PRÉSIDENCE DU CONSEI L

COMMISSARIAT AL'ÉNERGIE ATOMIQUE

SOUDAGE DES METAUX SOUS VID E

par

J. A. STOHR - J. BRIOLA

Rapport CEA No 785

CENTRE

D'ÉTUDE SNUCLÉAIRES DE SACLAYSERVICE DE DOCUMENTATIO N

Botte postale ne 2 - Gif-sur-Yvette (S .-et-O.)

— Rapport C .E .A . n° 785 —

Service de Technologi e

SOUDAGE DES METAUX SOUS VIDE

par

J .A . STOHR ET J . BRIOLA

— Décembre 1958 —

Soudage des métaux sous vid e

Le procédé de soudage sous vide décrit dans l acommunication ci-après a été mis au point a uCommissariat à 1'Energie Atomique (C .E.A.) enFrance .

Les numéros des brevets français sont les sui-vants :

D 84 — PV 706704 du 19 janvier 1956 .1"° additif D 162 — 84 a — PV 581 5 7

du 29 décembre 1956 .M. J .A . Stohr, Chef du Service de Technologie

au C .E .A., a fait le premier exposé en public de ceprocédé de soudage au Symposium Technique su rles Eléments Combustibles, tenu à Paris du 18 a u23 novembre 1 957 .

Une seconde conférence a eu lieu lors de la jour-née du Vide tenue le 4 février 1958, à Paris .

** *Introduction .

Le soudage par fusion de certains métaux n epeut être effectué sans précautions spéciales àl'aide des procédés classiques tels que le soudag een atmosphère d'argon avec électrode réfractaire .sous peine de voir altérer profondément les carac-téristiques du métal .

C'est ainsi que l'on a été conduit, pour le sou-dage du zirconium par exemple, à la réalisatio nde chambres à atmosphère contrôlée, remplie sd'argon ou d'hélium .

Les problèmes de production soulevés par d etelles chambres sont complexes. Il faut en effetcharger la chambre, faire le vide, remplir la cham-bre de gaz et effectuer la soudure. Le maintien dela pureté du gaz et la non pollution des parois d ela chambre par de la vapeur d'eau, nécessaires àl'obtention de soudure de qualité, posent égalementdes problèmes difficiles .

Une grande partie des difficultés rencontrée sdisparaissent si l'on peut utiliser le vide au lieud'une atmosphère contrôlée .

Les avantages résultant de l'utilisation du videsont :

— contrôle aisé de la pression de travail ,

— absence de manutention de gaz,— économie notable due à la non utilisation d e

gaz relativement purs : les impuretés de l'ar-gon de la plus haute qualité sont en effet del'ordre de 50 parties pour un million (oxy-gène et vapeur d'eau) .

L'utilisation du vide ne permettait d'envisage rcomme source de chaleur que l'utilisation d'élec-trons accélérés . Cette source de chaleur avait déj àété utilisée pour alimenter des fours de fusion ,pour le chauffage d'échantillons dans certains casparticuliers tels que microscope à platine chauf-fante, et dans la réalisation d'appareils destinés àla purification des métaux .

Fig . 1 . -- Forme du courant primair ehaché provoquant une soudure par point ssuccessifs dans le cas de métaux à forte

tension de vapeur .

S't•~~Z•j•~•i•1•j•j~l•I~I•l•~

3

Cathode et pièce de concentration

BMandri n

Pièces k souder

Chambre è vid e

Pumpe k palette

J Pompe k vapeur d'huile

Moteur d'entraînementA vitesse variable

Dispositif de réglageen hauteur par pressionet dépression

Plate—forme tournant epour pièces è souder ,

Fig . 2. — Schéma de l'appareil de soudage électronique sous vide . Les croquis B et Cmontrent les variantes du dispositif d'entraînement des pieces à souder .

Soudage par faisceau d'électrons .

Les moyens de production, d'accélération et d efocalisation des électrons sont trop connus pou rêtre décrits ici .

Il est facile de produire, sur un obstacle plac ésur le trajet d'un faisceau d'électrons, un poin td'impact ayant une surface de dimension déter-minée . Sur cette surface sera dissipée une énergi edépendant du nombre d'électrons la frappant pa runité de temps, et de leur énergie cinétique, c'est -à-dire pratiquement de l'intensité du courant et d ela tension d'accélération .

Si l'on déplace la surface d'impact le long d'uneligne correspondant à la ligne de séparation d edeux pièces à assembler par soudage, par exemple ,il est possible de fondre le métal le long de cett eligne et d'obtenir ainsi sous vide une soudur econtinue, identique à celle que l'on obtient ensoudage en atmosphère d'argon ou d'hélium ave célectrode réfractaire ou même avec un chalumea uoxyacétylénique .

