Procédés de Fabrication des Tubes Soudés : Types de Soudures et Dimensions

Les tubes en acier sont de longs tubes creux utilisés principalement pour transporter des fluides ou produits fluidifiés d'un point à un autre. Ils sont produits principalement par deux procédés distincts donnant soit un tube soudé, soit un tube sans soudure.

Les tubes soudés sont produits avec soit une soudure longitudinale, soit une soudure spirale (hélicoïdale). Les diamètres varient d'environ 6 mm à 2 500 mm avec épaisseurs de paroi de 0,5 mm à environ 40 mm.

La matière de départ est un produit plat laminé qui, selon le procédé, les dimensions et l'application, peut être bande/skelp laminé à chaud (HR) ou à froid (CR), ou large bande ou tôle HR. Cette matière peut être mise en forme de tube soit à chaud, soit à froid. Le formage peut être continu ou unitaire.

En formage continu, la bande dévidée est prise d'un accumulateur, les extrémités des bobines consécutives étant soudées bout à bout. En formage unitaire, le formage et le soudage se font sur une longueur de tube unique.

Procédés de soudage pour tubes soudés

Deux types de procédés de soudage sont principalement utilisés :

1. Procédés de soudage par pression : ex. procédé Fretz-Moon, soudage par résistance électrique courant continu (DC ERW), basse fréquence (LF ERW), haute fréquence induction (HF induction), haute fréquence conduction (HF conduction).
2. Procédés de soudage par fusion : soudage à l'arc submergé (SAW), soudage sous gaz protecteur.

Tableau 1 : Procédés de production de tubes soudés
Procédé de formage	Procédé de soudage	Type de soudage	Type de soudure	Gamme de diamètres (DE) en mm
Procédé continu	Soudage haute pression	Fretz-Moon	Longitudinale	13-115
	Soudage par résistance électrique (ERW)	1. Courant continu (DC) 2. Basse fréquence (LF) 3. Haute fréquence (HF)	Longitudinale	10-20
				10-115
				20-600
	Soudage à l'arc électrique (fusion)	1. Arc submergé (SAW) 2. Arc sous gaz métal (MAG) (soudage d'amorçage) 3. Arc sous gaz métal (TIG, MIG, ERW)*	Spirale / Spirale-longitudinale	168-2 500
				405-2 030
				30-500 / 10-420
1. Opération de formage unique 2. Machine 3 rouleaux 3. Presse C		1. Arc submergé (SAW) 2. Arc sous gaz métal (TIG, MIG, ERW)*	Longitudinale	500 et plus
				200-600
1. Opération de formage unique 2. Presse U/O		1. Arc submergé (SAW) 2. Arc sous gaz métal (MAG) (soudage d'amorçage)	Longitudinale	455-1 625
*Tubes inoxydables (SS)

Procédés de soudage par pression

Procédé Fretz-Moon

Procédé populaire de soudage par pression. Nom de l'inventeur. La bande en continu est chauffée à la température de soudage dans une ligne de formage-soudage (figure 1). Les rouleaux forment continuellement la bande en tube à soudure ouverte. Les bords sont pressés et soudés par forgeage. Tubes de 40 à 115 mm DE. Vitesse de soudage 200 à 100 m/min selon diamètre.

Aujourd'hui, le tube sans fin du Fretz-Moon est directement alimenté dans un laminoir à réduction par étirage. Ce laminoir, en sortie, roule le tube du même chauffe à divers diamètres jusqu'à ~13 mm. Le tube est ensuite coupé en longueurs individuelles pour le lit de refroidissement. Cette combinaison permet au Fretz-Moon de fonctionner à un diamètre constant, éliminant les changements de rouleaux coûteux.

