Brevet FR2324405A1 — publié le 19770415

L'invention concerne, d'une part, un procédé pour la fabrication d'éléments en acier, à parois épaisses et symétriques par rapport à leur axe de rotation et notamment, pour la fabrication de réacteurs nucléaires pour lesquels la paroi est réalisée à l'aide de plusieurs électrodes fusibles, par l'intermédiaire du procédé de soudure par apport de métal en couches superposées dans le sens vertical de bas en haut et, d'autre part, une installation pour la mise en oeuvre de ce procédé. Dans le domaine de la construction des récipients à grande capacité et en particulier dans celui de la construction des réacteurs nucléaires, les exigences vont de plus en plus vers des objets toujours plus grands et toujours plus lourds, tels des réservoirs à pression, des brides circulaires, des anneaux porteurs voire des tubulures A partir d'une certaine importance, le principe du forgeage sans joints ne peut plus s'appliquer à la fabrication de ces éléments étant donné qu'à ce niveau on ne dispose plus ni de presses à forger, ni d'installations de traitement thermiques répondant aux besoins nouveaux. Par ailleurs, on se heurte également aux problèmes posés par le transport de ces éléments.On sait par exemple qu'à l'heure actuelle il ne peut pas être fait appel au forgeag###t#irr la réalisation d'éléments circulaires d'un diamètre supérieur à 10m. Pour la fabrication d'éléments importants en acier, symétriques par rapport à leur axe de rotation, an fait couramment appel à la soudure par superposition de métal, qui, sans aucune difficulté, peut s'appliquer sur le lieu d'implantation définitif tout en évitant les difficultés inhérentes au forgeage. Il existe déjà un procédé utilisé pour la fabrication d'un réservoir à pression à paroi épaisse pour réacteurs nucléaires selon lequel la paroi du réservoir est réalisée à l'aide de plusieurs électrodes fusibles, par superposition continue de couches de métal dans le sens vertical. Ce procédé connu prévoit la fabrication de la paroi porteuse au cours d'une seule opération qui consiste à superposer, à l'aide d'électrodes décalées les unes par rapport aux autres, dans le sens périphérique, plusieurs cordons de soudure accolés dans le sens radial en fonction de l'épaisseur voulue, sur la face extérieure d'un mince revetement intérieur en acier inoxydable L'inconvénient de ce procédé connu réside dans le fait que la chaleur dégagée au cours des opérations de soudure par apport de métal en couches superposées, provoque le déjettement du revêtement intérieur à paroi mince du réservoir à grande capacité. Un autre inconvénient apparait dans le nombre limité des électrodes à mettre en place, étant donné que dans le procédé connu ces électrodes sont décalées les unes par rapport aux autres dans le sens périphérique du réservoir et disposées de manière telle que chaque cordon de soudure s'étend partiellement sur le cordon précédent et se fixe à lui par la fusion partielle des deux cordons. Pour des raisons d'ordre métallurgique, les différents cordons ne peuvent entre mis en place, dans de nombreux cas, qu'après un certain refroidissement de la couche porteuse précédente, ce qui exige bien entendu un certain temps. La baisse de température à 2000C d'un cordon de soudure, réalisé à 600 A, exige environ 5 minutes. Avec le procédé connu, les électrodes, dont la vitesse de travail atteint 400 mm/minutes, devraient être distantes de 2000 mm l'une de l'autre pour respecter la température de 200"C aux cordons de soudure, ce qui limiterait à seulement 3 le nombre d'électrodes à mettre en place sur un éléments qui est symétrique par rapport à son axe de rotation et qui accuse un diamètre de 2000 mm. Finalement l'utilisation de différents métaux pour la soudure par apport de métal en couches superposées d'après le procédé connu augmente encore les risques étant donné que la soudure d'une tole en acier inoxydable avec des électrodes à ferrite est très problématique. L'invention se propose d'apporter un procédé de fabrication d'éléments en acier à parois épaisses à l'aide d'un système de soudure, par apport de métal en couches superposées, à grande vitesse, offrant la possibilité d'utiliser des métaux différents en vue d'obtenir des éléments d'une résistance homogène, d'une bonne qualité superficielle et ne présentant que des écarts très faibles par rapport aux dimensions de base. De plus, il incombe à l'invention de réaliser un dispositif permettant l'application du procédé propose. Le problème à la base de l'invention est résolu par le fait que plusieurs cloisons, comportant chacune plusieurs cordons de soudure et formant la paroi de l'élément, sont érigées par l'application simultanée du métal par les électrodes alignées en rangées