Brevet FR2908061A1 — publié le 20080509

La présente invention concerne un dispositif et un procédé de soudage automatique sous eau pour la réalisation sur une surface d'un joint à souder. Le soudage automatique sous eau est couramment utilisé pour effectuer des opérations de maintenance ou des travaux de soudage, par exemple dans des installations nucléaires ou dans des installations d'exploitation pétrolière ou gazière en mer. En effet, dans le cas d"installation nucléaire, le confinement sous eau permet de travailler et de réaliser des interventions sur des éléments à proximité de composants radioactifs ou contaminés sans dispositions particulières quant au liquide de refroidissement à proximité de ces dits composants. Pour réaliser des opérations de soudage dans l'air avec une haute qualité de soudage, il est bien connu d'utiliser des procédés de soudage automatiques du type à l'arc avec une électrode fusible ou non fusible tels que, respectivement les soudages dits MIG (Metal Inert Gas) ou GMAW (Gas Metal Arc Welding) ou bien TIG (Tungsten Inert Gas) ou GTAW (Gas Tungsten Automatic Welding). Dans le procédé dit TIG, un arc électrique est créé entre une éléctrode en matériau réfractaire comme du tungstène et la pièce à souder pour porter cette pièce à fusion. Le plus souvent, un métal d'apport sous la forme d'une baguette alimente le métal en fusion de façon à remplir le joint à souder. De plus, un gaz inerte est dirigé autour de l'arc électrique sur le bain de fusion pour éviter l'oxydation sous l'effet du milieu ambiant pendant le soudage. Généralement, le gaz est de l'argon, de l'hélium ou un mélange de gaz rares. Dans le procédé MIG, un arc électrique est créé entre une électrode fusible constituant le matériau d'apport et la pièce à souder pour porter cette pièce à fusion. Un gaz inerte est également dirigé autour de l'arc électrique sur le bain de fusion pour éviter l'oxydation sous l'effet du milieu ambiant pendant le soudage. L'utilisation de tels procédés sous eau pose des problèmes. 2908061 2 En effet, pour obtenir une bonne qualité de soudure et éviter un refroidissement trop rapide du bain de fusion, il faut, avant l'amorçage de l'arc électrique, éliminer l'eau se trouvant sur la zone de soudage, puis séparer le milieu liquide environnant de l'arc électrique avant de le protéger et de maintenir 5 la zone de soudage, c'est à dire le bain de fusion, isolée. De plus, l'amorçage de l'arc se fait grâce au gaz circulant dans le canal annulaire, appelé aussi buse, qui entoure une grande partie de l'électrode et la surface de la pièce à souder doit être extrêmement propre et sèche. On connaît notamment dans les documents US-A-5 981 896 et 10 FR-A-2 837 117 des torches de soudage sous eau qui comportent autour de l'électrode de soudage, un premier canal annulaire assurant l'arrivée du gaz de protection et un second canal annulaire assurant l'arrivée d'un gaz d'évacuation et de maintien du milieu liquide environnant hors de la zone de soudage. Mais, ces dispositifs utilisés jusqu'à présent ne permettent pas, 15 avant l'amorçage de l'arc électrique, de sécher suffisamment et correctement la zone de soudage si bien que l'amorçage de l'arc électrique se fait dans de mauvaises conditions du fait de la présence d'humidité dans la zone de soudage. Or, les spécialistes du soudage savent que la moindre présence d'humidité nuit à la qualité de la soudure ce qui est particulièrement grave dans le 20 domaine du nucléaire où l'aspect qualitatif est très important. De plus, sur des équipements nucléaires, la présence d'un dépôt de bore qui est contenu dans l'eau du circuit primaire est possible sur la zone de soudage ce qui peut également nuire à la qualité du joint à souder en créant dans la soudure des amorces de microfissures. Le bore doit donc être éliminé. 25 L'invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé de soudage sous eau permettant d'éliminer ces inconvénients, tout en étant fiables et simples à mettre en oeuvre, et permettant d'obtenir automatiquement et sans intervention humaine sous eau, des soudures de bonne qualité. L'invention a donc pour objet un dispositif de soudage 30 automatique sous eau pour la réalisation sur une surface d'un joint à souder, du type comprenant une torche de soudage comportant une électrode entourée d'une enveloppe de protection délimitant avec ladite électrode, un canal annulaire 2908061 3 relié à des moyens d'alimentation en gaz de protection, caractérisé en ce que la torche de soudage est disposée axialement au centre d'un ensemble de deux enveloppes concentriques dont au moins une est mobile axialement et réglable par rapport à ladite surface et délimitant entre elles un espace annulaire 5 d'injection d'un flux de séchage de la zone de soudage et de maintien de ladite zone de soudage hors d'eau et en ce qu'il comporte des moyens de déplacement le long du joint à souder. