Brevet FR2522560A1 — publié le 19830909

La présente invention a pour objet un procédé et un dispositif pour la réalisation par soudage laser par impulsions d'éléments de structure de réacteurs nu- cléaires comme les grilles de mélange par exemple et plus généralement l'application d'une telle méthode à la réalisation de dispositifs comportant des pièces minces et de petites dimensions devant être soudées entre elles. Afin d'éviter les vibrations latérales des crayons combustibles dans les réacteurs nucléaires, on dispose de place en place le long des assemblages des dispositifs appelés "grilles de maintien' ou "grilles de mélange" Celles-ci se composent d'un ensemble de pla- ques minces se coupant perpendiculairement deux à deux et définissant ainsi un certain nombre de casiers dans lesquels sont maintenus les crayons Le liquide de re- froidissement circule entre ces plaques et les crayons et on peut équiper les grilles avec des ailettes, dites "ailettes de mélange", dont le plan forme un angle avec celui des plaques minces afin de dévier les courants liquides et d'homogénéiser le liquide de refroidisse- ment Les dimensions des grilles de mélange sont généra- lement très petites (épaisseur des plaques de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre et d L-ensions des casiers de l'ordre de 10 à 20 mm). A l'heure actuelle, les grilles de mélange sont le plus souvent réalisées en Inconel, alliage faci- le à souder notamment par brasage, mais ce métal présen- te l'inconvénient d'être sensible à la corrosion par l'eau, surtout dans les conditions difficiles régnant dans les coeurs de réacteurs nucléaires: la durée de vie des grilles s'en trouve donc réduite C'est pourquoi on s'est tourné vers d'autres alliages et plus particu- lièrement les alliages de zirconium tels que le Zircal- loy 4: ces derniers résistent bien à la corrosion par l'eau mais sont beaucoup plus difficiles à souder que l'Inconel et c'est pourquoi on ne les a pas utilisés jusqu'à ce jour pour cette application. En effet, les plaques en Zircalloy étant plus minces que les plaques en Inconel, une soudure par bra- sage est difficilement envisageable De plus, les gril- les étant de petites dimensions, on se heurte à des pro- blèmes de positionnement si on utilise des torches et on risque un échauffement important du métal: ceci peut entrainer des déformations des plaques et l'oxydation de celles-ci. La présente invention a justement pour objet d'éviter ces inconvénients grâce à un procédé de soudage d'une grille et notamment d'une grille en alliage de zirconium qui permet d'éliminer tout risque de déforma- tion et d'oxydation. Selon la principale caractéristique de ce pro- cédé, la grille comportant des plaques minces se coupant mutuellement et définissant ainsi un certain nombre de croisillons, les extrémités des plaques étant soudées à des plaques de ceinture et ces dernières étant soudées entre elles de manière à réaliser une ceinture externe de maintien, ce procédé comporte les étapes suivantes: on réalise un agrafage de chaque croisillon grâce à un point de soudure effectué au laser à au moins une ex- trémité du croisillon, toujours au laser, on soude les extrémités des plaques sur des plaques de ceinture, on soude entre elles les plaques de ceinture afin de réaliser une ceinture externe de maintien, et on effectue le soudage des croisillons tout le long des intersections des plaques. Le soudage par laser est la seule méthode à l'heure actuelle permettant de souder des grilles en al- liage de zirconium On utilise de préférence un laser à impulsions, ce qui permet de réduire l'échauffement des pièces et donc les risques de déformation. Ce procédé s'applique essentiellement dans le cas o les plaques minces se coupent à angle droit et sont perpendiculaires aux plaques de ceinture. Selon une autre caractéristique de ce procédé, on effectue les soudures de manière alternée, c'est-à- dire qu'on effectue les soudures dans deux angles dié- dres opposés de chaque croisillon et dans ces deux an- gles seulement, la disposition des soudures étant telle que l'on trouve successivement le long d'une plaque deux soudures sur une face, puis deux soudures sur l'autre face, et ainsi de suite jusqu'à l'extrémité de la pla- que. Avantageusement, et surtout dans le cas o les plaques se coupent à angle droit, on peut disposer le faisceau laser dans le plan bissecteur de chaque dièdre, de telle sorte qu'il fasse un angle d'environ 450 avec la ligne d'intersection des plaques. Suivant