Brevet FR2177809A1 — publié le 19731109

La présente invention se rapporte aux barreaux combustibles nucléaires et plus particulièrement à un bouchon et une gaine de formes améliorées, permettant une meilleure fermeture des barreaux par soudage. Dans la technique nucléaire on utilise généralement pour les barreaux combustibles, des bouchons du type encastré, parce qu'ils permettent un centrage aisé du bouchon sur la gaine lors du soudage. Ce type de bouchon, représenté à la Figure Ia pour la clarté du texte, ne permet toutefois pas un bon équilibre de masse entre la gaine et le bouchon, et risque d'endommager la gaine lors de la soudure TIG. En effet, pour faire fondre le bouchon dans la zone du joint, il faut développer une énergie très importante qui risque de brûler ou de percer la gaine. Par ailleurs, l'utilisation d'un tel bouchon donne lieu à une discontinuité de la surface métallique des barreaux fermés, et à une discontinuité des masses au niveau de la racine de la soudure, ce qui tend à engendrer des fissures. Un autre type de bouchon, représenté à la figure Ib, fixé bout à bout à la gaine, ne donne pas lieu à ce désavantage de discontinuité dans la masse métallique et présente de plus, l'avantage d'un équilibre de masse idéal. I1 est d'ailleurs d'application courante pour la fermeture de tuyaux dans les branches classiques de la technique. Pour la fermeture des barreaux combustibles, ce type de bouchon n'est que peu utilisé, étant donné que le centrage du bouchon sur la gaine est difficile à réaliser lors du soudage TIG. D'autres méthodes de soudage telles que résistance, étincelage, etc ... , permettent un bon guidage du bouchon sur la gaine à l'aide des pinces de serrage, mais ne sont pas encore généralisées dans la technique nucléaire. La présente invention propose une méthode de fermeture ainsi qu'un bouchon amélioré qui peut être soudé bout à bout sur la gaine à l'aide d'un soudage TIG, tout en permettant un centrage facile du bouchon sur la gaine. I1 est bien entendu que le terme soudage TIC, doit être compris dans un sens large et inclut également d'autres procédés de soudage similaires tels que soudage par plasma etc ... La méthode selon l'invention consiste à chanfreiner les bords de la gaine et ceux du bouchon, de sorte que ces bords jouent un rôle autocentreur lors du soudage de ceuxci. Selon une formesd'exécution particulière de l'invention, le bord de la gaine est usiné obliquement dans le sens d'enlèvemement de matériau vers la paroi intérieure (cette partie chanfreinée sera désignée ci-après par "cône femelle") et le bord du bouchon est usiné obliquement dans le sens d'enlèvement de matériau vers la paroi extérieure (cette partie chanfreinée sera désignée ci-après par "cône mâle"). On obtient dès lors deux cônes complèmentaires. Selon une forme d'exécution préférentielle de l'invention, l'angle aigu cf formé par l'axe de la gaine et une droite tangente au chanfrein, se situera entre I50 et 750, et de préférence entre 300 et 600. Si l'anglet est inférieur à I50, les pointes formées deviennent trop longues et nécessitent un cordon de soudure trop large. Par contre, si l'angle t est supérieur à 750, le centrage des pièces ne se fait plus aussi correctement. Selon une forme d'exécution avantageuse, les arêtes vives du chanfrein sont cassées avant l'utilisation, afin d'éviter une déformation des bords lors du centrage. Selon une forme d'exécution particulièrement avantageuse, on utilise un bouchon dont le diamètre interne est légèrement plus petit que le diamètre interne de la gaine. On obtient ainsi un meilleur support du bain métallique, ce qui permet de garantir la pénétration du métal fondu, tout en réduissant le risque d'effondrement. Cette légère différence d'épaisseur qui sera de l'ordre de dixièmes de millimètre doit toutefois être limite afin de ne pas réduire l'avantage de l'équi- libre thermique. Selon