WO2018134490A1 - Procédé et dispositif de soudage à faible distorsion avec application de refroidissement constitué d'un coussin de fibres minérales imbibé d'un liquide de refroidissement - Google Patents

Procédé et dispositif de soudage à faible distorsion avec application de refroidissement constitué d'un coussin de fibres minérales imbibé d'un liquide de refroidissement Download PDF

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WO2018134490A1
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cooling
weld bead
welding torch
cooling applicator
applicator
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Nicolas LAURAIN
Aymeric BASQUIN
Bruno Deletre
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Gaztransport Et Technigaz
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    • B23K9/32—Accessories
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C21D9/505—Cooling thereof

Definitions

  • the invention relates to the field of low-distortion welding processes and devices, in particular for the assembly of metal sheets by sealed welds.
  • FR-A-2701415 discloses an electric arc welding machine for clinching two metal sheets of a membrane of a fluid containment tank.
  • the effects of thermal deformation of the sheets increase and make it more difficult to obtain a very high quality assembly, particularly as regards the mechanical strength and / or tightness.
  • An idea underlying the invention is to provide methods and devices for reducing the effects of thermal deformation of the sheets during welding.
  • An idea underlying the invention is to provide methods and devices adapted to be used on various walls of a fluid containment tank, regardless of the orientation of the wall.
  • the invention provides a low distortion welding process comprising: - producing a weld bead to assemble two metal parts, the weld bead being made by moving a welding torch along a path of the weld bead ,
  • the cooling applicator consisting of a cushion of mineral fibers soaked with a coolant.
  • the location of the coolant being controlled the amount of coolant applied to the desired locations can be controlled more easily and more accurately.
  • the cooling applicator is supplied with cooling liquid during the passage of the cooling applicator on the weld bead. It is thus possible to obtain a continuous and relatively uniform operation of the cooling applicator during the production of the weld.
  • the invention also provides a low distortion welding device having a movable support carriage to be moved along a feed path with respect to two metal parts to be assembled, the mobile support carriage carrying:
  • a cooling applicator arranged behind the welding torch with respect to the feed path for cooling the weld bead by contact with an outer surface of the weld bead, the cooling applicator consisting of a mineral fiber cushion , and
  • a dispensing head arranged to dispense a cooling liquid on the cooling applicator for soaking the cushion of mineral fibers with the coolant.
  • these methods and welding devices may have one or more of the following characteristics.
  • the mineral fibers are selected for their durability and their resistance to a high temperature, preferably at least 1000 ° C.
  • the mineral fibers consist of ceramic. Ceramics, especially refractory ceramics, are heat-resistant materials that lend themselves well to fiber formation.
  • the mineral fibers consist of ceramic mainly containing silica, in combination with other oxides, especially alumina.
  • Such ceramics offer advantages in terms chemical inertness, absence of harmfulness, thermal stability and mechanical resistance.
  • the coolant may be selected from a variety of fluids, including water and liquid nitrogen. Coolant selection criteria include its boiling point at normal pressure, its heat capacity and its latent heat of vaporization. Water is a preferred choice given its very high latent heat, lack of harmfulness and ease of supply.
  • the interaction between the cooling applicator and the parts to be assembled can be designed in different ways to effect an effective and controlled contact between the coolant and the weld bead to be cooled.
  • the cooling applicator slides on the outer surface of the weld seam.
  • the cooling applicator is configured to roll on the outer surface of the weld seam.
  • the cooling applicator may have the shape of a cylinder which rolls on the outer surface of the weld seam, or the cooling applicator may have the shape of a tread arranged around a cylindrical support to roll on the outer surface of the weld seam.
  • the welding torch is an arc welding torch, for example of Tungsten Inert Gas (TIG) type.
  • Tungsten Inert Gas (TIG) type Tungsten Inert Gas
  • the welding device further comprises a frame intended to be arranged in a fixed manner with respect to the two metal parts to be assembled, the support carriage being movably mounted on the frame and guided along the path of FIG. advance through the chassis. It is thus possible to obtain precise guidance of the support carriage.
  • the welding device further comprises a screen carried by the movable carriage and arranged between the cooling applicator and the welding torch to protect the welding torch from splashes of coolant. Thanks to these characteristics, the risk Switching off or disturbing the operation of the welding torch, especially in the case of an electric arc, is safely avoided.
  • the cooling applicator is supplied with cooling liquid during the passage of the cooling applicator over the weld bead.
  • the welding device further comprises a coolant supply pump connected to the dispensing head for supplying the dispensing head with a flow rate of the cooling liquid.
  • the coolant flow rate can be adjusted in different ways. According to one embodiment, this flow rate is set to a fixed value. Thus, the implementation of the welding process can be particularly simple.
  • the welding device further comprises a control unit cooperating with the feed pump and configured to adjust the flow rate of the coolant as a function of one or more quantities, for example: a speed of advance of the support carriage, an electrical current transmitted into the welding torch, etc. Thanks to these characteristics, the flow rate of the coolant can be controlled automatically and adapted to the actual conditions of the welding operation, in particular to take into account the amount of heat to be effectively taken.
  • the welding device further comprises an elastic suspension member for exerting pressure on the cooling applicator towards the metal parts to be assembled.
  • This welding process can be used in many applications, especially when relatively thin sheets are used.
  • One particular application relates to the manufacture of a waterproofing membrane in a fluid containment tank.
  • the two metal parts are sheet metal plates to be assembled clapboard or end-to-end, the path of the weld bead along the edge of a said sheet metal plate.
  • Such a clinch assembly is particularly suitable for producing sealed welds for the manufacture of a waterproofing membrane in a fluid containment tank.
  • the sheet metal plates are corrugated or embossed. Embossed sheet metal plates are particularly suitable in applications involving large temperature differences, and in which the embossings or corrugations of the sheet metal plates can act as thermal expansion joints.