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : -la torche de soudage comporte un moyen d'alimentation en 10 métal d'apport, - l'ensemble de deux enveloppes comporte une enveloppe interne disposée contre l'enveloppe de protection de la torche de soudage et une enveloppe externe, - l'enveloppe déplaçable axialement et réglable est l'enveloppe 15 interne, - les deux enveloppes de l'ensemble de deux enveloppes sont déplaçables axialement et réglables sirnultanément ou successivement, - le déplacement axial de l'enveloppe externe et/ou de l'enveloppe interne est compris entre 0 et 30 mm, de préférence de 2 à 20 mm, et 20 - le flux injecté dans l'espace annulaire est formé par de l'air chaud ou froid ou par un plasma ou par une flamme produite à partir d'un mélange gazeux dite HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). L'invention a également pour objet un procédé de soudage automatique sous eau pour la réalisation sur une surface d'un joint à souder, 25 procédé dans lequel on place à proximité de la surface sur une zone de soudage du joint à souder, une torche de soudage comportant une électrode entourée d'une enveloppe de protection délimitant avec ladite électrode, un canal annulaire d'alimentation en gaz de protection, caractérisé en ce que : - on place autour de l'enveloppe de protection de la torche de 30 soudage, un ensemble de deux enveloppes concentriques dont au moins une est déplaçable axialement et réglable par rapport à ladite surface et délimitant entre elles un espace annulaire, ladite au moins enveloppe étant déplaçable entre une 2908061 4 position sortie en saillie par rapport à l'extrémité de l'enveloppe de protection et une position rentrée en retrait par rapport à ladite extrémité, - on injecte dans ledit espace annulaire un flux de séchage de la zone de soudage et de maintien de ladite zone hors d'eau ainsi qu'un flux de gaz 5 de protection dans le canal annulaire, l'enveloppe externe étant en position sortie, - on plonge la torche de soudage et l'ensemble de deux enveloppes concentriques sous eau, jusqu'au quasi contact de l'enveloppe externe avec la surface, 10 - après séchage de la zone de soudage, on déplace en position sortie l'enveloppe interne de l'ensemble de deux enveloppes pour maintenir par ledit flux de gaz de protection la zone de soudage hors perturbation, - on met en service la torche de soudage, - on déplace la torche de soudage et l'ensemble de deux 15 enveloppes cylindriques le long du joint à souder en maintenant la zone de soudage hors d'eau et hors perturbation par injection dudit flux. Selon une autre caractéristique de l'invention, après avoir mis en service la torche de soudage, on relève en position rentrée l'enveloppe externe de l'ensemble de deux enveloppes pour diriger le flux vers l'extérieur de la zone 20 de soudage et maintenir cette zone hors d'eau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la Fig. 1 est une vue schématique en coupe axiale d'un dispositif 25 de soudage, conforme à l'invention, dans la position de séchage d'une zone de soudage horizontale, et - la Fig. 2 est une vue schématique en coupe axiale du dispositif de soudage, conforme à l'invention, dans la position de soudage d'une paroi horizontale. 30 Sur les figures, on a représenté schématiquement deux pièces 1 a et 1 b qui déterminent une surface 2 sur laquelle doit être réalisé un joint à souder 3 au moyen d'un dispositif de soudage automatique désigné par la référence 2908061 5 générale 10 disposé perpendiculairement à la surface 2 et au-dessus de la zone de soudage A déterminée par le joint à souder 3. Le dispositif de soudage 10 comprend une torche de soudage 20 comportant une électrode 21 en matériau réfractaire généralement en tungstène, 5 reliée à des moyens d'alimentation électrique, non représentés, et dont l'extrémité libre 21a est disposée au-dessus du joint à souder 3. Dans l'exemple de réalisation représenté sur les figures, la torche de soudage 20 est du type TIG. La torche de soudage 20 comporte aussi des moyens 10 d'alimentation en métal d'apport constitués par un fil 22 dont l'extrémité libre 22a est disposée à proximité de l'extrémité 21a de l'électrode 21, ainsi que montré sur les figures. Dans le cas d'une torche de soudage du type MIG, de manière