that the underside of the tube plunges into the molten metal during movement. of the tube along the segment or arc of the wheel that is the lowest. This is indicated in fi-. 3. The groove 45 preferably has a depth approximately equal to the outer radius of the tube, so that the latter is tightly received in this groove and the juxtaposed edges 10 are thus held against each other.
At the moment when the tube passes under the wheel 40 from one side to the other of the vertical plane containing the axis of this wheel, it follows the curved shape of the wheel so as to form a flattened loop or bend, then is guided upwards and obliquely through a group of rollers 46, at least some of which are controlled at a speed such that they drive the tube and subject it to a specific tension to keep it in contact with the wheel 40. The rollers 46 also behave as re-cold rollers intended to cool the tube to a temperature sufficiently low to solidify the joining metal.
Leaving the cooling and drive rollers 46, the tube enters a cooler 48, which may be a tubular, enveloped, elongated structure having an outer jacket 49 and an inner jacket 50. A cooling agent, for example water, can be introduced between the jackets through pipes 51 and 52, and the finished pipe exits the cooler through the end thereof, as shown.
The guide and shaping wheel 40 occupies a position such that the protruding lower portion of the elbow of the tube is immersed in the molten metal, as shown in FIG. 3. The tube has been preheated to the temperature suitable for the application of the bonding metal, and the metal seeps rapidly, by capillary action, between the juxtaposed edges, thus forming between these edges a film of. continuous and uniform union.
The described process is particularly applicable to the formation of a steel tube which is metically joined by a copper solder. In this case, the metal of mass 25 is copper, which can be substantially of the purity of commercial copper. At most, only a very small proportion remains which adheres to the outer surfaces immersed in the bath of molten copper, but by capillary action the copper quickly infiltrates between the edges of the joint.
However, this metal does not pass between the edges to the point of penetrating inside the tube because inside the edges no capillary force is exerted. Of course, brazing metals other than pure copper - considered here as a brazing metal - can be applied with the steel. A tube can be made by the present process using a steel strip whose edges are joined together by a form of soft solder, such as an alloy of tin and lead, or by one of the so-called hard solders, which may contain silver.
In addition, other metals, such as copper or Monel metal strip, can be used for the tube, in which case the hard solder or joining metal would be suitably chosen for application with the copper or the metal. Monel, this bonding metal consisting for example of an alloy of lead and tin, or else of a hard solder, provided that the melting point of the hard solder is lower than the melting point of the metal of the strip.
Heating of the tube, especially when copper is applied to join the steel, can be such as to raise the temperature to a point where the elasticity of the metal in the tube decreases or is completely removed. However, in this case, since the tube is already shaped with its edges tightly pressed together, the loss of elasticity does not cause the edges to open or widen.
Therefore, when the heated tube leaves the guide wheel 40 and passes between the pulling and cooling rollers 46, the edges and the bonding metal film existing between them remain intimately related, and when the tube passes through the roller train 46, the joining metal has solidified to such an extent that the slight bending imparted to the tube as it enters the cooler has no detrimental effect on the seal. It is preferable to keep the tube heated and the molten metal in a non-oxidizing or reducing medium.
For this purpose, a suitable envelope 55 is disposed around the roller electrodes 20 and 22, as well as around the space separating these electrodes, this envelope being connected to a casing 56 which surrounds the guide wheel 40 and the molten metal container 26. A third casing 57 is connected to the casing 56 and encloses the traction rollers, the casing 57 being on the other hand connected to the cooler, by a tubular casing element 58. The casings 56 and 57 behave as a pre-cooler suitable for lowering the temperature so as to solidify the joining metal, the rollers 46 contributing to this action. A suitable reducing or non-oxidizing gas may be admitted through pipe 60.
Part of this gas can escape through the inlet end of the casing 55, as indicated by arrows, and another part can escape through the end of the cooler. The tube is preferably cooled until, when it finally passes into the open air, its temperature has been reduced to such a level that no harmful oxidation takes place. The process described is applicable to the manufacture of tubes provided with a wide variety of gaskets. The joint described, which is of the type in which the edges of the strip are placed directly juxta, is a so-called butt joint.
Another form of seal is shown in fig. 4, where it is seen that the edges of the part Tz are formed so as to overlap each other, as indicated at 65.
Although this joint is a form of lap joint, the edges of the overlaps are steep so that the joint may be subjected to compression before the interfaces have been joined together. Another form of seal is shown in fig. 5, in which one of the edges of the piece T is provided with converging faces which terminate substantially in an edge, the opposite edge being correspondingly grooved so that the two edges fit together to forming a joint 66. This type of joint can also be subjected to pressure before the edges have been united by a contribution of metal.
The advantages of the described process can be illustrated in a more obvious way if we consider, by way of example, the manufacture of a tube having an outside diameter of the order of 9 to 12 mm from 'a strip of the steel strip, the thickness of which is of the order of 0.7 mm, the edges being united with copper. The contact area of the edges is very small, and the amount of material is small. The amount of copper needed to make the best seal is so small that it would hardly be possible to apply the copper in the solid state. A thin film representing the correct amount of copper could not be applied because it would be too small, delicate and too weak to handle.
A section, strip or wire of sufficient cross section to be handled would supply too much copper, resulting in a weakened seal and possibly the formation of copper deposits or droplets along the tube. . In order to be able to supply the metal to the junction station in the form of a solid metal wire or strip, the edges would have to be shaped beforehand so as to constitute a suitable cavity to receive said metal, and this would have the effect of weakening gasket. In supplying the copper in the molten state, after the tube has been shaped and heated, the gap between the edges receives by capillary action just the quantity of copper necessary to fill said gap, besides, in the vicinity of the joint, the tape material is not distorted in any way.