Brevet FR2528329A1 — publié le 19831216

Méthode pour l'application automatique et programmée de couches de matériau, et équipement pour la réalisation de cette méthode. L'invention a pour objet la réalisation d'une nouvelle méthode d'application par fusion de couches de matériau sur des pièces de n'importe quelle forme et dimension, notamment sur des composants structurels des éléments du combustible et du coeur des réacteurs nucléaires, ainsi qu'aux équipements nécessaires à la réalisation de cette méthode. Cette méthode permet de réaliser des applications complètement automatisées de couches, selon un programme établi auparavant en fonction de la géométrie de la pièce, du type de matériel de base et de l'épaisseur du matériau à appliquer en couches. On connaît déjà une méthode manuelle ou semi-automatique d'application de couches par dépôt obtenue par "pulvérisation" (spray) et fusion successive du matériau sous une forme qui pourtant ne garantit ni la fiabilité, ni la reproductibilité imposées, dans le domaine nucléaire, aéronautique, chimique etc., par les mesures de sécurité des installations. En effet, avec le système manuel, il n'est pas possible d'enregistrer les différents paramètres du processus d'application des couches, c'est-a-dire la vitesse, le courant de soudure, la tension de l'arc, la position du chalumeau par rapport à la pièce. Pour parer à ces inconvénients, il a été mis au point une méthode permettant de réaliser des applications entièrement automatiques de couches, selon un programme établi au départ, en fonction de la géométrie de la pièce, du type du matériau qu'on désire appliquer en couches, du type de matériel de base et de l'épaisseur devant être atteinte par les couches du matériau à appliquer. Crace à cette méthode, l'invention apporte un progrès fondamental par rapport à la technique antérieure d'application de couches de matériau sur des pièces. Les équipements prévus par l'invention pourront être utilisés lors de plusieurs processus de soudure déjà bien connus : notamment la technique "TIG" (sigle communément utilisé pour "Tungsten inert gas"), à Plasma, à Nicro-Plasma, ainsi que leurs variantes. Le champ d'application de cette invention est très étendu; elle peut être utilisée, par exemple, pour des applications de couches de matériaux (Stellite, Inconel, etc) sous forme de fils ou de baguettes sur des pièces en matériaux ferreux ou non ferreux, cylindriques, creuses, planes ou ayant une géométrie polygonale. Le matériau à appliquer en couches est déposé sur des composants mécaniques de n'importe quelle forme et dimension, en vue d'assurer une plus grande résistance à l'usure, à la corrosion, aux sollicitations dynamiques, etc. des composants structurels appartenant à 'des équipements et structures d'installations mécaniques, chimiques, aéronautiques, nucléaires, etc. Une application typique de cette invention est représentée par l'application de couches de matériaux durs (par exemple, Stellite) sur des composants structurels des éléments du combustible ou du coeur des réacteurs à neutrons rapides réfrigérés au sodium, voire sur quelques éléments du réacteur nucléaire lui-même. La méthode de la présente invention comprend essentiellement les phases suivantes 1) programmation indépendante des 5 mouvements suivants translation verticale, horizontale et orthogonale du chalumeau et du matériau à appliquer. Rotation autour de l'axe horizontal ou de l'axe vertical du corps sur lequel l'application doit être effectuée. 2) Combinaison de deux ou plus des 5 mouvements pos sibles; par exemple, an peut établir sur le méme programme la rotation horizontale de la pièce et la translation orthogonale du chalumeau et du matériau à appliquer; ou bien la rotation verticale de la pièce et la translation orthogonale du chalumeau et du matériau à appliquer, etc. 3) Programmation du cycle entier d'application; par exemple,préchauffage, application de la première couche, application des autres couches jusqu'à obtention de l'épaisseur demandée, refroidissement jusqu'à la température demandée. 4) Alimentation du matériau à appliquer en vitesse constante ou bien en vitesse variable, prévue dans le programme au point 2). 5) Assemblage avec des systèmes d'enregistrement des paramètres'd'application (vitesse, courant de soudure, tension de l'arc, position du chalumeau par rapport à la pièce). 