une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, on place un cadre rigide en allia- ge léger autour de la ceinture externe de maintien avant d'effectuer le soudage des croisillons le long des in- tersections des plaques. La fixation des plaques minces sur les plaques de ceinture se fait en soudant deux tenons prévus à cha- que extrémité des plaques dans deux mortaises prévues dans les plaques de ceinture, le soudage se faisant au laser, par points et avec recouvrement, afin d'obtenir une ligne de soudure continue. Selon une variante de ce procédé, on peut uti- liser des miroirs afin de dévier et diviser le faisceau laser, ce qui permet de réaliser plusieurs soudures si- multanément. Enfin, pour éliminer tout risque d'oxydation, on peut placer la grille dans une enceinte remplie d'un gaz neutre comme l'argon, l'une des parois de cette en- ceinte étant munie d'un hublot transparent pour le pas- sage du faisceau laser. L'invention a également pour objet une grille de mélange en alliage de zirconium obtenue par le procé- dé: celui-ci permet de réaliser des grilles sur les- quelles les lignes de soudure sont exemptes de toute pollution et de toute trace d'oxydation. L'invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé Ce dispositif com- porte essentiellement une source laser à impulsions, une enceinte contenant un gaz neutre et dans laquelle est placée la grille à souder, l'enceinte comportant un hu- blot transparent à la longueur d'onde du faisceau laser utilisé, et un jeu de miroirs permettant de diviser et dévier le faisceau afin de réaliser plusieurs soudures simultanément. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en référen- ce aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une vue schématique en pers- pective, partiellement éclatée, illustrant les diffé- rentes étapes du procédé objet de l'invention, la figure 2 est une vue schématique montrant la grille à souder, placée dans une enceinte contenant un gaz neutre, la figure 3 est une vue schématique en coupe suivant la ligne III-III de la figure 2, la figure 4 est une vue schématique en pers- pective illustrant le séquentiel de soudage de la grille représentée à la figure 2, la figure 5 est une vue agrandie de la par- tie inférieure de la grille de la figure 4, la figure 6 est une vue schématique montrant comment on peut diviser le faisceau laser à l'aide de miroirs afin de souder simultanément plusieurs plaques sur les plaques de ceinture, et la figure 7 est une vue schématique montrant comment on peut diviser le faisceau laser à l'aide de miroirs afin de souder plusieurs croisillons simultané- ment. Sur la figure 1, on voit que la grille 1 se compose d'un ensemble de plaques telles que 2 et 4 se coupant à angle droit et définissant un certain nombre de croisillons 6 Sur la figure, on a représenté quatre plaques telles que 2 et quatre plaques telles que 4 constituant deux familles de plaques parallèles entre elles et perpendiculaires aux plaques de l'autre famil- le. Le nombre de plaques représentées sur la figu- re a été réduit pour plus de clarté mais, en réalité, celles-ci sont beaucoup plus nombreuses C'est ainsi qu'à titre d'essai, on a appliqué le procédé à la réali- sation d'une grille en Zircalloy 4 avec deux familles de seize plaques ayant une épaisseur de 0,4 mm et formant des casiers ou cellules de 12,5 x 12,5 mm. Chaque cellule reçoit un crayon combustible tel que le crayon C représenté schématiquement en traits mixtes sur la figure 1, celui-ci étant maintenu par la force exercée par quatre ressorts prévus à l'intérieur de chaque casier (les flèches 3 symbolisent l'action de ces ressorts) Ceux-ci se présentent généralement sous la forme de lamelles élastiques découpées dans les pla- ques 2 et 4 Bien entendu, des fentes telles que 10 et 14 sont prévues le long des plaques 2 et 4 respective- ment afin qu'elles puissent s'imbriquer les unes dans les autres pour former les croisillons 6. La première étape du procédé consiste à réali- ser un agrafage préliminaire des croisillons par un point de soudure aux extrémités de ceux-ci Pour cela, les plaques 2 et 4 étant positionnées perpendiculaire- ment les unes aux autres, on réalise un point de soudure à chaque extrémité 7 des croisillons 6, le faisceau la- ser, symbolisé par la flèche Fl, étant placé suivant la ligne d'intersection des plaques 2 et 4. La deuxième étape consiste à fixer les extré- mités des plaques 2 et 4 sur des plaques 9 dites "pla- ques de ceinture" Pour cela, on prévoit à chaque extré- mité d'une plaque telle