FR2779982A1 - Tube d'acier inoxydable a enroulement multiple - Google Patents
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Abstract
- L'invention a trait à un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple.- L'objet de l'invention est un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple réalisé par déformation d'un feuillard d'acier inoxydable dont la surface est revêtue d'un matériau de brasage à base de cuivre afin d'obtenir un tube à enroulement multiple, et, après fusion du matériau de brasage présent entre les parois du tube à enroulement multiple, refroidissement du matériau de brasage fondu, caractérisé en ce que le matériau de brasage (1-3) entre les parois (1-1, 1-2) du tube ainsi que le matériau de brasage (1-3) de la surface interne et de la surface externe du tube, est diffusé dans le matériau de base sur une épaisseur (1-4) comprise entre 0, 5 micromètre et 15 micromètres et adhère à ce matériau de base.- Application à la fabrication de tubes à enroulement multiple.
Description
TUBE D'ACIER INOXYDABLE A ENROULEMENT MULTIPLE
La présente invention a trait à un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple réalisé par enroulement d'un matériau en bande constitué d'une feuille
d'acier inox et brasage.
D'une manière générale, un tube métallique à enroulement multiple est réalisé par déformation plastique d'un matériau en bande dont la surface est revêtue d'un matériau de brasage à base de cuivre en vue de d'obtenir un tube à enroulement multiple par l'intermédiaire d'un appareil de formage, puis fusion du matériau de brasage à base de cuivre entre les parois du tube à enroulement multiple à l'aide d'un dispositif de chauffage et solidification du matériau de brasage fondu par l'intermédiaire d'un dispositif de refroidissement. Dans le cas d'un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple, le tube est d'une manière générale obtenu en utilisant une feuille d'acier inoxydable dont la surface reçoit directement un matériau de brasage à base de cuivre et en réalisant un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple, ou en utilisant une feuille d'acier inoxydable présentant un revêtement de brasage à base de nickel interposé entre la surface de la feuille
d'acier inoxydable et un revêtement de brasage à base de cuivre.
Cependant, dans un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple
conventionnel les problèmes suivants apparaissent.
Lorsque la brasure à base de cuivre est directement appliquée sur la surface de la feuille d'acier inoxydable, il y a un risque que l'adhérence du cuivre sur la feuille d'acier inoxydable soit faible et ainsi on ne peut obtenir avec un tel tube à enroulement multiple une résistance à la pression suffisante ainsi qu'une bonne ouvrabilité. De plus, lorsqu'un revêtement de brasage à base de nickel est formé entre la surface de la feuille d'acier inoxydable et le revêtement de brasage à base de cuivre, on obtient une adhérence sur la feuille mais il se pose le problème que dans la plage de températures de brasage, après le formage du tube à enroulement multiple, le composant nickel du matériau de base de l'acier inoxydable et le composant nickel du matériau de brasage s'allient au cuivre en sorte d'accroître fortement la concentration en nickel et il en résulte une diminution de la ductilité du matériau de brasage ce qui provoque des fissures et des phénomènes de retrait du matériau de
brasage lors de la phase terminale de fabrication.
La présente invention à pour but d'éliminer les problèmes évoqués ci-
dessus des tubes d'acier inoxydable à enroulement multiple conventionnels et propose un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple présentant une
excellente résistance à la pression ainsi qu'une très bonne ouvrabilité.
La présente invention à pour objet un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple réalisé par déformation plastique d'un matériau en bande constitué d'un feuillard d'acier inoxydable dont la surface est revêtue d'un matériau de brasage à base de cuivre et, après fusion du matériau de brasage à base de cuivre se trouvant entre les parois du tube à enroulement multiple, refroidissement du matériau de brasage à base de cuivre fondu, caractérisé en ce que la couche de matériau de brasage à base de cuivre entre les parois du tube à enroulement multiple ainsi que la couche de matériau de brasage à base de cuivre de la surface intérieure et de la surface extérieure du tube sont diffusées dans le matériau de base sur une épaisseur de 0,5 micromètre à 15 micromètres et liées à ce matériau de base. En outre, dans un autre mode de réalisation de l'invention, la concentration en cuivre dans le matériau de brasage à base de cuivre, après l'opération de brasage, est d'au moins 75 % de l'épaisseur du matériau de brasage à base de cuivre subsistant entre les
parois du tuyau, après l'opération de brasage, est d'au moins 0,5 micromètre.