classique, les moyens d'alimentation en métal d'apport sont constitués par 15 l'électrode elle-même. Enfin, la torche de soudage 20 comporte une enveloppe de protection 23 disposée concentriquement à l'électrode 21 et qui détermine avec cette électrode 21, un canal annulaire 24 relié à des moyens d'alimentation en gaz de protection. L'extrémité libre 23a de l'enveloppe de protection 23 converge 20 vers l'extrémité 21a de l'électrode 21 de façon à canaliser le gaz de protection vers la zone de soudage A. Le dispositif de soudage 10 comprend un ensemble de deux enveloppes 30 concentriques, respectivement une enveloppe interne 31 et une enveloppe externe 32. La torche de soudage 20 est disposée axialement au 25 centre de l'ensemble 30 et l'enveloppe interne 31 est de préférence placée contre l'enveloppe de protection 23. Les deux enveloppes 31 et 32 de l'ensemble 30 déterminent entre elles un espace annulaire 34 d'injection d'un flux de séchage de la zone de soudage A et de maintien de cette zone de soudage A hors d'eau. 30 L'espace annulaire 34 est, à cet effet, relié à des moyens, non représentés, d'alimentation du flux et les extrémités inférieures 31a et 32a, respectivement de l'enveloppe interne 31 et de l'enveloppe externe 32, sont 2908061 6 disposées à proximité de la surface 2 en ménageant avec celle-ci un interstice, respectivement 36 et 37. Le flux injecté dans l'espace annulaire 34 est formé par de l'air chaud ou froid ou par un plasma ou par une flamme dite HVOF (High Velocity 5 Oxygen Fuel). Les enveloppes 31 et 32 de l'ensemble 30 sont de préférence cylindriques et au moins une de ces enveloppes est mobile axialement et réglable de façon à modifier la hauteur d'au moins un interstice 36 et/ou 37 pour diriger une quantité plus importante de flux vers la zone de soudage A ou vers 10 l'extérieur de l'enveloppe extérieure 32, comme on le verra ultérieurement. D'une manière générale, ladite au moins enveloppe 31 et/ou 32 est déplaçable axialement entre une position sortie en saillie par rapport à l'extrémité de l'enveloppe de protection 23 et une position rentrée en retrait par rapport à ladite extrémité. 15 Selon un premier mode de réalisation, seule l'enveloppe interne 31 est mobile longitudinalement et réglable pour modifier la hauteur de l'interstice 36. Selon un second mode de réalisation, les deux enveloppes 31 et 32 sont déplaçables axialement et réglables simultanément ou successivement 20 de façon à modifier séparément ou en même temps la hauteur des interstices 36 et 37. Le déplacement axial de l'enveloppe interne 31 et/ou de l'enveloppe externe 32 de l'ensemble 30 est compris entre 0 mm à 30 mm, de préférence de 2 mm à 20 mm par rapport à la surface 2 des pièces la et lb. Ce déplacement axial et le réglage en hauteur de l'un ou des deux interstices 36 et 37 des enveloppes, respectivement 31 et 32, est réalisé par des moyens appropriés de type connu, comme par exemple des mécanismes à pignon-crémaillère, système vis-écrou, vérin pneumatique ou hydraulique, moteur électrique ou système électromagnétique ou par tout autre mécanisme. Le joint à souder 3 des pièces la et lb sous eau est réalisé de la façon suivante. 25 30 2908061 7 Tout d'abord, on prépare, dans l'air, au dessus de la surface de l'eau et de façon sensiblement perpendiculaire à la surface 2, l'extrémité de travail 21a de l'électrode 21, l'extrémité 22a du fil d'apport 22 et l'extrémité de l'enveloppe de protection 23, ces différents éléments formant la torche de 5 soudage 20 et on place autour de l'enveloppe de protection 23 de la torche de soudage 20, l'ensemble 30 comprenant l'enveloppe interne 31 et l'enveloppe externe 32. Dans un premier temps, on injecte dans l'espace annulaire 34 délimité par les deux enveloppes concentriques annulaires 31 et 32, un flux de 10 séchage et de maintien hors d'eau de la zone de soudage A et on injecte dans le canal annulaire 24 entourant l'électrode 21 un flux de gaz de protection de la zone de soudage A, l'enveloppe externe 32 étant en position sortie. On plonge ensuite le dispositif de soudage 10 constitué par la torche de soudage 20 et l'ensemble 30 de deux enveloppes 31 et 32 sous eau 15 jusqu'au quasi contact de l'enveloppe externe 32 avec la surface 2 et, comme représenté à la Fig. 1, on déplace axialement le long de la torche de soudage 20, au moins une enveloppe 31 ou 32 de l'ensemble 30 de deux enveloppes de façon à régler la hauteur des interstices 36 et 37 ménagés entre les extrémités, respectivement 31a et 32a de ces enveloppes, et la surface 2 des pièces la et 20 1 b. Au cours de