Brevet FR3030731A1 — publié le 20160624

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un outil et à un procédé de pose d'un thermocouple. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION De nombreux systèmes de production industrielle nécessitent l'emploi de composants soumis à des environnements thermiques changeants. Ainsi, lorsque des interventions de réparation, de fabrication ou d'assemblage de tels composants sur le parc nucléaire français est nécessaire, le soudage à l'arc électrique est le procédé adéquat du fait de la qualité des soudures produites. Lors d'une opération de soudage, les températures atteintes par les matériaux sont telles que les contraintes mécaniques engendrées peuvent être très grandes, ce qui peut conduire à des déformations. Celles-ci doivent bien sûr être maîtrisées et il est donc nécessaire de pouvoir déterminer toutes les conséquences d'une opération de soudure. Pour ce faire, il existe deux options : - Réaliser une étude expérimentale sur une maquette représentative de l'intervention avant de débuter les travaux sur site ; - Réaliser une étude par modélisation physique et numérique représentative de l'intervention. Dans le premier cas, la maquette doit être instrumentée de telle manière à avoir le meilleur suivi possible au cours du procédé. Dans le second cas, il est nécessaire de valider la modélisation par des essais préliminaires pour 25 vérifier que le résultat correspond bien à la réalité. Dans les deux cas, différentes grandeurs physiques doivent être enregistrées au cours du procédé. Parmi elles, une attention particulière doit être donnée à la température. Dans la littérature, la plupart des études du procédé de soudage font état de mesures liées à une instrumentation en 30 température, paramètre jouant un rôle crucial. Le matériau est soumis à de telles variations spatio-temporelles de température au cours du temps qu'il est nécessaire de mettre en place des solutions pour avoir accès à son historique thermique. Pour ce faire, on fait usage d'un thermocouple 1 tel que celui 35 illustré sur la figure 1 annexée. Il s'agit d'un système formé de deux fils conducteurs électriques 10 et 11, de nature différente, soudés en une jonction dite - soudure chaude » 12. Lorsque le soudage de fils 10 et 11 est bien fait, le métal liquide de la soudure chaude 12 se met naturellement sous forme sphérique car c'est la 5 forme qui minimise l'énergie liée à la tension de surface du métal liquide. Toute autre forme (ovale ou autre) dénote le fait que le procédé a été mal réalisé. La soudure chaude 12 est donc une boule de métal composée d'une partie du fil 10 et une partie du fil 11. Par la suite, nous appellerons de 10 manière équivalente cette jonction, boule, sphère, ou soudure chaude. Aux bornes 100 et 110 de ces fils, on mesure une différence de potentiel qui est fonction de la température au niveau de la soudure chaude. Les bornes 100 et 110 sont communément appelées - soudures froides ». L'instrumentation en thermocouples au coeur même d'un matériau 15 dont la température est à mesurer n'est pas une chose aisée. En effet, pour ce faire, des perçages doivent être effectués dans le matériau afin d'atteindre la profondeur désirée. Ces perçages doivent être suffisamment fins pour ne pas trop perturber la mesure tout en préservant les caractéristiques intrinsèques du 20 matériau (le champ de température est alors supposé être très proche de celui-ci que l'on aurait dans une pièce non-percée). Les thermocouples posés sont donc nécessairement de petite taille. Il n'existe pas à proprement parler de technique de pose de thermocouple à coeur du matériau qui soit bien codifiée. On con nait toutefois les 25 techniques suivantes : a) La boule du thermocouple (soudure chaude) est poussée au fond du perçage par un fil de cuivre non isolé électriquement. Cette méthode n'est pas satisfaisante car le cuivre est trop malléable et il n'est pas certain que la boule soit vraiment au fond du trou. 30 b) La boule du thermocouple est poussée au fond du perçage par une gaine céramique à deux canaux dans