Procédé pour souder un tube métallique et dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé La présente invention a pour objets un procédé pour souder un tube métallique et un dispositif pour la mise en aeuvre de ce procédé.
On connait déjà des procédés de soudure de tubes métalliques consistant à faire avancer d'une manière continue un tube comportant une fente le long d'une génératrice, à soumet tre ensuite ce tube à un chauffage et à une pression exercée par des galets de manière à fermer la fente et à souder l'un sur l'autre les deux bords de celle-ci.
Il était d'un usage cou rant jusqu'à présent, dans l'application de ce procédé à la soudure de tubes d'acier, de souder les bords de la fente par un chauffage à résistance électrique ; on appliquait un cou rant électrique intense en utilisant des contacts constitués par des galets de cuivre, qui pres saient fortement le métal du tube de chaque côté de la fente, de manière que le courant passe de l'un de ces galets à l'autre galet direc tement à travers la fente à l'endroit du point de soudure, et aussi circonférentiellement au tour de celui-ci, à travers le métal du tube.
On utilisait généralement un courant alter natif d'une fréquence comprise à peu près entre 60 et 180 cycles, ou atteignant quelque fois 300 cycles dans le cas où le tube avançait rapidement et où on désirait éviter des effets appréciables des pulsations du courant sur la structure de la soudure.
Puisqu'il est essentiel dans un tel procédé de faire passer un cou rant très intense à travers le métal du tube afin de chauffer rapidement la masse entière de celui-ci, il est également nécessaire d7appli- quer les galets de contact avec une forte pres sion contre le tube afin d'assurer un bon contact électrique ; le tube d'acier est capable dans la plupart des cas de résister à une telle pression ;
par contre, si le tube est en un métal non ferreux plus mou, par exemple en aluminium, ou possède des parois minces, on ne peut pas appliquer facilement par les galets une pression suffisante pour assurer le bon contact nécessaire avec le tube sans risquer de déformer celui-ci. En conséquence, on s'est efforcé, pour souder les tubes à parois minces ou tubes constitués par des métaux relative ment mous, d'utiliser le chauffage par induc tion, en entourant par exemple le tube en mouvement par une bobine de chauffage à induction, à un endroit précédant immédiate ment la zone de soudure.
Cependant, il est difficile d'induire par ce procédé dans le tube un courant suffisant pour le chauffer rapi dement,. en particulier si le tube est en un métal non magnétique, parce que la pièce consti tuant le tube est un cylindre ouvert le long d'une génératrice, et aussi parce qu'il doit y avoir une distance radiale appréciable entre la bobine de chauffage et le tube de manière à réaliser un jeu mécanique suffisant permettant de déplacer le tube à grande vitesse.
Ce pro cédé consistant à chauffer par induction le tube en l'entourant d'une bobine présente l'incon vénient qu'un chauffage assez important se produit dans les parois du tube, y compris les parties opposées à la fente.
La présente invention permet d'éviter les difficultés que présentent les deux procédés décrits ci-dessus. Le procédé selon l'inven tion pour souder ensemble les bords d'une fente longitudinale d'un tube métallique, con siste à faire avancer le tube longitudinalement tout en lui appliquant une pression pour fermer la fente dans une zone déterminée où s'opère la soudure, et à chauffer les bords de la fente<B>a</B> de manière à porter cette zone à la température de soudure ;
il est caractérisé par le fait qu'on réalise ce chauffage en amenant au tube un courant électrique à haute fré quence en appliquant sur le tube les bornes de polarités opposées d'une source de courant en des endroits situés au voisinage de chacun des deux bords de la fente et en avant de ladite zone de soudure, ce courant ayant une fréquence d'au moins environ 50 000 cycles par seconde, de sorte que la plus grande partie de ce courant suit le trajet de plus faible impé dance qui lui est offert dans le tube et passe le long des bords de la fente jusqu'à la zone de soudure, l'effet de chauffage de ce courant se trouvant ainsi concentré dans les bords de la fente entre les endroits où le courant est appliqué au tube et la zone de soudure.
Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé défini ci-dessus comprend des moyens pour faire avancer le tube longitudinalement et le faire passer entre des moyens destinés à appliquer une pression au tube en vue de fermer la fente dans la zone de soudure, des moyens pour chauffer les bords de la fente de manière à porter la zone de soudure à la tem pérature de soudure, et est caractérisé par le fait qu'il comprend des électrodes destinées à être mises en contact avec le tube en des endroits situés au voisinage de chacun des bords de la fente et en avant de la zone de soudure, et des moyens pour appliquer un courant électrique à haute fréquence auxdites électrodes, dont la fréquence est d'au moins environ 50 000 cycles par seconde.
Les dessins annexés illustrent à titre d'exemples quelques mises en oeuvre du pro cédé selon l'invention.
La fig. 1 est une vue en perspective des pièces essentielles d'une première forme d'exé cution du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, montrant la position d'une certaine longueur de tube en cours de progression pen dant la soudure.
Les fig. 2 à 5 représentent en perspective d'autres dispositions des contacts de ce dispo sitif. Si on considère maintenant en détail la fig. 1, on voit en 10 un tube avançant d'une manière continue à partir d'un dispositif qui a donné à une bande métallique plane la forme d'un tube possédant une fente 11. Le dispositif utilisé pour former un tel tube, dont la fente 11 est limitée par deux surfaces marginales et opposées, rectifiées et brillantes, n'est pas décrit et pas représenté sur le dessin. Ce dispo sitif peut être de l'un des types utilisés commu nément jusqu'à présent pour former de tels tubes.
Les bords de la fente 11 sont amenés en contact l'un avec l'autre au point 12 et soudés pendant l'avance du tube, grâce à l'action des galets opposés de pression 13 et 14, qui peu vent être construits et actionnés de la même manière que dans les différentes machines bien connues à souder les tubes.
Deux contacts 15 et 16, séparés par une couche isolante 17 capable de résister aux températures élevées, sont montés sur un sup port de manière à pouvoir être engagés respec tivement par coulissement entre les surfaces marginales opposées 18, 19 de la fente 11. Ces contacts peuvent être formés par des alliages métalliques capables de supporter des températures élevées sans se corroder et de résister à l'abrasion. Les contacts 15, 16 sont connectés res pectivement d'une manière amovible, au moyen des vis 20, à des barres conductrices 21, 22, constituées par du cuivre ou un autre métal bon conducteur de l'électricité.
Ces barres conductrices sont connectées à une source de courant à haute fréquence, par exemple aux bornes d'un transformateur capable de trans former le courant fourni par une source à haut voltage et à haute fréquence en un courant intense à bas voltage et à haute fréquence, de préférence comprise entre 300 000 et 500 000 cycles par seconde. On peut utiliser, si on le désire, une fréquence beaucoup plus élevée, pouvant atteindre plusieurs millions de cycles par seconde, mais une fréquence d'environ 400 000 cycles par seconde est largement suf fisante dans les cas courants.
L'intensité du courant que l'on fait passer dans le circuit des contacts 15, 16 peut varier entre des limites très différentes, suivant les dimensions et l'épaisseur du tube, et suivant la vitesse de son déplacement longitudinal ; la quantité de chaleur appliquée augmente natu rellement proportionnellement à l'augmentation de la vitesse du tube, et cette quantité de cha leur est d'autant plus importante que les parois du tube sont plus épaisses. Il faut appliquer un courant suffisant pour que les bords du métal dans la fente 11 fondent et se soudent exacte ment au moment où ils viennent en contact l'un avec l'autre au point 12, tandis que le métal éloigné de ces surfaces marginales reste solide.
D'une manière générale, les tubes de grand diamètre n'exigent pas un courant de chauffage sensiblement plus fort que les tubes de petit diamètre ayant la même épaisseur de paroi. Ceci et le fait que l'application d'un courant à haute fréquence n'exige pas une grande pression de contact constituent des avantages importants ; on peut par conséquent appliquer ce procédé à des tubes dont les dimensions, la forme, la résistance et le métal sont très différents.
Avec un courant intense à haute fréquence et un voltage relativement faible appliqués<B>dé</B> cette manière, la plus grande partie du courant passant dans le métal du tube suit nécessaire- ment, pour des raisons qui seront expliquées plus loin, un trajet partant de l'un des con tacts coulissants, qui suit l'un des bords de la fente jusqu'au point de soudure et revient ensuite en sens inverse le long du bord opposé de la fente jusqu'à l'autre contact ; une partie très faible du courant s'écoule suivant la cir conférence du tube.
