Brevet FR3070020A1 — publié le 20190215

Outil de soudage de goujon sous eau La présente invention concerne un outil et un procédé de soudage sous eau, plus particulièrement des outil et procédé pour le soudage à l'arc de goujon, notamment un soudage par fusion et forgeage avec gaz de protection. Plus particulièrement encore, la présente invention concerne un outil de soudage sous eau permettant de souder à pleine section un goujon sur une surface métallique notamment dans des piscines de centrales nucléaires, plus particulièrement pour remplacer sous eau des goujons sur des portes de batardeaux de piscine de centrales nucléaires. Le dispositif de soudage selon la présente invention est également adaptable pour d'autres types d'interventions de soudage sous eau dans différents secteurs industriels autre que le nucléaire comme l'industrie pétrochimique, les technologies de construction navale et installation off-shore exemple. Le dispositif de soudage selon la présente invention comprend un dispositif de soudage du type pistolet automatique, un outillage de positionnement, un coffret de commande assurant la commande du pistolet automatique depuis la surface. Lors du soudage du goujon par fusion et forgeage, un arc est brièvement créé entre l'extrémité du goujon et la pièce à souder; il y a fusion des deux éléments à souder et ils sont ensuite assemblés. L'une des caractéristiques du soudage des goujons est le temps d'arc très court (environ de 0,5 ms à 3 000 ms) ainsi que les vitesses de chauffage et de refroidissement élevées qui s'y rapportent. Normalement, la valeur du diamètre de goujon peut atteindre 10 mm pour le soudage à l'arc avec amorçage par contact et peut atteindre 25 mm pour le soudage à l'arc par fusion et forgeage. Ce procédé de soudage des goujons est utilisé, entre autres, pour la construction des ouvrages d'art, les constructions métalliques, la fabrication des murs de façades, la fabrication des véhicules, la conception des équipements, la fabrication des chaudières et la fabrication des appareils électroménagers. Les principaux avantages de ce procédé de soudage sont la productivité et la facilité de mise en oeuvre. En effet, le cycle de soudage de courte de durée (Ç=1s) permet une cadence élevée de soudage de goujon tout en garantissant une tenue mécanique 5 de l'assemblage soudé puisque le goujon est soudé à pleine section. L'inconvénient principal de ce procédé réside dans la difficulté de réaliser des contrôles non destructifs interprétables sur les soudures permettant ainsi d'apprécier la qualité de la 10 soudure en production. La Figure 1C illustre la séquence des différentes phases d'un soudage à l'arc de goujon par fusion et forgeage dans le cas d'utilisation d'une bague en céramique 5a'. Le soudage à l'arc des goujons par fusion et forgeage peut être mis en oeuvre 15 mécaniquement ou automatiquement, en utilisant un pistolet ou des têtes de soudage. Le goujon est inséré dans son support et, après positionnement éventuel d'une bague en céramique, il est mis en contact (A) avec la pièce. Au début du processus de soudage, le goujon est relevé (B) par un mécanisme et, en 20 général, un arc pilote puis l'arc principal sont établis (C) entre l'extrémité 10a du goujon et la pièce. Cela provoque la fusion de l'extrémité du goujon et de la pièce (D). Lorsque le temps de soudage est écoulé, le goujon est plongé dans le bain de fusion 13 avec une force de valeur faible ( REVENDICATIONS1. Outil de soudage (1) sous eau de l'extrémité (10a) de goujon (10) sur une surface (11a) de pièce métallique à souder (11) comprenant un dispositif de soudage de goujon (2) comprenant : a) un caisson (3) formant une enceinte renfermant : - un support de goujon (21) apte à supporter le goujon (10) et le maintenir dans une direction longitudinale axiale (XX') au sein d'une première chambre interne (31) du caisson, le dit support de goujon (21) étant monté apte à coulisser au sein de la première chambre interne (31) en première translation relative par rapport au caisson (3) en aller et retour dans la dite direction longitudinale (XX') lorsqu'on commande une opération de soudage dudit goujon (10), de préférence en coopérant avec un premier ressort (23), - des moyens de déclenchement (20, 25) d'un arc électrique de soudage entre un goujon (10) supporté par ledit support de goujon (21) et la surface de la pièce à souder (11), et - des moyens motorisés (22) aptes à déplacer le support de goujon (21) en dite première translation relative en aller et retour dans la dite direction longitudinale (XX') lorsqu'on commande une opération de soudage dudit goujon (10) contre la surface d'une pièce à souder (11), et b) une cloche (4) montée co-axialement à l'avant dudit caisson (3), la dite cloche (4) comprenant un corps principal de cloche (4a) creux délimitant une deuxième chambre interne (4b) apte à recevoir le dit goujon (10) sur le dit support de goujon (21) et un gaz apte à chasser un volume d'eau limité pouvant être contenu dans la deuxième chambre interne (4b), le dit corps principal (4a) de cloche comprenant une paroi transversale avant (4e) comprenant un orifice centrale circulaire coaxial (4d) bordé par une couronne crénelée (4c) externe coaxiale apte à buter contre la surface (11a) de la pièce à souder (11), 39 c) au moins un premier circuit de distribution (30a) de gaz par lequel un premier flux (30) de gaz peut être envoyé dans la dite cloche pour chasser l'eau au niveau de la zone de surface de la pièce à souder pendant le soudage, de préférence un gaz 5 inerte, caracterisé en ce qu'il comprend : (1) une dite cloche (4) montée apte à être déplacée en deuxième translation relative par rapport au dit caisson (3) coaxialement à l'avant dudit caisson entre : 10 (1a) une position de pré-accostage de l'outil de soudage (1) dans laquelle lorsque la dit couronne crénelée (4c) est en contact contre la surface (11a) de la pièce à souder (11), la cloche (4) étant le plus éloigné (d0) du caisson (3) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon (10) supporté par le dit 15 support de goujon (21) se trouvant en retrait vers l'arrière (dl) par rapport à l'extrémité avant de la dite couronne crénelée (4c), et (lb) une position d'accostage de l'outil de soudage dans laquelle la cloche (4) est le plus proche (d3) du caisson (3), 20 la dite couronne crénelée (4c) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon supporté par le dit support de goujon se trouvant en butée contre ladite surface de la pièce à souder, et (2) deux circuits de distribution du gaz avec : (2a) un premier circuit (30a) par lequel un premier 25 flux (30) de gaz peut être envoyé dans ladite première chambre interne (31), de préférence de l'avant (3b) du caisson, en direction du dit orifice central (4d) de ladite deuxième chambre interne (4b) de la dite cloche avec laquelle elle communique, ledit premier flux pouvant arriver au niveau du dit orifice central (4d) 30 parallèlement ou selon une première inclinaison d'un angle al par rapport à la direction longitudinale axiale (XX') de façon à évacuer toute eau contenue dans lesdites première chambre interne (31) et deuxième chambre interne (4b) en dite position de pré-accostage et dite position d'accostage, et 40 (2b) un deuxième circuit (40-1, 40-2) par lequel un deuxième flux de gaz peut être envoyé en direction de l'extrémité avant (10a) dudit goujon en dite position initiale de pré-accostage de l'outil de soudage de façon à en chasser toute trace 5 d'humidité, ledit deuxième flux (40) pouvant arriver au niveau de ladite extrémité avant (10a) du goujon radialement ou selon une deuxième inclinaison d'un angle a2 par rapport à la direction longitudinale axiale (XX') plus importante que l'angle al de la dite première inclinaison al. 10 2. Outil de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite couronne crénelée (4c) présente un diamètre inférieur à celui de la paroi transversale avant (4e) de la cloche au-delà de laquelle ladite couronne s'étend (e) dans la dite direction longitudinale axiale (XX') lequel diamètre de la dite 15 couronne est de préférence d'au moins 3 fois le diamètre dudit goujon et de pas plus de 1/3, de préférence pas plus de 1/10, du diamètre de la cloche au niveau de la dite paroi transversale avant (4e) et la longueur (e) de la couronne est pas plus 1/3, de préférence de pas plus de 1/5 du diamètre de ladite couronne. 20 3. Outil de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'au moins un capteur (7, 8), de préférence apte à coopérer avec au moins une butée mécanique (7,5a), de préférence disposée sur un dit axe de guidage (6) en entretoise entre le caisson (3) et la cloche (4), permet de contrôler une 25 distance minimale (d3) de la cloche (4) par rapport au caisson (3) en dite deuxième translation relative en dite position d'accostage de l'outil de soudage dans laquelle la cloche (4) est le plus proche du caisson, la dit couronne crénelée (4c) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon supporté par le dit support de goujon (21) se 30 trouvant en butée contre ladite surface de la pièce à souder (11). 