FR2634577A1 - Sommier pour un coeur de reacteur nucleaire et son procede de fabricatio - Google Patents

Abstract

Le sommier pour un coeur de réacteur nucléaire comprend deux plaques tubulaires qui sont reliées par une série de chandelles parallèles et par une enveloppe cylindrique munie de raccords d'entrée et de sortie de fluide. La liaison à force entre les bords des plaques tubulaires 11, 10 et de l'anneau 12 muni de passages de fluide 13 consiste en un joint soudé épais. Les extrémités de chacune des chandelles qui font saillie au-delà des surfaces extérieures de plaques tubulaires 10, 11 sont soudées aux surfaces extérieures de plaques tubulaires. Application à la réalisation par soudage d'un sommier de coeur de réacteur nucléaire du type rapide.

Description

i

SOMMIER POUR COEUR DE REACTEUR NUCLEAIRE

ET SON PROCEDE DE FABRICATION

Dans le domaine de la fabrication des composants nucléai-

res de grandes dimensions, réalisés pour satisfaire aux à des exigences de qualité, de précision mécanique et de fiabilité, l'utilisation des techniques de soudage ayant pour but de réduire A un minimum ou même d'éliminer complètement le métal d'apport présente un intérêt croissant, du fait des avantages techniques et économiques indiscutables qui dérivent des

efforts résiduels plus faibles après soudage et, par consé-

quent, de la stabilité dimensionnelle plus importante.

Parmi les nombreux composants d'une centSale nucléaire, le cas du sommier supportant le coeur d'un réacteur à neutrons

rapides est particulièrement significatif.

Ce composant a pour fonction fondamentale de faire cir-

culer le sodium sous pression à l'intérieur des assemblages de combustibles constituant le coeur et de maintenir ainsi ces

assemblages dans une position verticale particulièrement pré-

cise.

Le composant est immergé dans le sodium à une tempéra-

ture de fonctionnement qui varie généralement entre 400 et 500"C. Jusqu'à présent, la tendance des fabricants de ce type

de composants a consisté A réaliser des structures principale-

ment conçues pour être assemblées mécaniquement par boulonnage.

Du fait que l'accès aux composants de ce type est impos-

sible au cours des trente années de durée de vie espérées pour

la centrale électrique, et du fait des conditions très draco-

niennes recherchées pour ce qui concerne la résistance, la

précision et la stabilité géométrique, et du fait de la géo-

métrie particulièrement complexe impliquée, de l'épaisseur importante (80 mm) de l'anneau nécessaire pour serrer les boulons ainsi que de la densité et du poids élevé des boulons, il s'ensuit une charge de travail considérable en terme de calculs et de fabrication. Ceci conduit bien entendu à des coûts généraux très importants. Cet aspect technico-économique peut être justifier pour une centrale prototype mais ne

peut pas l'être pour le développement d'une série de réacteurs.

L'objet de la présente invention consiste en un sommier entièrement soudé pour le coeur d'un réacteur nucléaire et en

son processus de fabrication par soudage.

Pour fabriquer un composant structurel par soudage, il est généralement possible: - de simplifier sa géométrie et ainsi de réduire le volume de calcul nécessaire; - de réduire le poids du composant; - de rendre le processus automatique ce qui réduit ainsi les temps et les coûts de fabrication; Dans le cas d'un sommier de coeur du réacteur, du fait que celui-ci est un récipient sous pression, le soudage assure

également une étanchéité parfaite.

Deux types de soudure existent dans la structure selon la présente invention: - des soudures très fines entre la plaque tubulaire et l'enveloppe (la structure portant la charge); - les soudures entre la plaque tubulaire et les chandelles qui sont plus minces et dont la fonction principale est

de servir de soudure d'étanchéité à la pression.

Les exigences de base normalement envisagées pour les soudures épaisses concernent l'essai à l'étanchéité et l'essai aux rayons X. On doit néanmoins insister sur le fait que le recours à

des techniques de soudage pose des problèmes en ce qui concer-

ne la stabilité dimensionnelle des composants à des températu-

res élevées et en présence de variations de température bruta-

les qui se produisent au cours du fonctionnement de la centrale électrique, en référence à la détente des contraintes de soudure résiduelles, comme mentionné dans l'article sur les origines et les dangers des contraintes de soudage interne présenté par Lezzi et Scavino à la conférence I.I.S. à Gênes en 1983. Cette invention permet d'éviter complètement ces risques et de faire face aux difficultés de prévision et d'évaluation des conséquences sur la stabilité géométrique de la structure au cours du temps. Selon l'invention, la structure soudée contient deux types différents de joints soudés, à chacun desquels on peut

appliquer avec succès une ou plusieurs techniques de soudage.

Le premier type de joint soudé consiste en un joint soudé épais à aboutement et, comme mentionné ci-dessus, il est utilisé pour relier les deux plaques tubulaires d'un sommier à

l'enveloppe formant sa surface latérale.

Le second type de joint soudé prévu dans le sommier selon la présente invention consiste en un joint circulaire entre chacune des chandelles du sommier et la plaque tubulaire

correspondante et qui sert principalement a l'étanchéité.

Deux procédures de soudage en variante, basées sur des techniques différentes, sont suggérées pour le premier type de joint prévu par l'invention, comme cité ci-dessus (des joints à aboutement joignant deux plaques à parois minces): - des jonctions à intervalle étroit, avec dépôt de métal d'apport à l'arc submergé;

- le soudage au laser de grande puissance.