  • the sheet metal plates comprise a first series of mutually spaced projecting corrugations extending in a first direction of the plane, possibly a second series of mutually spaced projecting corrugations extending in a second direction of the perpendicular plane. in the first direction, and planar areas arranged between the undulations.
  • the sheet metal plates are made of an alloy selected from non and low alloyed steels, stainless steels, low expansion nickel alloy steel alloys, and low manganese steel alloys. coefficient of expansion.
  • the sheet metal plates may be made of Invar®, that is to say an alloy of iron and nickel whose expansion coefficient is typically between 1, 2.10 "6 K “ 1 and 2.10 “6 K “1 , in an alloy of iron and nickel at 9% whose expansion coefficient is typically of the order of 9.10 " 8 K “1 or in an iron alloy with a high manganese content whose expansion coefficient is typically of the order of 7 ⁇ 10 -6 K -1 .
  • FIG. 1 is a schematic side view of a welding device according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of a welding device according to a second embodiment used in a welding application to clap two plates of plate.
  • - Figure 3 is a view similar to Figure 2 showing the welding device at another angle.
  • FIG. 4 is a schematic side view of a welding device according to a third embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic side view of a welding device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic perspective view in section of a cooling applicator for use in welding devices.
  • FIG. 7 is a perspective view of another cooling applicator for use in welding devices.
  • FIG. 8 is an exploded view of the cooling applicator of FIG. 7.
  • FIG. 9 is a photograph under an optical microscope of a section of a weld bead obtained without using the cooling applicator (large grain size).
  • FIG. 10 is an optical microscope photo of a section of a weld bead obtained using the cooling applicator (smaller grain size).
  • FIG. 11 is a schematic perspective view of corrugated metal plates can be assembled with welding devices.
  • FIG. 12 is a schematic functional representation of a control system that can be used in welding devices.
  • welding devices comprise a guide rail 1 positioned above the metal parts to be welded and on which a support carriage 2 is slidably mounted so as to be guided by the guide rail 1.
  • the support carriage 2 carries the welding torch 3 facing downwards, so that the weld bead produced by moving the support carriage 2 along the guide rail 1 has a trajectory which corresponds substantially to the path of the guide rail 1.
  • a Prior operation to achieve such welding is therefore to place the metal parts so that the edge to be assembled is located under the path of the guide rail 1 or, similarly, to place the guide rail 1 above the intended location of the weld seam.
  • This may include a fixed guide rail, for example hooked to the ceiling of a building, or a movable frame adapted to be releasably positioned on the parts to be assembled. This second case is described for example in FR-A-2701415.
  • weld beads can be made on walls having various orientations, for example in a prismatic tank: a horizontal bottom wall, a vertical or oblique side wall, a horizontal ceiling wall, etc.
  • the "top” and “bottom” designate a direction away from the parts to be assembled and an opposite direction that is close to the parts to be assembled, regardless of the actual orientation of the parts to be assembled with respect to the Earth's gravity field.
  • the welding torch 3 requires various power supplies, depending on the welding technology employed, which are shown schematically in FIGS. 5 and 6 in FIG. 1, for example in electricity, in cooling water, inert gas, in gas fuel, etc. These supplies can be realized by means of flexible sheaths from power sources that are independent of the support carriage 2.
  • the feed direction 7 of the support carriage 2 is indicated by an arrow.
  • the support carriage 2 carries a mineral fiber cooling applicator 8, which can be made in different ways, here configured as the tread of a wheel 9 arranged to roll on the weld bead in the direction of advance 7.
  • the cooling applicator 8 is preferably made of a sheet of ceramic refractory fibers.
  • a sheet of ceramic refractory fibers For example, webs available from Morgan Crucible Company Peak under the trademark Cerablanket TM (128kg / m3) may be used. It is a ceramic mainly containing silica of formula SiO 2 , a high proportion of alumina of formula Al 2 O 3 , and other oxides in very small amounts, in particular oxides of iron, titanium, calcium, Magnesium, Sodium and Potassium. She resists a temperature up to 1260 ° C and has a tensile strength limit of 90kPa. Other mineral fibers could also be used.
  • the wheel 9 comprises a hub 10, for example made of metal or plastic, pivotally mounted about a horizontal axis perpendicular to the direction of advance 7, on the lower end of a support arm 1 integral with the support carriage 2.
  • the support arm 11 may be coupled to the support carriage 2 in different ways.
  • the upper end of the support arm 11 is pivotally attached to the top of the welding torch body 3 to allow the wheel 9 to move up and down relative to the welding torch 3 during the progression of the support carriage 2, in particular to cross the reliefs of the workpiece, for example corrugations of a sheet metal plate.
  • the support arm 11 is in two parts, pivotally hinged for the same reason, and the upper part of the support arm 11 is attached directly to the support carriage 2 independently of the welding torch 3.
  • the support arm 11 is pivotally connected by an axis 14 to a longitudinal wing 12 integral with a screen 13 attached to the support carriage 2.
  • the screen 13, also shown schematically on FIG. Figures 1 and 4, is a solid plate arranged under the support carriage between the welding torch 3 and the wheel 9 and extending perpendicularly to the direction of advance 7.
  • the wheel 9 rolls on the weld bead which has just been formed by the welding torch 3, and applies thereon a cooling liquid, for example water, to cool the material immediately, this which has the effect of reducing the thermal distortion of the assembled parts, particularly when it is thin sheets.
  • a cooling liquid for example water
  • the supply of the coolant cooling applicator 8 could be carried out by a device independent of the support carriage 2. It is however more convenient to provide a feed head 15, for example a nozzle, attached to the carriage of support 2 and oriented to project the coolant on the cooling applicator 8, continuously or intermittently.
  • the feed head 5 is connected by a flexible pipe 16 to a power source, for example a water pump, which can be independent of the support carriage 2.