L'acier inoxydable du feuillard d'acier inoxydable utilisé selon l'invention est choisi par exemple dans le groupe des aciers inoxydables de type austénitique tels que les alliages SUS304, et SUS304L, SUS316, SUS316L, SUS321, etc... et les aciers inoxydables de type ferritique tels que les alliages SUS41 OL, SUS430, SUS430LX, SUS436L, etc... De plus, le but de la diffusion du matériau de brasage à base cuivre entre les parois du tube à enroulement multiple et du matériau de brasage à base de cuivre sur les surfaces de la paroi intérieure et de la paroi extérieure du tube dans la feuille d'acier inoxydable (matériau de base) est d'accroître la force de liaison entre le matériau de brasage à base de cuivre et le feuillard d'acier inoxydable, et la raison pour laquelle l'épaisseur de la couche diffusée dans la feuille est limitée à la plage de 0,5 micromètre à 15 micromètres est que si l'épaisseur est inférieure à 0,5 micromètre la résistance à la frontière entre le matériau de base de l'alliage et le matériau de brasage à base de cuivre est faible alors que si l'épaisseur dépasse 15 micromètres, le matériau de base de l'alliage se détériore. En outre, dans la présente invention, la concentration en cuivre dans le matériau de brasage à base de cuivre, après l'opération de brasage, est d'au
moins 75 % pour les raisons suivantes.
Les constituants du matériau de brasage à base de cuivre subsistant entre les parois du tube à enroulement multiple ainsi que sur les surfaces intérieures et extérieures du tube forment des solutions solides avec les constituants principaux (chrome, nickel et fer) de l'alliage SUS diffusées à partir du matériau de base et on a découvert que lorsque la concentration en cuivre du matériau de brasage à base de cuivre, après l'opération de brasage, est inférieure à 75 %, les constituants de chrome, nickel, etc... dans le matériau de brasage s'accroissent en sorte de réduire la résistance et notamment la ductilité, etc... du matériau de brasage. En conséquence, pour éviter la réduction de la résistance, notamment la ductilité, du matériau de brasage à base de cuivre, il est nécessaire d'avoir au moins 75 %, et de
préférence entre environ 75 % et 90 %, de concentration en cuivre.
En outre, dans la présente invention, l'épaisseur du matériau de brasage à base de cuivre subsistant entre les parois du tube à enroulement multiple après l'opération de brasage, est limitée à au moins 0,5 micromètre, car, si l'épaisseur est inférieure à 0,5 micromètre, la qualité de liaison du matériau de brasage à base de cuivre se rapproche de celle des matériaux de base du feuillard d'acier inoxydable par diffusion thermique et on n'obtient pas une
adhérence suffisante du matériau de brasage.
Comme procédé de réalisation du tube d'acier inoxydable à enroulement multiple selon l'invention, on peut utiliser le procédé de déformation plastique d'un matériau en bande à l'aide d'un dispositif de formage, puis, alors que le matériau de brasage se trouvant entre les parois du tube à enroulement multiple est à l'état fondu à l'aide d'un dispositif de chauffage, de pressage de manière uniforme du tube diamétralement, à partir de l'intérieur ou de l'extérieur ou par traction du tube axialement, afin d'effectuer un soudage par pressage des parois du tube à enroulement multiple les unes aux autres, et enfin de solidification du matériau de brasage fondu à l'aide d'un dispositif de refroidissement. Le dispositif de formage ci-dessus est constitué d'une manière générale par un rouleau de guidage d'un feuillard, de rouleaux de formage pour former le tube à enroulement multiple et de rouleaux de finition disposés de manière successive et, en outre, une tige munie d'une broche est disposée du côté du
rouleau de guidage du feuillard.