Les bobines HR sont la matière de départ. Dévidées à haute vitesse, la bande est stockée dans un accumulateur à boucles (tampon). Cela permet de souder bout à bout la queue de la bande en cours à la tête de la suivante. La bande continue passe dans un four tunnel où elle est chauffée. Des brûleurs latéraux augmentent la température aux bords à ~100-150 °C au-dessus du centre. La cage de formage façonne la bande en tube à soudure ouverte, dont la circonférence est légèrement réduite (~3 %) dans la cage de soudage par compression. Cette cage est décalée de 90° par rapport à la précédente. Elle produit la pression de refoulement qui presse et soude les bords. La structure de soudure est encore compressée dans les cages de réduction aval, aussi décalées de 90°, qui calibrent le tube. Sans laminoir à réduction par étirage, une scie volante en aval coupe le tube sans fin en longueurs individuelles. Ces tubes sont convoyés via lit de refroidissement vers la finition.

Procédés ERW

Courant continu (DC) et courant alternatif (AC) sont utilisés. En AC, soit courant basse fréquence (LF), soit haute fréquence (HF).

Procédé DC

Effet quasi-courant continu (système onde carrée). Caractéristique : seule haute tension/faible courant utilisée jusqu'au point de soudure. Différence électrique principale : le courant de ligne est redressé (redresseur à onde complète) sans passer par transformateur abaisseur. Utilisé pour soudure longitudinale de petits tubes jusqu'à 20 mm DE (30 mm cas spéciaux), parois minces 0,5-2 mm. Bande CR utilisée pour les tolérances.

Avantage vs LF/HF : finition intérieure lisse avec faible bourrelet (renfort). Important quand tube nécessite soudure intérieure lisse et qu'on ne peut enlever le bourrelet (ex. tubes échangeurs de chaleur).

Gamme limitée par la puissance électrique transmissible par électrodes-disques. Vitesse 50-100 m/min. Tubes DC sont normalement réduits à froid par étirage ensuite. L'épaisseur du corps principal augmente légèrement plus que la zone de soudure, donnant virtuellement aucune saillie intérieure.

Procédé LF

Soudage AC fréquence 50-100 Hz. Électrode : deux disques isolés en alliage cuivre, servant à l'alimentation, l'outil de formage et générant la pression de soudage (figure 2). Produit tubes longitudinaux 10-115 mm à vitesses jusqu'à 90 m/min selon épaisseur.

Les électrodes sont critiques : elles doivent avoir une gorge correspondant au diamètre du tube, gorge à surveiller constamment pour l'usure.

Le matériau forme un bourrelet intérieur et extérieur le long de la zone de soudure, à éliminer en ligne par ébarbeurs intérieurs/extérieurs. Le procédé peut produire des soudures de haut degré de perfection sous surveillance rigoureuse.

Procédés HF

Introduits dans les années 1960. Courant alternatif HF 200-500 kHz. Formage et apport d'énergie par unités séparées. Bande façonnée en train de formage à rouleaux ou cage ajustable (formage fonction naturelle) en tube à soudure ouverte pour large gamme : tubes de conduite et structurels 20-600 mm DE, épaisseurs 0,5-16 mm, et ébauches pour laminoir à réduction par étirage aval. Matière : large bande HR ou skelp. Selon dimensions et application, particulièrement tubes de précision, la bande peut subir décapage en amont, ou bande CR utilisée. Bobines dévidées haute vitesse, stockées dans accumulateur à boucles (tampon pour production continue). Queue soudée bout à bout à tête de la bobine suivante. Machine de soudage fonctionne en continu 10-120 m/min en tirant la bande de l'accumulateur.

La figure 3 montre le principe d'un train de formage à rouleaux (diamètres jusqu'à 600 mm). Normalement 8-10 cages largement motorisées où la bande est progressivement façonnée (1-7 cages) en tube à soudure ouverte. 3 dernières passes (cages 8-10) sont passes de finition guidant vers la table de soudage (11). Rouleaux de formage précisément adaptés au diamètre final. Pour gros diamètres, formage fonction naturelle aussi applicable.

Caractéristique principale d'une cage de formage : plusieurs rouleaux intérieurs/extérieurs non motorisés, ajustables sur large gamme, disposés en entonnoir courbant progressivement la bande en tube à soudure ouverte. Seules la cage de débourlage à l'entrée et les passes de finition à la sortie sont motorisées. Vue schématique des cages en figure 4.

