Rouleau forgeur La présente invention a pour objet un rouleau forgeur pour le soudage par fusion des bords super posés de tôles en aluminium ou en alliage d'alumi nium.
Le procédé de soudage auquel est destiné le pré sent rouleau forgeur consiste à amener les bords des tôles à souder dans une position dans laquelle ils se superposent légèrement, et, aussitôt avant de les amener en contact de recouvrement, à les chauffer à une température permettant leur soudage par fusion. On fait passer immédiatement après les portions des bords qui se superposent entre deux rouleaux for geurs qui les forgent simultanément et les pressent ou les laminent de façon à réduire la double épaisseur des plaques le long de la ligne générale de superposi tion sensiblement à l'épaisseur simple de la plaque.
Lorsque la pression s'exerce sur les portions des bords de superposition, cette pression en combinaison avec le chauffage à haute température a pour effet de former un joint entre ces portions fondues ou par tiellement fondues.
La présence d'aluminium ou d'alliage d'aluminium liquide à une température voisine ou supérieure à la température de liquéfaction pose un grave problème qui résulte de l'entraînement du métal par les rou leaux. Il est facile de voir que dès que le rouleau for geur entraîne de l'aluminium provenant des bords fondus de la tôle, cet aluminium se solidifie, puis en entraîne davantage, en formant ainsi une bande con tinue sur le rouleau de sorte qu'il est nécessaire d'in terrompre presque immédiatement l'opération de sou dage.
On a tenté d'empêcher, jusqu'à présent, l'entraî nement du métal par les rouleaux forgeurs en ré glant avec précision la température des bords chauf- fés de la tôle à souder, de façon ù empêcher qu'il ne s'y trouve de l'aluminium liquide pouvant être en traîné par les rouleaux. Mais si la température de chauffage des bords de la tôle est insuffisante, c'est- à-dire n'atteint pas une température dans, ou au-des sus de la gamme de fusion, il est difficile de former une soudure satisfaisante.
Les portions des bords doi vent être chauffées à une température suffisante pour se souder immédiatement avant l'opération de forgeage et pour faire fondre l'aluminium au moins le long de la largeur des bords qui se recouvrent. Etant donné que l'aluminium doit être chauffé à une température supérieure à son point de fusion, il se forme sur l'aluminium fondu une mince pellicule d'oxyde d'une épaisseur d'environ 25 à 35 angstroems, lorsque l'opération de soudage s'effectue à la vitesse de la pratique industrielle. Si cet alùminium ne subit pas de déformation par forgeage ,
la couche d'oxyde ne se détruit pas suffisamment pour donner la certi tude que la soudure se ferme dans toute la section de 1a double épaisseur initiale. Si donc la température de la tôle d'aluminium ou d'alliage d'aluminium reste inférieure à la température de traitement, pour em pêcher les rouleaux forgeurs ordinaires d'entraîner le métal, la soudure obtenue ne donne pas toute sécu rité.
Si d'autre part la température de chauffage des portions des bords de la tôle à souder par fusion est suffisante pour fermer une soudure donnant toute satisfaction, le problème de l'entraînement du métal par les rouleaux forgeurs se pose immédiatement.
Le but de la présente invention est de fournir un rouleau forgeur permettant d'éliminer ces inconvé nients.
Ce rouleau forgeur est caractérisé par le fait qu'il comprend une portion d'arbre dont une partie su moins est creuse, et un dispositif qui y fait passer un liquide chauffé pour en maintenir la surface à une température de 166 à 232 C, empêchant ainsi qu'il n'entraîne de l'aluminium liquide.
Le dessin représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution et des variantes de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une vue en perspective partielle, qui représente d'une manière générale les détails de l'installation de soudage des bords superposés d'un tube en aluminium, ainsi que la position des rouleaux forgeurs ; la fig. 2 est une coupe transversale partielle à plus grande échelle, suivant la ligne 2-2 de la fig. 1, et représente plus spécialement les positions relatives des rouleaux forgeurs et du tube pendant l'opéra tion de soudage et de forgeage ;
la fig. 3 est une coupe transversale d'une va riante du rouleau forgeur et représente sa forme de construction générale ; la fig. 4 est une coupe verticale suivant la ligne 4-4 de la fig. 3 et représente le rouleau forgeur de cette figure sous forme plus détaillée ; la fig. 5 est une coupe transversale d'une autre variante du rouleau forgeur et en représente les dé tails d'une manière générale, et la fi-. 6 est une coupe verticale suivant la ligne 6-6 de la fig. 5 et représente encore d'autres détails du rouleau forgeur de cette figure.