une forte d'exécution avantageuse et préférentielle, le touchon aura une légère surépaisseur dans la zone de métal à fondre, afin de disposer de métal d'apport en bordure du joint, ce qui peut renforcer la section du cordon de soudure lors du soudage. L'invention sera décrite ci-après plus en détail à l'aide d'exemples nullemcnt limitatifs, en se référant aux figures ci-annexées, qui représentent: - les figures 2a, sa et 4a, des coupes transversales de trois modes de mise en application suivant l'invention ; - les figures 2b, 3b et 4b, des agrandissement des parties encerclées des figures 2a, 3a et 4a respectivement. EXEMPLE I. Les figures 2a et 2b représentent un bouchon cylindrique I en Zircaloy dont la partie supérieure est fermée. La partie cy- lindrique forme une partie tubulaire 4, dont le diamètre extérieur est I0,75 mm et le diamètre intérieur 9,30 m. Ce bouchon I est soudé bout a bout sur une gaine cylindrique 2 également en Zircaloy et ayant les mêmes dimensions intérieures et exte- rieures que la partie tubulaire 4 du bouchon I. A cet effet, l1extrémité de la gaine et celle de la partie tubulaire 4 du bouchon sont usinées suivant l'invention de façon que le bouchon présente un cône femelle dont l'angle t est de 600. Le chanfrein de la gaine qui forme un cône mâle présente également un angle de 600. Afin d'éviter des déformations lors du centrage, l'arête vive 5 du bouchon ainsi que l'arête vive 6 de la gaine sont coupées sur une épaisseur de O,I mm. Le bouchon est ensuite soudé sur la gaine à l'aide du procédé TIG. Les conditions de soudage sont reprises au Tableau I ci-après et comparées aux conditions nécessaires pour obtenir une même soudure à l'aide d'un bouchon encastré tel que ccuramment utilisé selon l'état de la technique, et montré à la Figure Ia. TABLEAU I Paramètre de soudage Soudure bout Soudure sur bouchon à bout encastré Intensité IO Ampères 37 Ampères Tension I9 Volts I8 Volts Vitesse de rotation IO t/min 6 t/min Nombre de révolutions I,3 I,3 de soudage Gaz de soudage hélium hélium Ce tableau montre clairement que pour obtenir une même soudure, le procédé selon l'invention présente une sérieuse économie d'énergie. En effet, il faut 27 Ampères de plus pour souder convenablement un bouchon du type classique. EXEMPLE 2. Un bouchon II (Figures 3a et 3b) en acier, du même type que celui de l'exemple I, est soudé bout à bout sur une gaine I2, également un acier. La partie tubulaire I4 du bouchon présente un diamètre extérieur de 6 mm et un diamètre in térieur de 5 mm, tandis que la gaine présente un diamètre extérieur de 6 mm et un diamètre intérieur de ,24 mm. Les bords du bouchon et de la gaine sont chanfreinés de façon à former un angle q de 300, et de sorte que le bouchon présente un cône mâle et la gaine un cône femelle. Les arêtes vives I5 et I6 sont coupées sur une épaisseur de 0,05 mm. Ce bouchon est soudé sur la gaine à l'aide du procédé TIG. Les conditions de soudage sont reprises au Tableau II ci-après également comparées à celle nécessaires pour un bouchon classique. TABLEAU II. Paramètre de soudage Soudure bout Soudure sur bouchon bout encastré Intensité 4 Ampères I2 Ampères Tension 20 Volts Io Volts Vitesse de rotation 10 t/min IO t/min Nombre de révolutions I,3 2 de soudage Gaz de soudage hélium hélium I1 est S remarquer que, le diamètre interne du bouchon étant légereme?t plus petit que le diamètre de la gaine, le cone mâle présente un bon support du bain métallique au cours du soudage. EXEMPLE 3. Un bouchon 21 (Figures 4a et 4b) en acier, du même type que celui de l'exemple I, est soudé bout à bout sur une gaine 22, également en acier. La partie tubulaire 24 du bouchon présente un diamètre extérieur de 9,5 mm et un diamètre intérieur de 8,2 mm. L'extrémité de la partie tubulaire 24 présente un bourrelet 27 sur une hauteur de I cm, de façon à former un diamètre extérieur de 9,7 mm à cet endroit. La