Le soudage utilise simultanément pression et chaleur pour joindre les bords sans métal d'apport. Rouleaux de compression et de pression dans la cage de soudage rapprochent progressivement les bords et appliquent la pression nécessaire. Avantages du courant AC HF : densité de courant très élevée (effet de peau) sur la section du conducteur. Le courant HF crée un champ magnétique au cœur du conducteur. La résistance ohmi y est maximale, les électrons suivent le chemin de moindre résistance en surface (effet de peau). Le courant circule le long des bords de la bande jusqu'au point de jonction (point de soudage), et la concentration, favorisée par la proximité du conducteur négatif, donne un haut niveau d'utilisation d'énergie. Sous le point de Curie (768 °C), profondeur de pénétration du courant = quelques centièmes de mm. Au-dessus, l'acier devient non magnétique et la profondeur monte à plusieurs dixièmes de mm à ~450 kHz.

Le courant peut être introduit par contact glissant (conduction) ou par bobine d'induction (induction). Distinction : soudage HF par induction (HFI) et soudage HF par conduction (Thermatool). Vue schématique figure 5.

Récemment, pour petits lots, nuances HSLA, rapports épaisseur/diamètre extrêmes, un procédé de formage à bords droits a été développé : au lieu de rouleaux de formage inférieurs, on utilise des bords droits à rouleaux, réduisant substantiellement la longueur de la ligne de formage. Ratios épaisseur/diamètre 1:8 à 1:100.

L'efficacité du train est augmentée en réduisant le temps de conversion d'une taille à l'autre par réglage centralisé d'outils (CTA). Tous les rouleaux de la ligne sont montés sur une poutre et ajustés par CTA via un seul moteur. Pas de changement d'outils (rouleaux) sur toute la gamme : réduction considérable du temps de conversion et mise en place.

Avant l'entrée en section de formage, la bande est redressée et rognée à largeur constante par rogneuse longitudinale. Les bords coupés peuvent être chanfreinés pour préparation soudage. Bande formée en tube à soudure ouverte, avec écart encore large, passée par passes de finition vers table de soudage. Rouleaux de finition supérieurs, largeur effilée vers point de soudage, déterminent l'angle d'entrée de l'écart et contrôlent son centrage. Les bords convergents sont poussés l'un contre l'autre par rouleaux de compression profilés et soudés par HF. Courant transféré soit par induction (bobine autour du tube), soit par contacts glissants.

Les bourrelets externes et internes (DE ~30 mm et plus) sont normalement rognés par rabottage ou grattage à chaud. Tube ensuite arrondi et calibré entre 2-6 cages de calibrage, conçues pour réduction circonférentielle. Le procédé redresse aussi le tube. L'ajout d'une unité de calibrage à rouleaux multi-brins en sortie permet de former directement des profils spéciaux.

La soudure rognée est contrôlée par essais non destructifs. Tube coupé aux longueurs désirées par scie volante. Coupe soit par : (i) rupture à zone chauffée par induction étroite, (ii) coupe rotative par lames-disques, (iii) scies à froid ou friction.

La soudure HF sous pression reste en état brut ou traitée thermiquement dans la gamme de normalisation selon l'application. Recuit partiel par induction possible sur tube continu, ou traitement séparé après coupe.

Vitesses HFI jusqu'à 120 m/min selon épaisseur et application. HF conduction (Thermatool) jusqu'à 100 m/min.

Procédés de soudage par fusion

Tubes soudés par fusion normalement pour gros diamètres pour canalisations. Procédés de formage pour fusion : (i) cintrage 3 rouleaux pour tôle, à froid ou chaud, (ii) presse C pour formage à froid de tôle, (iii) presse U/O pour formage à froid de tôle, (iv) formage spirale pour bande large ou tôle à froid (figure 6).

Les deux derniers procédés (presse U/O et formage spirale) sont les plus utilisés aujourd'hui.

Le SAW ou combinaison soudage d'amorçage sous gaz + SAW aval est la méthode standard pour gros tubes. La fusion est aussi utilisée pour tubes spirales et longitudinaux en aciers inoxydables haute alliance : tubes à parois minces 10-600 mm. Outre TIG pur, méthodes combinées : TP (plasma tungstène) + TIG, TP + MIG, TP + SAW.