Le mécanisme de soudage et de forgeage de la fig. 1, désigné d'une manière générale par 10, com porte un mandrin 11 en deux pièces, autour duquel on fait prendre à une bande S en aluminium ou al liage d'aluminium une forme tubulaire, sans joints, avant d'effectuer la soudure. Les bords 12 et 13 de la bande S sont maintenus avant l'opération de sou dage à une certaine distance l'un de l'autre par un élément d'écartement ayant la forme d'une roue de séparation 14. La forme de construction de la roue de séparation 14 qui ne fait pas partie de l'invention est choisie de façon à maintenir un .des bords 12 ou 13 à une hauteur légèrement supérieure à celle de l'autre, de sorte qu'on peut faire venir les bords 12 et 13 l'un au-dessus de l'autre.
Deux rouleaux en forme de sabliers 15 et 16 sont disposés de chaque côté du mandrin 11 et ont pour effet de faire venir les bords 12 et 13 de la bande S l'un au-dessus de l'autre. Les rouleaux 15 et 16 en forme de sabliers sont disposés en aval du mandrin 11 à une certaine distance de la roue de sépara tion 14.
Les bords 12 et 13 de la bande S peuvent être chauffés à une température de soudage par fusion à l'aide de deux électrodes en forme de semelles 17 et 18, qui viennent en contact avec les portions margi nales de la bande S adjacentes aux bords respectifs 12 et 13. Les électrodes en forme de semelles 17 et 18 sont connectées de la manière habituelle à une géné ratrice haute fréquence et sont en contact coulissant avec la surface supérieure de la bande S, au voisinage des bords 12 et 13, de façon à faire arriver le cou- rant électrique dans ces portions de la bande S et à les chauffer de la manière habituelle, ne faisant pas partie de l'invention.
Un bloc de support 20 situé au-dessous du man drin 11 porte deux rouleaux de support inférieurs 21 et 22. La surface des rouleaux de support 21 et 22 est concave de façon à correspondre à la courbure de la bande S, lorsqu'elle a pris la forme tubulaire et ces rouleaux sont en contact avec la portion infé rieure de la bande en mouvement après qu'elle a pris cette forme. Le mandrin 11 comporte deux rouleaux de support 23 et 24 en face des rouleaux de support respectifs 21 et 22. La surface des rouleaux de sup port 23 et 24 est convexe de façon à correspondre à la surface inférieure de la bande S. Les rouleaux de support 21 et 23 de même que les rouleaux 22 et 24 sont montés à une certaine distance l'un de l'autre pour recevoir la bande S en compression entre eux.
La pression dirigée de haut en bas du support 28 du rouleau forgeur qui s'exerce sur le mandrin 11 est ainsi transmise par les rouleaux de support 23 et 24 et la bande en mouvement S, aux rouleaux de sup port 21 et 22 de façon à supporter le mandrin 11 en dehors malgré la bande S qui le contourne et avance d'un mouvement continu sur lui.
Conformément à l'opération de soudage connue avec des électrodes en forme de patins 17 et 18 les bords superposés 12 et 13 de la bande S viennent en contact au sommet d'un triangle délimité d'une ma nière générale par les bords convergents 12 et 13 en aval de la roue de séparation 14. Les patins des élec trodes 17 et 18 sont disposés et la fréquence du cou rant qui y arrive est choisie de façon à chauffer au maximum les bords de la bande S aux points de su perposition et là où se trouve le groupe de rouleaux forgeurs désigné d'une manière générale par 25.