cette première étape, le but est de sécher la zone de soudage A afin d'éliminer de cette zone de soudage A toute trace d'eau ainsi que toute trace d'humidité avant l'amorçage de la torche de soudage 20. Pour cela, l'enveloppe interne 31 est maintenue en position rentrée, écartée de la surface 2 et l'enveloppe externe 32 est maintenue en 25 position sortie, rapprochée de cette surface 2 de telle manière que la hauteur dl de l'interstice 36 soit supérieure à la hauteur d2 de l'interstice 37. Dans cette position, la plus grande quantité de flux injecté dans l'espace annulaire 34 est dirigé vers la zone de soudage A ce qui permet de sécher rapidement cette zone de soudage A et d'éliminer toute trace d'humidité. Une partie du flux injecté dans 30 l'espace annulaire 34 passe par l'interstice 37 et permet de maintenir la zone de soudage A hors d'eau. 2908061 8 Au cours d'une seconde étape, on déplace axialement les enveloppes 31 et 32 de l'ensemble 30 le long de la torche de soudage 20 de façon à modifier la répartition du flux introduit dans l'espace annulaire 34. Ainsi que montré à la Fig. 2, l'enveloppe interne 31 est déplacée 5 en position sortie, approchée de la surface 2 et l'enveloppe externe 32 est en position retirée, écartée de la surface 2 de telle manière que la hauteur d3 de l'interstice 36 soit inférieure à la hauteur d4 de l'interstice 37 afin de diriger la plus grande quantité de flux injecté dans l'espace annulaire 34 vers l'extérieur de l'enveloppe externe 32 et de créer une zone de soudage paisible à l'abri des 10 perturbations dues aux flux de séchage. De ce fait, le flux injecté dans l'espace annulaire 34 ajouté au flux de gaz protecteur injecté dans le canal annulaire 24 permet de maintenir la zone de soudage A sèche et également hors d'eau. Ensuite, on met en service la torche de soudage 20 et on la 15 déplace ainsi que l'ensemble 30 de deux enveloppes, par des moyens appropriés de type connu, le long du joint à souder 3 afin de réaliser l'ensemble de la soudure, tout en maintenant la zone de soudage hors d'eau et hors perturbation. La modification de la répartition du flux injecté par l'espace annulaire 34 en réglant la hauteur des interstices 36 et 37 par déplacement axial 20 des enveloppes 31 et 32 permet, au cours d'une première étape de sécher efficacement et rapidement la zone de soudage A et, au cours d'une seconde étape, d'amorcer la torche de soudage dans de bonnes conditions, puis de maintenir cette zone de soudage A sèche et hors d'eau et surtout hors perturbation pour que la soudure soit réalisée dans des conditions idéales. 25 Selon les conditions d'utilisation, le réglage de la position de l'enveloppe interne 31 ou des deux enveloppes 31 et 32 peut être ajusté au cours du déplacement de la torche de soudage 20 le long du joint à souder. De plus, le bore éventuellement présent dans la zone de soudage est éliminé de cette zone de soudage par le flux injecté dans le canal annulaire 30 34 ce qui permet de contribuer à la qualité du joint à souder en éliminant les risques de formation de microfissures dans ce joint soudé du fait de la présence du bore. 2908061 9 Parmi les différents flux qui peuvent être injectés dans le canal annulaire 34, le plasma ainsi que la flamme HVOF sont de préférence utilisés en raison de leur très haute température, pouvant être supérieure à 1000 C pour le plasma, alors que l'air chaud est au maximum à 150 C. Cette température élevée 5 du flux plasma permet, en plus de la poussée physique du flux, de vaporiser l'eau environnante, ce que l'air chaud ne peut réaliser. Il est à noter que la température élevée du flux plasma permet de maintenir néanmoins l'intégrité physico-chimique du matériau à souder. Par ailleurs, le déplacement axial de l'enveloppe interne 31 et/ou 10 de l'enveloppe externe 32 par rapport à la surface 2 varie entre 0 mm et 30 mm selon qu'il s'agisse de l'étape préalable à l'amorçage de la torche de soudage 20 ou qu'il s'agisse de la réalisation du joint soudé proprement dit. Pendant la réalisation du joint soudé, l'injection de flux dans le canal annulaire 34 et autour de la zone de soudage A, permet de maintenir cette 15 zone de soudage A en surpression par rapport à la pression d'eau environnante. Le dispositif de soudage selon l'invention permet par des moyens fiables et simples à mettre en oeuvre d'obtenir automatiquement et sans intervention humaine sous eau des soudures de bonne qualité. Une caméra miniature peut être placée à proximité de la zone de 20 soudage, en particulier dans le canal annulaire 24, pour participer à la bonne