Dans ce dispositif, une force de pression est appliquée de manière uniforme sur le tube à enroulement multiple dans le sens diamétral à partir de I'intérieur ou de l'extérieur, ou bien le tube est tiré dans la direction axiale pour appliquer une force de traction axiale, du fait qu'il n'existe plus d'espace dépourvu de revêtement de brasage entre les parois et également même lorsque le feuillard présente des variations dimensionnelles, I'adhérence dans la zone de jonction extérieure est améliorée. Comme moyen on peut utiliser un procédé utilisant une broche ou une tête d'expansion mécanique disposée à l'intérieur du tube, un procédé utilisant un rouleau de pressage ou un procédé consistant à faire varier la vitesse de déplacement du tube pour lui communiquer une force de traction axialement au tube, en sorte que les différentes parois soient pressées-soudées entres elles dans la direction
diamétrale.
Dans le tube d'acier inoxydable à enroulement multiple de l'invention, par la diffusion du matériau de brasage à base de cuivre entre les parois du tube et du matériau de brasage à base de cuivre sur les surfaces interne et externe du tuyau dans le matériau de base de l'alliage SUS, une meilleure résistance est obtenue entre les parois de l'enroulement multiple qui présentent des forces de liaisons accrues entre le matériau de brasage à base de cuivre et le matériau de base de l'alliage SUS, et la résistance à la frontière du matériau de base de l'alliage SUS et du matériau de brasage à base de cuivre est accrue et la résistance à la pression ainsi que l'ouvrabilité sont excellentes. La figure 1 est une vue schématique agrandie montrant la structure en coupe d'un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple selon l'invention, et La figure 2 est une vue schématique montrant un mode de réalisation d'un dispositif pour la fabrication d'un tel tube d'acier inoxydable à
enroulement multiple.
La présente invention va être explicitée à partir des figures 1 et 2 et, dans ce cas, à partir d'un mode de réalisation d'un tube selon l'invention à
double paroi.
On va tout d'abord décrire une installation de fabrication d'un tube d'acier inoxydable à enroulement multiple apte à la réalisation d'un tube d'acier
inoxydable à double enroulement (double paroi).
L'installation 11 illustrée en figure 2 pour la fabrication d'un tube à double enroulement comprend un rouleau de guidage 11-1 pour guider un feuillard 1 destiné à former un tube à double paroi, un poste de formage comprenant plusieurs paires de rouleaux de formage 11-2 à partir du feuillard 1 en vue d'obtenir à partir de ce feuillard un tube à double enroulement (double paroi), et des rouleaux de finition et de régulation 11-3 disposés de manière successive, ainsi qu'une tige porte-broche 11-4 disposée
du côté du rouleau de guidage 11-1.
Un dispositif de chauffage 12 est utilisé, par exemple un système de chauffage à résistance électrique à l'aide de plusieurs rouleaux conducteurs (électrodes rotatives) disposés axialement à intervalles. A l'intérieur du dispositif de chauffage règne une atmosphère non- oxydante ou une
atmosphère à gaz réducteur.
Des rouleaux de pressage 13 constituent un moyen de pressage-
soudage des doubles parois l'une contre l'autre dans la direction diamétrale et comportent une structure permettant un pressage uniforme de la surface
externe du tube à double paroi 15 formé à l'aide du dispositif 1 1 décrit ci-
dessus, la pression étant appliquée diamétralement à partir de l'extérieur, le dispositif étant placé sur le côté entrée d'un dispositif de refroidissement 14
situé en aval du dispositif de chauffage 1 2.
Le dispositif de refroidissement 14 est disposé juste derrière le dispositif de chauffage et présente une structure à plusieurs buses de pulvérisation d'un moyen de refroidissement (non représentées) disposées de telle manière que la surface externe du tube à double paroi 15 puisse être de manière uniforme et rapidement refroidie. En particulier, par exemple, le dispositif de refroidissement a une structure du type chemise de refroidissement présentant de nombreux trous de projection dans la paroi intérieure en sorte de pulvériser un moyen de refroidissement à partir de ces buses sur le tube à double paroi défilant à l'intérieur du dispositif. Comme moyen de refroidissement on peut
utiliser principalement un liquide tel que de l'eau, etc...