  • the feed head 15 can be arranged in different ways. In Figure 1, the feed head 15 is above the wheel 9 to wet an upper portion of the wheel 9. In Figure 4, the feed head 15 is behind the wheel 9 to wet a rear portion 9. Other configurations are still possible, for example in front of the wheel or on the side. The feed head 15 is not shown in Figures 2 and 3; it could be above the wheel 9 as in Figure 1.
  • the cooling applicator 8 slides on the welding bead behind the welding torch 3 in the direction of advance 7.
  • the cooling applicator 8 made of mineral fibers is here configured as a thick parallelepipedal or cylindrical buffer housed in a tube-shaped housing 35 of rectangular or circular section.
  • the feed head 15 is mounted in the housing 35, directed downwards to send cooling liquid to an upper surface 34 of the cooling applicator 8.
  • the coolant reaches the surface 36 of the welded parts by diffusing to through the thickness of the cooling applicator 8, which is porous.
  • the housing 35 confines the projections and flows of coolant, so that it also protects the welding torch 3 from any splash by serving screen.
  • the welding torch 3 and the housing 35 can be mounted independently of one another on the support carriage 2. In the example of FIG. 5, they are suspended from the support carriage 2 by elastic suspensions 37 and 38 that exert a downward pressure, in order to be able to follow a profile in relief.
  • a fixed or pivoting mounting on the support carriage 2 is also conceivable, depending on the intended application.
  • FIG. 6 illustrates the housing 35 in a variant, seen in diametral section and in perspective, in which the grid elements 39 exert a pressure on the upper surface 34 of the cooling applicator 8, under the effect of suspension springs 40 mounted in support between the grid elements 39 and a support bar 41 fixed inside the housing 35.
  • the grid elements 39 allow, without hindering the passage of the coolant, to conform the cooling applicator 8, which is flexible, to the shape of the workpiece, particularly when crossing a corrugation.
  • the coolant supply source is automatically regulated by a control unit 26 shown schematically in FIG. 12.
  • the control unit 26 uses input signals provided by different sensors 27 and representing various operating parameters of the welding station, for example an advancing speed v of the support carriage 2, a flow rate D of coolant, an electric current I supplying the welding torch 3, etc. With the aid of a control program, the control unit 16 generates control signals for controlling a circulation pump 28.
  • Objectives that can be pursued by such a regulatory program are for example:
  • the control unit 26 can also be used to jointly control different actuators of the welding station, for example a drive motor 29 for driving the support carriage 2, an electric power source 30 for the welding torch, etc.
  • FIGS. 7 and 8 show a wheel 109 comprising another embodiment of the cooling applicator 108.
  • the cooling applicator 108 consists of three porous mineral fiber disks forming both the hub and the cooling strip. wheel bearing 109. These three discs are clamped between two rigid flanges 20 and engaged on two ends of axis 21 projecting towards one another from the center of the two flanges 20. In this embodiment, the volume absorbable liquid by capillarity is higher. For the rest, the operation is identical.
  • the cooling applicator is not necessarily a wheel. In an embodiment not shown, it is a mineral fiber pad sliding on the weld bead.
  • the welding device is used to weld two flat plate plates to clinch, that is to say with a covering. More specifically, the welding torch 3 is guided along the edge 17 of the upper plate 18 covering the bottom plate 19 and produces the weld bead 22 along the edge 17.
  • Figures 9 and 10 show a sectional view of such a weld seam on two sheets of invar® 0.7mm thick, when the cooling applicator was not used (Fig 9) and when it has been used (Fig. 10).
  • the reference scales E in FIGS. 9 and 10 measure 200 ⁇ .
  • Optical microscopy photography makes it possible to appreciate the grain size of the material at the level of the weld bead 22.
  • the melted zone exhibited by a larger grain size extends over the entire thickness of the grain. assembly, to the lower surface of the bottom plate 19.
  • the grain size at the weld bead 22 decreases rapidly with the depth and a lower half 23 of the bottom plate 19 a. maintained its original granularity, which shows that the melted zone is more localized and less deep. This is the result of the thermal pumping exerted by the cooling water.
  • Such a clapboard weld can be used to make tight joints in a sealed tank membrane, in particular between two sheets of corrugated sheet.
  • An example of such a membrane is shown in FIG.
  • Plate plates 18 and 19 comprise a first series of corrugations 31, projecting on a lower face of the figure and mutually spaced with a regular pitch, which extends in a direction y of the plane, and a second series of corrugations. 32, also protruding on the underside of the figure and mutually spaced with a regular pitch, extending in a direction x perpendicular to the y direction. Flat areas 33 are arranged between the corrugations 31 and 32. A lap weld can be made in the same way along the edge 17 by moving the support carriage 2 with the welding torch 3 in the x direction.

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Abstract

La présente demande se rapporte à un procédé et à un dispositif de soudage à faible distorsion. L'invention concerne un dispositif de soudage à faible distorsion comportant un chariot de support (2) mobile destiné à être déplacé selon une trajectoire d'avance par rapport à deux pièces métalliques à assembler et portant une torche de soudage (3) pour réaliser un cordon de soudure entre les deux pièces métalliques, un applicateur de refroidissement (8) agencé derrière la torche de soudage (3) par rapport à la trajectoire d'avance pour refroidir le cordon de soudure par contact avec une surface extérieure du cordon de soudure, l'applicateur de refroidissement (8) étant constitué d'un coussin de fibres minérales, et une tête de distribution (15) agencée pour distribuer un liquide de refroidissement sur l'applicateur de refroidissement (8) pour imbiber le coussin de fibres minérales avec le liquide de refroidissement.

Description

PROCÉDÉ ET DISPOSITIF DE SOUDAGE À FAIBLE DISTORSION AVEC APPLICATION DE REFROIDISSEMENT CONSTITUÉ D'UN COUSSIN DE FIBRES
MINÉRALES IMBIBÉ D'UN LIQUIDE DE REFROIDISSEMENT
Domaine technique
L'invention se rapporte au domaine des procédés et dispositifs de soudage à faible distorsion, en particulier pour l'assemblage de tôles métalliques par des soudures étanches.