Procédé SAW

Méthode de soudage par fusion électrique à arc caché. Comparé au soudage à l'arc avec électrodes, l'arc est caché sous un couvert de laitier et flux. Caractéristique : taux de dépôt élevé, du au courant élevé combiné à un bilan thermique favorable.

Métal d'apport : fil à souder brillant en bobine, alimenté en continu dans le bain fondu selon le taux de dépôt. Juste au-dessus du métal de base (tube), le courant est conduit par contacts glissants dans l'électrode-fil et revient par la prise de masse sur le tube (figure 7).

L'arc fond le fil entrant et les bords de la soudure ouverte. Une partie du flux est fondue par la chaleur de l'arc, formant un revêtement liquide de laitier protégeant le bain, le fil et l'arc des influences atmosphériques. Le flux facilite la formation du cordon et sert de donneur d'éléments d'alliage pour compenser pertes par fusion et oxydation. Souvent utilisé pour allier le métal de soudure et lui conférer propriétés chimiques/mécaniques spécifiques. Après passage de l'arc, le laitier liquide se solidifie. Le flux non fondu est récupéré par aspiration et réutilisé. Le laitier s'enlève facilement une fois solidifié. La composition du fil et du flux doit correspondre au matériau soudé. Le SAW des tubes se fait normalement en deux passes (première passe + passe de scellement/dos) : passe intérieure d'abord, puis extérieure, assurant un chevauchement suffisant.

Résultat : soudure par fusion ne nécessitant généralement pas de traitement thermique ultérieur. Soudage SAW possible AC et DC, et systèmes multi-fils combinant AC/DC. Efficacité = taux de métal d'apport déposé par unité de temps. Très haute vitesse de soudage possible.

Le taux de dépôt peut être augmenté en augmentant le courant. Mais capacité de portée du flux limitée : performance mono-fil max ~1 200 A. Au-delà, il faut plusieurs électrodes-fils pour courant global plus haut sans dépasser la capacité du flux à chaque fil. En pratique, configuration multi-fils 2, 3 ou 4 électrodes pour performance accrue. Taux de dépôt plus élevé = vitesse de soudage plus haute en pratique.

Avec flux haute performance, 3 fils suffisent pour épaisseurs jusqu'à 20 mm. Au-delà, 4e fil nécessaire pour maintenir vitesse et efficacité. Exigence pour application rentable : paramètres optimisés pour assurer qualité de soudure spécifiée. Vitesses pratiques 1-2,5 m/min selon procédé, épaisseur, type de flux.

Soudage à l'arc sous gaz protecteur

Procédé de fusion électrique. Bain de soudure par arc électrique. Arc visible brûlant entre électrode et pièce. Électrode, arc, bain protégés par gaz inerte ou actif constamment alimenté.

Classés selon type d'électrode et gaz : (i) soudage à l'arc tungstène sous gaz (GTAW) : TIG, TP, THG (hydrogène tungstène), (ii) soudage à l'arc métal sous gaz (GMAW) : MIG, MAG (gaz actif). Principalement utilisés pour tubes : TIG, MIG, MAG. TIG et MIG pour tubes inox. TIG : arc entre électrode tungstène non fusible et pièce. Métal d'apport sans courant continu. Gaz protecteur (Ar, He, mélange) sort par buse, protège électrode, métal d'apport, bain de l'air. MIG/MAG : arc entre pièce et électrode fusible consommable fournissant le métal d'apport. Gaz MIG : inerte (Ar, He, mélange). MAG : gaz actif (CO₂ pur ou mélange CO₂, Ar, O₂). MAG de plus en plus utilisé pour amorçage dans gros tubes longitudinaux et spirales. L'amorçage sert aussi de support de bain pour SAW aval. Exigences : préparation précise des bords (double V avec gros nez), amorçage continu de qualité. Vitesses amorçage gros tubes : 5-12 m/min.