On, peut prévoir des moyens de pré-refroidissement afin de refroidir le tube à double paroi 15 aussi rapidement que possible, ces moyens étant constitués par des buses 16 disposées juste en aval du dispositif de chauffage et projetant un moyen de refroidissement, le matériau de brasage pouvant
ainsi être refroidi rapidement jusqu'au point de solidification.
Comme décrit plus haut, comme dispositif de refroidissement il est préférable d'utiliser un dispositif comportant un refroidissement préalable constitué de buses 16 et des moyens de refroidissement secondaires constitués du dispositif de refroidissement 14 disposé en aval desdites buses, ces deux moyens réalisant un refroidissement rapide jusqu'au point de
solidification environ du matériau de brasage.
Dans le dispositif de fabrication d'un tube à enroulement multiple du
type décrit ci-dessus, le feuillard 1 constitué d'une feuille d'acier inoxydable 1-
1 dont les deux surfaces sont recouvertes d'un revêtement de cuivre, est déroulé à partir d'une bobine débitrice (non représentée), puis est conformé en un tube 15 présentant une double paroi à l'aide du dispositif de formage par enroulement 1 1, puis est introduit dans le dispositif de chauffage 12. Dans ce dispositif de chauffage 12, un courant électrique fourni par une source de courant continu est appliqué au tube par l'intermédiaire de plusieurs rouleaux conducteurs 1 2-1 afin de chauffer le tube jusqu'à ce que le matériau de brasage, le cuivre, présent entre les parois du tube soit fondu et la diffusion du matériau de brasage fondu à l'intérieur des parois soit atteinte. Dans ce cas, la température est habituellement entre 1083 C et 1200 C. Le tube à double paroi 15 sortant du dispositif de chauffage 12 est refroidi par le dispositif de refroidissement 14 disposé juste après les rouleaux de pressage, en sorte que le soudage par diffusion du matériau de brasage
entre les parois est achevé.
Par ailleurs, comme moyen de chauffage du tube à roulement multiple on peut utiliser une bobine de chauffage à haute fréquence à la place du système de chauffage à résistance électrique décrit ci-dessus et également, un
four de chauffage conventionnel peut être utilisé comme four de brasage.
Par ailleurs, bien que cela ne soit pas représenté sur le dessin, lorsque des rouleaux de pressage sont disposés juste derrière le dispositif de chauffage, du fait que l'un des bords (côté zone de jonction) de la paroi extérieure du tube à double enroulement est pressé de manière forte par les rouleaux de pressage à partir de l'extérieur, la paroi est conformée et adhère à la paroi du côté intérieur ce qui évite le retrait ou retour de la zone de jonction externe. Dans le tube d'acier inoxydable à double enroulement de l'invention réalisé à l'aide du dispositif ci-dessus, la structure en coupe d'un tel tube étant représentée sur la figure 1, entre la paroi interne 1 -1 et la paroi externe 1-2, ainsi que sur les faces interne et externe du tube sont formées des couches de matériau de brasage à base de cuivre 1-3, et sur les surfaces interne et externe de la paroi intérieure 1-1 ainsi que sur les surfaces interne et externe de la paroi extérieure 1-2 sont constituées des couches diffusées 1-4
présentant une épaisseur comprise entre 0,5 micromètre et 15 micromètres.
Egalement, dans le tube d'acier inoxydable à double enroulement, la concentration de cuivre des couches de matériau de brasage 1-3 subsistant entre la paroi intérieure 1-1 et la paroi extérieure 1-2, ainsi que sur les faces interne et externe du tube d'acier inoxydable est d'au moins 75 % et l'épaisseur des couches de matériau de brasage 1- 3 subsistant entre la paroi intérieure 1-1 et la paroi extérieure 1-2 est d'au moins 0,5 micromètre. Comme décrit ci-dessus, dans le tube d'acier inoxydable à double enroulement de l'invention, grâce à la diffusion du matériau de brasage à base de cuivre entre les parois du tube et du matériau de brasage sur les surfaces interne et externe du tube à l'intérieur du matériau de base, les forces de liaison entre le matériau de brasage et le matériau de base (feuillard d'acier inoxydable) sont accrues et la détérioration du matériau de base de l'alliage SUS peut être évitée. En outre, en atteignant au moins 75 % de la concentration de cuivre dans le matériau de brasage, après l'opération de brasage, on peut maintenir la résistance, notamment la ductilité, etc..., du matériau de brasage. Il est évident que de tels effets sont également obtenus dans des tubes d'acier inoxydable à enroulement multiple autres que le tube à
double paroi décrit ci-dessus.