La soudure à l'arc submergé présente de nombreux avantages: - une petite quantité de métal d'apport est déposée et les contraintes résiduelles de soudure sont donc plus faibles; - elle produit une réduction des déformations consécutives aux retraits de soudage et, par conséquent, de l'épaisseur du métal soudé nécessaire pour terminer la pièce; - les temps pour la soudure et pour la finition mécanique

subséquente sont plus courts.

La technique qui est proposée pour déposer le métal d'apport consiste à réaliser au moins deux passes côte à côte,

ou une passe simple pour les intervalles les plus étroits.

Dans le cas spécifique des réacteurs rapides, o les épais-

seurs sont habituellement limitées à 40 à 80 mm et o l'on utilise de l'acier inoxydable, cette technique n'a pas été conseillée jusqu'à présent par les fabricants pour diverses raisons: - afin d'obtenir des avantages techniques et économiques significatifs, il est nécessaire de réduire encore plus la largeur de l'intervalle; - l'utilisation de la technique de l'intervalle étroit pour des joints très étroits signifie, d'une façon définitive, l'utilisation d'une passe unique et par conséquent plusieurs problèmes: difficultés pour l'enlèvement des scories, du fait que celles-ci sont prises entre les bords du cordon et les parois de la rainure, ce qui peut donner lieu à une mauvaise fusion au cours de la passe qui suit;

À nécessité de maintenir le fil de soudure en perma-

nence à égale distance des parois du joint;

nécessité de disposer de torches de soudure spécia-

lement conçues assurant à la fois un bon contact électrique du fil et une isolation externe parfaite; recherche d'un compromis entre la réalisation de bords qui sont le plus parallèles possibles et en tout cas suffisants pour compenser les déformations locales plus sérieuses typiques des matériaux inoxydables dues à leur conductivité thermique différente et à leurs propriétés de dilatation; 25. des difficultés pour réparer les fissures; un choix convenable du type de flux qui doit être capable de se solidifier de façon uniforme de façon à créer un cordon lisse et sans ondulation et qui, en même temps, doit produire une scorie facile à

enlever et à écraser.

Ces exigences sont souvent en opposition les unes avec les autres. Le flux fondu qui est préférable à celui du type aggloméré par suite des résultats métallurgiques améliorés du

joint produit malheureusement une scorie qui est plus diffi-

cile à enlever.

Ces problèmes ont été surmontés selon l'invention en

utilisant des procédures de soudage et des accessoires spécifi-

ques, comme on va le décrire en détail ci-dessous.

En ce qui concerne le deuxième type de joint qui sert en outre principalement de joint d'étanchéité (joints circulaires entre les parois supérieures des chandelles et les plaques

tubulaires du sommier), deux procédures de soudure sont propo-

sées selon l'invention: le faisceau électronique et la soudure

au laser de puissance, toutes les deux sans métal d'apport.

D'autres buts, avantages et caractéristiques apparaîtront

à la lecture de la description de divers modes de réalisation

de l'invention, faite à titre non limitatif et en regard du dessin annexé dans lequel: - la figure 1 représente, en vue latérale et en demi-coupe transversale, un sommier pour coeur d'un

réacteur nucléaire fabriqué selon l'inven-

tion en une structure entièrement soudée; - la figure 2 est une vue de détail à plus grande échelle indiquée en II à la figure 1 et se réfère à une soudure en bout sur une plaque épaisse; - la figure 3 représente, à plus grande échelle, le détail indiqué en III sur les figures 1 et 5 et se réfère à la liaison soudée de l'extrémité supérieure d'une chandelle quelconque du sommier à la plaque tubulaire supérieure de la grille; - la figure 4 représente, à plus grande échelle, le détail indiqué en IV sur les figures 1 et 5

et se réfère à la liaison soudée de l'extré-

mité inférieure d'une chandelle quelconque

et du sommier à la plaque tubulaire infé-

rieure de la grille; - la figure 5 représente, à moitié en coupe axiale, une chandelle destinée à être soudée par ses deux extrémités aux deux plaques tubulaires du sommier suivant l'invention; - la figure 6 représente schématiquement en perspective un premier type d'un système destiné à

souder des plaques épaisses selon la figu-

re 2 et utilisant deux torches selon la technique de l'arc submergé; - la figure 7 représente une section transversale d'un système utilisé en variante pour réaliser la même soudure et employant une torche unique à tête mobile capable de réaliser un cordon de soudure identique à celui qui est obtenu à l'aide d'une paire de torches; - la figure 8 représente, en coupe transversale, l'aspect

d'une soudure de pleine pénétration réali-

sée à l'aide de passes consécutives dont chacune s'applique à la totalité de la largeur de l'espace de séparation; - la figure 9 est une coupe en section transversale représentant la préparation des bords qui se font face de plaques épaisses qui doivent

être soudées en bout en utilisant la tech-

nique de l'arc submergé selon une forme préférée du mode de réalisation selon l'invention; - la figure 10 représente en coupe transversale l'aspect

du départ de la soudure partant de l'inté-

rieur-après l'enlèvement mécanique du cordon de soudure initial (nouvelle soudure sur un matériau sain) partant de la rainure de la figure 9;

- la figure 11 est une coupe transversale montrant l'as-

pect de la soudure décrite à la figure précédente, après la réalisation complète de cette soudure; - la figure 12 représente le réseau des déformations transversalement au joint soudé au cours du soudage à l'arc submergé; - la figure 13 représente l'évolution de la température au cours des phases de soudage pendant le soudage à arc submergé; - la figure 14 est similaire à la figure 11 mais elle indique les points o l'on a mesuré les duretés qui figurent au tableau 5;

- la figure 15 représente le réseau des contraintes mesu-

rées sur la surface extérieure du sommier, transversalement au cordon de soudure épais en bout obtenu par un soudage à l'arc submergé, avant le traitement thermique de détente des contraintes;

