La distorsion du soudage de la feuille à la coquille: pourquoi elle est inhérente et comment elle est contrôlée par une faible chaleur

La déformation de la plaque tubulaire est souvent considérée comme un défaut de fabrication. Dans la plupart des échangeurs de chaleur à calandre et à tubes, ce n'est pas le cas. Lorsque la plaque tubulaire est soudée à la calandre avec une soudure en V à simple chanfrein et à simple passe, le volume de métal déposé côté racine et côté face n'est pas égal, et le retrait transversal n'est pas uniforme sur l'épaisseur de la paroi. Il en résulte une déflexion angulaire du plan de la plaque tubulaire. Cette déformation est inhérente et existe objectivement : elle peut être contrôlée et compensée, mais pas niée par une procédure de soudage plus stricte seule.

Deux mécanismes agissent ensemble.

Retrait transversal à travers l'épaisseur. Le cordon de soudure se rétracte davantage près de la face qu'à la racine. Comme le retrait n'est pas uniforme sur l'épaisseur, le joint tourne plutôt que de simplement raccourcir. Cette rotation est ce qui incline le plan de la plaque tubulaire.

Déformation angulaire en deux parties. La première est le changement d'angle entre la calandre et la plaque tubulaire, équivalent à la déformation angulaire d'un joint bout à bout entre deux plaques. La seconde est la déformation angulaire de la plaque tubulaire elle-même, équivalente au métal de soudure déposé en rechargement sur une surface de plaque. Les deux parties s'additionnent, et l'inclinaison finale est la somme.

L'ampleur dépend de six variables : rigidité de la plaque tubulaire, angle du chanfrein, forme de la section transversale du cordon de soudure, apport de chaleur, volume de métal déposé, pratique de soudage. Aucune n'est indépendante des autres : un chanfrein plus large augmente le volume déposé ; un apport de chaleur plus élevé augmente le retrait par passe ; une plaque tubulaire moins rigide convertit le même retrait en une inclinaison plus importante.

La plupart des déformations sur site proviennent de quatre causes, toutes contrôlables :

• Direction de soudage non conforme aux spécifications. La séquence et la direction font partie de la procédure, pas de la préférence de l'opérateur. Sauter ou inverser la direction spécifiée concentre le retrait d'un côté.
• Paramètres de soudage déraisonnables provoquant une surchauffe locale. Un courant excessif ou une faible vitesse de déplacement augmente l'apport de chaleur local, agrandit la zone de retrait et augmente la déflexion angulaire.
• Séquence d'assemblage et de soudage non respectée. La contrainte de montage et la séquence de soudage interagissent : changer la séquence après le montage et la plaque tubulaire absorbe un schéma de retrait différent de celui pour lequel la procédure a été rédigée.
• Mesures auxiliaires inappropriées. Le pré-réglage, les renforts, l'équilibrage de séquence et le refroidissement ne sont pas des options supplémentaires ; omis ou appliqués de manière incohérente, la même procédure produit des résultats différents d'une unité à l'autre.

Le soudage double face n'est généralement pas réalisable ici : la face côté tube est occupée par le faisceau tubulaire et le ligament de la plaque tubulaire, et l'accès pour le gougeage à l'envers et le dépôt côté arrière n'est pas disponible. La voie pratique est le soudage simple face avec formation double face. Cette voie présente un risque spécifique : si le courant est réglé suffisamment haut pour garantir la fusion à la racine, il peut y avoir une percée et endommager les tubes de l'échangeur de chaleur adjacents. Le contrôle ne peut donc pas être un soudage plus chaud pour la pénétration, mais un faible apport de chaleur, un apport de chaleur total réduit et une rigidité accrue de la plaque tubulaire.

• Maintenir un faible apport de chaleur et le contrôler. Petites passes, température interpasse contrôlée, une plage de courant permettant la fusion à la racine sans percée.
• Augmenter la rigidité de la plaque tubulaire pendant le soudage. Les renforts, le raidissement temporaire et la séquence symétrique résistent à la rotation angulaire sans modifier la conception.
• Contrôler le volume déposé. L'angle du chanfrein et la section transversale du cordon de soudure doivent être spécifiés, et non laissés au soudeur. Un chanfrein plus étroit et correctement dimensionné dépose moins de métal et se rétracte moins.
• Suivre la direction et la séquence spécifiées. La direction, la séquence et les mesures auxiliaires appartiennent à la procédure, vérifiées à la station, et non décidées sur la pièce.

La déformation dans un joint plaque tubulaire-calandre n'est pas un signe que la procédure est erronée. C'est un signe que le mécanisme est compris, et que les contrôles visent le retrait qui existe réellement plutôt qu'un résultat sans déformation que le soudage simple face ne peut pas fournir.

Parce que le retrait transversal n'est pas uniforme sur l'épaisseur : le côté face dépose plus de métal et se rétracte plus que la racine, de sorte que le joint tourne et incline le plan de la plaque tubulaire. C'est inhérent à la géométrie du joint, pas une erreur de fabrication.

Il équilibre le dépôt et réduit la déflexion angulaire, mais n'est généralement pas réalisable ici car le côté tube n'est pas accessible pour le gougeage à l'envers. Le soudage simple face avec formation double face est la voie pratique, avec un faible apport de chaleur comme contrôle.

Percée : un courant excessif peut pénétrer la racine et endommager les tubes adjacents. Le contrôle correct est une procédure qualifiée à faible apport de chaleur avec une rigidité adéquate, pas plus de courant.

La rigidité de la plaque tubulaire, l'angle du chanfrein, la forme de la section transversale du cordon de soudure, l'apport de chaleur, le volume de métal déposé et la pratique de soudage. Ils interagissent : un chanfrein plus large et un apport de chaleur plus élevé augmentent tous deux le retrait, et une plaque tubulaire moins rigide convertit le même retrait en une inclinaison plus importante.