Arrière-plan technologique
On connaît par FR-A-2701415 une machine de soudage l'arc électrique pour souder à clin deux tôles métalliques d'une membrane d'un réservoir de confinement de fluide. Toutefois, il a été constaté que, lorsque l'on cherche à réduire l'épaisseur des tôles utilisées, les effets de déformation thermique des tôles augmentent et rendent plus difficile l'obtention d'un assemblage de très haute qualité, notamment quant à la tenue mécanique et/ou l'étanchéité.
Résumé
Une idée à la base de l'invention est de proposer des procédés et dispositifs permettant de réduire les effets de déformation thermique des tôles lors du soudage. Une idée à la base de l'invention est de proposer des procédés et dispositifs adaptés à être utilisés sur diverses parois d'un réservoir de confinement de fluide, quelle que soit l'orientation de la paroi.
Pour cela, l'invention fournit un procédé de soudage à faible distorsion comportant : - réaliser un cordon de soudure pour assembler deux pièces métalliques, le cordon de soudure étant réalisé en déplaçant une torche de soudage le long d'une trajectoire du cordon de soudure,
- faire passer un applicateur de refroidissement sur une surface extérieure du cordon de soudure immédiatement derrière la torche de soudage pour refroidir le cordon de soudure, l'applicateur de refroidissement étant constitué d'un coussin de fibres minérales imbibé d'un liquide de refroidissement.
Grâce à l'emploi d'un tel applicateur de refroidissement en fibres minérales, il est possible de retenir le liquide de refroidissement par capillarité et ainsi d'appliquer le liquide de refroidissement localement aux emplacements souhaités, notamment sur le cordon de soudure et/ou sur des zones immédiatement adjacentes à celui-ci. Le risque de produire des accumulations et/ou écoulements incontrôlés du liquide de refroidissement sont donc considérablement réduits par rapport à une projection directe de liquide de refroidissement sur les pièces à refroidir, ce qui réduit les risques de corrosion.
De plus, la localisation du liquide de refroidissement étant maîtrisée, la quantité de liquide de refroidissement appliquée sur les emplacements souhaités peut être contrôlée plus facilement et de manière plus précise.
Selon un mode de réalisation, l'applicateur de refroidissement est alimenté en liquide de refroidissement pendant le passage de l'applicateur de refroidissement sur le cordon de soudure. Il est ainsi possible d'obtenir un fonctionnement continu et relativement uniforme de l'applicateur de refroidissement pendant la réalisation de la soudure.
L'invention fournit également un dispositif de soudage à faible distorsion comportant un chariot de support mobile destiné à être déplacé selon une trajectoire d'avance par rapport à deux pièces métalliques à assembler, le chariot de support mobile portant :
- une torche de soudage pour réaliser un cordon de soudure entre les deux pièces métalliques,
- un applicateur de refroidissement agencé derrière la torche de soudage par rapport à la trajectoire d'avance pour refroidir le cordon de soudure par contact avec une surface extérieure du cordon de soudure, l'applicateur de refroidissement étant constitué d'un coussin de fibres minérales, et
- une tête de distribution agencée pour distribuer un liquide de refroidissement sur l'applicateur de refroidissement pour imbiber le coussin de fibres minérales avec le liquide de refroidissement.
Selon des modes de réalisation avantageux, ces procédés et dispositifs de soudage peuvent présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Les fibres minérales sont choisies pour leur durabilité et leur résistance à une température élevée, de préférence à au moins 1000°C. Selon un mode de réalisation, les fibres minérales sont constituées de céramique. Les céramiques, notamment les céramiques réfractaires, sont des matières résistantes à la chaleur et qui se prêtent bien à la formation de fibres.
De préférence, les fibres minérales sont constituées de céramique contenant majoritairement de la silice, en combinaison avec d'autres oxydes, notamment de l'alumine. De telles céramiques offrent des avantages en termes d'inertie chimique, d'absence de nocivité, de stabilité thermique et de résistance mécanique.
Le liquide de refroidissement peut être choisi parmi divers fluides, notamment l'eau et l'azote liquide. Des critères de sélection du liquide de refroidissement sont notamment son point d'ébullition à pression normale, sa capacité calorifique et sa chaleur latente de vaporisation. L'eau est un choix préféré compte tenu de sa chaleur latente très élevée, de son absence de nocivité et de la facilité d'approvisionnement.
L'interaction entre l'applicateur de refroidissement et les pièces à assembler peut être conçue de différentes manières en vue d'effectuer une mise en contact efficace et maîtrisée entre le liquide de refroidissement et le cordon de soudure à refroidir. Dans un mode de réalisation, l'applicateur de refroidissement glisse sur la surface extérieure du cordon de soudure.
Dans un autre mode de réalisation, l'applicateur de refroidissement est configuré pour rouler sur la surface extérieure du cordon de soudure. Pour cela, l'applicateur de refroidissement peut présenter la forme d'un cylindre qui roule sur la surface extérieure du cordon de soudure, ou l'applicateur de refroidissement peut présenter la forme d'une bande de roulement agencée autour d'un support cylindrique pour rouler sur la surface extérieure du cordon de soudure.
Diverses technologies connues peuvent être envisagées pour la torche de soudage. De préférence, la torche de soudage est une torche de soudage à l'arc électrique, par exemple de type Tungsten Inert Gas (TIG).
Le déplacement du chariot de support peut être réalisé de différentes manières. Selon un mode de réalisation, le dispositif de soudage comporte en outre un châssis destiné à être disposé de manière fixe par rapport aux deux pièces métalliques à assembler, le chariot de support étant monté de manière mobile sur le châssis et guidé selon la trajectoire d'avance par le châssis. Il est ainsi possible d'obtenir un guidage précis du chariot de support.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif de soudage comporte en outre un écran porté par le chariot mobile et agencé entre l'applicateur de refroidissement et la torche de soudage pour protéger la torche de soudage de projections de liquide de refroidissement. Grâce à ces caractéristiques, le risque d'éteindre ou de perturber le fonctionnement de la torche de soudage, notamment dans le cas d'un arc électrique, est évité de manière sûre.