- la figure 16 représente le réseau des contraintes mesu-

rées sur la surface extérieure du sommier, parallèlement au joint soudé avant le

traitement thermique de détente des contrain-

tes; - les fig. 17 et 18 sont similaires aux figures 15 et 16 mais se réfèrent à des valeurs mesurées

après le traitement de détente des contrain-

tes; - la figure 19 représente schématiquement le domaine d'interaction entre le métal de base et le faisceau laser, par référence à un soudage de plaque épaisse selon cette technique plut8t qu'à un soudage à l'arc submergé;

- les fig. 20 et 21 représentent une coupe axiale simpli-

fiée section axiale du sommier selon l'in-

vention avec l'équipement de soudage par faisceau laser utilisé pour la pleine pénétration des soudures bord à bord; - la figure 22 représente la rainure envisagée pour le soudage bord à bord à pleine pénétration utilisant un faisceau laser; - la figure 23 représente schématiquement en coupe axiale

l'agencement optique pour le soudage simul-

tané des deux extrémités d'une chandelle aux deux plaques tubulaires du sommier en utilisant un faisceau laser; - la figure 24 est similaire à la figure 23 mais se réfère à un système simplifié apte à souder la chandelle à la seule plaque tubulaire inférieure du sommier; - la figure 25 est similaire à la figure 23 mais se réfère à un système simplifié apte à souder la chandelle à la seule plaque tubulaire

supérieure du sommier.

La structure selon l'invention du sommier pour le coeur d'un réacteur nucléaire est représentée schématiquement sur

les figures 1 à 5.

Selon l'invention, ce sommier comporte une plaque tubulaire supérieure 10 et une plaque tubulaire inférieure 11

reliées en périphérie par une enveloppe cylindrique 12.

Des raccords tubulaires 13 pour le passage du fluide d'échange de chaleur font saillie à l'extérieur de l'enveloppe cylindrique 12. Ces raccords tubulaires sont soit réalisés

monobloc, par moulage ou forgeage, avec l'enveloppe cylindri-

que 12, soit soudés à cette enveloppe au cours d'une-étape précédente.

Les bords de fond et de sommet de l'enveloppe cylindri-

que 12 selon l'invention, sont soudés respectivement aux bords périphériques des deux plaques tubulaires 10 et 11 à l'aide

d'une soudure bord à bord à pleine pénétration 20.

Selon l'invention, cette soudure bord & bord à pleine pénétration est du type à intervalle étroit et est réalisée en utilisant le soudage à l'arc submergé ou le soudage au faisceau laser. On donne ci-dessous d'autres détails concernant ces deux

processus de soudage.

Les soudures circulaires entre les extrémités des

chandelles traversant les deux plaques du sommier selon l'in-

vention sont réalisées en utilisant un faisceau laser. Les deux types de soudure sont donc réalisés en utilisant une quantité minimale de métal d'apport. On peut voir le cordon de soudure 20 à la figure 2. La préparation préliminaire des

bords à souder sera représentée plus loin.

La plaque tubulaire 10 qui est traversée par l'extrémité supérieure 31 d'une chandelle quelconque 30 est représentée à la figure 3. La plaque tubulaire comporte un trou traversant muni au sommet d'un alésage; de cette façon, sont définies

deux surfaces cylindriques 32 et 33.

La première surface cylindrique 32 doit être soudée à la

chandelle 30. Dans ce but, la chandelle 30 présente un re-

bord 34 dont la surface latérale est plus courte que la hau-

teur de la surface cylindrique 32, de façon à former un conduit circulaire 35 servant de joint d'expansion et de zone d'arrêt du cordon de soudure 36 consistant en un cordon cylindrique étroit obtenu à l'aide d'un faisceau laser de la façon qui va être décrite ci-après. La surface cylindrique 33 qui présente

un plus faible diamètre agit en effet comme surface de centra-

ge pour l'extrémité supérieure de la chandelle 30.

La figure 4 représente la liaison entre l'extrémité

inférieure 37 de la chandelle 30 et la plaque tubulaire infé-

rieure 11. Dans ce cas, la plaque tubulaire inférieure est munie d'un trou traversant 40 qui présente un diamètre égal au

diamètre nominal de l'extrémité inférieure de la chandelle 30.

La chandelle est équipée également d'un épaulement circulaire 38 qui constitue une surface d'appui et d'une

rainure circulaire 39.

La surface cylindrique de l'extrémité inférieure 37 de la chandelle 30 située au-dessus de ladite rainure 39 vient en contact avec une première partie 41 de la surface de centrage cylindrique 40 pour remplir une fonction de centrage. La

surface cylindrique de l'extrémité inférieure 37 de la chandel-

le 30 située en-dessous de la rainure 39, étant située en face d'une seconde partie inférieure 42 de la surface de centrage cylindrique 40, c'est sur cette surface 42 que le cordon de soudure étroit 43, également obtenu avec un faisceau laser, va se développer. Dans ce cas, la rainure 39 constitue également

une cavité circulaire similaire à la cavité 35.

Dans la structure-soudée correspondant à la présente invention, il existe seulement des cordons de soudure étroits 20, 36 et 43. En plus de l'allégement de la structure soudée, en comparaison d'une structure boulonnée, on obtient également l'avantage d'une stabilité dimensionnelle, typique d'une

soudure réalisée avec une quantité minimale de métal d'apport.

