Brevet FR2888766A1 — publié le 20070126

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de soudage pour un dépôt de revêtement protecteur. La présente invention concerne en particulier un procédé de soudage par arc sous flux ou laitier électroconducteur et un dispositif 5 associé. La présente invention s'applique en particulier au dépôt de plusieurs couches de revêtement protecteur sur divers composants d'un réacteur nucléaire comme, à titre d'exemple, une cuve de réacteur, un générateur de vapeur ou un pressuriseur. La présente invention n'est pas limitative et décrit donc un procédé et un dispositif applicables à d'autres domaines. L'homme de l'art connaît déjà de nombreux procédés et dispositifs de soudage pour un dépôt de revêtement protecteur. En particulier, les procédés classiques dits feuillard arc sous flux ou laitier électroconducteur sont particulièrement bien adaptés pour déposer une grande quantité de revêtement destinée à protéger de grandes surfaces. Dans les deux procédés classiques feuillard arc sous flux ou laitier électroconducteur, le dépôt du revêtement protecteur est réalisé généralement par un ou plusieurs passages successifs d'un feuillard comportant le matériau protecteur. Lorsque le procédé comprend plusieurs passages, par exemple deux, du feuillard comportant le matériau protecteur, un premier passage dépose une première couche de matériau protecteur et un second passage dépose une deuxième couche de matériau protecteur sur la première couche. Ces procédés sont confrontés à plusieurs problèmes concernant les caractéristiques métallurgiques de la zone soudée. Dans le cas typique d'un revêtement de cuve, le matériau de base à protéger et sur lequel la première couche du revêtement protecteur est déposée, comprend une zone affectée par la chaleur qui se trouve fragilisée. Cette fragilisation du matériau de base est principalement due à la quantité d'énergie injectée pour réaliser le dépôt du revêtement protecteur. En effet, la fragilisation de la zone affectée par la chaleur au sein du matériau de base est d'autant plus importante que l'énergie injectée dans la zone à souder est importante. Par ailleurs, la quantité d'énergie injectée génère une zone à gros grains au sein de la zone affectée par la chaleur lors du dépôt de la première couche. De plus, avec ces procédés classiques, des défauts existent sous le revêtement protecteur, c'est-à-dire au niveau de l'interface entre la première couche protectrice et la zone affectée par la chaleur du matériau de base, défauts qui sont des défauts intergranulaires dus au réchauffage (DIDR) et des défauts de fissuration à froid (DSR). Les défauts intergranulaires (DIDR) sont d'autant plus nombreux que la zone affectée par la chaleur du matériau de base est fragilisée mais aussi d'autant plus profonds que cette zone affectée par la chaleur est profonde. Un préchauffage adéquat permet toutefois d'éliminer efficacement les défauts de fissuration à froid (DSR). Le dépôt de la deuxième couche protectrice sur la première permet une réaffectation des gros grains au sein de la zone affectée par la chaleur. Ce phénomène de réaffectation est bénéfique pour la qualité métallurgique de la soudure, toutefois, dans ces procédés classiques, le volume de la zone à gros grains concerné par cette réaffectation reste limité. Dans le cas typique d'un revêtement de plaque à tubes d'un générateur de vapeur, le problème principal est un problème de fissuration à chaud par liquation dans le revêtement. Ce type de fissuration est d'autant plus important que l'on réaffecte le revêtement (nombre de cycles thermiques) et que les microségrégations préexistantes sont marquées. Ce type de fissuration est également d'autant plus important que l'énergie injectée dans la zone à souder est importante. Ces microségrégations restent en place une fois la solidification du revêtement faite. La qualité métallurgique de la soudure est donc affectée car la composition chimique du matériau soudé n'est pas homogène. Sur le plan métallurgique comme sur le plan d'une diminution des coûts, le dépôt d'une couche protectrice unique serait une solution envisageable. Toutefois, le