que 4 deux tenons 8 qui doivent s'encastrer dans deux mortaises 12 prévues dans la pla- que 9 Bien entendu, celle-ci comporte autant de groupes de deux mortaises 12 qu'il y a de plaques telles que 4 dans la grille La soudure des tenons 8 dans les mortai- ses 12 s'effectue toujours au laser, par points et avec recouvrement, afin de réaliser une soudure continue. Au-cours de l'étape suivante, on fixe les pla- ques de ceinture 9 entre elles pour réaliser la ceinture de maintien externe de la grille Les plaques 9 sont assemblées bord à bord par un cordon de soudure 13 réa- lisé au laser, toujours par points et avec recouvrement afin d'obtenir également une soudure continue Le fais- ceau laser est disposé à l'extérieur de la grille 1 afin d'éviter toute projection de soudure à l'intérieur de celle-ci. Avant de passer à la dernière étape du procé- dé, *qui est la réalisation des soudures tout le long des intersections des plaques 2 et 4, on entoure la grille d'un cadre de maintien en alliage léger (non représenté sur la figure 1) La soudure de chaque croisillon 6 se fait dans deux angles dièdres opposés, et dans ces deux angles seulement, parmi les quatre que définit l'inter- section des plaques 2 et 4 De plus, les soudures sont faites de manière alternée, c'est-à-dire qu'on réalise le long de chaque plaque 2 ou 4 successivement deux sou- dures sur une face, puis deux soudures sur l'autre face, et ainsi de suite jusqu'à l'extrémité de la plaque En d'autres termes, le plan bissecteur des deux dièdres o l'on effectue les soudures d'un croisillon est perpendi- culaire au plan bissecteur des dièdres correspondant aux soudures du croisillon suivant le long d'une plaque don- née Ceci permet de compenser les déformations dues au retrait de soudage et de réaliser un assemblage de gran- de précision Les essais qui ont été réalisés ont montré que, dans l'exemple particulier décrit ici o les pla- ques se coupent à angle droit, on obtenait les meilleurs résultats en disposant le faisceau laser, symbolisé par la flèche F 2, dans le plan P bissecteur de l'un des quatre dièdres formés par deux plaques 2 et 4 et de telle sorte qu'il fasse un angle de 450 avec la ligne d'intersection des plaques 2 et 4 Là encore, la soudure se fait par points avec recouvrement afin de réaliser une ligne de soudure continue Il est très important de réaliser un soudage symétrique, c'est-à-dire en plaçant le faisceau laser dans le plan bissecteur de chaque croisillon afin de limiter au maximum les déformations. Quant à l'angle entre la direction du faisceau et la ligne d'intersection des plaques, sa valeur idéale est de 45 dans l'exemple décrit ici o les plaques définis- sent des casiers carrés de 12,5 mm de côté sur une hau- teur de 6 mm, mais l'homme de l'art pourra modifier cet- te valeur en fonction des dimensions de la grille Tou- tefois, c'est avec un angle de 45 qu'on obtient les meilleurs résultats et on aura intérêt à choisir cette valeur chaque fois que ce sera possible La grille 1 est montée sur un support mobile, ce qui permet de la dépla- cer pour effectuer les soudures successivement sur tous les croisillons 6 Lorsque toutes les soudures sont ter- minées, on enlève le cadre de maintien en alliage léger. Dans le cas o les grilles sont réalisées en alliage de zirconium, ce qui est l'un des principaux objectifs de l'invention, on a intérêt à les placer dans une enceinte sous gaz neutre et munie d'un hublot per- mettant le passage du faisceau laser afin d'éviter toute oxydation au niveau des soudures Dans la plupart des cas, on utilise un laser à impulsions: l'énergie du faisceau est donc transmise de manière discontinue, ce qui limite l'échauffement des pièces et permet une sou- dure précise en diminuant considérablement les risques de déformation et d'oxydation. Un exemple de séquentiel de soudage est illus- tré par les figures 2 à 5 Sur la figure 2, on voit la grille 1 placée à l'intérieur d'une enceinte 5 remplie d'argon dont la paroi supérieure est un hublot en verre 11 permettant le passage du faisceau laser 17 La grille 1 est entourée d'un cadre en alliage léger 18. La vue en coupe de la figure 3 montre que l'enceinte 5 est placée sur un support 19, incliné à 450 par rapport à l'horizontale et déplaçable dans cette di- rection grâce à une vis 21 (direction x) Ce mouvement permet à l'extrémité du faisceau 17 (qui,lui, est fixe et vertical) de parcourir toute la longueur du croisillon 6 en faisant constamment un angle de 45 avec la ligne d'intersection des plaques L'ensemble