Brevet FR2008411A1 — publié le 19700123

La présente invention concerne un procédé pour souder le zirconium et ses alliages en évitant le grossissement du grain. Il est connu que le soudage du zirconium et de ses alliages a l'inconvénient de provoquer dans la zone de fusion de la soudure et dans la zone voisine 5 altérée thermiquement-un grossissement des grains de la structure cristalline. Ce phénomène de recristallisation plus ou moins accentué, est en relation étroite avec le type d'alliage à souder, le procédé de soudage et la configuration géométrique de la soudure. Le grossissement de grain de la structure cristalline a pour 10 inconvénient la fragilisation de la matière dans la zone soudée. Ce défaut défavorable dans le cas des matériaux de grande épaisseur (quelques centimètres), est indésirable aussi dans le cas des épaisseurs faibles, par exemple pour les gaines des éléments combustibles des réacteurs nucléaires, et il peut empêcher l'utilisation de la technique de soudage par fusion. 15 II existe différentes variantes aussi bien des procédés de soudage que des formes géométriques de la soudure et des cycles thermiques utilisés, par exemple par modification des paramètres pouvant influer sur la cristallisation, mais ces variantes ne sont pas entièrement satisfaisantes. De meilleurs résultats peuvent être obtenus par durcissement et recuit de 20 la zone soudée, mais ces procédés ne sont pas d'une utilisation facile. La présente invention a pour objet un procédé selon lequel des germes de formation de noyaux sont introduits directement dans la zone fondue pendant l'opération de soudage. Ces germes sont des métaux ou leurs sels appliqués sur les parties à souder ou sur l'électrode, par exemple 25 quand le soudage est effectué avec du métal d'apport. Un soin particulier doit être pris en ce qui concerne le dosage des germes pour éviter les phénomènes secondaires éventuels pouvant modifier défavorablement la soudure. Des germes donnant des résultats satisfaisants sont les 30 oxydes et les halogénures du cuivre et du lithium utilisés individuellement ou mélangés. De bons résultats sont aussi obtenus avec des sels de ces métaux qui donnent naissance par décomposition thermique aux oxydes correspondants, par exemple les carbonates, les nitrates, etc... Un procédé pour le revêtement du zirconium et de.ses alliages 35 avec des composés du cuivre et du lithium, est décrit dans une demande de brevet déposée par la demanderesse en Italie le 13 Mai 1968 sous le N°36942-A/68 concernant le cuivrage du zirconium et de ses alliages par déplacement chimique. 69 15457 2 2008411 L'efficacité de ces germes peut être vérifiée en effectuant une soudure à l'arc en atmosphère d'argon avec ou sans matière d'apport ou bien par bombardement électronique sur différents alliages à base de zirconium. Selon une caractéristique de l'invention, des pièces de 5 soudure contenant une matière réduisant la grosseur des grains cristallins sont introduites dans la zone intéressant la soudure, cette matière étant constituée par des germes de formation de noyaux passant directement en fusion pendant l'opération de soudage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la matière 10 réduisant les dimensions de grains des cristaux est constituée par au moins un composé du cuivre ou du lithium déposé sur les pièces à souder par immersion dans un bain de CuC^ (ou de LiCl) en fusion sous atmosphère inerte à une température comprise entre 430°C et 620°C pendant une durée comprise entre 10 s et 20 mn. 15 Selon une autre caractéristique de l'invention, le réglage de la dqse et de la composition des germes pour un alliage donné permet de faire varier les caractéristiques physico-chimiques de la soudure obtenue. Il est possible aussi par un choix convenable de ces additifs d'accentuer dans la soudure la propriété requise pour une application spécifique. 20 L'utilisation de ces additifs ou matières de réduction du grain cristallin apporte aussi d'autres avantages importants, tels que l'amélioration de la fluidité du métal fondu dans la zone intéressant le soudage et dans le cas du soudage à l'arc, une réduction de l'intensité de courant nécessaire d'environ 40% par rapport aux autres modes de soudage 25 à l'arc. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus particulièrement des exemples suivants décrits en se référant au dessin annexé, sur lequel : - les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux 30 opérations de soudages effectués selon la présente invention.; La figure 1 représente le soudage à l'arc sous protection d'argon de tubes en Zircaloy-2 d'un diamètre intérieur de 106 mm et d'un diamètre extérieur de 110 mm. Les bords des extrémités 1 des tubes (une partie étant seule représentée en coupe pour simplifier) sont préparés à la 35 forme représentée, sont décapés et ensuite soudés sous atmosphère de gaz inerte par le procédé à l'arc sous protection d'argon en utilisant une électrode 2 en Zircaloy-2 d'un diamètre de 2 mm. L'extrémité de l'électrode est revêtue d'une couche 3 de chlorure de cuivre constituant les germes de 69 15457 3 2008411 formation des noyaux. Le rapport entre le chlorure de cuivre et l'électrode (c'est-à-dire la partie de l'électrode portant le revêtement) est de 5% en poids. La soudure est formée en une passe avec une intensité de courant d'arc de 50 A. L'effet produit par l'agent de réduction du grain est notable et il n'est constaté aucun grossissement des grains dans la soudure obtenue. La figure 2 illustre un exemple de soudage par bombardement électronique sans métal d'apport pour des tubes en alliage de zirconium à 2,5% de niobium. Les tubes utilisés pour cet essai ont un diamètre intérieur de 92 mm et un diamètre extérieur de 98 mm. Les extrémités 4 devant être soudées sont préparées à la forme représentée, sont décapées et ensuite revêtues de germes de formation de noyaux 5 avant d'être soudées par bombardement électronique de la façon indiquée par la flèche 6. L'addition de l'agent de réduction du grain peut avoir lieu soit par immersion de la partie à souder dans un bain de CuC^ fondu soit par application au pinceau sur la zone à souder d'une suspension d'un mélange de LiCl et de CUCI2 à 50% en poids dans de l'acétate d'isoamyle. Après séchage au four à 180°C, le soudage est effectué de la façon normale par bombardement électronique. Le rapport entre l'agent de réduction du grain et la matière fondue est de 5% en poida L'effet de l'agent de réduction du grain est notable dans ce cas aussi et il n'est pas constaté de formation de gros grains cristallins. Bien entendu, 1-p description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 69 15457 4 2008411 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour le soudage par fusion du zirconium et de ses alliages caractérisé par 1'introduction dans la zone de soudage de pièces contenant une matière réduisant le grain cristallin, cette matière consti- 5 tuant des germes de formation de noyaux passant directement en fusion pendant l'opération de soudage. 2 - Procédé pour le soudage par fusion du zirconium et de ses alliages selon la revendication 1 caractérisé en ce que la matière réduisant la grosseur des grains cristallins est un composé de cuivre ou du lithium 10 déposé sur les pièces à souder par immersion dans un bain de CuCl^ ou de LiCl sous atmosphère inerte à une température comprise entre 430°C et 62CfC pendant une durée de 10 s à 20 mn. 3 - Procédé pour le soudage par fusion du zirconium et de ses alliages selon l'une des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que la 15 matière réduisant le grain cristallin est déposée sur les extrémités des pièces à souder. 4 - Procédé pour le soudage par fusion du zirconium et de ses alliages caractérisé en ce que la matière réduisant le grain cristallin est déposée sur l'électrode participant à la fusion. 20 5 - Procédé pour le soudage par. fusion du zirconium et de ses alliages caractérisé en ce que le rapport entre la matière réduisant le grain cristallin et la matière à souder est de 5% en poids.