dans le sens radial de t'élétnent en voie de fabrication et se déplaçant sur toute l'épaisseur de chaque cloison de manière telle que chaque cloison s'érige sous l'action de 1' électrode qui lui est coordonnée dans le sens radial de l'élément et en s'accolant à la cloison contiguë. Une variante de l'objet de l'invention permet de constituer les différentes cloisons à l'aide de matériaux différents. Pour éviter les fissures, il est particulièrement recommandé de faire alterner cote à cote une cloison à haute résistance et à limite d'allongement élevée avec une cloison de très grande dureté. En vue d'augmenter la résistance de 11 élément en voie de fabrication, l'invention prévoit de constituer la cloison extérieure et/ou la cloison intérieure à l'aide d'un matériau inoxydable à chaud, non corrosif, et/ou résistant à l'action de l'hydrogène. Dans le cas où la cloison extérieure et/ou la cloison intérieure est constituée par un acier austénitique inoxydable, il est particulièrement avantageux de réduire dans le sens axial la hauteur de cette cloison par rapport aux autres. Le procédé proposé est réalisé conformément à l'invention à l'aide d'une installation comportant un système d'entraînement rotatif, un dispositif de commande et une rampe de soudage laquelle comporte un bras se déplaçant dans le sens radial de l'élément en voie de fabrication et portant plusieurs électrodes, utilisées essentiellement pour la soudure sous poudre protectrice et se déplaçant également dans le sens radial de l'élément en voie de fabrication, alors que le dispositif de commande régle la vitesse de rotation du système d'entraînement rotatif, ainsi que les opérations de fabrication des cloisons. Comparée aux procédés traditionnels de soudure, par apport de métal en couches superposées, la présente invention augmente sensiblement la vitesse de soudure sans provoquer pour autant des effets négatifs sur la qualite de l'élément réalisé. De plus, le procédé défini par l'invention permet l'utilisation de matériaux de qualités différentes pour la réalisation des différentes cloisons sans provoquer des risques susceptibles d'entraver la sécurité. En faisant alterner une cloison de haute résistance avec une cloison de grande dureté, on évite avantageusement la formation de fissures. Dans le cas où les élément s saut dotés d'une cloison protectrice extérieure et/ ou intérieure en acier austénitique inoxydable, on acquiert, par l'invention, l'assurance que l'acier austénitique est toujours soudé sur la cloison en acier ferritique et que le cas contraire, à éviter, ne se produit ainsi jamais. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés, d'exem- ples de réalisation non limitatifs. Sur ces dessins la figure 1 représente, en coupe longitudinale, un dispositif selon l1inven- tion, ainsi qu'un élément cylindrique en voie de fabrication et la figure 2 illustre le processus de fabrication d'un élément dont les cloisons se composent de deux aciers ferritiques différents et dont la cloison inférieure est en acier austénitique. Sur le dispositif d'entraînement rotatif 1, dont la vitesse de rotation limite entre 100 et 1000 mm/minute la cadence de la soudure sur la circonférence de l'élément en voie de fabrication, se trouve un support 2, en forme d'étoile, à poutres en T sur lequel repose la couronne d'appui 3. L'élément à fabriquer cy#lindrique 4, symétrique par rapport à son axe de rotation, repose sur la couronne d'appui 3. La paroi de l'élément 4 comporte plusieurs cloisons 5, qui, dans l'exemple de la figure 1, se composent d'un même matériau Le nombre des cloisons 5 est variable d'une pièce à l'autre, mais se situe, en règle générale entre 2 et 8. L'élément à fabriquer 5 se constitue d'une manière continue, de bas en haut et dans le sens de l'axe de rotation 6.Les cloisons 5 s'érigent sous l'action de la rampe de soudage 7, qui se déplace de bas en haut et dans le sens de l'axe de rota- - tion 6. La rampe de soudage 7 comporte le bras 8 et le dispositif de fixation, porteur des électrodes 9. Le bras 8 se déplace dans le sens du rayon 14 de l'élément à fabriquer 4 à l'effet de quoi l'ensemble des électrodes 9 peut être déplacé sur une meme distance. Chacune des cloisons 5 se crée sous l'action de l'électrode 9 correspondante. Les électrodes 9 sont aménagées en rang et peuvent ainsi etre déplacées simultanément sur toute l'épaisseur 16 des cloisons 5 correspondantes.La vitesse de rotation du dispositif d'entraînement 1, ainsi que les mouvements de la rampe de soudage 7 du bras 8 et des électrodes 9, tout comme d'ailleurs la quantité de métal à appliquer sont commandés, par l'intermédiaire des conduites i11, 12, 13, par le dispositif à commande programmée 10. Chacune des cloisons 5 comporte plusieurs