est placé sur une table 27 permettant des déplacements verticaux (direc- tion z) ou horizontaux (direction y perpendiculaire au plan de la figure) afin d'amener successivement tous les croisillons sous le faisceau 17 Dans certains cas, il peut être commode de prévoir, à l'intérieur de l'encein- te 5, un dispositif M permettant de déplacer la grille 1 dans une direction perpendiculaire à la direction x. La figure 4 illustre le séquentiel de soudage. On dispose la grille de sorte que le croisillon A se trouve sous le faisceau et on effectue la soudure dans l'un des angles dièdres de ce croisillon Puis, on dépla- ce la grille de sorte que le faisceau suive le trajet symbolisé par la ligne 25 en effectuant la soudure dans l'un des angles de chaque croisillon, et ainsi de suite jusqu'au croisillons, en sautant éventuellement certains croisillons suivant la disposition finale désirée Puis on tourne la grille d'un quart de tour pour que le croi- sillon C vienne à la place du croisillon B et on effec- tue une autre série de soudures en suivant la ligne 26 jusqu'au point D Puis on retourne la grille et on fait la même chose sur l'autre face. La figure 5 illustre la dernière partie du sé- quentiel de soudage correspondant à la ligne 25 lorsqu'on arrive au voisinage du croisillon B On est en train d'effectuer la soudure dans un des angles dièdres du croisillon 33 après avoir fait la même chose aux croisillons 31 et 32 On arrivera ensuite au croisillon B Les autres soudures se feront au cours des séquences suivantes après rotation ou retournement de la grille. Les figures 6 et 7 illustrent une amélioration de ce procédé permettant de réaliser plusieurs soudures simultanément en divisant et en déviant le faisceau la- ser. Sur la figure 6, on voit que le faisceau 15 rencontre un premier miroir semi-réfléchissant 20 incli- né à 450 dont l'effet est de réfléchir une partie de l'énergie du faisceau 15 donnant un faisceau 15 a perpen- diculaire à ce dernier, et de transmettre un deuxième faisceau 15 b Le faisceau 15 a rencontre un autre miroir semi-réfléchissant 22 dont l'effet est le même que celui du miroir 20 Le faisceau 15 a se divise alors en un faisceau réfléchi 22 a et un faisceau transmis 22 b que deux miroirs à réflexion totale 35 et 36 renvoient sur l'intersection d'une plaque 2 avec une autre plaque de ceinture De même, le miroir 24 divise le faisceau 15 b en un faisceau réfléchi 24 a et un faisceau transmis 24 b que des miroirs à réflexion totale 37 et 38 renvoient sur une autre intersection d'une plaque 4 avec une pla- que de ceinture La disposition des miroirs est telle que les extrémités des faisceaux 22 a, 22 b, 24 a et 24 b soient chacune sur une face de la grille et disposées symétriquement, par exemple en face de la première in- tersection des plaques de ceinture avec les plaques 2 et 4 comme illustré sur la figure 6 Ceci permet, avec un seul faisceau laser, de réaliser quatre soudures simul- tanément et d'effectuer un soudage symétrique afin de limiter le plus possible les déformations En déplaçant la grille, on effectue successivement toutes les soudu- res d'extrémité. La figure 7 montre comment on peut réaliser la soudure des croisillons 6 à partir des deux faces de la grille après avoir fait pivoter celle-ci de sorte qu'elle se présente sur la tranche Le faisceau 40 tra- verse d'abord un dispositif de réfraction 16 qui le di- vise en un faisceau réfracté 40 a qui aboutit sur une face de la grille et un faisceau transmis 40 b Ce der- nier est renvoyé sur l'autre face de la grille par un miroir à réflexion totale 28 La disposition de l'ensem- ble est telle que les faisceaux 40 a et 40 b fassent un angle de 450 avec les lignes d'intersection des plaques 2 et 4 On peut ainsi souder deux croisillons simultané- ment ou les deux moitiés d'un même croisillon, chacune avec l'un des deux faisceaux Ceci permet encore de réa- liser un soudage symétrique afin de réduire les déforma- tions. L'homme de l'art pourra évidemment choisir le nombre et la disposition des miroirs afin de réaliser simultanément le plus grand nombre possible de soudures compte tenu de l'encombrement du dispositif et des per- il tes d'énergie chaque fois qu'un faisceau se divise au contact d'un miroir. Les essais qui ont été réalisés ont permis d'obtenir des grilles en Zircalloy 4 ne présentant pas de déformations et o les cordons de soudure étaient exempts de toute pollution et de toute oxydation Ces essais ont été réalisés avec un laser de longueur d'onde 1,06 jum dopé au néodyme et à