4. Outil de soudage selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend : - un dit support de goujon (21) apte à coulisser au sein de la première chambre (31) en dite première translation relative en coopérant avec un dit premier ressort (23) tel que : 41 (al) ledit premier ressort (23) est en position de détente lorsque le dit goujon (10) est en dite position de pré-accostage ou en position de désaccostage dans laquelle la dite cloche (4) n'est pas encore ou plus en contact avec la surface à 5 souder (11), et (b1) ledit premier ressort (23) est en position partiellement comprimée lorsque ledit goujon (10) est en dite position d'accostage en butée contre la dite surface de la pièce à souder, et 10 - un dit corps principal (4a) de la dite cloche qui est monté sur des axes de guidage (5) guidant ladite deuxième translation relative du caisson (3) par rapport à la cloche (4), les dits axes de guidage (5) étant solidaires de la partie avant (3b) du dit caisson délimitant la dite première chambre interne (31) et 15 le dit corps principal (4a) de la cloche est apte à coopérer avec un deuxième ressort (6) lors d'une dite deuxième translation relative de sorte que : (a2) le dit deuxième ressort (6) se trouve détendu en dite position de pré-accostage et dite position de désaccostage, et 20 (b2) le dit deuxième ressort (6) se trouve comprimé en dite position d'accostage du goujon (10) en butée contre la dite surface de la pièce à souder (11). 5. Outil de soudage selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un premier capteur (8) de préférence 25 coopérant avec au moins une première butée mécanique (7), permet de contrôler une distance intermédiaire de la cloche (4) par rapport au caisson (3) en dite deuxième translation relative dans laquelle la cloche (4) est rapprochée du caisson correspondant à une compression partielle du dit deuxième ressort 30 (6) la dite couronne crénelée (4c) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon se trouvant en contact avec une dite surface (11a) de pièce à souder (11), ledit premier ressort (23) étant détendu. 6. Outil de soudage selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce qu'un deuxième capteur (7), de préférence 35 coopérant avec au moins une deuxième butée mécanique (5a), de 42 préférence encore une deuxième butée mécanique (5a) disposée sur un dit axe de guidage (6) en entretoise entre le caisson (3) et la cloche (4), permet de contrôler : - une distance minimale (d3) de la cloche (4) par rapport au 5 caisson (3) en dite deuxième translation relative en dite position d'accostage de l'outil de soudage dans laquelle la cloche (4) est le plus proche du caisson correspondant à une compression maximale autorisée du dit deuxième ressort (6) la dite couronne crénelée (4c) se trouvant en contact avec une dite surface de 10 pièce à souder (11), et - l'extrémité avant (10a) dudit goujon supporté par ledit support de goujon (21) se trouvant en butée contre ladite surface de la pièce à souder (11), ledit premier ressort (23) étant en compression partielle en dite position d'accostage de sorte que 15 lors du soudage l'extrémité avant (10a) du goujon s'étend en avant de ladite couronne (4c), au sein du bain de fusion du fait de la dite première translation. 7. Outil de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de positionnement 20 (14) apte à coopérer avec le dit dispositif de soudage (2) et une surface de pièce à souder (11) pour : - positionner ledit dispositif de soudage (2) avec son axe longitudinal (XX') perpendiculaire à ladite surface de pièce à souder, et 25 - effectuer une translation du dispositif de soudage par rapport à la surface à souder et une dite deuxième translation de façon contrôlée entre une dite position de pré-accostage et une dite position d'accostage. 8. Outil de soudage selon la revendication 7, caractérisé 30 en ce que ledit un dispositif de positionnement (14) comprend : - un châssis (15) apte supporter et guider en translation le dit dispositif de soudage (2) comprenant au moins un rail de guidage (15d) coopérant avec un élément de guidage complémentaire (15e) solidaire dudit caisson (3) pour permettre le 43 coulissement du dit caisson dans une dite direction axiale longitudinale (XX') du dispositif de soudage, et - un support de fixation (16) apte à être fixé avec des moyens de fixation (16d, 16e) sur une dite surface de la pièce à 5 souder et apte à coopérer avec ledit châssis (15) dans la dite direction longitudinale (XX') de sorte que l'on peut réaliser : - tout d'abord, un dit coulissement guidé du dispositif de soudage (1) sur le dit châssis (15) jusqu'à ce que la dite cloche (4) entre en contact avec ladite surface à souder (11), puis 10 - une dite deuxième translation relative en continuant le dit coulissement longitudinal du caisson (3) sur le dit châssis (15) avec la dite cloche (4) en butée sur la dite surface à souder. 