matériau de base se diluant dans cette couche protectrice affecterait dangereusement l'efficacité de la protection. La dilution est, de plus, d'autant plus importante que l'énergie injectée et la vitesse de soudage sont importantes. Il apparaît donc que ces procédés classiques doivent être améliorés pour d'une part augmenter les qualités métallurgiques de la zone soudée et d'autre part diminuer les coûts de production. Il est alors nécessaire pour atteindre ces objectifs de baisser le niveau d'énergie injectée dans la zone à souder par la diminution de l'intensité et/ou l'augmentation la vitesse de soudage, dans l'hypothèse où le phénomène de dilution est négligeable. Ces objectifs sont atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un procédé de soudage d'un revêtement protecteur sur un matériau de base comprenant les étapes consistant à : - fournir une énergie de nature thermique, provenant de la conversion d'une énergie de nature électrique, à un premier feuillard de matériau protecteur, - déposer une couche de revêtement protecteur issu à la fois dudit premier feuillard et d'au moins un deuxième feuillard sur le matériau de base, ledit au moins un deuxième feuillard utilisant l'énergie thermique fournie au premier feuillard. Ces objectifs sont également atteints dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif de soudage d'un revêtement protecteur sur un matériau de base comprenant un premier système comprenant lui-même un premier feuillard de revêtement protecteur et un moyen adapté pour fournir une énergie thermique provenant de la conversion d'une énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un deuxième système comprenant lui-même un deuxième feuillard de revêtement protecteur utilisant l'énergie thermique fournie par le premier système pour former avec le premier feuillard une couche de revêtement protecteur. D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés sur lesquels: Fig.1 montre un système pour la mise en oeuvre d'un procédé 5 feuillard arc sous flux selon l'art antérieur. Fig.2 montre un système pour la mise en oeuvre d'un procédé laitier électroconducteur selon l'art antérieur. Fig.3 montre un dispositif conforme à la présente invention dans le cas particulier du procédé arc sous flux. Fig.4 montre un dispositif conforme à la présente invention dans le cas particulier du procédé laitier électroconducteur. La Figure 1 décrit un système 100 selon l'art antérieur pour le procédé feuillard arc sous flux. Dans ce procédé, un feuillard 110 de matériau est apporté par des rouleaux d'entraînement et de guidage 120 vers une zone de soudage 200. Le sens de rotation des rouleaux 120 est représenté par les flèches référencées R. Des sabots de contact électrique 130 apportent une énergie électrique au feuillard 110 qui est convertie en une énergie thermique nécessaire à la fusion du feuillard 110 au niveau de l'arc sous flux. Le système 100 prévoit au moins deux trémies 140 permettant le guidage d'un flux vers la zone de soudage 200, flux servant de protection et représenté par les flèches 150. Une flèche 270 vient préciser le sens d'évolution du système 100 par rapport au matériau de base 210. Le système 100 se déplace parallèlement à la surface 212 du matériau de base 210. Sur cette Figure 1, on distingue de plus plusieurs zones. Parmi ces zones se trouve le matériau de base 210 sur lequel on cherche à déposer une ou plusieurs couches protectrices. Ce matériau de base est séparé du milieu ambiant 600 au niveau de sa surface 212. Le matériau de base 210 comprend une zone affectée par la chaleur 211. Cette zone 211 est une zone dont la microstructure est affectée par la chaleur apportée par le procédé. Parmi ces zones, on trouve aussi une zone de matériau déposé 220, solidifiée, formant une couche protectrice du matériau de base 210 et plus près de la zone de fusion, une zone de matériau fondu 230 qui correspond à ladite couche protectrice en formation. On note que la couche 220 ainsi déposée avec le feuillard 110 est diluée sur une certaine épaisseur el au matériau de base 210. Enfin, on distingue également sur cette figure 1 différentes zones comportant le flux