La présente invention va être maintenant illustrée par les exemples suivants. Exemple 1: on a utilisé comme feuillard des feuilles d'acier inoxydable que l'on a revêtues d'une couche de nickel d'une épaisseur comprise entre 0,05 micromètre et 0,1 micromètre sur les deux faces d'un matériau constitué par l'alliage SUS304L présentant une épaisseur de 0,35 mm et ayant reçues un revêtement de cuivre d'une épaisseur d'environ 5 micromètres. On a réalisé plusieurs tubes à double enroulement présentant un diamètre de 4,76 mm et une épaisseur de 0,7 mm à l'aide du dispositif de fabrication illustré sur la figure 2; un traitement à la chaleur entre 1 100 C et 1200 C a été appliqué pendant 2 à 15 secondes en envoyant directement dans chaque tube un courant électrique, puis chaque tube a été refroidi entre 0,7 et 1 minute à I'aide d'un dispositif de refroidissement afin d'obtenir des tubes à double paroi
ayant chacun une épaisseur différente de revêtement de couche diffusée.
Le résultat de la détermination de la résistance de la zone frontière entre le matériau de base de l'alliage SUS et le matériau de brasage de chacun de
ces tubes d'acier inoxydable à double paroi est reporté dans le tableau 1 ci-
dessous. La mesure de la résistance de la zone frontière entre le matériau de base de l'alliage SUS et le matériau de brasage a été effectuée par un test
d'évasement à l'aide d'un cône de 600.
On constate d'après le tableau 1 que lorsque la profondeur de la couche diffusée est inférieure à 0,5 micromètre, la résistance à la frontière entre le matériau de base de l'alliage SUS et le matériau de brasage est faible et la rupture survient à partir de la partie de la zone de la couche diffusée et lorsque la profondeur de la couche diffusée dépasse 15 micromètres, la détérioration du matériau de base de l'alliage SUS survient, en sorte qu'il est préférable que la profondeur de la couche diffusée se situe dans la plage de 0,5 micromètre à
micromètres.
TABLEAU 1
PROFONDEUR DE LA COUCHE RESULTATS
DIFFUSEE (t) inférieure à 0,5 Cassure à partir de la frontière entre matériau de base SUS et matériau de brasage de 0,5 à 5 Bon de 5 à 10 Bon de 10 à 1 5 Bon de 15 à 20 Détérioration du matériau de base SUS Exemple 2: par le même procédé que dans l'exemple 1, des tubes d'acier inoxydable à double paroi ont été réalisés avec chacun une concentration en cuivre différente dans le matériau de brasage, après l'opération de brasage, dans la plage de 70 % à 90 % environ. L'épaisseur du matériau de brasage subsistant dans cet exemple était entre 4 et micromètres et l'épaisseur du matériau de brasage dans le matériau de base de l'alliage SUS était entre 5 et 6 micromètres. Le résultat de l'examen de l'apparition de fissures dans le matériau de brasage de la zone entre parois de
chaque tube d'acier inoxydable à double paroi est reporté dans le tableau 2 ci-
après. L'apparition de fissures a été obtenue à partir d'un test d'évasement
avec un cône de 60 .
Suivant les résultats reportés dans le tableau 2, lorsque la concentration en cuivre du'matériau de brasage, après l'opération de brasage, se situe au environ de 70 %, des fissures apparaissent dans la couche de matériau de brasage dans la zone entre parois, alors que lorsque la concentration en cuivre se situe dans la plage de l'invention, entre 75 % et 90 % environ, aucune fissure n'apparaît dans la couche de matériau de brasage dans la zone entre
parois et on obtient une résistance au brasage stable.