On verra dans ce qui suit les résultats des essais réalisés sur une enveloppe spécimen du type de l'invention et d'o l'on peut reconnaître:

- la possibilité de réaliser un joint soudé du type ci-

dessus pour l'acier inoxydable du type AISI 304 L; - les caractéristiques mécaniques dudit joint;

- l'effet d'un traitement thermique de détente des contrain-.

tes sur le joint, par mesure des contraintes résiduelles de soudure sur le joint;

- l'importance des déformations de soudage.

Afin de tester la fiabilité de la soudure de la plaque épaisse 20 selon l'invention, on a réalisé des essais tels que

représentés ci-dessus sur des modèles d'enveloppes cylin-

driques, en utilisant la technique de l'arc submergé avec la

rainure représentée à la figure 9.

Les essais consistaient à réaliser des soudures circu-

laires à intervalles étroits pour jonctionner deux enveloppes fabriquées précédemment de 900 mm de diamètre et de 400 mm de long, et à réaliser ensuite les essais suivants: - mesures des déformations et de la température entre les passes au cours du soudage; - essai non destructif du joint par examen aux rayons X, inspection ultra-sonore et inspection par pénétration de liquide; - essai destructif du joint et du matériau de base (essais

de traction, de flexion et de résilience, examen micros-

copique, essais chimiques, détermination de la ferrite, de la dureté); mesure des contraintes résiduelles de soudage; - traitement thermique de détente des contraintes; - répétition des mesures des contraintes résiduelles de soudage. On a réalisé deux maquettes en grandeur réelle afin de mieux tester la répétabilité du processus et d'obtenir un

nombre suffisant de spécimens pour les essais envisagés.

PREMIER EXEMPLE D'UNE SOUDURE BORD A BORD DE PLAQUE EPAISSE

PAR SOUDAGE A L'ARC SUBMERGE

On a utilisé dans ce cas la soudure à l'arc submergé (SAW) pour la soudure bord à bord du spécimen d'enveloppe en

acier inoxydable. Ce processus a été préféré pour trois rai-

sons principales: 1) afin de permettre d'utiliser des tests de soudage très simples et aisément adaptables aux machines de soudage

existantes. En effet, la position qui est souvent appli-

quée dans les ateliers de fabrication de chaudières consiste à adapter la machine de soudage à l'article à souder et non pas l'inverse. Il suffit de penser combien il est plus simple de déplacer une machine ne pesant que quelques centaines de kilos plut8t que des récipients pesant plusieurs dizaines de tonnes. Dans ces conditions, les machines de soudage doivent être aussi simples que

possible de façon à ne pas exiger d'opérations d'entre-

tien complexes et, par dessus tout, de façon à ne pas risquer de sévères dommages en cas d'impact au cours des déplacements fréquents imposés à ces matériels. Il est également préférable de disposer de têtes de soudage qui

ne contiennent pas de mécanismes particulièrement sensi-

bles à la poussière ou à la température.

2) l'écologie à l'environnement de travail. Dans le soudage à l'arc submergé, l'arc électrique n'est pas visible et la quantité de fumée produite est négligeable. Sur le plan écologique, ceci signifie qu'il constitue l'un des

processus de soudage les plus propres.

3) la possibilité d'obtenir un très haut degré de pureté du

bain de métal en fusion, en utilisant des flux suffi-

samment purs de façon à ne pas polluer le métal déposé.

Il est important de ne pas oublier les conditions extrê-

mes de contraintes dans lesquelles les cordons de soudure en

contact avec chaque bord de la rainure se solidifient.

La présence d'impuretés même en petite quantité donne

naissance à des composés capables de fondre à basse tempéra-

ture et qui pourraient constituer un sérieux danger de fissures

sur la ligne de centre.

En outre, les scories doivent être faciles à enlever et,

en conséquence, leur charge de rupture ne doit pas être limi-

tée. En général, pour les flux de soudure à arc submergé, on obtient cette caractéristique en augmentant le pourcentage de Si présent. Pour le soudage à intervalle étroit de l'acier

inoxydable, il est cependant nécessaire de maintenir la quanti-

té de silicium dans le métal déposé en-dessous de 0,9%;'des pourcentages plus élevés pourraient donner une tendance à la fissuration ou en tout cas, à des pourcentages de ferrite delta inacceptables pour des composants destinés à fonctionner

à des températures élevées.

Une autre caractéristique importante que doit présenter le flux réside dans l'insensibilité à de faibles variations des paramètres électriques, en particulier des variations de tension de l'ordre de i V ne doivent pas porter préjudice à des liaisons correctes entre' les parois de la rainure et la zone en fusion. Du fait que la largeur du chanfrein est très faible (seulement 6 mm), on utilise, selon l'invention, une

torche très étroite en comparaison de celles qui sont normale-

ment disponibles sur le marché, et qui soit capable de remplir les fonctions suivantes: - de guider le fil à l'intérieur du chanfrein; d'assurer la fourniture d'une puissance correcte à travers le fil d'électrode; et

- d'être suffisamment rigide.

Le système qui est proposé fournit la puissance via une plaque en cuivre de 3 mm d'épaisseur isolée sur ses surfaces latérales par des éléments céramiques fixés mécaniquement à la lame de cuivre par des vis en Vespel. Le Vespel est un matériau très spécial qui présente une excellente usinabilité couplée à de bonnes caractéristiques mécaniques même à des températures élevées et à une très faible conductivité électrique. La rigidité mécanique du canon de soudure est assurée par les parties en acier articulées au corps du canon de soudure

électriquement isolé.