laquelle on insère les deux fils 10 et 11 de manière à les isoler. Ensuite on applique un potentiel électrique au deux fils en même temps via une micro-soudeuse (appareil qui génère un court-circuit) pour souder la soudure chaude au fond du perçage, la pièce instrumentée jouant 35 alors le rôle de la masse. Cette solution n'est pas idéale car les deux fils atteignent une température anormalement élevée, devenant de fait fragilisés. Visuellement, les fils émettent un rayonnement visible (rouge). Ils peuvent donc céder facilement. Et encore une fois, il n'est pas certain que la boule soit vraiment au 5 fond du perçage. Dans les deux cas, le taux de réussite de la pose est assez faible. On décrit par ailleurs dans les documents EP 0 404 312, US 5 172 979 et FR2 242172 des techniques de pose de thermocouples. Toutefois, celles-ci ne sont pas adaptées à la pose de thermocouples de petite taille. 10 La présente invention a justement pour but de fournir une technique de pose qui permet d'être certain que la soudure chaude est bien disposée au fond du perçage et que les deux fils du thermocouple restent solides. RESUME DE L'INVENTION 15 Ainsi, un premier aspect de la présente invention est relatif à un outil métallique et conducteur de pose d'un thermocouple comportant deux fils reliés à une de leurs extrémités par une sphère de métal formant une - soudure chaude », caractérisé par le fait qu'il comprend une tige formant organe de 20 préhension qui se prolonge par deux branches sensiblement parallèles et distantes l'une de l'autre, ces branches étant défornnables et configurées pour bloquer et pincer entre elles ladite sphère. Avantageusement, au moins une partie des faces en regard desdites branches sont biseautées, de sorte que leur écartement mutuel 25 augmente dans la direction opposée à la tige. Un autre aspect de la présente invention est relatif à un procédé de pose d'un thermocouple comportant deux fils reliés à l'une de leur extrémités par une sphère de métal formant une - soudure chaude », au fond d'un perçage que présente un matériau, caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes 30 suivantes qui consistent à : a) positionner ledit thermocouple sur un outil métallique et conducteur qui comprend une tige formant organe de préhension qui se prolonge par deux branches sensiblement parallèles et distantes l'une de l'autre, configurés de façon à ce que ladite sphère du thermocouple soit bloquée et 35 pincée par lesdites branches et que lesdits fils s'étendent dans la direction dudit organe de préhension, b) insérer ledit outil dans ledit perçage jusqu'à ce que ladite sphère vienne en contact avec le fond dudit perçage. Selon des caractéristiques avantageuses et non limitatives de ce procédé: - ladite étape a) est précédée d'une étape d'enduction dudit outil avec un enduit isolant électrique, puis de retrait de cet enduit présent sur les dites branches ; - la dite étape b) est suivie par une étape c) au cours de laquelle on soude ladite sphère dudit thermocouple audit matériau pourvu dudit perçage, 10 via l'envoi d'une décharge électrique au travers dudit outil ; - ladite étape c) est suivie d'une étape d) qui consiste à retirer ledit outil dudit perçage ; - après la mise en oeuvre de l'étape d), on réalise une étape e) consistant à emmancher sur lesdits deux fils du thermocouple, une gaine 15 isolante électriquement ; - l'on utilise une seule gaine à deux canaux de réception desdits fils ; - ladite gaine est en alumine ; - ledit thermocouple est de type K. 20 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Elle sera faite en référence 25 aux dessins annexés dans lesquels, en plus de la figure 1 déjà commentée : - La figure 2 est une vue partielle de face et en coupe longitudinale de l'outil selon l'invention ; - La figure 3 est une vue en coupe d'un matériau dans lequel un perçage a été réalisé, ce dernier recevant un thermocouple ; 30 - La figure 4 est une vue de face partielle d'un thermocouple emmanché dans une gaine isolante. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION 35 La présente invention a été développée dans le cadre du suivi de la cinématique de la température au coeur du matériau au plus proche du bain de fusion où les températures sont élevées. Mais elle trouve d'autres applications qui nécessitent un suivi en température au coeur d'un composant quel qu'il soit (par exemple : domaine des composants nucléaires, isolation des bâtiments, aéronautique, aspects soudage en génie civil, etc.). La technique selon l'invention permet de poser un thermocouple au coeur de la matière par l'intermédiaire de perçages de faible diamètre, de manière à limiter au maximum le caractère intrusif de la méthode. Selon un premier aspect de l'invention et comme illustré à la figure 2, celle-ci concerne un outil métallique et conducteur 2 de pose d'un thermocouple qui comprend une tige 20 formant organe de préhension, qui se prolonge par deux branches sensiblement parallèles et distantes l'une de l'autre 21 et 22, ces branches étant déforrnables et configurées pour bloquer et pincer entre elles la sphère ou soudure chaude 12 du thermocouple 1. Cela est particulièrement visible à la figure 2. A titre purement indicatif, la sphère 12 est d'un diamètre d'environ 200unn, tandis que l'outil présente un diamètre de 65 centièmes de millimètre et 40 mm de longueur. Par ailleurs et comme montré à la figure 3, les faces 210 et 220 en regard des branches 21 et 22 sont biseautées sur une partie de leur longueur, de 20 sorte que l'espace E qui les sépare s'agrandit au fur et à mesure que l'on s'éloigne de la tige 20. Cela facilite l'introduction de la soudure chaude 12 entre les branches, ainsi que son retrait ultérieur, cette introduction étant faite à la main. A titre purement indicatif, la longueur minimale des branches 21 25 et 22 est de l'ordre de 500 micromètres. Le procédé selon l'invention consiste essentiellement à : a) positionner ledit thermocouple 1 sur l'outil 2 de la manière indiquée plus haut de sorte que la sphère 12 du thermocouple 1 soit bloquée et pincée par lesdites branches 21 et 22 que lesdits fils 10 et 11 s'étendent dans la 30 direction de l'organe de préhension 20. b) insérer l'outil 1 dans le perçage 31 d'une face 30 d'un matériau 3 jusqu'à ce que ladite sphère 12 vienne en contact avec le fond dudit perçage, comme le montre la figure 3. A titre indicatif, le diamètre du perçage est de l'ordre d'un 35 millimètre. Préalablement, on aura préférentiellement procédé à l'enduction de l'outil par un produit tel qu'un vernis isolant électrique 6 (du type néoprène par exemple) pour éviter un shunt par l'un des fils 10 ou 11 mis au même potentiel que la sphère 12. On procède alors au retrait du produit isolant électrique présent sur les branches 21 et 22 de l'outil 2 pour assurer une conduction électrique aux points de contact avec la sphère 12. A ces fins, il est retiré dans les zones des branches qui seront en contact avec ladite sphère 12, celle-ci formant contact mécanique et, de fait, électrique. Les étapes a) et b) précitées sont alors mise en oeuvre. On réalise la fixation de la sphère 12 par soudure au matériau 3 via l'envoi d'une décharge électrique (par exemple en mettant en oeuvre une soudure par points, à la micro-soudeuse) au travers de l'outil 1. La décharge est dimensionnée de telle sorte que la gamme de 15 température de fusion soit compatible avec l'objectif d'une soudure sans vaporisation de la sphère 12. A titre indicatif, la décharge correspond à 30-50 % de la charge des condensateurs de la machine utilisée. Les fils 10 et 11 du thermocouple 1 ne sont pas parcourus par le courant de décharge et ne sont pas élevés en température, ou à peine, au 20 voisinage de la sphère. Le but est que les fils 10 et 11 ne se dissocient pas de la sphère 12 et que l'ensemble reste solide. Le point de soudure ainsi réalisé est référencé S à la figure 3. On retire alors l'outil 1 du perçage 31. Enfin, on insère les fils 10 et 11 dans une gaine 5 isolante à deux 25 canaux 50 et 51, telle que visible à la figure 4, pour éviter que les fils ne se touchent et soient en contact avec le matériau 3. Cette gaine est par exemple en alumine isolante électriquement. Grâce à cette gaine, la température étant mesurée au niveau de la sphère 12, on s'assure que cette mesure ne soit pas faussée. 