6) Mémorisation des données de positionnement et de soudure permettant de redémarrer à partir de la même position ou d'une position établie précédemment par rapport à la zone de vérification d'un incident. L'invention est d'ailleurs ci-après décrite sous une forme préférée de réalisation, qui est illustrée dans les figures 1, 2, 3 et 4, qui sont données à titre d'exemple mais qui ne sont pas exhaustives. La figure 1 représente une vue en perspective de l'installation pour l'application automatique et programmée des couches du matériau, selon cette invention. Dans cette figure, on indique par (1) le chalumeau de soudure (du type "TIG" ou à PLASMA ou à MICRO-PLASMA) ou n'importe quelle source de chaleur permettant la fusion du matériau à appliquer (2) et du matériel de base (4) (corps sur lequel l'application est effectuée). Le repère (3) indique le chariot tridimensionnel (comprenant les trois chariots (17) de la figure 4) qui permet de déplacer le chalumeau (1) et le matériau à appliquer (2) selon les trois axes cartésiens (translation verticale (6), horizontale (7) et orthogonale (8)). On indique par (5) le mandrin quipermet la rotation du corps (4) autour d'un axe horizontal (10) et/ou vertical (9) par rapport au plan de l'ensemble du chariot (3). La figure 2oreproduit un schéma synoptique illustrant le dispositif nicessaire pour obtenir la translation verticale, horizontale et orthogonale du chariot, qui est rigidement assemblé au chalumeau. Le moteur électrique à courant continu 11, par exemple à aimants permanents, alimenté et dirigé par l'intermédiaire du régulateur (12), actionne le chariot (17) grâce aux réducteurs de vitesse (15) et (16), à travers l'embrayage électro-magnétique (14), commandé par le dispositif (13). Ce dernier présélectionne les vitesses de translation : faibles (15 > et hautes (16). L'embrayage électro-magnétique (14) permet d'obtenir une vitesse optimale de soudure ou bien d'approche du matériau à appliquer dans la zone où l'application doit être effectuée. La figure 2b illustre les moyens qui commandent la rotation autour de l'axe horizontal et/ou de l'axe vertical du mandrin (5). Le moteur électrique (18) à courant continu à aimants permanents, qui est alimenté et commandé par l'inter- médiaire du régulateur (19), actionne le mandrin (5) grâce au réducteur de vitesse (20). La figure 2c présente un schéma synoptique illustrant l'alimentation du matériau à appliquer. Le moteur électrique à courant continu (21), dirigé par le régulateur (22), actionne la glissière à rouleaux (24) grâce au réducteur de vitesse (23). La figure 3 présente un schéma synoptique de programmation, de réglage et de mémorisation du processus d'application de couches d'un matériau, qui fait l'objet de la présente invention. Dans cette figure, les repères (25), (26) et (27) indiquent les alimentateurs-régulateurs des transducteurs linéaires de déplacement, relatifs aux axes de translation du chariot; (28) montre l'alimentateur-regulateur du transducteur circulaire du mandrin; (29) indique l'alimentateurrégulateur du dispositif d'alimentation du matériau à appliquer; (30) indique n'importe quel générateur de courant de soudure (TIG", Plasma, Micro-plasma, etc.). Tous ces moyens (les différents mouvements ainsi que le générateur) sont programmés grâce à un dispositif électronique de type numérique (.31) qui permet, en même temps, la mémorisation de n'importe quelle combinaison de ces moyens. Ce dispositif électronique numérique comprend aussi un circuit de contre-réaction qui garantit la reproductibilité du programme chargé en mémoire, Ces équipements permettent de programmer les déplacements et les rotations par l'intermédiaire du module (35) des axes X, Y et Z du chariot et de la rotation mandrin; par le module (36), on peut programmer les vitesses linéaires et angulaires des trois axes du chariot et du mandrin, ainsi que les vitesses de déplacement en avant du matériau à appliquer; par le module (37), on peut programmer les variations de vitesse du chariot et du mandrin, ainsi que la vitesse de déplacement en avant du matériau à appliquer (fil) requise par le processus programmé. Le module (32) permet de programmer les paramètres de soudure (par exemple, courant initial, courant nominal, courant modulé, courant final). Le module (33) permet de maintenir constante la distance entre le chalumeau et la pièce pendant l'application Le module (34) permet de programmer le cycle de soudage. Le module (38) permet de combiner les déplacements, les rotations, les vitesses et les variations de vitesse, ainsi que les paramètres de soudure et du cycle de soudage en fonction dumateriau à appliquer et de la pièce sur laquelle l'application doit être effectuée (38). Ce programme (38) est mémorisé dansle module (31), qui commande et assure la réalisation des opérations mémorisées. La figure 4 représente une vue en perspective d'ensemble d'une réalisation pratique de l'invention. Le repère (1) indique le chalumeau de soudure; (2) le matériau à appliquer; (3) le chariot tridimensionnel (comprenant les trois chariots (17)),et (4) le corps sur lequel l'application est effectuée. Le repère (5) indique le mandrin, tandis que les repères (6), (7) et (8) indiquent les directions respectives de translation verticale, horizontale et orthogonale du chariot tridimensionnel et du matériau à appliquer. Les repères (9) et (10) indiquent respectivement les axes verticaux et horizontaux autour desquels le corps (4) peut