Le groupe de rouleaux 25 comprend un rouleau forgeur intérieur 26, porté d'une manière appropriée par le mandrin 11 et un rouleau forgeur supérieur 27, porté par un support 28 dont la position en hau teur peut être réglée. La surface du rouleau forgeur 26 est convexe et celle du rouleau 28 a une forme complémentaire concave et la forme de chacune de ces deux surfaces épouse la courbure du tube formé par la bande S. Par suite les rouleaux forgeurs 26 et 27 peuvent servir à exercer simultanément la pres sion de forgeage nécessaire sur les bords superposés de la bande et à leur conférer leur nouvelle forme.
Le dispositif décrit ci-dessus ne fait pas partie lui-même de l'invention et le dispositif de soudage 10 tel qu'il est décrit peut servir à souder certains mé taux, tels que l'acier au carbone et analogue. Mais lorsque le dispositif de soudage<B>10</B> est utilisé pour le soudage d'une bande en aluminium ou alliage d'aluminium et que les bords de la bande S sont chauffés à une température suffisante pour obtenir une soudure satisfaisante aux critères industriels de l'aluminium fondu se trouve à l'endroit de la sou dure et en contact avec les rouleaux forgeurs 26 et 27.
L'aluminium fondu provient des bords de la bande chauffés à la température de soudage par fu sion, et la pression de forgeage s'exerce sur les bords superposés liquéfiés pour diminuer l'épaisseur du tube formé dans la zone de soudure à une valeur sensible ment égale à l'épaisseur initiale de la bande. Cet alu minium fondu a tendance à adhérer aux rouleaux de forgeage 26 et 27.
En raison de la forte pression exercée et de la température élevée, il est nécessaire que les rouleaux de forgeage soient ,en une matière qui résiste aux efforts mécaniques et thermiques qui s'exercent pen dant que le dispositif de soudage 10 fonctionne. Les matières à choisir pour former les rouleaux forgeurs sont à première vue les alliages ferreux. Mais plu sieurs alliages ferreux, y compris l'acier à outils ont été essayés sans succès. La température de l'alumi nium ou alliage d'aluminium liquide à l'endroit de la double épaisseur de tôle entre les rouleaux forgeurs 26 et 27 est égale ou supérieure au point de fusion de l'aluminium.
Pendant que le métal de la tôle en double épaisseur est comprimé entre les rouleaux for geurs 26 et 27, l'aluminium liquide qui se trouve en tre ces rouleaux est refoulé latéralement sur leur surface et se comprime dans l'aluminium solide ad jacent sous l'action des rouleaux et en particulier du rouleau supérieur 27. Si la surface de l'aluminium solide dans laquelle l'aluminium liquide est comprimé est trop froide, l'aluminium liquide se solidifie pen dant qu'il est refoulé latéralement et lorsqu'il est com primé contre le métal solide adjacent, il ne se réunit pas à celui-ci.
D'autre part on a constaté qu'avec des rouleaux en .alliage ferreux, si la surface des rou leaux forgeurs est trop chaude, il se forme un alliage avec le métal des rouleaux au moins sous forme mi croscopique et on se heurte à la difficulté dite de l'entraînement .
Des essais ont été faits en vue de remédier à l'en traînement par les rouleaux forgeurs en appliquant une couche de chrome sur la surface des rouleaux. Mais les rouleaux recouverts d'une couche de chrome ont tendance à entraîner le métal :et on a constaté qu'au bout de quelques minutes de fonctionnement pendant l'exécution de la soudure des piqûres com mencent à se former dans la couche de chrome.
L'examen au microscope des couches comportant des piqûres laisse supposer que ces piqûres sont dues aux chocs thermiques résultant du chauffage périodique en contact avec l'aluminium fondu suivi du refroidis sement pendant le reste du mouvement de rotation de l'élément du rouleau forgeur jusqu'au nouveau contact thermique de cet élément avec l'aluminium liquide.
En conséquence avant que ne soient créés les rouleaux forgeurs spéciaux qui font l'objet de l'invention, on n'a obtenu en fabriquant des tubes en aluminium par le procédé antérieur, en les tron çonnant en éléments de longueur correspondant à celle des corps de bidons à rebords qu'un rendement de 90 ')/u en bidons satisfaisants, qui ne correspond en aucune manière au rendement à obtenir dans la pratique pour la fabrication de bidons en série indus trielle.
