Comment construire une chaudière inox ?

Rassurez vous je ne vais pas faire un cours de métallurgie , je n’en ai pas les compétences.Il faut savoir que les inox sont regroupés en trois familles ce qui doit faire une bonne cinquantaine de nuances ! !

• Les inox martensitiques:.Fortement chargés en carbone ils sont utilisés en mécanique « lourde » pour leur bonne résistance mécanique. Par exemple le Z20C13 aussi dénommé AlSi420 est un inox martensitique avec 13% de chrome utilisé dans les arbres de turbines ou dans l’industrie du pétrole .
• Les inox ferritiques tel le Z8C17: . Ce sont des inox qui « prennent » l’aimant .Pour des raisons de résistance mécanique après soudure il est déconseillé de les utiliser .Il est préférable d’utiliser les inox austénitiques qui représentent la troisième famille des inox. Dans la classification AlSi ils sont répertoriés dans la série des 300 (304 ,309,316 etc ).
• Les inox austénitiques: Ils comportent entre 16 et 25 % de chrome (C) entre 9 et 20 % de nickel (N) et peuvent comporter 2 à 3 % de molybdène (D) et du titane (T). Leur taux de carbone varie de 0,02% à 0,15%. La lettre L qui suit les appellations 304L ou 316L indique que nous sommes en présence d’un acier à bas taux de carbone (Low carbon) , ce qui est intéressant pour nos applications vaporistes.En effet ces nuances résistent mieux que les autres à la corrosion inter granulaire.
• L’inox réfractaire :Avec lequel nos grilles de foyer ont une durée de vie quasi illimitée.
  Il s’agit tout simplement des nuances 309S et 310S qui résistent à des températures comprises entre 750° et 1100° suivant l’atmosphère à laquelle ils sont soumis, (750° pour une atmosphère réductrice sulfureuse et 1100° pour une atmosphère oxydante ).Cette plage de température est atteinte sans difficultés dans nos foyers et la qualité aléatoire de nos charbons conduit à des combustions dont l’atmosphère est mal définie.

APPROVISIONNEMENT :

Bien évidemment les négociants en métaux sont à même de vous fournir les nuances les plus courantes .Malheureusement les débits sont rarement compatibles avec les quantités et les dimensions souhaitées. Les dimensions de tubes d’inox étant standardisées, il est illusoire de s’évertuer à rechercher une côte de tube inexistante. Dans ce cas il est plus sage de faire rouler une tôle avec un résultat souvent médiocre , ou plus simplement d’adopter le diamètre de tube le plus voisin.
L’abondance de l’utilisation de l’inox dans l’industrie fait que de nombreux récupérateurs métallurgiques disposent de chutes très intéressantes pour nos usages. Bien sûr l’identification des nuances est plus difficile. Il faut savoir que très souvent sur les tubes la nuance est indiquée en clair (Z3CN19/11 par exemple) et que la présence d’un petit aimant vous renseignera très rapidement.
Les inox 304L (Z3CN19/09) ou 316L (Z3CND17/11 02 ) sont très répandus et leur emploi très correct pour nos chaudières.
L’inox réfractaire est d’une couleur foncée presque noire et légèrement magnétique.
La quête systématique de tubes sans soudure est exagérée l’ors qu’on voit les pressions auxquels résistent les tubes soudés….

USINAGE :

Bête noire des tourneurs/fraiseurs ,l’inox a la réputation d’être une vacherie à travailler de part sa diversité de comportement sous l’outil. Il est à la fois tendre et résistant. Les outils doivent être parfaitement affûtés avec de la coupe et de la dépouille comme pour le laiton. L’emploi d’outils au carbure est inutile si ce n’est pour une longévité accrue. Encore faut il qu’ils soit affûtés de la même façon qu’un outil ARS ou HSS .(gare à la casse de l’arrête de coupe !).
Les vitesses de coupe ne sont pas très élevées et la lubrification revêt ici toute son importance.
En appliquant ces quelques principes on peut obtenir des états de surface poli-glace.
Le travail de formage de l’inox d’une épaisseur supérieure à 2mm est une opération un peu délicate qu’il vaut mieux éviter autant que possible .Que se soit à chaud ou à froid l’inox se plie mal à moins de disposer d’une presse/plieuse de qualité et puissante. Le cisaillage ne s ‘effectue correctement qu’à la guillotine. L’inox se comporte un peu comme de la tôle bleue.
Une bonne disqueuse et une bonne scie à métaux sont encore à notre niveau les meilleurs outils pour travailler l’inox.
Nous verrons plus loin que cette difficulté de formage nous conduira à modifier le processus de fabrication d’une chaudière de façon très intéressante.