Avantageusement, l'applicateur de refroidissement est alimenté en liquide de refroidissement pendant le passage de l'applicateur de refroidissement sur le cordon de soudure.
Selon un mode de réalisation correspondant, le dispositif de soudage comporte en outre une pompe d'alimentation en liquide de refroidissement reliée à la tête de distribution pour alimenter la tête de distribution avec un débit du liquide de refroidissement.
Le débit de liquide de refroidissement peut être réglé de différentes manières. Selon un mode de réalisation, ce débit est réglé à une valeur fixe. Ainsi, la mise en œuvre du procédé de soudage peut être particulièrement simple.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de soudage comporte en outre une unité de commande coopérant avec la pompe d'alimentation et configurée pour régler le débit du liquide de refroidissement en fonction d'une ou plusieurs grandeurs, par exemple : une vitesse d'avance du chariot de support, une intensité électrique transmise dans la torche de soudage, etc. Grâce à ces caractéristiques, le débit du liquide de refroidissement peut être piloté de manière automatique et adapté en fonction des conditions réelles de l'opération de soudage, notamment en vue de tenir compte de la quantité de chaleur devant être effectivement prélevée.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de soudage comporte en outre un organe de suspension élastique pour exercer une pression sur l'applicateur de refroidissement en direction des pièces métalliques à assembler.
Ce procédé de soudage est utilisable dans de nombreuses applications, notamment lorsque des tôles relativement fines sont employées. Une application particulière concerne la fabrication d'une membrane d'étanchéité dans un réservoir de confinement de fluide.
Dans un mode de réalisation, les deux pièces métalliques sont des plaques de tôle devant être assemblée à clin ou en bout à bout, la trajectoire du cordon de soudure suivant le bord d'une dite plaque de tôle. Un tel assemblage à clin est particulièrement adapté à la réalisation de soudures étanches pour la fabrication d'une membrane d'étanchéité dans un réservoir de confinement de fluide. Dans un mode de réalisation, les plaques de tôle sont ondulées ou gaufrées. Des plaques de tôle gaufrées sont notamment appropriées dans les applications faisant intervenir des larges écarts de températures, et dans lesquelles les gaufrages ou ondulations des plaques de tôle peuvent jouer le rôle de joints d'expansion thermique. Selon un mode de réalisation, les plaques de tôles comportent une première série d'ondulations saillantes mutuellement espacées s'étendant selon une première direction du plan, éventuellement une deuxième série d'ondulations saillantes mutuellement espacées s'étendant selon une deuxième direction du plan perpendiculaire à la première direction, et des zones planes agencées entre les ondulations.
Un tel procédé peut être utilisé pour souder différents métaux. Selon des modes de réalisation, les plaques de tôle sont en un alliage choisi parmi les aciers non et faiblement alliés, les aciers inoxydables, les alliages d'acier au Nickel à faible coefficient de dilation, et les alliages d'acier au manganèse à faible coefficient de dilation. En particulier, les plaques de tôle peuvent être réalisées en Invar ®, c'est-à- dire un alliage de fer et de nickel dont le coefficient de dilatation est typiquement compris entre 1 ,2.1û"6 K"1 et 2.10"6 K"1, dans un alliage de fer et de nickel à 9% dont le coefficient de dilatation est typiquement de l'ordre de 9.10"8 K"1 ou dans un alliage de fer à forte teneur en manganèse dont le coefficient de dilatation est typiquement de l'ordre de 7.10"6 K"1.
Brève description des figures
L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de plusieurs modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
- La figure 1 est une vue schématique de côté d'un dispositif de soudage selon un premier mode de réalisation.
- La figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif de soudage selon un deuxième mode de réalisation employé dans une application de soudage à clin de deux plaques de tôles. - La figure 3 est une vue analogue à la figure 2 montrant le dispositif de soudage sous un autre angle.
- La figure 4 est une vue schématique de côté d'un dispositif de soudage selon un troisième mode de réalisation.
- La figure 5 est une vue schématique de côté d'un dispositif de soudage selon un quatrième mode de réalisation.
- La figure 6 est une vue schématique en perspective et en coupe d'un applicateur de refroidissement pouvant être utilisé dans les dispositifs de soudage.
- La figure 7 est une vue en perspective d'un autre applicateur de refroidissement pouvant être utilisé dans les dispositifs de soudage.
- La figure 8 est une vue éclatée de l'applicateur de refroidissement de la figure 7.
- La figure 9 est une photo au microscope optique d'une coupe d'un cordon de soudure obtenu sans utiliser l'applicateur de refroidissement (taille des grains importants).
- La figure 10 est une photo au microscope optique d'une coupe d'un cordon de soudure obtenu en utilisant l'applicateur de refroidissement (taille des grains plus faible).
- La figure 11 est une vue schématique en perspective de plaques métalliques ondulées pouvant être assemblées avec des dispositifs de soudage.
- La figure 12 est une représentation fonctionnelle schématique d'un système de commande pouvant être utilisé dans les dispositifs de soudage.
Description détaillée de modes de réalisation
En référence aux figures 1 à 5, on va maintenant décrire des dispositifs de soudage qui comportent un rail de guidage 1 positionné au-dessus des pièces métalliques à souder et sur lequel un chariot de support 2 est monté coulissant de manière à être guidé par le rail de guidage 1. Le chariot de support 2 porte la torche de soudage 3 tournée vers le bas, de sorte que le cordon de soudure réalisé en déplaçant le chariot de support 2 le long du rail de guidage 1 présente une trajectoire qui correspond substantiellement à la trajectoire du rail de guidage 1. Une opération préalable à la réalisation d'un tel soudage est donc de placer les pièces métalliques de manière que le bord à assembler soit situé sous la trajectoire du rail de guidage 1 ou, de manière équivalente, de placer le rail de guidage 1 au-dessus de l'emplacement prévu pour le cordon de soudure. Il peut s'agir notamment d'un rail de guidage fixe, par exemple accroché au plafond d'un bâtiment, ou d'un châssis mobile apte à être positionné de manière détachable sur les pièces à assembler. Ce deuxième cas est décrit par exemple dans FR-A-2701415.