Le rouleau forgeur, tel que par exemple le rou leau supérieur 27 est en alliage non ferreux, pou vant recevoir un traitement thermique pour conférer à sa surface une dureté Rockwell de C-30 à C-40 et dont la conductivité calorifique est suffisante pour as surer un échange rapide de la chaleur qu'il reçoit en contact avec l'aluminium liquide. Les alliages non ferreux qui conviennent à la fabrication des rouleaux forgeurs sont les alliages de cuivre et de béryllium, de titane et à .base de nickel, tels que le nickel dur cissant par vieillissement, du type K Mortel les allia ges de nickel et de titane et de nickel et de béryllium.
On a aussi constaté que si on fait fonctionner les rouleaux forgeurs de façon à maintenir la surface travaillante à une température inférieure à 232o C environ, l'aluminium liquide n'est pas entraîné et les rouleaux forgeurs risquent moins de s'endommager. D'autre part, la surface des rouleaux forgeurs ne doit pas se refroidir à une température trop basse, inférieure à une température de fonctionnement d'en viron 166o C.
La surface relativement froide des rou leaux forgeurs refroidit alors et solidifie l'aluminium liquide trop rapidement, d'où il résulte que le joint du métal déplacé latéralement de la double épaisseur initiale est imparfait.
En conséquence on fait circuler dans le rouleau un liquide chauffé régulateur de la température, de façon à maintenir la température de la surface du rouleau en contact avec l'aluminium liquide à une valeur comprise entre 166 et 232 C et de préférence entre 177 et 204- C. On obtient cette température au moyen d'un liquide, tel que l'huile qu'on fait re- circuler à une température comprise entre 38o et 149 C.
On voit (fi-. 2) que le rouleau forgeur 27 com porte des portions d'arbre tronqué en une seule pièce 29 et 30 montées dans des roulements respectifs 31 et 32 portés par le support 28. Le rouleau forgeur 27 est percé de part en part d'un trou central 33 qui se prolonge aussi dans les arbres tronqués 29 et 30. Des tuyaux de circulation de l'huile 34 et 35 se rac cordent aux arbres tronqués 29 et 30 par des accou plements rotatifs 36 et 37 d'un type courant. Par suite lorsque le rouleau forgeur 27 tourne, le liquide à la température voulue passe dans la portion cen trale du rouleau 27 et sert à maintenir sa surface à la température qu'on désire.
Les fig. 3 et 4 représentent une variante de la forme de construction du rouleau forgeur 38. Celui- ci comporte un arbre creux 39 sur lequel est formé un collier de retenue 40. Il est claveté sur l'arbre 39 par une clavette 41' (fig. 4). Les deux extrémités de l'arbre 39 présentent des filetages respectifs 41 sur lesquels se vissent les accouplements rotatifs, tels que les accouplements rotatifs 36 et 37 de la fig. 2. L'ar bre 39 est percé de part en part d'un trou 48 par lequel le liquide régulateur de la température peut passer.
L'arbre 39 peut être formé par le même métal que le rouleau forgeur 38 ou en acier approprié. Il doit être bien entendu que le diamètre de l'arbre 39 peut être proportionnellement plus grand que sur la figure, c'est-à-dire que l'arbre 39 peut comporter une portion centrale ou de moyeu de plus grand diamè tre dans laquelle la portion du rouleau forgeur en alliage non ferreux peut être limitée à une portion de couronne.
Les fig. 5 et 6 représentent un rouleau forgeur en deux pièces désigné d'une manière générale par 43, et pouvant servir à remplacer le rouleau forgeur 27. II comporte une première portion 44 à surface con cave 45 en contact avec la pièce. La portion 44 est creuse et présente des filets intérieurs 46. Une seconde moitié 47 du rouleau comporte des filets extérieurs et se visse dans la moitié 44 par ses fi- lets 46.