Production de tubes longitudinaux soudés (procédé U/O)

Tôles pour tubes longitudinaux formées sur presses : matrices ouvertes pour U, fermées pour O. Procédé aussi appelé UOE (U, O, étirage) pour tubes longitudinaux gros diamètre en longueurs unitaires jusqu'à 18 m. Usines modernes : diamètres ~400-1 620 mm, épaisseurs 6-40 mm. Matière : tôles. Flux matière avec étapes opérationnelles et d'inspection importantes en figure 8.

Au début du soudage, languettes d'amorçage et de fin sont soudées sur les tôles plates pour que les phénomènes de tête/queue du SAW se produisent hors métal du tube. Avant cintrage en tube à soudure ouverte par les presses, les deux bords longitudinaux sont usinés par raboteuse pour les rendre parallèles. Le chanfrein de soudage selon l'épaisseur est aussi taillé.

1^re étape : tôle pincée au niveau des bords longitudinaux. Ratio de cintrage ≈ diamètre du tube à soudureouverte. Pincage en presses spéciales. 2^e étape : tôle cintée en U en une opération : outil à rayon circulaire pousse la tôle entre deux supports. En fin d'opération, distance entre supports réduite pour léger sur-cintrage contrant le retour élastique. 3^e étape : forme U placée en presse O pour produire en une opération le tube rond à soudure ouverte.

Les procédés en presses U et O sont coordonnés pour contrer le retour élastique et obtenir un tube aussi circulaire possible avec bords affleurants. Opérations nécessitant fortes charges de presse.

Bords de la soudure ouverte pressés ensemble (élimination de tout décalage) en cages d'amorçage (cages à rouleaux), puis joints par cordon continu déposé par machines MAG automatiques. Selon épaisseur, vitesses 5-12 m/min.

Tubes amorcés convoyés par table à rouleaux et système de distribution vers cages SAW, où à lignes séparées, passe intérieure puis extérieure. Cordons déposés en déplaçant le tube sur chariot sous tête fixe. Pour passe intérieure, tête sur bras s'étendant à l'intérieur. Pour prévenir décalage, têtes intérieure/extérieure surveillées et contrôlées en continu pour alignement parfait sur ligne de soudure. Procédés SAW multi-fils selon dimensions (diamètre, épaisseur). Après soudage, tubes vers finition.

Tubes après soudage ne satisfont généralement pas les tolérances diamètre/rondure. En finition : inspection approfondie, calibrage par étirage à froid (expanseurs mécaniques/hydrauliques). Étirage ~1 %, valeur prise en compte pour circonférence initiale du tube à soudure ouverte. Procédé terminé en finition : usinage bouts, retouches nécessaires.

Essai hydraulique avant usinage bouts. Puis examen ultrasonore (US) final sur toute la longueur de la zone de soudure. Indications US et régions de soudure aux bouts vérifiées par radiographie. Tous bouts inspectés US pour plis et délaminages.

Production de tubes spirales

Tubes spirales = tubes à soudure hélicoïdale. Production : bande ou tôle HR continuellement façonnée en tube par installation de formage spirale à rayon de cintrage constant, bords joints continuellement soudés en ligne.

Comparé au tube longitudinal où chaque diamètre demande une largeur de bande, le tube spirale permet de produire différents diamètres à partir d'une seule largeur de bande. L'angle d'approche de la bande à l'unité de formage peut être changé. Plus l'angle d'entrée est petit, plus le diamètre est grand pour la même bande. Ratio optimal technique diamètre/largeur : 1:2 à 1:2,2. Dépendance mathématique entre angle d'alimentation, largeur bande, diamètre tube (figure 9).

Gamme diamètres spirales : ~500-2 500 mm. Matière : large bande HR jusqu'à 20 mm épaisseur. Au-delà 20 mm, tôles en longueurs unitaires jusqu'à 30 m généralement nécessaires.

Deux types d'installations pour tubes spirales (figure 9) : (i) ligne intégrée formage + SAW, (ii) lignes séparées formage et SAW.