9. Outil de soudage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit corps principal de la cloche renferme 15 dans sa masse des canaux de distribution de gaz (40-1, 40-2) s'étendant dans des directions radiales perpendiculaires à la dite direction longitudinale axiale ou de préférence des directions inclinées (Y1Y1', Y2Y2') par rapport aux dites directions radiales, les dits canaux (40-1, 40-2) formant des orifices latéraux (40d1, 20 40d2) débouchant au niveau de la paroi latérale délimitant ladite deuxième chambre interne, lesdits canaux (40-1, 40-2) et dit orifices latéraux (40d1, 40d2) étant disposés symétriquement par rapport audit axe longitudinale (XX') du dispositif de soudage, et dit orifices latéraux (40d1, 40d2) étant disposés latéralement en 25 vis-à-vis de l'extrémité du dit goujon (10) lorsque celui-ci est sur ledit support de goujon et en retrait (dl) par rapport à l'extrémité avant de la dite couronne (4c) en dite position de pré-accostage, de préférence lesdits axes (Y1Y1', Y2Y2') des dits canaux étant inclinés de façon à converger au niveau de l'extrémité du dit 30 goujon et de préférence encore de façon à ce que le dit deuxième flux de gaz sortant de chacun desdits canaux recouvre l'espace (dl) entre l'extrémité avant du dit goujon et la surface à souder en contact avec la dite cloche et circonscrite par la dite couronne (4c). 35 10. Outil de soudage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit premier circuit (30a) par lequel un 44 premier flux (30) de gaz peut être envoyé dans ladite première chambre interne (31) à l'avant du caisson et en direction du dit orifice central (4d) de ladite deuxième chambre interne (4b) de la dite cloche avec laquelle elle communique, ledit premier flux 5 pouvant arriver au niveau du dit orifice central (4d) parallèlement ou selon une première inclinaison (al) par rapport à la direction longitudinale axial. 11. Procédé de mise en oeuvre d'un outil de soudage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'on réalise les 10 étapes suivantes : El) on positionne le dispositif de soudage (2) avec la dite couronne (4c) en contact contre la surface de la pièce à souder (11), l'axe longitudinal (XX') dudit goujon supporté par le dit support de goujon (21) étant perpendiculaire à la surface de la 15 pièce à souder, l'extrémité avant dudit goujon (10) se trouvant en retrait vers l'arrière (dl) par rapport à la surface (11a) de la pièce à souder (11) en position de pré-accostage, E2) en dite position de pré-accostage, on envoie un dit deuxième flux (40) de gaz dans ledit deuxième circuit (40-1,40-2) 20 de façon à chasser toute trace d'humidité au niveau de ladite extrémité avant (10a) du goujon avant de passer en dite position d'accostage et concomitamment, de préférence, un dit premier flux (30) de gaz dans ledit premier circuit (30a) de façon à évacuer l'eau contenu dans les dite première chambre interne (31) 25 et dite deuxième chambre interne(4b) et dite couronne (4c), E3) on réalise une dite deuxième translation relative du caisson (3) par rapport à la dite cloche (4) pour passer d'une dite position de pré-accostage à une dite position d'accostage dans laquelle l'extrémité avant dudit goujon se trouvant compressé en 30 butée contre ladite surface de la pièce à souder, et E4) on interrompt d'envoyer ledit deuxième flux (40) de gaz et on maintient ledit premier flux (30) de gaz, et on réalise ledit soudage en réalisant une dite première translation dudit support de goujon (21) par rapport au caisson à l'aide de dits des 35 moyens motorisés (22) et en déclenchant un arc électrique de 45 soudage (20) entre l'extrémité avant du goujon (10) et une surface (11a) d'une pièce à souder (11), et E5) après soudage, on désolidarise le goujon du support de goujon et on écarte le dispositif de soudage de la dite surface 5 sur laquelle ledit goujon est soudé en réalisant une dite deuxième translation en sens inverse à l'issue de laquelle la cloche (4) se retrouve plus éloigné (d0) du caisson (3) et le dit support de goujon (21) se trouvant en retrait vers l'arrière par rapport à l'extrémité avant de la dite couronne crénelée dans une position 10 de désaccostage. 