Le patin porte-fil, réalisé également en Vespel, est à son tour fixé au canon à l'aide d'une seconde articulation qui garantit que la pression exercée par la partie en acier sur le patin porte-fil oblige le fil à adhérer en permanence de façon parfaite à la partie en cuivre d'amenée de courant. La pression entre le patin en Vespel et le fil d'électrode peut être réglée à l'aide d'un ressort à précontrainte variable. Le canal d'amenée du flux est réglable en longueur de façon à permettre la détermination correcte de la couche de flux dans la zone de l'arc. L'épaisseur hors tout de la torche est

inférieure & 5 mm.

La mise en position du canon sur la rainure est réalisée manuellement et le canon est également relevé manuellement

d'une passe à la suivante.

Après le positionnement correct des parties de l'enve-

loppe constituant le sommier type selon l'invention, le chan-

frein ou biseau interne est soudé manuellement un utilisant un procédé de soudage à l'arc métallique avec des électrodes enrobées, selon les paramètres de fonctionnement suivants: électrode.................... A5/481 E308L 15 diamètre d'électrode......... 3,25 mmn intensité du courant...

.... 80 à 100 A 15. tension...................... 22 à 25 V..DTD: Le matériau sain est ensuite soudé à nouveau à l'extré-

mité dudit cordon de soudure en usinant avec une machine outil

depuis l'extérieur de l'enveloppe formant le sommier prototype.

Après cette opération mécanique, l'aspect du joint 20 est

celui représenté à la figure 10.

On réalise ensuite la soudure à l'arc submergé en utili-

sant les paramètres suivants: fil........................... ASW A5.9-81 ER308L diamètre du fil............... 2,4 mm 25. intensité du courant.....

... 280 A tension....................... 30 V vitesse de soudage..........DTD: .. 540 mm/min épaisseur du lit de flux...... 15 mm Le flux utilisé présente la composition chimique suivante exprimée en pourcentage d'oxyde: * SiO2.......................... 25%..DTD: A1203......................... 25%

CaO + MgO + K20 + Na2O........ 35% MnO + FeO..................... 4% 35. Cr203......................... 4% fluorures..................... le reste Avant emploi, le flux est séché à 4000C. On utilise à cette fin la technique de la passe unique pour le remplissage

de la rainure; 16 passes sont nécessaires (figure 10).

Au cours de cette phase, on a mis un soin particulier pour donner à la surface de la passe une forme correcte. Les cordons concaves augmentent la susceptibilité à la fissuration

au centre de la passe, tandis que des cordons convexes porte-

raient préjudice à l'aptitude à l'enlèvement des scories. On a trouvé que la meilleure forme pour les passes correspond à des passes pratiquement planes avec des surfaces légèrement convexes et on a réalisé de telles passes. Au cours de la soudure circulaire de l'enveloppe formant le sommier prototype, on réalise les essais dimensionnels suivants:

a. mesure sur les surfaces externes et internes de l'enve-

loppe des déformations transversales aux joints au cours de la soudure manuelle à électrodes enrobées (tableaux 1 et 2);

b. mesures sur la surface extérieure de l'anneau des défor-

mations transversales aux joints au cours du soudage à l'arc submergé (tableau 3); c. mesure des déformations sur le diamètre intérieur au cours du soudage manuel avec des électrodes enrobées et

au cours du soudage à l'arc submergé (tableau 4).

Comme représenté sur les tableaux 1 et 2, les déforma-

tions transversales les plus importantes sont obtenues lors de l'emploi de l'électrode manuelle; elles varient entre 0,85 et

1,35 mm à l'extérieur et 1,20 à 1,25 à l'intérieur.

Les valeurs relativement importantes de ces données, en particulier si on les compare à celles qui sont mesurées après le soudage à l'arc submergé, s'expliquent par le fait que la pièce est libre de se contracter à volonté, du fait qu'elle n'a pas été bridée mais seulement pointée à l'intérieur de la

rainure de soudage.

Comme montré sur le graphique de la figure 12, qui représente les déformations en mm en fonction du nombre de passes, les plus importantes déformations transversales se produisent au cours des quatre premièrespasses et au cours des passes comprises entre la sixième et la dixième. Ceci est da en premier au faible effort d'autocontrainte du soudage

purement manuel au cours des quatre premières passes.

TABLEAU 1

Déformations transversales au joint mesurées sur la surface extérieure au cours du soudage manuel à électrode enrobée (les mesures sont exprimées en millimètres).

!! I!

I Numéro I Après la I Après la I Déformation I I de pos. I première passe I dernière passe I totale!

I I 1_ 1!

I I I I I

I 1 I 0,47 I 0,83 I 1,30 1

I I I I l

I 2 I 0,57 I 0,78 I 1,35 1

I I I I l

I 3 I 0,37 I 0,58 I 0,95!

I I I I 1

I 4 I 0,45 I 0,40 I 0,85 1

I I I I1

1 1 1 1 1

I 5 I 0,37! 0,85! 1,22 1

I 1! I 1

! 6 I 0,33 I 1,00 I 1,33 1

I I I I!

! I I I1

TABLEAU 2

Déformations transversales au joint mesurées sur la surface intérieure au cours du soudage manuel à électrode enrobée

(les mesures sont exprimées en millimètres).

2S! I! I!

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I Numéro I Après la I Après la I Déformation I I de pos. I première passe I dernière passe I totale!

I _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ _ I _ _ _ _ _ 1

I I I I!

I 1 I 0,42 I 0,83 I 1,25 1

I I I! !

! 2 I 0,39 I 0,88 I 1,27 1

I I I I I

*! 3 I 0,28 I 0,97 I 1,25 1

I I I I1

I 4 I 0,'8 I 0,85 I 1,23 1

I I I I!

I 5 I 0,40 I 0,80 I 1,20 1

I I I I I

I 6 I 0,33 I 0,86 I 1,25 1

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graphique de la figures 13 représentant en ordonnées la tempéra-

ture de la soudure en fonction du nombre de passes en abcisses.