réalisation du soudage en donnant des indications visuelles à l'opérateur situé à distance. Un capteur de pression peut être placé dans au moins un canal annulaire d'apport du flux de séchage ou d'apport du gaz de protection du bain 25 de soudage pour participer à un réglage à distance des débits et pressions desdits flux ou gaz. Les soudures peuvent être réalisées par le dispositif de soudage selon l'invention dans toute position sur des surfaces planes ou éventuellement courbes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de soudage automatique sous eau pour la réalisation sur une surface (2) d'un joint soudé (3), du type comprenant une torche de soudage (20) comportant une électrode (21) entourée d'une enveloppe de protection (23) délimitant avec ladite électrode (21), un canal annulaire (24) relié à des moyens d'alimentation en gaz de protection, caractérisé en ce que la torche de soudage (20) est disposée axialement au centre d'un ensemble (30) de deux enveloppes (31, 32) concentriques dont au moins une est mobile axialement et réglable par rapport à ladite surface (2) et délimitant entre elles un espace annulaire (34) d'injection d'un flux de séchage de la zone de soudage et de maintien de ladite zone de soudage hors d'eau et en ce qu'ils comporte des moyens de déplacement le long du joint à souder (3). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la torche de soudage (20) comporte un moyen d'alimentation en métal d'apport (22). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble (30) de deux enveloppes comporte une enveloppe interne (31) disposée contre l'enveloppe de protection (23) de la torche de soudage (20) et une enveloppe externe (32). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enveloppe déplaçable axialement et réglable est l'enveloppe interne (31). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les deux enveloppes (31, 32) de l'ensemble (30) de deux enveloppes sont déplaçables axialement et réglables simultanément ou successivement. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le déplacement axial de l'enveloppe interne (31) et/ou de l'enveloppe externe (32) est compris entre 0 et 30 mm, de préférence de 2 à 20 mm. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flux injecté dans l'espace annulaire (34) est 2908061 11 formé par de l'air chaud ou froid ou par un plasma ou par une flamme produite à partir d'un mélange gazeux dite HVOF (High Velocity Oxygen Fuel). 8. Procédé de soudage automatique sous eau pour la réalisation sur une surface (2) d'un joint à souder (3), procédé dans lequel on place à 5 proximité de la surface (2) sur une zone de soudage du joint à souder (3), une torche de soudage (20) comportant une électrode (21) entourée d'une enveloppe de protection (23) délimitant avec ladite électrode (21) un canal annulaire (24) d'alimentation en gaz de protection, caractérisé en ce que : - on place autour de l'enveloppe de protection (23) de la torche de 10 soudage (20), un ensemble (30) de deux enveloppes (31, 32) concentriques dont au moins une est déplaçable axialement et réglable par rapport à ladite surface (3) et délimitant entre elles un espace annulaire (34), ladite au moins enveloppe étant déplaçable entre une position sortie en saillie par rapport à l'extrémité de l'enveloppe de protection (23) et une position rentrée en retrait par rapport à 15 ladite extrémité, - on injecte dans ledit espace annulaire (34) un flux de séchage de la zone de soudage et de maintien de ladite zone hors d'eau, ainsi qu'un flux de gaz de protection dans le canal annulaire (24), l'enveloppe externe (32) étant en position sortie, 20 - on plonge la torche de soudage (20) et l'ensemble (30) de deux enveloppes (31, 32) concentriques sous eau, jusqu'au quasi contact de l'enveloppe externe (32) avec la surface (2), - après séchage de la zone de soudage, on déplace en position sortie l'enveloppe interne (31) de l'ensemble (30) de deux enveloppes pour 25 maintenir par ledit flux de gaz de protection la zone de soudage hors perturbation, - on met en service la zone de soudage (20), et - on déplace la torche de soudage (20) et l'ensemble (30) de deux enveloppes cylindriques le long du joint à souder (3) en maintenant la zone de 30 soudage hors d'eau et hors perturbation par injection dudit flux. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'après avoir mis en service la torche de soudage (20), on relève l'enveloppe externe 2908061 12 (32) de l'ensemble (30) de deux enveloppes pour diriger le flux vers l'extérieur de la zone de soudage et maintenir cette zone hors d'eau.