SOUDAGE : .

Dans ce domaine également circule une idée reçue qui veut que l’inox ne doit être soudé que sous atmosphère gazeuse . Les six ou sept chaudières inox que j’ai soudé avec de classiques baguettes enrobées prouvent dix ou douze ans après que la méthode est parfaitement valable. Elle est surtout utilisable par le vaporiste moyen ne disposant que d’un outillage moyen.
Il n’est pas indispensable de disposer d’un poste de soudure hyper sophistiqué et puissant. On peu parfaitement faire du bon travail avec un poste ordinaire délivrant au moins une centaine d’ampères avec des baguettes de 2,5mm pour de la tôle comprise entre 2,5 et 3 mm. Les fabricants de baguettes mettent sur le marché des produits dont la facilité d’emploi est déconcertante. Facilité d’amorçage et stabilité de l’arc , excellente fusion du métal , cordon de belle qualité ,étanchéité parfaite si le travail est correct , détachement facile du laitier (attention aux projections lors du refroidissement !) tout concours à un bon résultat même pour un soudeur moyen. Seul inconvénient (il en faut un !) les baguettes sont un peu plus onéreuses que des baguettes acier . De nombreuses marques de qualité similaire sont disponibles , la nuance préférentielle et la plus couramment proposée reste le 304L ou 316L .
Pour un bon résultat et une facilité d’exécution il est préférable de toujours travailler à plat en effectuant le cordon de la gauche vers la droite (ou vice versa pour les gauchers). Il faut arriver à souder de la même façon que l’on écrit , confortablement installé , avec des gestes naturels et doux.De même que de longues heures d’écriture à la main finissent par altérer la qualité de celle ci, de longues séances de soudure verront une dégradation de la qualité de vos cordons. Nous ne sommes pas des professionnels de la soudure et la notion de rendement bien lointaine pour nos activités . En ce qui me concerne , les opérations de soudure d’une chaudière s’étalent sur deux ou trois jours tout en disposant d’un poste à courant continu de ma fabrication régulé électroniquement pouvant fondre des baguettes de 4mm en permanence ! Les petits postes grand public du commerce munis de disjoncteurs thermique sauront très judicieusement calmer votre éventuelle ardeur ! !
Le travail a plat présente l’avantage de ne réclamer qu’une intensité moyenne que vous aurez eu le soin de régler auparavant sur des chutes. Avant toute soudure votre baguette neuve devra être grattée sur la masse. L’amorçage doit être franc sans collage, l’arc doit se maintenir sans difficulté et ne doit pas éclabousser sur les cotés . Les tensions d’amorçage des baguettes inox sont quelquefois basses que les baguettes acier. Le réglage de l’intensité est primordial pour un bon travail a plat. Il faut prendre le temps de le faire.
L’arrêt de l’arc doit être instantané pour ne pas créer de cratère source de micro fuites. La reprise du cordon doit s’effectuer avec un bon recouvrement sur l’arrêt précédent. Le marteau à piquer le laitier est inutile car le laitier d’inox saute tout seul parfois violemment aux yeux , lunettes impératives en plus du masque pas trop foncé pour bien visualiser votre travail, pas trop clair non plus pour une bonne protection.
La vitesse d’avance de votre cordon ne doit pas être trop rapide (erreur fréquente !)Il faut laisser au métal le temps de sa fusion et de son dépôt correct sur les pièces. Un millimètre à la seconde constitue une valeur moyenne d’avance.
La baguette doit bien être positionnée sur la bissectrice de l’angle formé par les pièces avec une inclinaison dans le sens de l’avance de 30° environ. Il n’est pas utile de décrire des arabesques avec la baguette comme font certains. Un avancement rectiligne et régulier est à privilégier .
Avant d’effectuer un cordon définitif il est indispensable de pointer vos pièces ou vos ensembles de pièces pour interdire tout déplacement relatif. Deux pièces parfaitement à l’équerre ne le seront plus une fois votre cordon réalisé si elles ne sont pas pointées . La soudure fait « travailler » le métal , il faut en tenir compte . Le pointage à la baguette inox est facilité par la qualité d’amorçage de ces baguettes. Et si votre pointage n’est pas bon, ne le cassez pas comme pour une baguette acier.Premièrement il va casser difficilement , deuxièmement vous allez tordre les bords de votre pièce.Il est de loin préférable de le scier ou de le disquer et de pointer à coté.