sous différentes formes. Il s'agit d'un flux liquide 240 entourant la zone de soudage 200, un flux solide 250 situé en amont de la zone de flux liquide 240 et correspondant à la solidification de ce flux liquide 240, et enfin une zone de flux 260 à proprement parler recouvrant intégralement le flux liquide 240 et le flux solidifié 250 et recouvrant également une partie du matériau de base 210 située en aval de la zone de soudage 200. La figure 2 décrit un système 100 selon l'art antérieur pour le procédé laitier électroconducteur. On retrouve des moyens identiques à ceux décrits pour la mise en oeuvre du procédé feuillard arc sous flux à savoir un feuillard 110 de matériau, des rouleaux d'entraînement et de guidage 120, des sabots de contact électrique 130. Une unique trémie 140 est cependant employée. Sur cette Figure 2, on retrouve la zone affectée par la chaleur 211 située au sein de la zone de matériau de base 210 ainsi que des zones de matériau fondu 230 et de matériau déposé 220, matériau provenant dans ce cas du feuillard 310. En revanche, dans ce procédé, le flux 350 apporté par la trémie 340 permet de former un laitier électroconducteur séparé en deux zones distinctes, une première zone 280 sous forme liquide comprenant la zone de soudage et une deuxième zone solide 290 située en amont de la zone de flux liquide 280 et correspondant à la solidification de ce flux liquide 280. On note que le matériau déposé 220 avec le feuillard 110 et formant une couche de revêtement protecteur est dilué sur une certaine épaisseur e2 au matériau de base 210. Dans les deux procédés classiques décrits ci-dessus, le feuillard 110, 310 a typiquement une largeur de l'ordre de 60mm à 150mm. La vitesse de dépôt, imposée par la vitesse de translation selon la flèche 270 est de l'ordre de 10 à 30 cm/mn. Les sabots électriques 130, 330 fournissent des intensités comprises entre 600 et 4000A sous une tension de l'ordre de 22 à 30V. De plus, afin d'obtenir une protection efficace du matériau de base 210, il est le plus souvent nécessaire d'effectuer le dépôt d'une première couche 220 au cours d'une première passe du système 100, 300, passe s'effectuant sensiblement parallèlement à la surface 212 du matériau de base 210, puis d'effectuer une deuxième passe avec ce même système 100, 300 en déposant une deuxième couche de matériau protecteur sur la première couche 220 initialement déposée. Les trémies 140, 340 ont pour fonction d'introduire le flux, substance permettant d'enlever oxydes et impuretés et d'éviter toute oxydation du matériau pendant le procédé. Dans le procédé arc sous flux, plusieurs trémies sont nécessaires pour protéger toute la zone à souder, en amont comme en aval. Dans le procédé laitier électroconducteur, c'est le laitier (liquide ou solide), dépôt vitreux se déposant à la surface du cordon de soudure, qui assure cette fonction de protection de la zone de soudage, il est donc suffisant d'introduire le flux uniquement en aval de la zone de soudage, là où il n'y a pas encore de dépôt vitreux. La Figure 3 présente un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la présente invention, c'est-à-dire un procédé bifeuillard, dans le cas particulier du procédé arc sous flux. Ce dispositif comprend tous les moyens du système 100, ci-après nommé premier système 100, utilisés dans le procédé arc sous flux classique, quant à lui présenté ci-dessus en regard de la figure 1 annexée, auxquels s'ajoute un deuxième système 400. Le deuxième système 400 comprend un feuillard 410, ci-après nommé deuxième feuillard 410, d'apport de matériau protecteur distinct du premier feuillard 110, des rouleaux d'entraînement et de guidage 420 de préférence identiques aux rouleaux 120 ainsi qu'une trémie 440 de préférence identique à une trémie 140 pour conduire le flux 150. Contrairement au premier système 100 utilisé pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'art antérieur, le dispositif mis en oeuvre dans le cadre de la présente invention ne comporte aucun moyen pour fournir une énergie thermique au deuxième feuillard 410 provenant de la conversion d'une énergie électrique, en particulier aucun sabot de contact