Ligne intégrée formage et soudage SAW

Installation conventionnelle. Procédé : (i) préparation bande, (ii) formage combiné avec SAW passe intérieure et extérieure simultanées. Préparation : redressage, rognage largeur exacte. Bords usinés dans tolérances serrées, pincement défini pour éviter formation de crête/pointe impermissible. Bande de l'ébobineuse jointe à queue de la bobine précédente par SAW. Soudure déposée sur face qui deviendra surface intérieure. Passe extérieure SAW sur tube fini en ligne séparée. Bande passe par redresseuse, rognée largeur constante par rogneuse. Dispositif additionnel chavire bords pour préparation SAW principal. Avant formage, bords pincés pour éviter crête/pointe à la jonction.

En ligne intégrée, préparation suivie immédiatement par formage avec SAW intérieur/extérieur simultané. Unité pincettes alimente bande à angle d'entrée prédéterminé dans section de formage.

But du formage : courber bande de largeur A à angle d'alimentation en tube cylindrique diamètre D selon relations mathématiques (figure 9).

Nombreuses méthodes de formage pour tubes spirales. Hormis méthode du sabot direct (limitée), deux techniques principales (figure 10) : (i) cintrage 3 rouleaux avec cage à rouleaux diamètre intérieur, (ii) cintrage 3 rouleaux avec cage diamètre extérieur. Système 3 rouleaux : plusieurs rouleaux individuels et guides plutôt qu'un seul rouleau de formage.

La cage fixe l'axe du tube et maximise la rondeur pour assurer convergence sans décalage des bords au point de soudage. Facilite l'obtention de dimensions précises : tube sortant déjà dans tolérances normalisées diamètre, rondeur, rectitude. Étirage/calibrage après soudage non nécessaire.

Dans machine formage-SAW spirale, bords convergents d'abord soudés intérieurement vers 6h, puis demi-tour plus loin, extérieurs vers 12h. Alignement tête soudure et contrôle d'écart automatiques.

Corde de tube produite coupée à longueur par dispositif volant. Tube individuel vers finition : usinage bouts, retouches. Avant usinage, essai hydraulique. Toute zone de soudure inspectée US, zones aux bouts aussi par radiographie. Chaque tube inspecté US circonférence complète pour plis/délaminages. Si requis, zone soudure et métal de base US inspectés avant essai hydraulique.

Productivité déterminée par vitesse SAW. Formage capable de taux bien plus élevés. Pour utiliser l'efficacité du formage, usines maintenant conçues sur base lignes séparées formage et SAW. Ligne de formage avec amorçage capable de vitesse de production égale au formage. Ligne SAW fait soudure finale hors ligne en plusieurs cages SAW correspondant à la productivité du formage.

Lignes séparées formage et soudage SAW

Caractéristique principale : deux unités indépendantes : (i) formage avec amorçage interne, (ii) SAW intérieur/extérieur sur cages séparées.

Avantages : efficacité coût supérieure (formage et amorçage plus rapides), et avantages techniques : les deux opérations optimisables individuellement.

En section formage spirale, bords fusionnés (un sur tube déjà formé, second sur bande entrante) joints continuellement par amorçage interne MAG à 12 m/min vers 6h. CO₂ gaz protecteur normal. Bords sous position soudage passent avec écart quasi nul sur galet guide fixe.

Dispositif de coupe sépare corde amorcée en longueurs individuelles. Dernière opération de la ligne de formage. Vitesse amorçage élevée = chalumeau plasma haute vitesse avec injection d'eau nécessaire (vs chalumeau oxyacétylène). Tubes coupés envoyés pour SAW aval : cages SAW deux passes combinées pour soudage final.

Table à rouleaux spéciale fait tourner tube en accord précis avec sa jointure spirale, permettant têtes SAW de faire d'abord passe intérieure puis extérieure. Contrôle précis d'alignement des têtes intérieure/extérieure nécessaire pour minimiser décalage. Méthodes 2 ou 3 fils pour passes intérieure/extérieure.

Hormis quelques modifications, étapes ultérieures (usinage bouts, essai hydraulique, END, essais mécaniques) sont en principe identiques aux lignes intégrées. Retours de ces essais/inspections donnés immédiatement aux étapes de production pour optimisation continue de la qualité.