La raison de ce phéno mène est que le courant à haute fréquence a fortement tendance à suivre le trajet de moindre impédance qui lui est offert, et puis que l'impédance qui s'oppose au passage du courant à haute fréquence est principalement une réactance inductive, on peut déterminer le trajet que suivra le courant en se basant principalement sur l'inductance. Puisque les bords de la fente qui doivent être soudés sont très voisins l'un de l'autre, le courant à haute fréquence suivant ces bords est soumis à une impédance beaucoup plus faible que les cou rants tendant à l'écouler circonférentiellement autour du tube.
Puisque, pour les raisons précédentes, la quasi-totalité du courant à haute fréquence passe le long des surfaces marginales rappro chées de la fente en forme de V, il en résulte que la température de ces surfaces continue à augmenter, après leur passage au droit des contacts, et que cette température atteint un maximum exactement au moment où les bords se fondent ensemble à l'endroit de la soudure. Il en résulte donc que chaque zone des bords de la fente qui se rapproche des contacts peut les franchir avant d'avoir été portée à une tem pérature très élevée ; on évite donc ainsi les difficultés causées par les températures élevées à l'endroit des contacts.
Cependant, puisque le courant à haute fréquence continue à passer le long des bords de la fente en V, jusqu'au moment où ces bords se fondent ensemble à l'endroit de la soudure, ceux-ci peuvent être chauffés au point de se ramollir suffisamment pour être soudés, sans risquer d'être endom magés ou déformés en venant en contact dans cet état avec une partie quelconque du dispo sitif ; les bords sont portés à la température de soudure désirée juste au moment où ils sont sur le point de se fondre ensemble et seulement dans la zone réduite intéressée.
De cette manière, on peut utiliser le courant de chauffage avec un rendement exceptionnelle ment élevé, parce qu'aucune partie du tube, à l'exception de la zone de sbudure de dimen sions très réduites, ne doit être portée à une température élevée.
Même dans cette zone, le chauffage jus qu'à la plus haute température est limité dans le temps sensiblement à la durée de la soudure. Cette zone est réduite approximativement à un point, dans lequel les bords de la fente se touchent. Ces bords ne sont ramollis que dans une profondeur extrêmement petite de l'ordre de grandeur de 25 [t. Cette profondeur dépend de la fréquence du courant. Pour des raisons pratiques ces fréquences sont limitées à des valeurs qui comme limite inférieure sont com prises entre 50 000 et 100 000 cycles et comme limite supérieure sont de plus de 500 000 cycles.
Dans certains cas, en particulier si le dia mètre du tube est relativement faible, une partie considérable du courant a cependant tendance à s'écouler circonférentiellement autour du tube au lieu de suivre les bords de la fente en forme de V, et la zone de soudure peut avoir tendance à changer de position le long de la direction de déplacement du tube ; il en résulte alors une diminution du rende ment et des irrégularités dans la soudure. On a trouvé que ces difficultés pouvaient être sur montées, grâce à des moyens qui rendent pos sible une augmentation de la vitesse à laquelle on peut faire avancer le tube, tout en réalisant cependant une soudure d'une grande uni formité.
On peut appliquer sur deux côtés opposés du tube, des galets supplémentaires 25 et 26, dans une position où ils pressent énergique ment les bords 18, 19 de la fente respective ment- contre les contacts 15 et 16. Ces galets doivent soit être en une matière isolante, soit comporter des surfaces isolantes ou être montés sur des arbres de support isolants.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 1, la barre conductrice 22 est repré sentée avec un intervalle de discontinuité 27, au-dessus duquel la partie 22a de la barre conductrice s'étend jusqu'à sa connexion à l'arrivée du courant. Le but de cet intervalle est de permettre de connecter en série avec le circuit une partie conductrice 30 ayant la forme d'une épingle à cheveux s'étendant vers le bas depuis la portion 22a de la barre con ductrice jusqu'en un point voisin de l'un des bords de la fente 11, puis le long de ce bord jusqu'à un point situé au-dessus du point 12.