électrique n'est installé dans le deuxième système 400. Le matériau d'apport du deuxième feuillard 410 entre ainsi en fusion du fait du niveau de température régnant dans la zone de matériau fondu 230. On comprend que le niveau de température régnant dans cette zone de matériau fondu doit être supérieure à la température de fusion du matériau constituant le deuxième feuillard 410. C'est de manière générale le cas car le matériau constituant le deuxième feuillard 410 est souvent le même que celui formant le premier feuillard 110. Pour certains types de dépôt de couche protectrice, il peut cependant être envisagé de déposer un matériau protecteur, issu des feuillards 110 et 410, dont les natures sont différentes l'une de l'autre. A titre d'exemple non limitatif, un acier inoxydable dont la composition finale grâce à la dilution sera proche de 19 à 20 % de chrome et 9 à 10 de nickel peut être déposé en employant un feuillard contenant 24 % de chrome et 12 % de nickel et l'autre feuillard contenant 19 à 20 % de chrome et 9 à 10 % de nickel. Des moyens adaptés sont prévus pour réguler l'énergie électrique envoyée vers les sabots électriques 130, et donc réguler l'énergie thermique introduite dans le bain liquide, et ce de manière à engendrer un niveau de température supérieur à la température de fusion du matériau constituant le deuxième feuillard 410, dans la zone de matériau fondu 230. Ce dispositif emploie également tous les moyens qui ne sont pas représentés sur la figure 1 tels que à titre d'exemples non limitatifs des dispositifs de suivi de trajectoire et de brassage magnétique, de constriction d'arc. Au sein du dispositif de la présente invention, le premier système 100 progresse avec une vitesse d'avancement ( selon la flèche 270) qui est préprogrammée et contrôlée par des moyens adaptés. Dans ce cas, la vitesse d'avancement (selon la flèche 270) du deuxième système 400 est également préprogrammée et contrôlée par ces moyens adaptés pour suivre le deuxième système 100 de sorte que la distance séparant les systèmes 100 et 400 et donc le premier feuillard 110 et le deuxième feuillard 410 reste sensiblement constante. Typiquement, la distance séparant le premier feuillard 110 et le deuxième feuillard 410 est comprise entre 3 et Imm. Dans tous les cas, le deuxième feuillard 410 doit être amené directement, et ce tout au long du procédé, dans la zone de matériau fondu 230. Le second feuillard 410 amené jusqu'à la zone de matériau fondu 230 ne joue pas sur la stabilité de l'arc et/ou la stabilité du bain liquide dans son ensemble. Par ailleurs, la vitesse des rouleaux de guidage et d'entraînement 420 amenant le deuxième feuillard 410 est asservie de manière directe ou indirecte au système de régulation (non représenté) des rouleaux de guidage et d'entraînement 120 du premier système 100. Typiquement, pour un feuillard d'épaisseur 0.5mm, les vitesses d'amenée des feuillards par les rouleaux de guidage et d'entraînement 120, 420 sont compris entre 0.7 et 2.5m/mn et le plus souvent entre 0.9 et 1.6m/mn. On peut également adapter l'épaisseur du deuxième feuillard 410 en fonction de l'épaisseur du premier feuillard 110. Ceci permet de contrôler la proportion de matériau apporté par le deuxième feuillard 410 vis-à-vis de l'apport du premier feuillard 110. Typiquement, cette proportion est de l'ordre de 50% à 75%. La Figure 4 présente un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un procédé conforme à la présente invention dans le cas particulier du procédé laitier électroconducteur. Ce dispositif emploie tous les moyens déjà connus du système 300 utilisé dans le procédé laitier électroconducteur classique, tel que montré sur la figure 2 annexée, auxquels s'ajoute un deuxième système 500. Il emploie également tous les moyens qui ne sont pas représentés sur la figure 2 tels que à titre d'exemples non limitatifs des dispositifs de suivi de trajectoire et de brassage magnétique. Le deuxième système 500 comprend un feuillard 510, ci-après nommé deuxième feuillard 510, d'apport de matériau et des rouleaux d'entraînement et de guidage 520. De manière analogue au procédé arc sous flux conforme à la présente