La puissance unitaire, exprimée en Watt/cm` ,qu'il est possible d'obtenir à l'aide d'un tel dispo-sitif est considérable et permet de réaliser de ssoudures de types très différents .

Fig . 3 . — Schéma du circuit d'alimentation électrique .

!Générateurhaute tension

Hacheur

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Fig . 4 et 5 . — Vue de l 'appareil de soudage et de la chambre de vide .

Si l'on considère le soudage de pièces trèsminces, il est possible de réaliser sans difficultéun point d'impact de o .r mm 2 par exemple — cequi assure une précision d'assemblages que ne per-mettent ni le soudage en atmosphère d'argon o u(l'hélium, ni, a fortiori, le chalumeau. Enfin, l efait que la soudure soit exécutée sous vide empê-che toute oxydation et toute détérioration d umatériau .

Si l'on considère le soudage de pièces plu sépaisses, il est possible de réaliser, sur un poin td'impact de 6 à 8' mm2, une dissipation d'énergieconsidérable : 5.1o' Watts, par exemple .

Dans tous les cas, la localisation d'énergie e tl'utilisation du vide comme milieu ambiant per-mettent d'améliorer les soudures par rapport àcelles qui sont obtenues par les autres procédés .

Dans le cas de métaux réfractaires (tels quetungstène, molybdène, tantale) ou très oxydable s(tels que zirconium, béryllium, uranium), les résul-tats obtenus sont remarquables .

Limitation de la méthode .

La puissance qu'il est possible de dissiper sur lasurface d'impact dépend des possibilités d'accélére rles électrons, c 'est-à-dire de la tension existan tentre électrodes . Le maintien de cette tension n'estpossible que si aucune ionisation n'apparaît . L'ioni-sation dépend, dans ce cas, des possibilités de cho centre les atomes de métal vaporisé et les électron sprovenant de la cathode.

Pour une géométrie donnée, elle dépendra don cessentiellement de la nature du métal à souder e tde la dimension de la surface d'impact .

Pour une température donnée, celle de fusio npar exemple, la quantité Q de métal vaporisé pa runité de surface est :

MÉTAL Q g/cm 2 /s TEMPÉRATUREo C

Al < ro- 66oZr 2

ro— " t 75 ofa 1,4 à 1,3 . to —' 2 99 6W ro —4 3 38 2Be 4,4 .

r o —' r 28oMg > To 65o

La quantité QS (où S est la surface du pointd'impact) va définir le nombre d'atomes de méta lvaporisé par cm' et, par conséquent, la probabilitéd'ionisation sur le trajet des électrons, probabilit équi augmente lorsqu'on se rapproche du pointd'impact .

Dans le cas de métaux tels que le magnésium ,donnant une très grande quantité de vapeur métal-lique par unité de temps, l'interruption du cou-rant d'anode assurant . avec une vitesse dedéplacement convenable, une soudure par point s;uccessifs se recouvrant (fig . r) permet d'évite r

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Fig . 6 . — Montage pour le soudage decartouches d'élément combustible .

l'établissement d'un régime d'arc et d'effectuer l asoudure en régime électronique.

DESCRIPTION D'UN APPAREII . DI'. SOI MAGEÉLECTRONIQUE .

La figure 2 représente un appareil de soudage qu ia été réalisé pour l'exécution de soudures de révo-lution, par exemple la soudure d'embouts de tube sou d'éléments combustibles cylindriques destiné sà divers réacteurs du Commissariat à l'EnergieAtomique .

Ce poste est composé d'une chambre en acierinoxydable dans laquelle le vide est réalisé par :

une pompe à palette d'un débit de 90 m'/h ,qui abaisse rapidement la pression atmosphé-rique à lo mm de mercure :un groupe de pompage constitué par unepompe à condensation d'un débit de 900 1/sà to—4 mm Hg et une pompe à palette ayantun débit suffisant à la pression d'amorçag ede la pompe à condensation pour assurer cor-rectement le fonctionnement de cette pompe ;des jeux de vannes permettant la commuta-tion de la pompe à palette à gros débit e tdu groupe de pompage :les vannes et accessoires divers de mesure d epression habituellement utilisés sur une ins-tallation à vide entretenu .

A l'intérieur de cette chambre se trouvent :— le canon à électrons, dont la position peut

être réglée d'une manière grossière le post eétant arrêté et d'une manière fine pendan tle fonctionnement . Ces deux réglages permet -tent de placer le point de focalisation a upoint voulu de la ligne de soudure ;

-- le dispositif de rotation de la pièce, constituépar un mandrin entraîné par un moteur àvitesse réglable (la régulation de vitesse es tassurée par un relais type Dynatrol, compor-tant un thyratron) ; un second dispositif ,constitué par une crémaillère entraînée pa run petit moteur, permet de régler la hauteu rdu mandrin par rapport au canon à électrons .