En ce dernier point, cette partie conductrice 30 est repliée de manière à revenir sur elle-même en suivant l'autre bord de la fente 11, juste au-dessus de celui-ci, et elle vient ensuite en contact avec la partie 22 de la barre conduc trice. Le rôle de la partie conductrice 30 est de contribuer à concentrer le courant le long des bords de la fente 11, en raison de ce que l'on appelle l'effet de proximité dans la technique du chauffage par induction. Autre ment dit, la partie 30 sert à diminuer l'induc tance du trajet suivi par le courant entre les deux contacts.
Dans la forme d'exécution représentée sur la fig. 1, le courant venant de la source tra verse la partie 22a de la barre conductrice, puis le conducteur 30 en forme d'épingle à cheveux, la portion 22 de barre conductrice, le contact 16, l'un des bords de la fente 11, la zone 12, l'autre bord de la fente 11, le contact 15 et enfin la barre conductrice 21 qui assure son retour à la source.
En raison du courant intense utilisé, il est généralement nécessaire de prévoir un moyen de refroidissement pour les barres conductrices 21 et 22, 22a. Ce moyen peut être réalisé en prévoyant dans ces organes des cavités, comme on le voit sur le dessin, à travers lesquelles on fait circuler un fluide de refroidissement. Le fluide est amené dans la barre 22a par une cavité 35, passe de là à travers l'intérieur creux de l'organe 30 jusqu'à une cavité 36 prévue dans la barre conductrice 22, puis s'écoule à travers un tube en matière isolante 37 et pénètre dans une cavité 38 de la barre conductrice 22a. La barre conductrice 21 comporte une cavité 39 en forme de U pour recevoir le liquide de refroidissement.
Il est bien entendu que le dispositif com prend un moyen de support et de montage isolé (non représenté) pour maintenir rigide ment les barres conductrices dans les positions représentées et pour pouvoir les régler éven tuellement par rapport à la zone de sou dure 12.
Comme ori le voit sur la fig. 2, il n'est pas nécessaire que les contacts 15a et 16a des tinés à appliquer le courant à haute fréquence aux deux bords opposés de la fente soient exactement en face l'un de l'autre ; on peut au contraire les décaler, l'un se trouvant en avant de l'autre. Cette disposition peut être utilisée quand il est possible de réaliser un trajet relativement court du courant entre les contacts et la zone de soudure ; elle permet de réaliser une fente plus étroite dans le tube à l'endroit où les bords de la fente doivent être chauffés, ce qui diminue ainsi la réactance du trajet suivi par le courant.
Dans d'autres cas, comme on le voit sur la fig. 3, on peut donner aux extrémités infé rieures 41, 42 des contacts 15b, 16b la forme voulue pour qu'elles viennent en contact avec la surface extérieure du tube 10b le long des bords de la fente. Avec cette disposition, on peut réaliser une fente encore plus étroite à l'endroit des contacts et réduire par consé quent à un n-inimum l'impédance du trajet du courant compris entre les contacts et la zone de soudure.
D'autre part, comme on le voit sur la fig. 4, on peut disposer les contacts 15c,<B>16e</B> de manière qu'ils s'étendent vers le bas à travers la fente, et les munir d'extrémités 43, 44 qui viennent en contact avec la surface intérieure du tube en des points disposés le long de la fente très près de celle-ci. Cette forme d'exécution est préférable quand les surfaces intérieures du tube sont uniformes et brillantes et par conséquent susceptibles de réaliser de bons contacts électriques, ou quand on désire réaliser un chauffage plus intense le long de la partie inférieure des bords de la fente.
La forme d'exécution représentée sur la fig. 5 est la même que celle de la fig. 3, avec cette différence cependant que les contacts 15b, 16b sont disposés plus près de la zone de soudure 12b et qu'un organe 62 est disposé dans la fente du tube, en avant des contacts pour empêcher les bords de la fente de venir l'un contre l'autre prématurément ou irrégu lièrement. Dans le cas où les contacts ne sont pas interposés entre les bords de la fente, ceux-ci peuvent avoir tendance à se rapprocher trop tôt l'un de l'autre de sorte que la zone de soudure peut avoir tendance à se déplacer légèrement vers l'avant et vers l'arrière dans le sens de la longueur du tube, en donnant ainsi une soudure irrégulière.