impulsions relaxées. Ainsi, le procédé selon l'invention présente des avantages particulièrement intéressants, puisqu'il permet de réaliser des grilles de mélange de réacteurs nucléaires en alliages de zirconium avec précision et sans risque de déformation des pièces De plus, le fait de diviser le faisceau laser pour réaliser plusieurs points de soudure ou cordons de soudure simultanément augmente la rentabilité du processus et contribue à li- miter les déformations en permettant de réaliser un sou- dage symétrique Enfin, on peut prévoir l'automatisation du procédé grâce à la possibilité de diviser le faisceau et grâce à la précision mécanique des grilles qui faci- lite leur positionnement Quant aux applications, elles ne se limitent pas aux grilles de mélange de réacteurs nucléaires car ce procédé peut être utilisé pour la réa- lisation de tout dispositif dans lequel on est amené à souder des pièces minces et de petites dimensions. REVENDICATIONS 1 Procédé de réalisation par soudage laser par impulsions d'éléments de structure de réacteurs nu- cléaires et notamment d'une grille de mélange, ladite grille ( 1) comportant des plaques minces ( 2, 4) se cou- pant mutuellement et définissant ainsi un certain nombre de croisillons ( 6), les extrémités des plaques ( 2, 4) étant soudées à des plaques de ceinture ( 9) et ces der- nières étant soudées entre elles de manière à réaliser une ceinture externe de maintien, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: on réalise un agrafage de chaque croisillon ( 6) grâce à un point de soudure effectué au laser à au moins une extrémité ( 7) du croisillon ( 6), toujours au laser, on soude les extrémités des plaques ( 2, 4) sur des plaques de ceinture ( 9), on soude entre elles les plaques de ceinture ( 9) afin de réaliser une ceinture externe de maintien, et on effectue le soudage des croisillons ( 6) tout le long des intersections des plaques ( 2, 4). 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'on dispose les plaques minces ( 2,4) de sorte qu'elles se coupent à angle droit et soient per- pendiculaires aux plaques de ceinture ( 9 >. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on effectue les soudures dans deux angles dièdres opposés de chaque croisillon ( 6). 4 Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce qu'on effectue successivement le long de cha- que plaque ( 2, 4) deux soudures sur une face puis deux soudures sur l'autre face de ladite plaque et ainsi de suite jusqu'à l'extrémité de celle-ci. Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisé en ce qu'on dispose le fais- ceau laser dans le plan bissecteur de chaque dièdre, de telle sorte qu'il fasse un angle d'environ 450 avec la ligne d'intersection des plaques ( 2, 4). 6 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 5, caractérisé en ce qu'on place un cadre rigide en alliage léger autour de la ceinture externe de maintien avant d'effectuer le soudage des croisillons ( 6) le long des intersections des plaques ( 2, 4). 7 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce qu'on effectue la fixa- tion des plaques ( 2, 4) sur les plaques de ceinture ( 9) en soudant deux tenons ( 8) prévus à chaque extrémité des plaques ( 2, 4) dans deux mortaises ( 12) prévues dans les plaques de ceinture, le soudage se faisant au laser, par points, avec recouvrement, afin d'obtenir une ligne de soudure continue. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce qu'on utilise des mi- roirs afin de dévier et diviser le faisceau laser, ce qui permet de réaliser plusieurs soudures simultanément. 9 Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 8, caractérisé en ce qu'on place la grille ( 1) dans une enceinte ( 5) remplie d'un gaz neutre, l'en- ceinte ( 5) présentant un hublot ( 11) permettant le pas- sage du faisceau laser. Dispositif pour la mise en oeuvre du pro- cédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend: une source émettant un faisceau laser impulsionnel, une enceinte ( 5) remplie d'un gaz neutre dans laquelle est placée la grille à souder, ladite enceinte ( 5) comportant un hublot ( 11) transparent à la longueur d'onde du faisceau émis par ladite source, et un jeu de miroirs ( 16, 28) permettant de diviser et dévier le faisceau afin d'effectuer plusieurs soudures simultanément. 11 Grille de mélange de réacteur nucléaire en alliage de zirconium obtenue par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce qu'elle présente des lignes de soudure exemptes de toute oxydation et de toute pollution.