Un redresseur triphasé (fig . 3) assure l'alimen-tation H .T. La tension est réglable de o à 6o 000volts ; pratiquement, la tension utilisée en cour sde soudage est comprise entre to 000 et 14 00 0volts . Une tension réglable permet de fixer l epotentiel de la pièce de focalisation, dans le ca soù la concentration électrostatique du faisceau estutilisée . Les essais effectués avec un moyen deconcentration électromagnétique montrent qu ecette solution est plus souple .

Un hacheur de courant à thyratrons permet d'ef-fectuer la soudure par points successifs se recou-vrant . Le hachage du courant permet :

— d'obtenir une plus grande pénétration de l asoudure ;d'éviter l'affaissement des bords par effondre -ment du métal fondu ;

Fig . 7 . — Dispositif utilisé pour le sou-dage longitudinal de tubes ou de tôles .

Pope ♦ pals to

Pompe i vapeur d'huil e

dance i vide

Cathode et pièce de eonoentration

Charlot assurant le d4plsoeaon tdes pi hoes è soude r

Chambre d vide

1

k, Moteur d'ontrainemonti vitesse variabl e

i

6

Fig . . — Appareillage permettant l'exécution des divers types Je soudures .

(le pouvoir souder des métaux à forte vapo-risation ou . dans le cas d'un métal donné, depouvoir fondre une plus grande surface d emétal . Ceci n'est toutefois possible que si lerapport :

temps de soudage

temps de soudage + temps de repo s

est de valeur faible, ce qui nécessite unefaible vitesse d'avance ou de rotation pou robtenir le recouvrement des points .

Les figures 4 et 5 représentent deux vues del'appareil de soudage .

Une modification de la partie d'entraînement de spièces à souder a été effectuée pour permettre laréalisation des soudures de fermeture des élément scombustibles . L'élément combustible, constitué pa rune gaine dans laquelle a été placé le barreaud'uranium, est introduit par la partie inférieure(fig. 2 B et fig. 6) ; une fois le vide réalisé à lapression de travail, soit Io mm Hg, le bouchonest mis en place par un poussoir et la soudur eeffectuée .

Ceci permet de réaliser à la fois la soudure etle vide à l'intérieur de la gaine . La gaine étant

ensuite appliquée par pression hydrostatique àchaud, on évite la réaction de l'oxygène avec l ebarreau d'uranium .

Pour abaisser le prix de revient, un dispositifà barillet (fig . 2 C) est en cours de réalisation . I lsera ainsi possible d'exécuter 30 soudures consé-cutives sans avoir à effectuer de rentrée d'air n ià refaire le vide entre chaque soudure .

La figure 7 montre le dispositif utilisé pour lesoudage de tôle et de tubes le long d'une généra-trice . Le dispositif de rotation du poste initiale -ment décrit est remplacé par un dispositif detranslation .

La figure 8 montre un poste permettant d'exé-cuter tous les types de soudure, par rotation o utranslation .

QUELQUES TYPES DE SOUDURES R1=ALISnS .

Les figures 9 a à 9 d montrent successivementdes soudures effectuées sur éléments tubulaires dezirconium, d'uranium de béryllium et d'aluminium .

La figure 9 e montre un exemple de soudage de séléments combustibles du réacteur EL .3 de Saclay .L'élément combustible est constitué par une gain een aluminium contenant un barreau d'uranium ;

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_

Fig . 9. — Exemples de soudures exécutées sur différents métaux :

a) zirconium, b) uranium, c) beryllium, d) aluminium .

Fig . 9 e . — Constituants d'une cartouche d'élément combustible (gaine, barreau et bouchon )et cartouche une fois terminée .

cette gaine est fermée par un bouchon en alumi-nium, soudé par le procédé décrit ci-dessus .

La figure io représente la cuve en zirconium duréacteur homogène « Proserpine » de Saclay . Cett ecuve comporte une soudure longitudinale, la sou -dure du fond repoussé, la soudure d'un tube rac-cordé au fond de la cuve, enfin la soudure de l abride su périeure. Toutes ces soudures ont été effec-tuées dans le poste re présenté figure 8 .

Le procédé de soudage sous vide présente d enombreux avantages lorsqu'il est nécessaire d eprotéger le métal des actions de l'atmosphère .

La possibilité de concentrer sur des surfaces d etrès faibles dimensions une énergie considérable -permet de réaliser des soudures fines et précises,impossibles à obtenir par tout autre procédé assu-rant la fusion du métal .

La localisation d'énergie permet égalementd'éviter un échauffement trop général de la pièce,d'éviter des distorsions et de réaliser des assem-blages de précision .

La propreté chimi que de l'opération offre ungrand intérêt dans des industries telles qu edEnergie Atomique ou la fabrication de tube sélectroniques .

Fig . 10. — Cuve en zirconium, entière -ment soudée par le procédé de soudag e

électronique sous vide.

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