ETANCHEITE DES SOUDURES :

C’est une des questions primordiales pour une chaudière .Si vos cordons sont réguliers avec un dépôt de métal constant et réparti sur les deux pièces ,si vos débuts et arrêts de cordons sont francs et sans cratères avec des reprises de cordons correctes , vous avez toutes les chances de n’avoir aucune fuite. Contrairement à la soudure sous argon qui peut présenter le risque de faire des porosités , l’exécution à la baguette vous mets pratiquement à l’abri de cet inconvénient.
Pour être sûr de la qualité de vos soudures il faut les vérifier avec un moyen simple et efficace. L’acquisition d'aérosols de révélation de fissures est un faible investissement pour de nombreuses réalisations. La première est constituée par un mouillant coloréqui va être pulvérisé sur l’envers du cordon . Après lavage de l’excédent et séchage , le révélateur blanc va être pulvérisé de l’autre côté du cordon. Au bout de quelques instants une petite (ou grosse !) tache de couleur va s’étaler autour de la fuite même infime. Un petit coup de fraise lime au bout d’un flexible, un joli point d’arc dessus et le tour est joué. Une nouvelle vérification sur le point n’est pas inutile car il arrive que sous l’effet de l’arc la fuite se déplace sans se boucher.
Cette méthode de vérification est fiable et doit être utilisée tout au long de la fabrication. Il ne faut pas oublier que certaines soudures deviendront inaccessibles par la suite . Il n’y a pas le droit à l’erreur.Tout cordon doit être vérifié de cette façon. Cela peut paraître fastidieux , mais à mon avis la qualité et la sécurité sont à ce prix. Et vu les difficultés que la réglementation européenne nous prépare, les vaporistes se doivent d’être sérieux .

MEULAGE DES SOUDURES :

Cette opération est dans la mesure du possible à éviter , car si vos cordons sont réguliers ils doivent rester en l’état. Toutefois si pour des raisons esthétiques vous êtes amené à meuler des excédents de soudure, soyez prudents dans le maniement de la disqueuse ou du flexible. Et systématiquement effectuez une vérification derrière. On ne sait jamais !….

CONSTITUTION GENERALE D’UNE CHAUDIERE INOX :

Très souvent lors de l’examen des plans d’une loco, je me suis rendu compte que les plans proposés pour la chaudière étaient adaptés à une réalisation cuivre voire acier mais que la spécificité d’une réalisation inox était négligée.On a bien vu précédemment que le travail de l’inox était moins facile que l’acier doux. Je me suis donc efforcé d’en tenir compte dans le processus de fabrication afin de me faciliter la tâche. C’est ainsi que mes dernières chaudières (Virginia en 5’ et 3,5 t Decauville en 7’ ) ont été construites avec succès.
Il est toujours préférable avec l’inox d’assembler des formes simples pour obtenir une forme complexe que de s’évertuer à l’obtenir par pliage roulage ou cintrage.Il est toujours préférable de faire 10 cm de soudure correcte que d’effectuer 10 cm de pliage avec des moyens de fortune , les pliages mal faits pouvant conduire à des faiblesses dans le métal.