TABLEAU 2
CONCENTRATION EN Cu (%) APPARITION DE FISSURES Approximativement 90 Pas de fissures observées Approximativement 85 Pas de fissures observées Approximativement 80 Pas de fissures observées Approximativement 75 Pas de fissures observées Approximativement 70 Fissures apparaissant dans la couche du matériau de brasage dans la zone entre parois Exemple 3: Par le même procédé que dans l'exemple 1 des tubes d'acier inoxydable à double paroi ont été réalisés avec chacun une épaisseur de matériau de brasage subsistant différente dans la zone entre parois, après l'opération de brasage. L'examen de l'apparition de fissures dans le matériau de brasage subsistant dans la zone entre parois de chaque tube d'acier inoxydable est reporté dans le tableau 3 ci-après. Les informations sur l'apparition des fissures ont été obtenues à partir d'un test d'évasement avec
un cône de 60 .
Selon les résultats reportés dans le tableau 3, lorsque l'épaisseur du matériau de brasage subsistant dans la zone entre parois après l'opération de brasage est inférieure à 0,5 micromètre, des fissures apparaissent dans la couche du matériau de brasage, alors que lorsque l'épaisseur du matériau de brasage subsistant est de 0,5 micromètre ou plus, aucune apparition de fissure
n'est observée et on obtient une résistance au brasage stable.
TABLEAU 3
EPAISSEUR DU MATERIAU DE
BRASAGE SUBSISTANT DANS APPARITION DE FISSURES
LA ZONE ENTRE PAROIS (<)
Inférieure à 0,5 Fissures apparaissant dans la couche du matériau de brasage entre parois De 0,5 à 1,0 Pas de fissures observées De 1,0 à 5,0 Pas de fissures observées De 5,0 à 10,0 Pas de fissures observées Comme expliqué plus haut, dans le tube d'acier inoxydable à enroulement multiple de l'invention, en diffusant le matériau de brasage à base de cuivre entre les parois du tube et le matériau de brasage à base de cuivre sur les faces externe et interne du tube, la force de liaison entre le matériau de brasage et le matériau de base (feuillard d'acier inoxydable) est accrue, en sorte qu'une bonne résistance entre les couches de la paroi du tube à enroulement multiple est obtenue, la résistance à la frontière entre le matériau de l'alliage SUS et le matériau de brasage est élevée, la résistance, notamment la ductilité, du matériau de brasage à base de cuivre, après brasage, peut être maintenue et par suite la résistance à la pression et l'ouvrabilité sont excellentes.
Claims (5)
1. Tube d'acier inoxydable à enroulement multiple réalisé par déformation d'un feuillard d'acier inoxydable dont la surface est revêtue d'un matériau de brasage à base de cuivre afin d'obtenir un tube à enroulement multiple, et, après fusion du matériau de brasage présent entre les parois du tube à enroulement multiple, refroidissement du matériau de brasage fondu, caractérisé en ce que le matériau de brasage (1-3) entre les parois (1-1,1-2) du tube, ainsi que le matériau de brasage (1-3) de la surface interne et de la surface externe du tube, est diffusé dans le matériau de base sur une épaisseur (1-4) comprise entre 0,5 micromètre et 15 micromètres et adhère à
ce matériau de base.
2. Tube d'acier inoxydable à enroulement multiple suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la concentration en cuivre dans le
matériau de brasage, après l'opération de brasage, est d'au moins 75 %.
3. Tube d'acier inoxydable à enroulement multiple suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la concentration en cuivre dans le
matériau de brasage est comprise entre 75 et 90 %.
4. Tube d'acier inoxydable à enroulement multiple selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur du matériau de brasage subsistant
entre les parois, après l'opération de brasage, est d'au moins 0,5 micromètre.
5. Tube d'acier inoxydable à enroulement multiple suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le feuillard d'acier inoxydable est constitué de l'un des alliages du groupe comprenant les alliages SUS304,
SUS304L, SUS316, SUS316L, SUS321, SUS410L, SUS430, SUS430LX,
SUS436L.
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