30 Enfin, les fils 10 et 11 sont connectés aux bornes d'acquisition de d'un appareil de mesure de température. Dans l'exemple décrit ici, on a affaire à un thermocouple de type K, dont le fil 10 est en Alurnel (marque déposée), c'est à dire en alliage nickelaluminium-silicium-manganèse. 35 Le second fil 11 est en Chrornel (marque déposée), c'est à dire en alliage nickel-chrome. Il existe d'autres thermocouples de type T, J, N, E, R, S, B, G, C et D qui se distinguent du type K par le fait que les matériaux sont différents. Un thermocouple de type K offre le meilleur rapport prix / gamme de température. En effet, il est capable de mesurer des températures allant de 5 0°C à 1100°C tout en ayant un coût assez modeste. C'est d'ailleurs le modèle le plus utilisé dans l'industrie. Bien entendu, la présente invention peut s'appliquer aussi à ces autres thermocouples. Ce procédé permet une précision supérieure et un taux de réussite 10 élevé par rapport aux méthodes connues jusqu'alors. REVENDICATIONS1. Outil métallique et conducteur (2) de pose d'un thermocouple (1) comportant deux fils (10, 11) reliés à une de leurs extrémités par une sphère de métal (12) formant une - soudure chaude », caractérisé par le fait qu'il comprend une tige (20) formant organe de préhension qui se prolonge par deux branches (21, 22) sensiblement parallèles et distantes l'une de l'autre, ces branches étant défornriables et configurées pour bloquer et pincer entre elles ladite sphère (12). 2. Outil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins une partie des faces en regard (210, 220) desdites branches (21, 22) sont 10 biseautées, de sorte que leur écartement mutuel augmente dans la direction opposée à la tige (20). 3. Procédé de pose d'un thermocouple (1) comportant deux fils (10, 11) reliés à l'une de leur extrémités par une sphère (12) de métal formant une - soudure chaude », au fond d'un perçage (31) que présente un matériau (3), 15 caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes suivantes qui consistent à : a) positionner ledit thermocouple (1) sur un outil métallique et conducteur (2) qui comprend une tige (20) formant organe de préhension qui se prolonge par deux branches (21, 22) sensiblement parallèles et distantes l'une de l'autre, configurés de façon à ce que ladite sphère (12) du thermocouple (1) soit 20 bloquée et pincée par lesdites branches (21, 22) et que lesdits fils (10, 11) s'étendent dans la direction dudit organe de préhension (20), b) insérer ledit outil (2) dans ledit perçage jusqu'à ce que ladite sphère (12) vienne en contact avec le fond dudit perçage (31). 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que 25 ladite étape a) est précédée d'une étape d'enduction dudit outil (2) avec un enduit isolant électrique, puis de retrait de cet enduit présent sur les dites branches (20, 22). 5. Procédé selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé par le fait que la dite étape b) est suivie par une étape c) au cours de laquelle on 30 soude ladite sphère (12) dudit thermocouple (1) audit matériau (3) pourvu dudit perçage (31), via l'envoi d'une décharge électrique au travers dudit outil (2). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que ladite étape c) est suivie d'une étape d) qui consiste à retirer ledit outil (2) dudit perçage (31). 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait 5 qu'après la mise en oeuvre de l'étape d), on réalise une étape e) consistant à emmancher sur lesdits deux fils (10, 11) du thermocouple, une gaine (5) isolante électriquement. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'on utilise une seule gaine (5) à deux canaux (50, 51) de réception desdits fils 10 (10, 11). 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé par le fait que ladite gaine (5) est en alumine. 10. Procédé selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé par le fait que ledit thermocouple (1) est de type K.