tourner. Le repère (11) indique le moteur électrique à courant continu, par exemple à aimants permanents, alimenté et actionné par le régulateur (12). Le repère (39) indice la table de support des différents équipements, tandis que le repère (40) indique l'armoire contenant tous les dispositifs de programmation, de réglage et de contrôle. Le dispositif (13) actionne l'embrayage électro-magnétique (14). Les repères (15) et (16) indiquent les réducteurs de vitesse, affectés respectivement aux vitesses faibles et hautes; (17) le chariot; (18) le moteur électrique (qui actionne le mandrin), alimenté et actionné par le régulateur (19), par l'intermédiaire du réducteur de vitesse (20). Le repère (21) indique le moteur électrique actionné par le régulateur (22), qui actionne à son tour la glissière à rouleaux (24) grâce au réducteur de vitesse (23). Les repères (25), (26) et (27) indiquent les alimentateurs-régulateurs des transducteurs linéaires de déplacement affectés aux axes de translation du chariot; le repère (28) I'alimentateur-régulateur du transducteur circulaire du mandrin; le repère (29) I'alimentateur-régulateur du dispositif d'alimentation du matériau à appliquer. Le repère (30) indique n'importe quel générateur de courant de soudure ("TIG", etc.), tandis que le repère (31) indique le dispositif électronique numérique. Le repère (32) indique le module permettant de programmer les paramètres de soudage; (33) le module permettant de maintenir constante la distance entre le chalumeau et la pièce, tandis que (34) indique le module permettant de programmer le cycle de soudage. Grâce aux modules (35), (36), (37) et (38), on peut programmer les déplacements et les rotations autour des axes X, Y et Z du chariot, la rotation du mandrin et toutes les opérations déjà illustrées dans le schéma synoptique de la figure 3. On suppose devoir effectuer l'application d'un matériau (2) sur un corps cylindrique (4), de façon uniforme et avec une épaisseur d'une valeur bien définie. Dans ce cas, pendant qu'on fait tourner le corps (4) autour des deux axes déjà indiqués, et qui sont orthogonaux entre eux, on positionne près de sa surface le chalumeau (1) et le matériau à appliquer (2), portés par le chariot (3). Le chariot peut rester arrêté pendant un temps prédéterminé et bien défini, pour permettre le dépôt de la première couche du matériau à appliquer sur le corps (4). En combinant le mou veinent de rotation du corps (4) avec la translation du chalumeau (1), on obtient le dépôt de la première couche du matériau à appliquer. Au cas où on voudrait augmenter l'épaisseur de la couche du matériau à appliquer, on pourrait déplacer le chariot dans la direction de l'axe vertical 7. Pour effectuer une application sur une bande annulaire du corps (4) différente de celle déjà recouverte, le chariot (3) peut être déplacé dans la direction de l'axe (9), en même temps que le chalumeau (1) et le matériau à appliquer (2). Si le gabarit ou la surface du corps (4) l'exigent, le chariot et le chalumeau (1) peuvent être déplacés dans le sens de l'axe (8). Ces mouvements ne devront pas nécessairement suivre l'ordre indiqué car, par exemple, le corps (4) peut tourner uniquement autour de son axe longitudinal, pendant que le chariot (3) accomplit les mouvements expliqués plus haut. Tous ces mouvements sont réalisés grâce à l'action des moteurs (11), (18), (21) et de leurs organes. Après avoir déterminé, gracie aux expérimentations, le mode idéal d'application du matériau sur le corps (4), le circuit schématisé dans la figure 3, dans lequel ont été mémorisés tous les mouvements exécutés par les organes mobiles, est en mesure de commander automatiquement la répétition de tous les mouvements nécessaires à une application parfaite sur le corps (4), à condition que ce corps ait les mêmes caractéristiques de forme et de dimension que celui sur lequel l'application a été précédemment effectuée de façon expérimentale. Les équipements schématisés dans les figures 1 à 4 sont capables de programmer le cycle entier d'application, c'est-à-dire de contrôler tous les paramètres dans les phases de préchauffage, d'application de la première couche du matériau, d'application de couches supplémentaires, de refroidissement, etc. L'installation est pourvue, en outre, d'un programmateur de soudage, permettant de fondre le matériau à appliquer, soit avec un courant continu, soit avec un courant pulsé, variable en fonction du générateur de soudure utilisé. L'installation est aussi pourvue de circuits logiques et de sécurité, avec un dispositif d'alerte en cas d'avarie. La vitesse angulaire du mandrin peut varier en fonction du diamètre interne de la pièce à recouvrir, ce qui rend inutiles les opérations manuelles pour obtenir la même vitesse d'application, ou bien une vitesse différente (programmée) selon l'application à effectuer. En outre, 1'instalation prévue par l'invention peut travailler sur