Bien qu'elles soient partiellement réalisées à une tempé-

rature élevée, les passes 10 à 16 ne produisent pas de déforma-

tion du fait de l'effet d'autocontrainte exercé par le matériau déjà déposé. En ce qui concerne les déformations diamétrales (tableau 4), la valeur maximale d'environ 0,7 mm confirme

combien ces phénomènes sont limités dans ce type de soudage.

Les résultats des essais destructifs et non destructifs subséquents sont résumés ci-dessous. Les résultats obtenus dans les essais à la traction ont montré des résistances à la traction, des pourcentages d'élongation et des résistances à la traction ultime bien supérieurs aux valeurs minimales des tables requises pour le matériau de base. Le pliage latéral a confirmé la bonne qualité de la liaison entre le matériau fondu et le matériau de base et l'absence complète de tout

défaut de fusion.

Les micrographies du joint montrent une structure den-

dritique relativement résistante, typique de l'acier inoxyda-

ble soudé à l'arc submergé, et en particulier de ce type de soudure dans lequel le cordon touche simultanément les deux

parois froides du joint.

On a trouvé que les variations de dureté transversale-

ment aux joints étaient limitées (voir la figure 14 et le

tableau 5).

TABLEAU 5

A B C D E F G H I L M N O P Q

206 198 191 206 212 222 222 212 241 222 274 247 247 178 185

Les essais non destructifs (rayons X, US et LP) n'ont

pas relevé de fissures. La distribution des contraintes rési-

duelles à la fois sur les surfaces extérieure et intérieure de

la soudure circonférentielle a été déterminée expérimentalement.

Les essais ont été réalisés en utilisant la méthode du trou borgne semi destructif selon la norme ASTM E 837-81 et en utilisant des rosettes de jauges de contrainte rectangulaires à trois branches du type MM-EA-09-062RE 120, dans lequel ont été réalisé des trous de 1,5 mm. Les mêmes essais ont été répétés après avoir soumis la pièce à un traitement thermique de détente des contraintes dans un four à une température

de 550 C pendant deux heures.

Les principales contraintes parallèles et normales à la soudure ont été déterminées. Les rosettes étaient positionnées en plusieurs points au centre et transversalement par rapport au joint afin de mesurer la progression des contraintes dans

une direction circonférentielle et dans une direction trans-

versale. Les figures 15 à 18 représentent quelques unes des mesures des valeurs de contrainte dans les deux directions, longitudinalement et transversalement au joint, et l'angle principal pour les cas suivants: transversalement au joint avant le traitement thermique de détente des contraintes; - circonférentiellement au joint avant le traitement

thermique de détente des contraintes et de façon simi-

laire pour les valeurs mesurées après le traitement

thermique de détente des contraintes.

On peut voir à partir des graphiques que les contraintes les plus importantes ne sont pas sur le cordon mais à 15 mm de lui. Ce comportement semble pouvoir être attribué à l'effet de détente des contraintes que chaque passe exerce sur la passe précédente. De façon évidente, ce phénomène concerne une zone limitée du joint, ce qui conduit à concentrer alors les contraintes

plus importantes à une distance plus grande.

Le traitement thermique de détente des contraintes n'a pas conduit à une chute considérable de l'état moyen des contraintes du joint mais seulement à une légère diminution

des points les plus importants et qui peut être évaluées à 5%.

SECOND EXEMPLE DE REALISATION D'UNE SOUDURE BORD A BORD PAR

SOUDAGE AU LASER

Il est bien connu qu'un faisceau laser de grande puis-

sance (de l'ordre de plusieurs kilowatts) et convenablement focalisé permet la soudure autogène avec des caractéristiques

partiellement similaires & celles d'un faisceau électronique.

En particulier et en se limitant à nouveau à des niveaux de puissances élevées, la configuration physique obtenue en soudage à pénétration profonde (soudage pour une profondeur de plusieurs millimètres) est similaire à celle qui existe dans le soudage à faisceau électronique. Le faisceau électronique ou le faisceau laser focalisé provoque la vaporisation d'un volume très limité de métal-présentant une forme sensiblement cylindrique et un diamètre correspondant sensiblement au diamètre du faisceau focalisé (sur des fractions de millimètres)

et sur une hauteur de l'ordre de quelques millimètres; l'inter-

action entre le faisceau et le métal est ainsi localisée aux parois intérieures de cette cavité (appelée le maître trou) et dans les gaz ionisés qui y sont contenus (figure 19). Les surfaces métalliques réflechissent fortement les longueurs d'ondes des lasers CO2 (10,6 microns) couramment utilisées pour le soudage. Mais dès que la vaporisation de la surface et la formation qui s'ensuit des maitres-trous a démarré, la réflectivité diminue de façon très importante (de plus de 90% à 30% ou moins). L'énergie rayonnée par le laser est ainsi trop absorbée en profondeur par le métal, en déterminant une relation très efficace entre le volume de métal fondu et l'entrée de chaleur dans la pièce. Il s'ensuit que le soudage laser à pénétration profonde est un processus très rapide. Si

l'on limite ces considérations uniquement à l'acier inoxyda-

ble, les conséquences en sont les suivantes:

- une réduction des déformations introduites par le sou-

dage, grâce à l'entrée de chaleur limitée; - une réduction des dimensions de la zone affectée par la chaleur pour la même raison; - une réduction de la formation et de la ségrégation des composés des éléments de l'alliage, grâce à la vitesse du processus, ce qui limite la présence de la phase

liquide dans le temps.