invention, aucun moyen pour fournir une énergie thermique au deuxième feuillard 510 provenant de la conversion d'une énergie électrique, en particulier aucun sabot de contact électrique n'est installé dans ce deuxième système 500. De plus, aucune trémie supplémentaire pour apporter un flux n'est nécessaire pour protéger la zone à souder, le deuxième feuillard 510 étant amené dans la zone de matériau fondu 230 en traversant la zone de laitier liquide 280, qui assure une protection contre toute oxydation lors du procédé. De manière évidente, on comprend que les moyens concernant la régulation de la vitesse d'avancement des systèmes 300 et 500, selon le sens indiqué par la flèche 270, la régulation des rouleaux de guidage et d'entraînement 320 et 520 et de ce fait de la vitesse d'amenée des feuillards 310 et 510, et les moyens pour contrôler l'apport d'énergie électrique au niveau des sabots électriques 330 sont également prévus, dans ce dispositif assurant la mise en oeuvre du procédé laitier électroconducteur, de manière analogue à ceux prévus dans le dispositif de mise en oeuvre du procédé arc sous flux conforme à la présente invention. Notons que dans le cas du procédé laitier électroconducteur, le bain liquide correspond à l'ensemble formé par les zones 230 et 280. La description réalisée à l'appui des figures 3 et 4 concerne un procédé bi-feuillard. Toutefois, la présente invention peut tout à fait être élargie à un dispositif permettant l'apport d'un premier feuillard auquel une énergie électrique est apportée et transformée en énergie thermique au niveau du bain fondu, plusieurs autres feuillards étant ensuite amenés vers le bain fondu en utilisant l'énergie thermique du bain fondu. La présente invention présente de nombreux avantages tant sur le plan opératoire que sur le gain de productivité et l'amélioration de la qualité métallurgique de l'ensemble formé par le matériau de base et les couches de protection soudées. En effet, la mise en oeuvre des systèmes 400 et 500 est très simple pour un coût faible dans la mesure où il emploie des moyens peu nombreux et parfaitement courants. L'apport simultané d'au moins deux feuillards en une passe unique contrairement aux procédés classiques permet un gain d'énergie important, parfois un gain de matériau d'apport issu des feuillards et donc une diminution très sensible du coût de production. Cette passe unique permet également une augmentation notable de la productivité. De plus, la qualité métallurgique est nettement améliorée du fait que l'énergie volumique (énergie électrique injectée en fonction du volume de matériau de feuillard déposé) apportée pour réaliser le soudage est nettement diminuée. Cela a plusieurs conséquences, notamment: É Une diminution de la taille des gros grains de la zone affectée par la chaleur 211 au sein du matériau de base 210 et par suite une fragilisation moindre. É La dilution du matériau du feuillard avec le matériau de base 20 est diminuée, ce qui peut autoriser la réduction du nombre de couches et la réduction de l'épaisseur de la couche déposée. Ceci est particulièrement intéressant lors du dépôt d'une couche avec un premier feuillard d'acier de type 24 % de chrome 12 % de nickel sur une cuve par exemple car son épaisseur est importante. Cette épaisseur importante limite l'effet bénéfique du phénomène de réaffectation des gros grains de la zone affectée par la chaleur 211 lors du dépôt de la seconde couche de revêtement protecteur. On note sur les figures 3 et 4 que la dilution, représentée par les épaisseurs e3 et e4 respectivement, n'est pas systématiquement la même selon le procédé employé, bien que ces épaisseurs soient dans les faits sensiblement identiques, celles-ci dépendant principalement de l'énergie apportée. É L'épaisseur de la zone affectée par la chaleur 211 est sensiblement diminuée. La réduction de cette épaisseur facilite d'une part le phénomène de réaffectation des gros grains lors du dépôt d'une deuxième couche sur la première et limite d'autre part la dimension des défauts intergranulaires dus au réchauffage. Les microségrégations de solidification dans le revêtement protecteur et plus précisément au sein de la couche de matériau déposé 220 sont également diminuées le cas échéant. En effet, du fait que l'énergie volumique injectée est moindre dans les procédés arc sous flux ou laitier électroconducteur conformes à la présente invention, les gradients thermiques, générateurs des ségrégations, sont également moindres. A titre d'exemple, cet avantage est particulièrement intéressant pour la plaque à tubes des générateurs de vapeur où un dépôt de revêtement protecteur en alliage de Nickel doit subir des opérations de soudage ultérieures. Les contraintes résiduelles, apparaissant à froid sont également diminuées. 