LE FOYER :

Un foyer de Decauville en U plié avec un ciel renforcé par des fermes comme représenté ci après peut être avantageusement remplacé par un arc de cercle sans fermes . La résistance à la pression sera bien meilleure et l’absence de fermes un simplification bien utile pour passer une commande de régulateur. De plus le volume supplémentaire en partie haute du foyer est un facteur d’amélioration de la combustion , et la surface accrue de la plaque tubulaire permet de loger quelques tubes en plus d’ou une amélioration très sensible des performances de la chaudière.
Bien sûr certains rétorquerons que ce ciel voûté sera plus souvent découvert par manque d’eau qu’un ciel plat. La belle affaire ! !nous ne sommes pas en présence d’une chaudière cuivre brasée à l’argent ! notre chaudière inox a une résistance au coup de feu bien supérieure et la présence d’un plomb fusible obligatoire avec le cuivre ne se justifie plus beaucoup avec l’inox. Dans ce cas ce ne peut être qu’une source d’ennuis.
On peut également , comme je l’avais déjà décrit dans l’Escarbille , installer des tubes d’eau entre le ciel du foyer et les côtés de ce foyer. Soudés à 45 ° , leur nombre peut varier entre 6 et 10/12 suivant le diamètre des tubes et la longueur du foyer. Résultat garanti d’avoir une chaudière qui donne du gaz tant qu’on en veut !

VIROLE PRINCIPALE :

Comme expliqué précédemment l’emploi d’un tube avec ou sans soudure est à privilégier par rapport à la tôle roulée. Tout dépend des moyens et des exigences de chacun .Tout comme le foyer il vaut mieux souder que rouler partiellement l’enveloppe du foyer

 

On voit tout de suite que , du fait de cette décomposition différente des volumes et des surfaces , on évite le fastidieux et quelquefois approximatif problème du roulage partiel d’une tôle dont l’épaisseur ne sera jamais inférieure à 25/10 pour les locos en 3,5 pouces. Rouler une tôle de 6mm sur 200mm de long en rayon de 100 mm n’est pas une mince affaire pour le vaporiste moyen. Découper à la disqueuse cette même tôle ou tube de 6 mm devient très banal .
Le traçage de vos coupes devra être effectué avec soin avec un marqueur indélébile ou mieux avec le stylo peinture utilisé en bureautique pour effectuer les corrections . On en trouve actuellement dont la largeur de trait fait 5/10 .
(Une petite astuce en passant : pour réaliser de jolis filets de peinture rouges ou jaunes sur vos locos , vous pouvez vider la peinture blanche d’origine du stylo et la remplacer par de la peinture glycero de la couleur choisie . En respectant une dilution correcte vous réaliserez de très jolis filets même au compas.)
Revenons à nos moutons ! Le traçage et la tronçonnage doivent être précis. Il s’agit de chaudronnerie et non pas d’horlogerie .Le millimètre est un ordre de grandeur raisonnable. Au delà seul un bon soudeur rattrapera « le coup ». Un chanfreinage sera effectué pour ménager la place de vos cordons de soudure.

PLAQUES TUBULAIRES :