En plus, le soudage laser n'oblige à aucun transfert inertiel vers la pièce, et il peut être réalisé à partir de n'importe quelle direction à la fois par rapport à la gravité et par rapport à la direction normale de la surface, et à l'aide de miroirs, il peut être réalisé dans de nombreuses zones qui

seraient autrement inaccessibles. Ces caractéristiques signi-

fient que le soudage au laser peut être largement automatisé.

En effet, on peut dire qu'en tenant compte du coût élevé de

l'équipement laser de soudage profond, la capacité d'auto-

matisation est indispensable dans de nombreuses applications

pour permettre la réalisation de la soudure dans des condi-

tions économiquement acceptables.

La possibilité de répéter la soudure sur le même joint

du c8té opposé même lorsque celui-ci n'est pas aisément acces-

sible constitue une caractéristique particulière du soudage au laser. La possibilité de diriger le rayon dans n'importe quelle direction à l'aide de miroirs permet, par exemple, non seulement de souder des composants sur leur surface intérieure à travers de très petites ouvertures mais il. permet également le transfert rapide du rayon de la surface extérieure à la surface intérieure. Ceci signifie que les durées de traitement peuvent être réduites lorsqu'on applique cette technique. Rien n'interdit de combiner le soudage à intervalle étroit et le soudage sur des faces opposées, ce qui augmente encore les épaisseurs que l'on peut souder. De façon évidente dans le cas

des composants qui ne présentent pas de faces aisément accessi-

bles, les rainures ne sont réalisées que sur la face la plus accessible. Dans l'exemple de soudure bord à bord en utilisant un faisceau laser, il est encore possible de brider la totalité de la structure du sommier. Dans ce cas, c'est l'équipement de génération du faisceau laser qui est amené à tourner autour de

l'axe de la grille en déplaçant des masses limitées.

Il est possible de réaliser la soudure bord à bord à partir de directions opposées ou, en variante, le premier cordon de soudure est réalisé dans les deux cas par simple soudage autogène au laser. Il s'ensuit que les déformations induites sont négligeables tandis que le bridage de la pièce

de cette façon interdit les déformations qui seraient produi-

tes autrement par les passes de soudage suivantes.

Un double système optique relativement simple (voir les figures 20 et 21) est capable d'atteindre, simplement par déplacement d'un miroir unique, à la fois la face extérieure

et la face intérieure du joint, en réalisant la soudure circu-

laire très rapidement en une seule rotation. Cet aspect consti-

tue la clef de l'intérêt économique du procédé.

En se référant & une épaisseur totale à souder de 50 mm,

le processus de soudage sur les faces opposées exige de dispo-

ser de lasers de très grandes puissances (20 kW) et de miroirs

paraboliques désaxés convenant pour de tels niveaux de puis-

sance. La soudure laser à faible intervalle exploite l'avantage de sa possibilité d'utiliser des rainures plates et de sa capacité supplémentaire à bloquer les déformations à partir du

premier cordon de soudure autogène.

L'équipement représenté à la figure 20 est capable de

réaliser une soudure laser à intervalle étroit depuis l'exté-

rieur de l'anneau. Un cadre rotatif 50 coaxial au sommier comporte un bras 51 soutenant deux miroirs réfléchissants 52 et 53 qui reçoient le faisceau laser 55 depuis un miroir 54 supporté en position centrale et qui n'est pas représenté en détail. Le faisceau laser est focalisé sur la ligne du joint 54 entre la plaque tubulaire, dans ce cas la plaque tubulaire

supérieure, et l'enveloppe cylindrique. Le sommier est immobi-

lisé tandis que le cadre 54 ainsi que le dispositif (non

représenté) pour générer le faisceau et son système de trans-

mission 52, 53 et 54 tournent.

Sur la figure 21, l'origine du faisceau laser 56 est encore dans la direction verticale coïncidant avec l'axe du sommier. Le faisceau laser 56 traverse la plaque tubulaire supérieure sous laquelle est disposée un miroir réflecteur 58 qui la dirige sur la ligne de joint entre l'enveloppe et la

plaque tubulaire o l'on réalise le cordon de soudure 20.

Lorsque l'on utilise un faisceau laser selon l'inven-

tion, la rainure pour la soudure de très faible épaisseur doit

être réalisée comme représenté à la figure 22. Pour une épais-

seur d'échantillon de 50 mm, la rainure présente trois étages à parois verticales 59, 60 et 61, tandis que les dernières parties de l'épaisseur des plaques opposées sont directement en contact l'une et l'autre. L'épaisseur des plaques est ainsi

divisée par lesdits étages en des parties sensiblement égales.

SOUDAGE AU LASER DES CHANDELLES SUR LES PLAQUES TUBULAIRES

La figure 23 représente un système optique convenant

pour la réalisation simultanée des deux soudures circulai-

res 36 et 43 d'étanchéité du joint entre les extrémités de la

chandelle 30 et les plaques tubulaires 10 et 11.

Dans ce cas, on utilise cinq miroirs supportés de façon

adéquate par une même pièce d'équipement qui n'est pas repré-

sentée en détail et qui est capable de tourner autour de l'axe

de la chandelle à souder tandis que le sommier reste immobile.

On a représenté, d'autre part, à la figure 24 une pièce

simplifiée de l'équipement qui est à nouveau capable de tour-

ner tandis que le sommier reste immobile. Cette pièce d'équi-

pement est utiliseé pour réaliser le cordon de soudure infé-

rieur 43 de la chandelle 30. Dans ce cas, on utilise seulement deux miroirs qui reçoivent le faisceau laser en provenance d'un générateur disposé au-dessus du sommier et qui envoient

le faisceau verticalement vers le bas dans l'axe de la chandel-

le 30.