La moitié 44 du rouleau comporte un bout d'ar bre en une seule pièce 48 qui se termine par une portion extérieurement filetée 49 dans laquelle se visse un accouplement rotatif, tel que l'accouplement 37. Le bout d'arbre 49 est percé de part en part d'un trou 50 dont l'extrémité intérieure est fermée par une portion de cloison en une seule pièce 51. Plusieurs trous 52 dirigés radialement, de petit diamètre par rapport au trou 50 sont percés entre l'extrémité in térieure du trou 50 et l'intérieur de la portion 44 du rouleau.
Une plaque de séparation 53 est portée par la cloison 51 de façon à diriger le courant du liquide régulateur de la température de dedans en dehors en contact avec la surface extérieure de la portion 44 du rouleau.
La portion 47 du rouleau comporte un bout d'ar bre 54 en une seule pièce avec elle. Le bout d'arbre 54 correspond au bout d'arbre 48 et la portion de son extrémité extérieure 55 présente un filetage extérieur sur lequel se visse un accouplement rotatif tel que l'accouplement rotatif 36. Le bout d'arbre 54 est percé de part en part d'un trou 56 qui débouche à l'intérieur de la portion 44 du rouleau. Il doit être bien entendu que le liquide arrive par le trou 50 et sort par le trou 56.
Bien entendu, les diverses formes de construction des rouleaux forgeurs des fig. 2 à 6 peuvent être fabriquées avec les mêmes matériaux, c'est-à-dire qu'ils peuvent être en alliage de cuivre et de béryl lium, en alliages de titane et à base de nickel, tels que le nickel durcissant par vieillissement et en métal Mo- nel du type K. De même, la température des divers rouleaux forgeurs 27, 38 et 43 peut être réglée par un liquide dont la température est supérieure à la température ambiante. La température de ce liquide est variable dans les divers rouleaux forgeurs dans lesquels les propriétés de transmission de la chaleur sont variables.
Mais on a constaté, à la suite d'essais, que lorsqu'il s'agit de souder par fusion des tôles en aluminium et alliages d'aluminium par le procédé dé crit ci-dessus, la surface travaillante de chacun des rouleaux forgeurs doit être maintenue à une tempé rature comprise entre 166 et 232,1 C au moment où elle est en contact avec l'aluminium liquide et que la température de la surface à choisir de préférence est comprise entre 177 et 204 C.
Il doit être bien en tendu que la température et le volume du liquide régulateur de la température varient en fonction de plusieurs facteurs tels que le diamètre, la largeur, la vitesse angulaire de rotation, la conductivité ther mique du métal, la structure des grains du métal du rouleau forgeur, le diamètre et la position des canaux de passage intérieurs, de refroidissement, la nature du liquide passant dans les canaux intérieurs, l'écou lement laminaire ou turbulent du liquide et ses ca ractéristiques telles que sa chaleur spécifique, son point d'ébullition, son débit par unité de temps, la présence ou l'absence d'une surface de séparation dans le trajet de transmission de la chaleur (fig. 3 et 4 par exemple)
et l'état de la surface du rouleau de forgeage en contact avec la pièce. Il existe évidem ment d'autres variables qui n'ont pas été énumérées.
On a obtenu des résultats particulièrement satis faisants avec des rouleaux forgeurs en alliage d'alu minium tels que l'aluminium 5052 (aluminium + 2,5 0/o de magnésium et 0,25'0/o de chrome), l'alu minium CB 29 (en principe le même alliage que l'alu minium 5052 dont une fraction de 5 0/o de l'épais seur de chaque surface consiste en aluminium pur à 99 (1/0), l'aluminium 3004 (aluminium + 1,25'0/o de manganèse et 1 0/o de magnésium), l'aluminium<B>3003</B> (aluminium + 1,25 0/o de manganèse) et les alliages analogues de cette catégorie générale. Lorsqu'on soude les alliages d'aluminium précités,
la tempéra ture de l'alliage d'aluminium liquide comprise entre environ 623 et 732 C. Les alliages d'aluminium précités ont été soudés à une vitesse comprise entre 90,5 et 122 m/minute avec un rendement atteignant 99 0/a. En d'autres termes, l'amélioration du rendement de 90 0/o à 99 0/0 peut être attribuée uniquement à la disposition spé ciale des rouleaux forgeurs. Aucune indication n'a encore été donnée en ce qui concerne le rouleau forgeur intérieur 26. Ce rou leau 26 comporte (fig. 2) des bouts d'arbre 54 venant en saillie à ses deux extrémités et montés à rotation dans des roulements 55 portés par le mandrin 11.