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage d'un revêtement protecteur sur un matériau de base (210) comprenant les étapes consistant à : - fournir une énergie de nature thermique, provenant de la conversion d'une énergie de nature électrique, à un premier feuillard (110, 310) de matériau protecteur, - déposer une couche de revêtement protecteur issu dudit premier feuillard (110, 310) et d'au moins un deuxième feuillard (410, 510) sur le matériau de base (210), ledit au moins un deuxième feuillard (410, 510) utilisant l'énergie thermique fournie au premier feuillard (110, 310). 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant les étapes 15 consistant à : - introduire le deuxième feuillard (410, 510) dans une zone de matériau fondu (230), - contrôler la vitesse relative entre un premier système (100, 300) comprenant le premier feuillard (110, 310) et au moins un deuxième 20 système (400, 500) comprenant ledit au moins un deuxième feuillard (410, 510) pour maintenir ledit au moins un deuxième feuillard (410, 510) dans la zone de matériau fondu (230). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant une étape consistant à : - réguler la vitesse des rouleaux de guidage et d'entraînement (420, 520) dudit au moins un deuxième système (400, 500) en fonction de la vitesse des rouleaux de guidage et d'entraînement (120, 320) du premier système (100, 300). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant une 30 étape consistant à : - réguler l'énergie thermique introduite dans le bain fondu de manière à maintenir dans une zone de matériau fondu (230) une température supérieure à la température de fusion des matériaux formant les feuillards (110, 310, 410, 510). 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre une étape consistant à : - introduire un flux (150) dans une trémie (440) du deuxième système (400), ledit deuxième système (400) étant destiné à la soudure de type arc sous flux (150). 6. Dispositif de soudage d'un revêtement protecteur sur un matériau de base comprenant un premier système (100, 300) comprenant lui-même un premier feuillard (110, 310) de revêtement protecteur et un moyen adapté pour fournir une énergie thermique provenant de la conversion d'une énergie électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un deuxième système (400, 500) comprenant lui-même un deuxième feuillard (410, 510) de revêtement protecteur utilisant l'énergie thermique fournie par le premier système (100, 300) pour former avec le premier feuillard (110, 310) une couche de revêtement protecteur. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens adaptés pour contrôler la vitesse relative entre le premier système (100, 300), et ledit au moins un deuxième système (400, 500). 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit au moins un deuxième système (400, 500) comprend des rouleaux de guidage et d'entraînement (420, 520) dont le fonctionnement est asservi au système de régulation des rouleaux de guidage et d'entraînement (120, 320) du premier système (100, 300). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour réguler l'énergie thermique introduite dans le bain fondu de manière à maintenir dans une zone de matériau fondu (230) une température supérieure à la température de fusion des matériaux formant les feuillards (110, 310, 410, 510). 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ledit au moins un deuxième système (400), adapté pour la soudure de type arc sous flux (150), comprend une trémie (440) pour introduire un flux (150).