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WO 2008/056062 PCT/FR2007/001778
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Dispositif et procédé de soudage automatique sous eau pour la réalisation
sur une surface d'un joint à souder
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 pius 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.
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L'utilisation de tels procédés sous eau pose des problèmes.
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
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
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,
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
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.
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
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
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d'une enveloppe de protection délimitant avec ladite électrode, un canal
annulaire
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
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
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
interne,
- les deux enveloppes de l'ensemble de deux enveloppes sont
déplaçables axialement et réglables simultanément 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
- 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,
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
soudage, un ensemble de deux enveloppes concentriques dont au moins une est
déplaçable axialement et réglable par rapport à ladite surface et délimitant
entre
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elles un espace annulaire, ladite au moins enveloppe étant déplaçable entre
une
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
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,
- 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
enveloppes cylindriques le long du 'joirit 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
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
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.
Sur les figures, on a représénté schématiquement deux pièces la
et 1 b qui déterminent une surface 2 sur laquelle doit être réalisé un joint à
souder
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3 au moyen d'un dispositif de soudage automatique désigné par la référence
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
5 comportant une électrode 21 en matériau réfractaire généralement en
tungstène,
reliée à des moyens d'alimentation électrique, non représentés, et dont
l'extrémité libre 21 a 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
d'alimentation en métal d'apport constitués par un fil 22 dont l'extrémité
libre 22a
est disposée à proximité de l'extrémité 21 a 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
l'électrode elle-même.
Enfin, la torche de soudàge 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
vers l'extrémité 21 a 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
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.
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,
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respectivement de l'enveloppe interne 31 et de l'enveloppe externe 32, sont
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
Oxygen Fuel).
Les enveloppes 31' et 32 de l'ensemble 30 sont de préférence
cylindriques et au moins une dé 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
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.
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
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 1 b.
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 1 a et 1 b sous eau est réalisé de la
façon suivante.
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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
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
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
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 31 a et 32a de ces enveloppes, et la surface 2 des pièces la et
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
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 qùantité 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
l'espace annulaire 34 passe par l'interstice 37 et permet de maintenir la zone
de
soudage A hors d'eau.
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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
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
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
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
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.
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
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.
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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
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
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
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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
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
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
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.