gaine présente un diamètre extérieur de 9,5 mm et un diamètre intérieur de 8,5 mm. Les bords du bouchon et de la gaine sont chanfreinés de façon à former un angle cl de 450, et de sorte que le bouchon présente un cône mâle et la gaine un cône femelle. Les arêtes vives 25 et 26 sont coupées sur une épaisseur de O,I mm. Le bouchon est ensuite soudé sur la gaine à l'aide du procédé TIG. Les conditions de soudage sont reprises au Tableau III ci-après, et comparées à celles nécessaires pour un bouchon classique. TABLEAU III. Paramètre de soudage Soudure bout Soudure sur bouchon à bout encastré Intensité 6 Ampères 25 Ampères Tension 20 Volts I8 Volts Vitesse de rotation IO t/min 8 t/min Nombre de révolutions 2 2 de soudage Gaz de soudage hélium hélium Etant donné d'une part, que le bouchon a une légère surépaisseur dans la zone du métal à fondre, et, d'autre part, que le diamètre intérieur du bouchon est lOgère- ment plus petit que le diamètre intérieur de la gaine, on dispose selon cet exemple d'un bon support du bain métallique, ainsi que d'une bonne quantité de métal d'apport en bordure du joint, pouvant renforcer la section du cordon de soudure lors du soudage. Les principaux avantages du procédé selon l'invention vis-à-vis des méthodes classiques utilisant un bouchon du type encastré, sont énumérés ci-après. I. Egalité des masses à fondre sur le bouchon et sur la gaine, ce qui permet de souder avec une énergie nettement plus ré duite et d'assurer un meilleur équilibre thermique. Cet équi- libre thermique réduit l'effet des contraintes de retrait et les tensions dans la zone de soudure. 2. Continuité de la masse métallique des barreaux fermés. 3. Absence d'amorce de fissure à la racine de la soudure. 4. Réduction de l'énergie de soudage, d'où une économie dtinves- tissement du point de vue de la source de courant et de la consommation électrique. 5. Amélioration nette de la sensibilité du contrôle radiographique de soudure, suite à la réduction de l'épaisseur du bouchon à radiographier. 6. Soudage simplifié suite à l'influence négligeable de la forme et de la masse du bouchon sur l'écoulement thermique. I1 est évident que les formes de mise en application de l'invention telles que décrites ci-avant, ne sont nullement limitatives et que diverses modifications ou améliorations peuvent y être apportées par l'homme de l'art sans s'écarter de l'esprit de l'invention. Les lettres TIG, utilisées pour désigner le procédé de soudure, indiquent qu'il s'agit d'une soudure au tungstène en atmosphère inèrte. REVENDICATIONS I. Procédé de fermeture d'un barreau combustible nucléaire à l'aide d'un soudage TIG d'une partie tubulaire d'un bouchon sur une gaine, caractérisé en ce qu'on chanfreine avant le soudage les extrémités da la gaine et de la partie tubulaire du bouchon de façon à former des cônes complèmentaires. 2. Procédé suivant la revendication I, caractérisé en ce que le bouchon est chanfreiné de façon à présenter un cône mâle, et la gaine de façon à présenter un cône femelle. 3. Procédé de fermeture suivant la revendication I ou 2, caractérisé en ce qu l'angle aigus( formé par l'axe de la gaine et une droite tangent à un des cônes formés se situe entre I50 et 750. 4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'angleO 5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que l'arête vive du chanfrein est cassée avant le soudage. 6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le diamètre interne de la partie tubulaire du bouchon est légèrement plus petit que le diamètre interne de la gaine. 7. Procédé suivant l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que la partie tubulaire du bouchon comporte une légère surépaisseur extérieure dans la zone de soudure. 8. Bouchon du type comprenant une partie tubulaire, caractérisé en ce que l'extrémité de cette partie est chanfreinée suivant l'une quelconque des revendications I à 5.