des matériels radio-actifs, car toutes les opérations peuvent être commandées à distance. En effet, cette installation est utilisée avec succès, par exemple, à l'inte- rieur de cellules chaudes, pour des réparations sur des composants d'éléments du combustible ou du coeur du réacteur, ainsi que sur des composants du réacteur lui-même. REVENDICATIONS 1. Méthode pour effectuer une application automatique et programmée d'un matériau par fusion sur des pièces de n'importe quelle forme et dimension, caractérisée par les phases suivantes a) programmation indépendante des mouvements du chalumeau (le long des trois axes orthogonaux) et de la rotation du corps sur lequel l'application matériau est effectuée (le long de deux axes orthogonaux entre eux). b) commande automatique et programmée de la combinaison de chacun et/ou de tous les mouvements du chalumeau et de la pièce, nécessaires pour obtenir une couverture optimale. c) programmation du cycle entier d'application : préchauffage,application de la première couche, application des couches suivantes, refroidissement. d) alimentation du matériau à appliquer à vitesse contrlée et variable selon le programme prédéterminé. e) liaison des paramètres d'application (vitesse, courant de soudure, etc.) avec les systèmes de réglage. f) mémorisation des données de positionnement et de soudage. 2. Equipements pour la réalisation de l'application automatique et programmée de matériaux par fusion sur des pièces de n'importe quelle forme et dimension, selon la méthode objet de la revendication n0 1, comprenant un groupe chalumeau (1) monté sur un chariot (3), et un mandrin (5) qui supporte une pièce (4) sur laquelle l'application doit être effectuée; ces équipements étant caractérisés par le fait qu'ils comprennent une combinaison de moyens dirigeant automatiquement: la translation verticale, horizontale et orthogonale du chalumeau, la rotation du mandrin autour des deux axes orthogonaux, l'alimentation du matériau à appliquer pendant la fusion et le dépôt sur le matériel de base, ainsi que les moyens pour la programmation, la combinaison et la mémorisation de ces mouvements et du cycle de soudage. 3. Equipements pour l'application par fusion, auto matique et programmée, de couches de matériau, selon la revendication 2, caractérisés par le fait que les moyens de commande de la translation verticale, horizontale et orthogonale du groupe chalumeau sont constitués, pour chaque mouvement, par un moteur en continu, pourvu d'un réducteur de vitesse oui est relié, par l'intermédiaire d'un embrayage électro-magnétique, à des organes qui transforment les mouvements de rotation du moteur en mouvements de translation, l'embrayage et le moteur étant commandés par un programmateur. 4. Equipements pour l'application de couches de matériau automatique et programmée, par fusion, selon la revendication 2, caractérisés par le fait que les moyens de commande de la rotation autour des axes orthogonaux du mandrin sont constitués par un moteur en continu relié à l'arbre du mandrin au moyen d'un réducteur de vitesse, ces organes étant commandés par le programmateur. 5. Equipements pour l'application automatique et programmée de couches de matériau, par fusion, selon la revendication 2, caractérisés par le fait que les moyens pour l'alimentation du matériau à appliquer sont constitués par un moteur en continu pourvu d'un réducteur de vitesse et par une série de rouleaux de guidage, réglables en fonction du matériau à appliquer; ledit moteur étant relié à un de ces rouleaux et commandé par le programmateur. 6. Equipements pour l'application automatique et programmée de couches de matériau, par fusion, selon la revendication 2, caractérisés par le fait que les moyens de programmation, de combinaison et de mémorisation des mouvements cités plus haut comprennent : des alimentateurs-régulateurs affectés à des transducteurs pour les déplacements linéaires et circulaires, une source de chaleur pour soudage, un dispositif électronique de type numérique, des modules pour la programmation des vitesses de déplacement et des paramètres de soudage, ainsi qu'un circuit de contre-réaction qui garantit la reproducti bilité du programme mémorisé. 7. Equipements pour l'application par fusion, automatique et programmée, de couches de matériau, selon la revendication 2, caractérisés par le fait que ce programmateur com mande directement le cycle de soudage, constitué par les phases suivantes : préchauffage de la pièce, application de la première couche du matériau, application des couches suivantes et refroidissement. 8. Equipements pour l'application automatique et programmée, par fusion, de matériaux sur des pièces de n'importe quelle forme et dimension, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisés par le fait qu'ils sont utilisés sur un matériel activé en cellules chaudes, avec commande à distance des opérations relatives au cycle d'application.