Par ailleurs, des cordons de soudure peuvent être réalisés sur des parois présentant diverses orientations, par exemple dans un réservoir de forme prismatique : une paroi de fond horizontale, une paroi de côté verticale ou oblique, une paroi de plafond horizontale, etc. Dans cette description, le « haut » et le « bas » désignent donc une direction qui s'éloigne des pièces à assembler et une direction opposée qui se rapproche des pièces à assembler, indépendamment de l'orientation réelle des pièces à assembler par rapport au champ de gravité terrestre.
Pour fonctionner, la torche de soudage 3 nécessite des alimentations diverses, selon la technologie de soudage employée, qui sont représentées schématiquement aux chiffres 5 et 6 sur la figure 1 , par exemple en électricité, en eau de refroidissement, en gaz inerte, en gaz combustible, etc. Ces alimentations peuvent être réalisées au moyen de gaines flexibles à partir de sources d'alimentation qui sont indépendantes du chariot de support 2.
La direction d'avance 7 du chariot de support 2 est indiquée par une flèche. Derrière la torche de soudage 3, le chariot de support 2 porte un applicateur de refroidissement 8 en fibres minérales, qui peut être réalisé de différentes manières, ici configuré comme la bande de roulement d'une roue 9 agencée pour rouler sur le cordon de soudure dans la direction d'avance 7.
L'applicateur de refroidissement 8 est de préférence constitué d'une nappe de fibres réfractaires en céramique. Par exemple des nappes disponibles auprès de la société Morgan Crucible Company pic sous la marque de commerce Cerablanket™ (128kg/m3) peuvent être utilisées. Il s'agit d'une céramique contenant majoritairement de la silice de formule Si02, une forte proportion d'alumine de formule Al203, et d'autres oxydes en très faibles quantités, notamment oxydes de Fer, Titane, Calcium, Magnésium, Sodium et Potassium. Elle résiste à une température allant jusqu'à 1260°C et présente un contrainte limite de rupture en traction égale à 90kPa. D'autres fibres minérales pourraient aussi être employées.
La roue 9 comporte un moyeu 10, par exemple en métal ou en plastique, monté pivotant autour d'un axe horizontal perpendiculaire à la direction d'avance 7, sur l'extrémité inférieure d'un bras de support 1 solidaire du chariot de support 2.
Le bras de support 11 peut être couplé au chariot de support 2 de différentes manières. Sur la figure 1 , l'extrémité supérieure du bras de support 11 est attachée de manière pivotante en haut du corps de la torche de soudage 3, pour permettre à la roue 9 de monter et descendre par rapport à la torche de soudage 3 au cours de la progression du chariot de support 2, afin notamment de franchir des reliefs de la pièce à souder, par exemple des ondulations d'une plaque de tôle. Sur la figure 4, le bras de support 11 est en deux parties, articulées de manière pivotante pour la même raison, et la partie supérieure du bras de support 11 est attachée directement au chariot de support 2 indépendamment de la torche de soudage 3.
Sur les figures 2 et 3, le bras de support 11 est lié de manière pivotante par un axe 14 à une aile longitudinale 12 solidaire d'un écran 13 attaché au chariot de support 2. L'écran 13, également représenté de manière schématique sur les figures 1 et 4, est une plaque pleine agencée sous le chariot de support entre la torche de soudage 3 et la roue 9 et s'étendant perpendiculairement à la direction d'avance 7.
En service, la roue 9 roule sur le cordon de soudure qui vient d'être formé par la torche de soudage 3, et applique sur celui-ci un liquide de refroidissement, par exemple de l'eau, pour refroidir immédiatement la matière, ce qui a pour effet de diminuer la distorsion thermique des pièces assemblées, notamment lorsqu'il s'agit de tôles fines. Pour cela, l'applicateur de refroidissement 8 doit bien entendu rester suffisamment imbibé du liquide de refroidissement pendant toute l'opération de soudage.
L'alimentation de l'applicateur de refroidissement 8 en liquide de refroidissement pourrait être réalisée par un dispositif indépendant du chariot de support 2. Il est toutefois plus pratique de prévoir une tête d'alimentation 15, par exemple un gicleur, attachée au chariot de support 2 et orientée pour projeter le liquide de refroidissement sur l'applicateur de refroidissement 8, de manière continue ou intermittente. La tête d'alimentation 5 est reliée par un tuyau flexible 16 à une source d'alimentation, par exemple une pompe à eau, qui peut être indépendante du chariot de support 2.
La tête d'alimentation 15 peut être disposée de différentes manières. Sur la figure 1 , la tête d'alimentation 15 est au-dessus de la roue 9 pour mouiller une portion supérieure de la roue 9. Sur la figure 4, la tête d'alimentation 15 est derrière la roue 9 pour mouiller une portion arrière de la roue 9. D'autres configurations sont encore possibles, par exemple devant la roue ou sur le côté. La tête d'alimentation 15 n'est pas représentée sur les figures 2 et 3 ; elle pourrait être au-dessus de la roue 9 comme sur la figure 1.