12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que : - à l'étape El), on fixe le dispositif de soudage (2) sur un dispositif de positionnement (14) lui-même fixé sur la dite surface 15 de la pièce à souder (11), ledit dispositif de soudage (2) étant ainsi positionné avec ledit axe longitudinal (XX') perpendiculaire à ladite surface de pièce à souder (11) et on effectue une translation du dispositif de soudage (2) dans son ensemble par rapport à la surface de la pièce à souder (11) à l'aide du dit 20 dispositif de positionnement (14), et - à l'étape E3), on effectue une dite deuxième translation du caisson (3) par rapport à ladite cloche (4) de façon contrôlée entre une dite position de pré-accostage et une dite position d'accostage à l'aide du dit dispositif de positionnement (14), et 25 - à l'étape E5), on effectue une dite deuxième translation inverse du caisson (3) par rapport à ladite cloche (4) de façon contrôlée entre une dite position d'accostage et une dite position de désaccostage à l'aide du dit dispositif de positionnement (14), puis on dégage l'ensemble dudit dispositif de soudage (2) par 30 rapport à la surface de la pièce à souder sur laquelle ledit goujon est ancré par soudage par translation inverse à l'aide du dit dispositif de positionnement (14). 13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'à l'étape E4), avant le dit soudage, on 35 contrôle avec au moins un capteur (7, 8) que de préférence apte à 46 coopérer avec au moins une butée mécanique (7, 5a) que la dite couronne crénelée (4c) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon supporté par le dit support de goujon (21) se trouvent en butée contre ladite surface de la pièce à souder (11). 5 14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, caractérisé en ce que : - à l'étape E3), ladite deuxième translation relative du caisson (3) par rapport à la cloche (4) est guidée par des axes de guidage (5) sur lesquels ledit corps principal (4a) de la dite cloche 10 est monté, les dits axes de guidage (5) étant solidaires de la partie avant (3b) du dit caisson délimitant la dite première chambre interne (31), et le dit corps principal (4a) de la cloche coopère avec un deuxième ressort (6) lors d'une dite deuxième translation relative de sorte que : 15 (a2) le dit deuxième ressort (6) se trouve détendu en dite position de pré-accostage, et (b2) le dit deuxième ressort (6) se trouve comprimé en dite position d'accostage du goujon (10) en butée contre la dite surface de la pièce à souder (11), et 20 - à l'étape E4), lors du soudage, ledit support de goujon (21) coulisse au sein de la première chambre (31) en dite première translation relative en coopérant avec un dit premier ressort (23) tel que : (a1) ledit premier ressort (23) est en position de 25 détente lorsque le dit goujon (10) est en dite position de pré- accostage, et (b1) ledit premier ressort (23) est en position partiellement comprimée lorsque ledit goujon (10) est en dite position d'accostage en butée contre ladite surface de la pièce à 30 souder (11). 15. Procédé selon l'une des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce qu'à l'étape E3), avant le dit soudage, on contrôle successivement : 47 (cl) avec un premier capteur de préférence coopérant avec au moins une première butée mécanique, que l'on se trouve dans une position avec une distance intermédiaire de la cloche (4) par rapport au caisson (3) en dite deuxième translation relative, 5 la cloche (4) étant rapprochée du caisson correspondant à une compression partielle du dit deuxième ressort (6), la dite couronne crénelée (4c) et l'extrémité avant (10a) dudit goujon se trouvant en simple contact avec une dite surface (11a) de pièce à souder (11), ledit premier ressort (23) étant détendu, puis 10 (c2) avec un deuxième capteur (7), de préférence coopérant avec au moins une deuxième butée mécanique (5a), de préférence encore une deuxième butée mécanique (5a) disposée sur un dit axe de guidage (6) en entretoise entre le caisson (3) et la cloche (4), l'arrêt du deuxième flux de gaz et le déclenchement 15 du soudage lorsqu'on se trouve dans une dite position d'accostage avec : - une distance minimale (d3) de la cloche (4) par rapport au caisson (3) en dite deuxième translation relative en dite position d'accostage de l'outil de soudage dans laquelle la 20 cloche (4) est le plus proche du caisson correspondant à une compression maximale autorisée du dit deuxième ressort (6) la dite couronne crénelée (4c) se trouvant en contact avec une dite surface de pièce à souder (11), et - l'extrémité avant (10a) dudit goujon en compressée 25 butée contre ladite surface de la pièce à souder (11), ledit premier ressort (23) étant en compression partielle en dite position d'accostage de sorte que lors du soudage l'extrémité avant (10a) du goujon s'étend en avant de ladite couronne (4c), au sein du bain de fusion du fait de la dite première translation. 30 16. Procédé selon l'une des revendications 11 à 15, caractérisé en ce qu'on réalise le soudage d'un goujon (10) sur une surface d'une pièce à souder dans une atmosphère contaminée par des rayonnements nucléaires, de préférence une surface (11a) d'une porte de batardeau au sein d'une piscine de 35 centrale nucléaire.