Les conditions de fonctionnement du rouleau forgeur inté rieur sont généralement moins critiques que celles du rouleau forgeur extérieur. Le problème de l'en traînement du métal liquide par les rouleaux for geurs intérieurs est moins grave qu'en ce qui con cerne les rouleaux forgeurs extérieurs. Ce résultat peut être attribué principalement à la forme convexe de la surface travaillante du rouleau forgeur intérieur par comparaison avec la surface travaillante concave du rouleau forgeur extérieur.
Mais dans tous les cas, les rouleaux forgeurs intérieur et extérieur sont for més par le même métal et la température de la sur face travaillante du rouleau forgeur intérieur peut être réglée de la même manière que celle du rouleau forgeur extérieur. On a déterminé les limites précitées des tempéra tures des surfaces travaillantes du rouleau forgeur ayant permis d'exécuter des soudures avec succès au moyen d'un thermocouple en chrome 1-alumel en fils de 0,6 mm, dont la soudure chaude est formée par un petit disque en alliage d'argent, d'un diamètre d'environ 4,3 mm, et d'une épaisseur de 1,5 mm.
Ce disque est maintenu par la poussée d'un ,ressort en contact de frottement avec la surface travaillante du rouleau forgeur supérieur 27 dans une position si tuée à 70 d'arc du côté de la sortie, à partir de la position de serrage des rouleaux forgeurs intérieur et extérieur. Par suite, un élément de la surface du rou leau forgeur tourne d'un angle d'environ 70o, après avoir cessé d'être en contact avec l'élément de me sure de la température.
Le temps qui s'écoule pendant le mouvement de rotation de 700 d'arc dépend du diamètre du rouleau forgeur et de la vitesse lnéaire d'exécution de la soudure, mais pour un rouleau de 36,3 mm de diamètre et une vitesse de 91 m par mi nute, cette durée est au total de 0,015 seconde pen dant laquelle la chaleur se transmet en dedans par la surface et aussi rayonne en dehors, en réfroidissant légèrement un élément donné et en faisant apparaitre une température inférieure à .la température maxi male.
On a constaté même en assumant que cette source d'erreur systématique ne soit pas la seule dans la mesure de la température de la surface que le dispositif décrit ci-dessus atteint assez rapidement une valeur d'équilibre pour un mode de fonctionne ment donné en série, que cette valeur d'équilibre peut être reproduite et que l'intervalle de température de 166o à 232 C détermine la valeur minimale conve nant au soudage de l'aluminium, pour laquelle on obtient une soudure satisfaisante et la valeur maxi male pour laquelle le problème de l'entrainement de l'aluminium par le rouleau forgeur est résolu.
On voit (fig. 1) que le mandrin 11 comprend plusieurs tubes, qui sont un tube d'admission du li quide 56 et un tube d'échappement du liquide 57, qui peuvent se raccorder au rouleau forgeur intérieur 26 pour régler la température de sa surface. Les tubes portés par le mandrin 11 consistent aussi en un tube d'admission de vernis 58 et un tube d'échappe ment de vernis 59 qui peuvent se raccorder à une source appropriée de vernis de revêtement de l'inté rieur du tube soudé et qui n'est pas représentée. De même il peut être intéressant dans certains cas de faire arriver à l'intérieur du tube dans la zone de soudure un courant de gaz inerte pour en réduire l'oxydation. Le mandrin porte donc un tube d'admis sion de gaz 60.
Il ressort donc de la description qui précède qu'en formant les rouleaux forgeurs avec d'autres métaux que les métaux ferreux évidents, tels que les aciers à outils et en faisant passer un liquide régu lateur de .la température dans les rouleaux forgeurs pour maintenir leurs surfaces travaillantes à une tem pérature relativement élevée, on obtient des résultats qui n'ont pu être obtenus jusqu'à présent.