On a représenté à la figure 25 une autre pièce de l'équi-

pement d'une version simplifiée du système représenté à la figure 23 et qui tourne par rapport au sommier fixe tout en recevant le faisceau laser dirigé verticalement vers le bas et

en le ramenant sur la soudure 26.

On utilise dans ce cas trois miroirs et l'équipement est

monté dans l'axe de la chandelle 30.

Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés mais elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de

l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1.- Sommier pour le coeur d'un réacteur nucléaire du type comprenant deux plaques tubulaires reliant une série de chandelles parallèles et une enveloppe cylindrique munie de raccords d'entrée et de sortie pour le fluide d'échange de chaleur, caractérisé en ce que la liaison à force entre les bords desdites plaques tubulaires (10, 11) et dudit anneau

d'enveloppe (12) consiste en un joint soudé de grande épais-

seur, en ce que l'extrémité-de chacune des chandelles (30) fait saillie au-dessus de la surface supérieure de la plaque

tubulaire supérieure (10) et en-dessous de la surface infé-

rieure de la plaque tubulaire inférieure (11) et en ce qu'en outre les deux extrémités de ces chandelles (30) sont soudées aux surfaces extérieures des plaques tubulaires (10, 11) d'o

elles font saillie.

2.- Sommier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soudure bord à bord de grande épaisseur réalisée entre les bords des deux plaques tubulaires (10, 11) et l'enveloppe

cylindrique (12) consiste en une soudure à faible intervalle.

3.- Sommier selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite soudure à faible intervalle est une soudure du type

en double U asymétrique réalisable par soudage à l'arc sub-

mergé.

4.- Sommier selon l'une des revendications 2 ou 3,

caractérisé en ce que ledit intervalle étroit est constitué de

gradins (59, 60,61) aptes au soudage au faisceau laser.

5.- Sommier selon l'une des revendications 1 à 4, carac-

térisé en ce que les deux extrémités de chacune des chan-

delles (30) traversent les plaques tubulaires (10, 11) par des trous correspondants présentant le même diamètre nominal et en ce que les joints soudés entre les plaques tubulaires (10, 11) et les extrémités (31, 37) des chandelles (30) consistent en cordons de soudure circulaires (36, 43) du type réalisable par

un faisceau laser.

6.- Sommier selon la revendication 5, caractérisé en ce que les trous de la plaque tubulaire supérieure aptes à recevoir les extrémités supérieures desdites chandelles (30) sont munis d'un alésage formant lamage (32) à leur partie supérieure et en ce que cet alésage formant lamage (32) reçoit

un rebord extérieur (34) de l'extrémité supérieure de la chan-

delle (30), en ce que la soudure circulaire (36) entre la chandelle (30) et la plaque tubulaire supérieure (10) est réalisée entre la surface cylindrique extérieure dudit re- bord (34) et la surface cylindrique intérieure de l'alésage formant lamage, et en ce qu'en outre, la hauteur dudit alésage formant lamage est supérieure à la hauteur dudit rebord (34) , de telle façon qu'il existe un passage circulaire (35) entre la surface inférieure dudit rebord (34) et la surface dirigée vers le liant de la surface annulaire inférieure dudit alésage

formant lamage (32)-.

7.- Sommier selon l'une quelconque des revendications 1

à 6, caractérisé en ce que la partie inférieure de chacune des chandelles (30) présente un diamètre extérieur inférieur au diamètre extérieur de la partie centrale de la chandelle, de façon à créer un gradin annulaire (38) venant en appui sur la surface supérieure de la plaque tubulaire inférieure (11), en ce qu'en outre ladite partie inférieure de la surface extérieure de la chandelle (30) comporte un rainure annulaire (39), et en ce que le cordon de soudure circulaire (43) entre la chandelle (30) et la plaque tubulaire inférieure (11) est situé entre ladite rainure (39) et

l'extrémité inférieure (37) de la chandelle.

8.- Procédé de soudure à l'arc submergé apte à réaliser des soudures bord à bord entre les bords de plaques tubulaires et un anneau cylindrique pour constituer une pièce annulaire, dans lequel l'intervalle entre lesdits bords opposés consiste en une rainure asymétrique en U ou en auge, caractérisé en ce que la face la plus petite de ladite rainure est située sur le bord extérieur de la pièce annulaire, en ce que la soudure à l'arc submergé démarre sur ledit bord extérieur de la rainure, en ce que, dans une seconde phase, le premier cordon de soudure est enlevé mécaniquement et en ce que, dans une troisième phase, le cordon de soudure à l'arc submergé est

réalisé depuis l'intérieur de la pièce.

9.- Procédé de soudure au rayonnnement laser apte à réaliser la soudure bord à bord des bords de plaques tubulaires à un anneau cylindrique pour constituer une pièce annulaire, caractérisé en ce que, de façon successive, le cordon de soudure au laser est réalisé sur la face extérieure de la pièce annulaire, en faisant tourner un système optique adéquat, et ensuite à l'intérieur de la dite pièce, et en ce qu'en outre, dans les deux cas, la partie terminale du faisceau laser est dirigée radialement par

rapport à la pièce annulaire.

10.- Procédé de soudure aux rayons laser pour souder les

extrémités supérieures et inférieures de chacune des chan-

delles (30) d'un sommier aux parois des trous qui les reçoivent dans les plaques tubulaires du sommier, caractérisé en ce que ladite soudure est réalisée avec un système optique qui tourne autour de l'axe de chacune des chandelles, et en ce

que la dernière partie du faisceau laser est dirigée parallèle-

ment à la chandelle.