Dans le mode de réalisation illustré par la figure 5, l'applicateur de refroidissement 8 glisse sur le cordon de soudure derrière la torche de soudage 3 dans la direction d'avance 7. Pour cela, l'applicateur de refroidissement 8 en fibres minérales est ici configuré comme un épais tampon parallélépipédique ou cylindrique logé dans un boîtier 35 en forme de tube à section rectangulaire ou circulaire. La tête d'alimentation 15 est montée dans le boîtier 35, orientée vers le bas pour envoyer du liquide de refroidissement sur une surface supérieure 34 de l'applicateur de refroidissement 8. Le liquide de refroidissement atteint la surface 36 des pièces soudées en diffusant à travers l'épaisseur de l'applicateur de refroidissement 8, qui est poreux. Le boîtier 35 confine les projections et écoulements de liquide de refroidissement, de sorte qu'il protège également la torche de soudage 3 de toute éclaboussure en servant d'écran.
La torche de soudage 3 et le boîtier 35 peuvent être montés indépendamment l'un de l'autre sur le chariot de support 2. Dans l'exemple de la figure 5, ils sont suspendus au chariot de support 2 par des suspensions élastiques 37 et 38 qui exercent une pression vers le bas, afin de pouvoir suivre un profil en relief. Un montage fixe ou pivotant sur le chariot de support 2 est aussi envisageable, selon l'application visée.
La figure 6 illustre le boîtier 35 selon une variante, vu en coupe diamétrale et en perspective, dans lequel des éléments de grille 39 exercent une pression sur la surface supérieure 34 de l'applicateur de refroidissement 8, sous l'effet de ressorts de suspension 40 montés en appui entre les éléments de grille 39 et une barre de support 41 fixée à l'intérieur du boîtier 35. Les éléments de grille 39 permettent, sans gêner le passage du liquide de refroidissement, de conformer l'applicateur de refroidissement 8, qui est souple, à la forme de la pièce à souder, notamment lors du franchissement d'une d'ondulation.
Dans un mode de réalisation, la source d'alimentation de liquide de refroidissement est régulée de manière automatique par une unité de commande 26 représentée schématiquement sur la figure 12. L'unité de commande 26 exploite des signaux d'entrée fournis par différents capteurs 27 et représentant différents paramètres de fonctionnement du poste de soudage, par exemple une vitesse d'avance v du chariot de support 2, un débit D de liquide de refroidissement, une intensité électrique I alimentant la torche de soudage 3, etc. A l'aide d'un programme de régulation, l'unité de commande 16 génère des signaux de pilotage pour piloter une pompe de circulation 28.
Des objectifs qui peuvent être poursuivis par un tel programme de régulation sont par exemple :
- l'évaporation complète ou quasi-complète du liquide de refroidissement, pour éviter des accumulations de liquide pouvant favoriser la corrosion ou être dangereuses en présence de sources électrique,
- l'abaissement de la température du cordon de soudure en dessous d'un certain seuil.
L'unité de commande 26 peut aussi être employée pour piloter conjointement différents actionneurs du poste de soudage, par exemple un moteur d'entrainement 29 pour l'entraînement du chariot de support 2, une source de courant électrique 30 pour la torche de soudage, etc.
Les figures 7 et 8 représentent une roue 109 comportant un autre mode de réalisation de l'applicateur de refroidissement 108. Ici, l'applicateur de refroidissement 108 est constitué de trois disques poreux en fibres minérales formant à la fois le moyeu et la bande de roulement de la roue 109. Ces trois disques sont serrés entre deux flasques rigides 20 et engagés sur deux bouts d'axe 21 faisant saillie l'un vers l'autre depuis le centre des deux flasques 20. Dans ce mode de réalisation, le volume de liquide absorbable par capillarité est plus élevé. Pour le reste, le fonctionnement est identique. L'applicateur de refroidissement n'est pas nécessairement une roue. Dans un mode de réalisation non représenté, il s'agit d'un tampon de fibres minérales glissant sur le cordon de soudure.
Comme mieux visible sur la figure 2, dans un mode de réalisation, le dispositif de soudage est utilisé pour souder deux plaques de tôle planes à clin, c'est-à-dire avec un recouvrement. Plus précisément, la torche de soudure 3 est guidée le long du bord 17 de la tôle supérieure 18 recouvrant la tôle inférieure 19 et produit le cordon de soudure 22 le long du bord 17.
Les figures 9 et 10 montrent une vue en coupe d'un tel cordon de soudure sur deux tôles d'invar® de 0.7mm d'épaisseur, lorsque l'applicateur de refroidissement n'a pas été employé (Fig. 9) et lorsqu'il a été employé (Fig. 10). Les échelles de référence E sur les figures 9 et 10 mesurent 200μιη.
La photographie en microscopie optique permet d'apprécier la taille de grain de la matière au niveau du cordon de soudure 22. Sur la figure 9, la zone fondue manifestée par un taille de grain plus grosse s'étend sur toute l'épaisseur de l'assemblage, jusqu'à la surface inférieure de la tôle inférieure 19. Par contraste, sur la figure 10, la taille des grains au niveau du cordon de soudure 22 diminue rapidement avec la profondeur et une moitié inférieure 23 de la tôle inférieure 19 a conservé quasiment sa granularité d'origine, ce qui manifeste que la zone fondue est plus localisée et moins profonde. C'est le résultat du pompage thermique exercé par l'eau de refroidissement.
Une telle soudure à clin peut être utilisée pour réaliser des assemblages étanches dans une membrane de réservoir étanche, notamment entre deux plaques de tôles ondulées. Un exemple d'une telle membrane est représenté sur la figure 11.
Deux plaques de tôle ondulées 18 et 19 sont représentées. Les plaques de tôles 18 et 19 comportent une première série d'ondulations 31 , saillantes sur une face inférieure de la figure et mutuellement espacées avec un pas régulier, qui s'étendant selon une direction y du plan, et une deuxième série d'ondulations 32, également saillantes sur la face inférieure de la figure et mutuellement espacées avec un pas régulier, s'étendant selon une direction x perpendiculaire à la direction y. Des zones planes 33 sont agencées entre les ondulations 31 et 32. Une soudure à clin peut être réalisée de la même manière le long du bord 17 en déplaçant le chariot de support 2 avec la torche de soudage 3 dans la direction x.