cordons de soudure 15. Pour réaliser ces cloisons 5 on applique, par exemple, pendant la durée d'une rotation complète du dispositif d'entrafnement rotatif 1, tous les cordons de soudure intérieurs 15a des différentes cloisons 5. Puis, on déplace le bras 8 sur une certaine distance vers l'extérieur dans le sens du rayon 14, puis, pendant la durée d'une nouvelle rotation complète, on applique les cordons de soudure 15b. Les temps pratiqués jusqu'à présent sont suffisants pour permettre aux cordons de soudure 15a de se refroidir et d'atteindre la température voulue.Après l'application des cordons de souE dure 15b3 on applique les cordons 15c, qui s'accolent aux cordons de soudure 1 5a de la cloison contiguë extérieure voisine L'application des cordons de soudure peut s'effectuer dans le sens radial soit de l'intérieur vers l'extérieur, soit de l'extérieur vers l'intérieur, soit aussi en alternant les deux possibilités. Des épaississements, respectivement des étranglements, peuvent etre obtenus sur l'élément 5 à fabriquer en isolant ou en enclenchant certaines électrodes 9 pendant une certaine période, voire pendant plusieurs tours de rotation (voir les électrodes 9a et 9b de la figure 2).Il est possible, par ailleurs, de maintenir la cloison intérieure ou la cloison extérieure à un niveau différent de celui des autres cloisons 5 (Voir cloison Se de la figure 2). On fait notamment appel à cette technique lorsqu'il s'agit de réaliser une cloison en acier inoxydable. Finalement on peut faire varier l'épaisseur des zones extérieures ou intérieures 5 en isolant momentanément les électrodes 9 correspondantes. Le grand diamètre des éléments à fabriquer 4 exige en règle générale un plan de soudure horizontal. Pour les éléments à diamètre de moindre importance, il peut arriver que les électrodes extérieures 9 restent seules en service pendant une certaine période ou qu'elles travaillent avec une puissance de soudure accrue, étant donné que les cloisons 5 extérieures exigent une p lus grande quantité de métal que les cloisons 5 intérieures. Les différentes cloisons 5 comportent en général 3 à 10 cordons de soudure 15 d'une largeur de 10 à 20mm et d'une hauteur variant entre 3 et 6 mm. Les métaux énumérés ci-après se sont révélés particulièrement efficaces a) métal ferritique à haute résistance : S 3 NiMoCr b) métal ferritique à grande dureté : S 2 Ni c) métal austénitique : X5 Cr NiMoNb 19 10. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication d'éléments en acier à parois épaisses et symétriques par rapport à leur axe de rotation et notamment pour la fabrication de réacteurs nucléaires sur lesquels la paroi est réalisée, à llai- de de plusieurs électrodes fusibles, par l'intermédiaire d'un procédé de soudure par apport de métal en couches superposées dans le sens vertical de bas en haut, caractérisé en ce que plusieurs cloisons, comportant chacune plusieurs cordons de soudure et formant la paroi de l'éléments sont érigées par l'application simultanée du métal par des électrodes disposées en rangées dans le sens radial de l'élément en voie de réalisation et se déplaçant sur toute l'épaisseur de la cloison de manière telle que chaque cloison s'érige, sous l'action de l'électrode qui lui est coordonnée, dans le sens radial de l'élément en voie de réalisation et en s accolant à la cloison contiguë. 2 - Procédé selon la revendication I, caractérisé en ce que les différentes cloisons sont constituées à l'aide de matériaux différents 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des cloisons à haute résistance et à limite d'allongement élevée alternent avec des cloisons de très grande dureté. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la cloison intérieure et/ou la cloison extérieure se compose d'un matériau inoxydable à chaud, non corrosif et/ou résistant à l'action de l'Hydrogène. 5 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cloison extérieure et/ou la cloison intérieure est limitée, dans le sens axial de l'élément en voie de réalisation, à une hauteur inférieure à celle des autres cloisons. 6 - Installation pour la mise en oeuvre du procédé défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'elle comporte un système d'entraînement rotatif (1) un dispositif de commande (10) et une rampe de soudage (7) laquelle se compose d'un bras (8) se déplaçant dans le sens radial de l'élément en voie de réalisation(4) et portant plusieurs électrodes utilisées essentiellement pour la soudure sous poudre protectrice et se déplaçant également dans le sens radial de l'élément en voie de réalisation (4) alors que le dispositif de commande (10) règle la vitesse de rotation du système d'entrainement rotatif (1) ,ainsi que les opérations de réalisation des cloisons (5).