Une bonne conception de ce que je nomme le « plan de tubage » d’une chaudière inox conditionne en grande partie son bon fonctionnement ultérieur.On voit bien souvent des plans ou le nombre de tubes par rapport à la surface disponible est ridicule.
Le jeu consiste à loger dans une surface donnée le plus grand nombre de tubes de la dimension disponible. Le fait d’adopter un ciel de foyer voûté augmente cette surface de manière significative.
La contrainte principale est qu’une distance minimale de 3 millimètres doit subsister entre deux tubes pour une bonne circulation de l’eau dans la chaudière. De plus la soudure de ces tubes proches représente une difficulté que l’utilisation des cônes de protection permet de contourner. Cette méthode de soudage peut faire sourire les professionnels , mais elle est très efficace pour les amateurs que nous sommes , et c’est le résultat qui compte ! !
La méthode pour faire un plan de tubage peut être manuelle sur la planche à dessin ou mieux avec un petit logiciel de dessin sur l’écran d’un micro ordinateur. Cela permet de disposer géométriquement le maximum de tubes sur la surface donnée avec les contraintes de proximité définies. La combinaison de petits tubes et de gros tubes dans lequel passera une éventuelle surchauffe permet d’utiliser toute la place disponible en fonction du dessin du foyer. Un simple calcul permettra de donner la surface de passage des gaz qui ne devra jamais être inférieure au 1/6^e de la surface de la grille afin d’assurer un tirage correct en toutes circonstances . Cela ne sera jamais le cas en pratique.Les tubes employés seront de dimensions courantes dans l’industrie. Le tube d’un demi pouce (12,7 mm) intérieur convient pour pratiquement du 3,5’ au 7,1/4 .Les tubes de surchauffe de 27 permettent sans problèmes d’effectuer le demi tour d’un tube de cuivre de 4/6 voire 6/8 . L’épaisseur de ces tubes est le plus souvent de 2,2 mm ce qui peut paraître préjudiciable à une bonne transmission de la chaleur .Rassurez vous , en réalité il n’en est rien , et si l’inox monte en température un peu moins vite que les autres métaux , la transmission des calories s’effectue tout aussi bien.
Utiliser des tubes fins est possible mais je ne le conseille pas car leur soudure à l’arc est un peu plus délicate , les risques de rupture accrus avec des tubes longs et leur usage n’apporte pas les bénéfices que l’on pourrait en attendre.On peut également dudgeonner les tubes avant de les souder. C’est ce que j’ai fait pour deux des dernières chaudières réalisées. Disposant d’un dudgeon pour les tubes d’un demi pouce , la combinaison des deux techniques d’assemblage est possible. Contrairement à ce que l’on peut croire, même des tubes d’inox de 2.2mm d’épais peuvent être dudgeonnés sans difficultés. Simplement au lieu de tourner le dudgeon à la main (c’est long et fatigant !) j’utilise une petite perceuse sans fil avec un embout de 6,35mm . L’inox se déforme bien gentiment .

• Découpe et perçage/fraisage des plaques tubulaires (avant et arrière).

• Perçage du trou de la virole de sortie du régulateur
• Coupe et mise à la longueur des tubes de fumée
• Mise en place et dudgeonnage éventuel des tubes.
• Soudure des tubes de fumée et vérification des soudures.
• Soudure de la virole de sortie régulateur
• Découpe des plaques foyères droite gauche .
• Perçage des trous pour les tubes d’eau éventuels.
• Découpe et soudure du cadre de la porte du foyer.
• Découpe du ciel de foyer .
• Perçage des trous des tubes d’eau.
• Soudure complète du foyer (au besoin recto/verso)
• Vérification des soudures.
• Alésage dans l’axe pour mise en place des tubes d’eau.Attention de ne pas positionner les tubes d’eau trop près de la plaque tubulaire. Cela peut être gênant pour passer un écouvillon.
• Soudure des tubes d’eau et vérification.

Virole principale:

• Mise à la longueur et découpe /perçage de tous les trous nécessaires.
• Découpe et soudure des côtés de la chaudière munis des éventuelles viroles de chapelles ou d’extraction des boues soudées côté intérieur (c’est plus joli !)
• Présentation et mise en place du faisceau tubulaire/foyer dans la virole.
• Pointage par quatre points d’arc à 90° au niveau de la plaque tubulaire avant , la soudure définitive sera effectuée bien après.
• Découpe et soudure de la plaque inférieure avant du foyer.
• Perçage et mise en place des entretoises gauches/droites/avant.La soudure depuis l’intérieur du foyer est un peu moins facile, mais l’expérience de soudeur que vous avez acquis commence à faire la différence. Ne multipliez pas inutilement le nombre d’entretoises. Un rond de 4 ou 5 mm tous les 3 cm au quarré suffit dans la plupart des cas.
• Etude de l’emplacement du régulateur facilitée par l’accessibilité.
• Positionnement du cadre du foyer et pointage pour immobiliser le tout .
• Soudure de toutes les viroles utiles et de la virole du dôme que l’on aura soin de pointer très soigneusement pour éviter tout voilage de la face usinée de plan de joint.

Façade arrière de la chaudière:

• Découpe et ajustage soigné de cette pièce .C’est sur cette partie que l’inévitable néophyte de service portera son jugement « d’expert en soudure ». C’est la seule qu’il verra facilement ! ! Autant qu’elle soit jolie. Les viroles seront soudées coté intérieur et le cadre de la porte bien raccordé.
• Soudure de la face arrière. Pour des raisons esthétiques c’est la seule partie de la chaudière ou l’on peut admettre de meuler et polir les soudures. Ne pas oublier de les vérifier soigneusement !