Exemple numérique
Le débit d'eau de refroidissement nécessaire a été mesuré expérimentalement en pesant l'applicateur humide avant et après soudage, avec les paramètres de fonctionnement suivants : énergie de soudage égale à 89kJ/m, correspondant à une intensité l=43A, une tension U=11.7 V et une vitesse d'avance v=34cm/min. On mesure un débit d'eau de 8.6ml_/m, soit 0.097ml/kJ, en obtenant une évaporation complète de l'eau de refroidissement sans accumulation observable.
Des calculs théoriques donnent une consommation d'eau de 8.9mL/m dans les mêmes conditions. Les calculs sont basés sur l'hypothèse d'une montée en température de 20°C à 100°C suivie de l'évaporation de l'eau, ceci provoquant un refroidissement du métal de 800°C à 500°C. La convergence de ces résultats montre que le liquide de refroidissement est effectivement entièrement consommé par le pompage thermique, et non éparpillé dans des zones inutiles. Cela correspond à un débit minimum de l'ordre de 8ml/m pour une énergie de soudage de 89kJ/m soit environ 0.090ml/kJ. Dans le cas où l'on souhaite réduire encore la température du métal obtenue après le passage de l'applicateur de refroidissement, on peut augmenter le débit jusqu'à environ 20ml/m sans accumuler de l'eau soit environ 0.225ml/kJ. Ces résultats sont donnés à titre indicatif et donnent l'ordre de grandeur de la quantité d'eau nécessaire au refroidissement d'une soudure à clin entre deux tôles de 0.7 mm.
L'usage du verbe « comporter », « comprendre » ou « inclure » et de ses formes conjuguées n'exclut pas la présence d'autres éléments ou d'autres étapes que ceux énoncés dans une revendication.
Dans les revendications, tout signe de référence entre parenthèses ne saurait être interprété comme une limitation de la revendication.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de soudage à faible distorsion comportant :
réaliser un cordon de soudure (22) pour assembler deux pièces métalliques (18, 19), le cordon de soudure étant réalisé en déplaçant une torche de soudage (3) le long d'une trajectoire du cordon de soudure,
faire passer un applicateur de refroidissement (8) sur une surface extérieure du cordon de soudure immédiatement derrière la torche de soudage pour refroidir le cordon de soudure, l'applicateur de refroidissement étant constitué d'un coussin de fibres minérales imbibé d'un liquide de refroidissement.
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel les fibres minérales sont constituées de céramique.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel les fibres minérales sont constituées de céramique contenant majoritairement de la silice en combinaison avec d'autres oxydes.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'applicateur de refroidissement (8) est alimenté en liquide de refroidissement pendant le passage de l'applicateur de refroidissement sur le cordon de soudure.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le liquide de refroidissement est choisi parmi l'eau et l'azote liquide.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'applicateur de refroidissement (8) glisse sur la surface extérieure du cordon de soudure.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'applicateur de refroidissement (8) est configuré pour rouler sur la surface extérieure du cordon de soudure.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'applicateur de refroidissement (8) présente la forme d'une bande de roulement agencée autour d'un support cylindrique pour rouler sur la surface extérieure du cordon de soudure.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel la torche de soudage (3) est une torche de soudage à l'arc électrique.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les deux pièces métalliques (18, 19) sont des plaques de tôle devant être assemblée à clin ou en bout à bout, la trajectoire du cordon de soudure suivant le bord (17) d'une dite plaque de tôle.
1 1. Procédé selon la revendication 10, dans lequel les plaques de tôle
(18, 19) sont en un alliage choisi parmi les aciers non et faiblement alliés, les aciers inoxydables, les alliages d'acier au Nickel à faible coefficient de dilation, et les alliages d'acier au manganèse à faible coefficient de dilation.
12. Dispositif de soudage à faible distorsion comportant :
un chariot de support (2) mobile destiné à être déplacé selon une trajectoire d'avance par rapport à deux pièces métalliques à assembler (18, 19), le chariot de support mobile (2) portant :
une torche de soudage (3) pour réaliser un cordon de soudure (22) entre les deux pièces métalliques,
un applicateur de refroidissement (8) agencé derrière la torche de soudage par rapport à la trajectoire d'avance pour refroidir le cordon de soudure par contact avec une surface extérieure du cordon de soudure, l'applicateur de refroidissement étant constitué d'un coussin de fibres minérales, et
une tête de distribution (15) agencée pour distribuer un liquide de refroidissement sur l'applicateur de refroidissement (8) pour imbiber le coussin de fibres minérales avec le liquide de refroidissement.
13. Dispositif selon la revendication 12, comportant en outre un châssis (1) destiné à être disposé de manière fixe par rapport aux deux pièces métalliques à assembler, le chariot de support (2) étant monté de manière mobile sur le châssis et guidé selon la trajectoire d'avance par le châssis (1).
14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, comportant en outre un écran (13, 35) porté par le chanot mobile et agencé entre l'applicateur de refroidissement (8) et la torche de soudage (3) pour protéger la torche de soudage de projections de liquide de refroidissement.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, comportant en outre :
une pompe d'alimentation (28) en liquide de refroidissement reliée à la tête de distribution (15) pour alimenter la tête de distribution avec un débit du liquide de refroidissement, et
une unité de commande (26) coopérant avec la pompe d'alimentation et configurée pour régler le débit du liquide de refroidissement en fonction d'une ou plusieurs grandeurs choisies dans le groupe consistant en : une vitesse d'avance du chariot de support (2), une intensité électrique transmise dans la torche de soudage (3).
16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, comportant en outre un organe de suspension élastique (38, 40) pour exercer une pression sur l'applicateur de refroidissement (8) en direction des pièces métalliques à assembler (18, 19, 36).
PCT/FR2017/053813 2017-01-20 2017-12-22 Procédé et dispositif de soudage à faible distorsion avec application de refroidissement constitué d'un coussin de fibres minérales imbibé d'un liquide de refroidissement WO2018134490A1 (fr)

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