On peut éviter cette difficulté en interposant l'organe d'écar tement 62, immédiatement en avant des con tacts. Cet organe 62 est constitué par deux disques rotatifs en tôle métallique mince, isolés l'un de l'autre et de l'arbre<I>63a</I> qui les porte. Un support (non représenté) comportant des paliers et dont la position peut être réglée est prévu pour cet arbre. Un tel organe d'écarte ment peut également être utilisé dans les dis positions de chacune des autres figures.
Il est bien entendu qu'on peut utiliser, comme sur la fig. 1, un support et-un dispo sitif de refroidissement par fluide avec toutes les formes de contacts représentées sur les fig. 2 à 5 inclusivement, et qu'on peut égale ment utiliser avec les contacts des fig. 2 à 5 un conducteur en forme d'épingle à cheveux, comme celui représenté en 30 sur la fig. 1.
Si on examine de nouveau la fig. 1, on voit que le dispositif comprend un noyau magnétique formé par un certain nombre de tiges 50 en matière magnétique, qui sont sup portées à l'intérieur du tube en mouvement au moyen d'une pièce isolante en équerre 51, qui s'étend vers le bas à travers la fente 11 et qui est conformée de manière à serrer et fixer en place une bande isolante 52 enserrant les tiges 50. Ces tiges peuvent être constituées par exemple par un oxyde magnétique aggloméré qui est une matière isolante, possédant un faible facteur de perte ainsi qu'une résistivité élevée ; l'un de ces matériaux est par exem ple la matière connue sous le nom de Ferra mic (marque déposée aux U. S. A.).
Cepen dant ce noyau peut être formé aussi par une autre matière quelconque possédant une per méabilité élevée et ne donnant lieu qu'à des pertes très faibles par courants de Foucault. Comme on le voit sur le dessin, ce noyau magnétique s'étend depuis une zone située au- dessous des contacts et à l'intérieur du tube jusqu'à une région située à proximité de la zone de soudure 12. Ce noyau magnétique remplit une grande partie de l'espace inté rieur du tube, à l'exception de la région se trouvant immédiatement au-dessous de la fente 11 et du jeu nécessaire le long des parois du tube.
Ce noyau magnétique intérieur peut être complété par des tiges 60 d'une matière magné tique analogue, qui sont disposées autour de la surface extérieure du tube et qui sont main tenues en place par un support isolant 61 fixé sur ces tiges. Cependant, le noyau intérieur se révélera généralement comme beaucoup plus efficace que ce noyau extérieur.
On a trouvé qu'il était possible, avec un noyau intérieur en matière magnétique, d'aug menter jusqu'à 8 à 10 fois l'inductance du trajet circonférentiel allant du contact 15 à l'autre contact 16 ; si on choisit pour le noyau une matière possédant une faible résistivité, les pertes de puissance ne sont pas augmentées d'une manière appréciable au-delà de celles qui se produiraient en l'absence d'un tel noyau.
En utilisant un tel noyau, on peut, comme on l'a constaté au cours d'un essai, souder un tube d'aluminium d'un diamètre de 50,8 mm et d'une épaisseur de 2 mm à la vitesse de 13,5 mètres à la minute, en utilisant un courant d'une fréquence de 400 kilocycles fourni par un générateur de 20 kW ; en opé rant d'autre part dans les mêmes conditions, mais sans utiliser le noyau, on ne pouvait faire avancer le tube, en le soudant d'une manière correcte, qu'à des vitesses d'environ 7,2 mètres/minute. Dans l'essai décrit ci-dessus, les pièces étaient disposées de manière que la distance entre la zone de soudure et les bords arrière des contacts soit d'environ 56,8 mm.
On a constaté que cette distance est légèrement inférieure, à cette valeur quand il s'agit de souder des tubes en métal non ferreux. Dans un essai analogue de soudure d'un tube d'acier, on a constaté que cette distance était voisine de 57,1 mm. Dans un autre essai exécuté avec un tube d'acier, en utilisant un courant d'une fréquence de 375 kilocycles fourni par un générateur de 20 kW, on a constaté qu'on pouvait souder ce tube à une vitesse supé rieure à 15 mètres à la minute, le tube ayant un diamètre de 50,8 mm et une épaisseur de paroi de 1,3 mm. Il n'y avait aucune arête saillante, ni aucune autre irrégularité le long de la ligne de soudure. Avec des générateurs à haute fréquence plus puissants, on peut évi demment augmenter considérablement les vitesses de soudure mentionnées ci-dessus.