Finition

• .
• A ce stade il convient de souder définitivement le cadre du foyer et les fixations arrières de la chaudière.

• Il nous reste à ce moment là , à scier les quatre points de la plaque tubulaire avant de façon à libérer une partie des contraintes dues à toutes ces soudures , puis de souder définitivement cette plaque pour fermer la chaudière.
• Notre chaudière est terminée.

La chaudière de Constance en construction

L’EPREUVE HYDRAULIQUE  :

Il n’est pas concevable de mettre en service une chaudière qui n’a pas subi cette épreuve. Il y va de votre sécurité et de celle des autres.A l’heure actuelle et pour encore quelques temps la réglementation française impose une épreuve officielle pour tout appareil évaporatoire soumis à la pression dont le volume est supérieur à 24 litres.
Je dis pour quelque temps car la réglementation européenne que nous devrons respecter va mettre notre activité dans une position difficile qui à terme risque de conduire à sa disparition. Quel poids représentent un ou deux mille modélistes vaporistes dans une Europe de deux ou trois cent millions d’Européens ! ?
.En ce qui me concerne , je simplifie un peu les calculs . Je la monte à 20 bars , je l’examine sous tous les angles à cette pression obtenue avec une pompe à eau . Je redescend puis je remonte à cette pression plusieurs fois et je la laisse un bon moment en observant l’aiguille du mano qui ne doit pas bouger.

QUE FAIRE SI……

• Votre chaudière fuit de façon importante . Si vous prenez un jet d’eau dans les lunettes c’est que la qualité de vos soudures n’est vraiment pas au « top ». Rien n’est perdu ! Vidangez entièrement , meulez au flexible l’endroit de la fuite pour bien dégager celle ci .Eliminez bien les morceaux de laitier qui restent .C’est souvent là que les fuites se cachent. Rechargez doucement sans excès de soudure. Et recommencez votre épreuve.
• Votre chaudière présente des micro fuites ou perlent de petites gouttes d’eau . Vous pouvez utiliser la méthode précédente ou faire un traitement au silicate de soude dosé à 25%.
  Entièrement remplie de cette solution , vous faites une chauffe légère (au chalumeau) à faible pression (quelque centaines de grammes ) pour mettre la chaudière en surpression. La solution va s’échapper par la fuite en se vitrifiant progressivement jusqu’à l’obturer totalement. Suivant la taille de la fuite , l’opération peut prendre plus ou moins de temps , mais ça marche et c’est fiable dans le temps.
  Il ne faut pas oublier de vidanger et de bien rincer votre chaudière après ce traitement. Dans le cas contraire vous risquez de faire du primage à la première chauffe.

QUELQUES CONSEILS EN VRAC

Evitez de mettre des métaux différents dans une chaudière .Des tubes en cuivre dans une construction inox n’apportent pas grand chose si ce n’est des ennuis .
La brasure à l’argent de l’inox est souvent plus délicate à bien réussir qu’une soudure à l’arc. Si la température du métal est incorrecte ,il noircit et la brasure ne « mouille » pas , et ce n’est qu’une brasure ! !
Une chaudière en inox doit être toute en inox y compris les viroles ou sa visserie de fixation. En ne respectant pas ce principe on le regrette tôt ou tard, sauf si on fait des dessus de cheminée .
Des nuances d’inox différentes dans une chaudière ne sont pas pénalisantes à priori. Dans le cas ou on ne peut faire autrement , veiller quand même à ce que ces nuances soient proches dans leur composition et de la même famille ( par exemple du Z2CN18/10 avec du Z3CN19/11 ) .
La construction inox est à la portée de nombreux vaporistes. Tentez le coup ! vous ne le regretterez pas surtout si vous roulez beaucoup. Vous aurez des chaudières sans problèmes pour longtemps , et après une centaine d’heures de chauffe avec une eau calcaire un verre d’acide chlorhydrique vous rendra une chaudière impeccable .
Bien évidemment je suis à la disposition de tout Confrère en bute à un problème non évoqué dans les précédentes pages .