C'est un grand avantage que les générateurs à haute fréquence utilisés pour ce procédé de soudure à grande vitesse sont beaucoup moins coû teux que les générateurs comparables à basse fréquence utilisés jusqu'à présent pour la sou dure des tubes. La disposition des contacts per met de monter et de régler la machine en quelques minutes pour des dimensions diffé rentes de tube, au lieu des nombreuses heures que nécessitaient les anciens dispositifs.
Il faut remarquer que le noyau magnétique utilisé dans le dispositif décrit ici joue un rôle tout à fait différent de celui du noyau magné tique utilisé pour le chauffage à induction des tubes dans le cas où une bobine de chauffage par induction est disposée autour du tube. Dans ce cas, l'addition du noyau augmente le flux magnétique total produit par la bobine, et ce flux augmente à son tour le courant total circulant circonférentiellement dans le tube par suite de l'induction. Dans le cas présent, les effets produits par le noyau magné tique sont en réalité opposés à ceux réalisés avec de tels procédés de chauffage par induc tion.
Dans le procédé décrit, le noyau diminue le courant circulant autour du tube et force la plus grande partie du courant à suivre le trajet utile allant d'un contact à la zone de soudure et de celle-ci à l'autre contact.
La puissance à haute fréquence nécessaire est fonction de l'épaisseur du tube et elle est en grande partie indépendante du diamètre du tube. Ainsi, il ne faut pas sensiblement plus de puissance pour souder des tubes de gros diamètre que pour souder des tubes de petit diamètre ; ceci est la conséquence du fait que le chauffage est limité aux bords à souder. Le contraire se produit dans les procédés de chauffage par induction à basse fréquence ; dans ces procédés, plus le diamètre du tube est grand, plus la puissance nécessaire est importante, parce qu'une partie considérable de la chaleur est répartie dans des régions éloi gnées des bords de la fente.
Le procédé décrit présente aussi l'avantage de ne nécessiter qu'une seule paire de contacts, tout en réalisant cependant un effet de chauffage parfaitement efficace tout le long des bords de la fente en V, depuis les contacts jusqu'au point de sou dure où la température est maxima. Au con traire, avec les procédés à basse fréquence, si on applique des courants intenses à travers la fente, il faut utiliser, soit de gros galets à grande conductibilité appliquant une forte pression, soit un certain nombre de paires de ces galets, dont chacune ne peut que produire un chauffage momentané, en risquant même que le tube se refroidisse après le passage de chaque paire de galets et sans avoir aucune possibilité de réaliser un chauffage soutenu et accru des bords de la fente après qu'ils ont quitté les contacts.
Les plus grands avantages du procédé décrit sont obtenus avec les tubes à paroi rela tivement mince, aussi bien en métal ferreux qu'en métal non ferreux, qui ne pourraient pas résister aux pressions de contact considérables que nécessite le fort courant de chauffage exigé par les anciens procédés de soudure par résis tance, surtout si le tube doit progresser à grande vitesse en vue d'une production écono mique. Quand on a monté le dispositif pour fabriquer des tubes de dimensions données, avec les contacts des bords de la fente disposés à une distance donnée de la zone de soudure, on peut déterminer par le calcul la fréquence, de manière que le courant suive le trajet désiré ; on peut aussi déterminer facilement cette fréquence au moyen de courts essais.
Les fréquences voisines de 100 000 cycles entrai- nent actuellement certaines difficultés pratiques du fait que cette bande de fréquences se trouve entre la bande des génératrices entramées par des moteurs et la bande des générateurs de fré quence comportant des tubes à vide. En consé quence, comme on l'a indiqué ci-dessus, ce sont des fréquences de l'ordre de plusieurs cen taines de milliers de cycles ou des fréquences plus élevées qui sont préférables actuellement en pratique. Ces fréquences peuvent être obte nues facilement et économiquement avec des générateurs à tubes à vide.