Brevet FR2571994A1 — publié le 19860425

MACHINE POUR LE SOUDAGE INTERNE DE TUBES BOUT A BOUT, PAR FAISCEAU D'ELECTRONS La présente invention a pour objet une machine à souder par faisceau d'électrons destinée à être disposée à l'intérieur de tubes placés bout à bout pour les assembler par soudure. Une première méthode connue consiste à faire tourner dans un plan transver- sal par rapport à l'axe des tubes un canon à électrons émettant un faisceau d'électrons dirigé radialement qui balaye ainsi successivement toute la circonférence interne de la surface annulaire de contact des deux tubes à réunir. Pour éviter d'avoir à entraîner en rotation l'organe lourd et encombrant constitué par un canon à électrons, on peut aussi, selon une deuxième méthode, maintenir le canon à électrons dans une position fixe et axiale et faire tourner un prisme qui dévie le faisceau d'électrons axial pour obtenir un faisceau d'électrons radial balayant la circonférence interne de la surface annulaire de contact des deux tubes à réunir. Cette rotation de 360 du prisme constitue une manoeuvre assez longue dont il y aurait grand intérêt à pouvoir réduire la durée lorsqu'on doit effectuer une succession de nombreuses opérations de soudage, notamment lorsque ces opérations entraînent la mobilisation de moyens annexes coûteux, comme c'est le cas du soudage bout à bout d'un nouveau tronçon de conduite sur une portion de conduite- sous-marine en cours de pose, par exemple de pose en S, à partir d'une barge de pose. L'invention a pour objectif de remplacer la rotation de 360 du support des moyens de déviation qui dévient le faisceau d'électrons de la direction axiale à une direction radiale, par une rotation d'une fraction de circonférence seulement. Un objet de l'invention est ainsi une machine pour le soudage interne de deux tubes disposés bout à bout selon un même axe, qui comprend un canon à électrons fixe émettant un faisceau d'électrons axial, des moyens de déviation pour dévier ce faisceau d'électrons en direction radiale et un support rotatif portant ces moyens de déviation et pouvant tourner autour d'un axe confondu avec celui des tubes et qui se caractérise en ce que ledit support rotatif porte un nombre n, égal au moins à deux, de tels moyens de déviation disposés de manière à dévier le faisceau d'électrons dans des directions radiales -2.2571994 différentes écartées les unes des autres de 360 et en ce qu'il porte aussi, en amont des n moyens de déviation, un système de déflexion agencé de manière à envoyer selon un cycle le faisceau axial d'électrons émis par le canon à électrons successivement sur chacun des n moyens de déviation, à une cadence élevée. Cette cadence peut notamment correspondre à une fréquence d'apparition dudit cycle d'au moins un kilocycle par seconde. Selon un autre objet de l'invention, ledit système de déflexion, qui comprend au moins une bobine de déflexion et des conducteurs d'alimentation pour alimenter cette ou chaque bobine de déflexion dans un sens et dans l'autre, comprend aussi un appareil de commande permettant de modifier les durées relatives d'alimentation dans chaque sens de la ou de chaque bobine, de manière à pouvoir répartir la puissance de soudage et, par suite, la pénétration du faisceau d'électrons inégalement le long de la circonférence interne de contact des deux tubes disposés bout à bout. On peut ainsi, notamment dans le cas de soudage de tubes horizontaux, adapter cette pénétration à la position instantanée dans l'espace de la zone de travail de chaque moyen de déviation. Ce soudage interne sera généralement combiné avec un soudage externe. On va décrire, à titre non limitatif, un exemple de réalisation de la machine de soudage de l'invention, en se référant au dessin joint dans lequel: - la Fig 1 est une vue en élévation et coupe partielle d'une machine de soudage disposée à l'intérieur de tubes à souder; - la Fig 2 est une vue en coupe selon 2-2 de la Fig 1 - la Fig 3 est une représentation schématique du système de déflexion, dont la Fig 4 donne le tableau d'alimentation; - la Fig 5 est une représentation schématique de la position dans l'espace des moyens de déviation et des axes de déflexion; - la Fig 6 représente des signaux carrés d'alimentation du système de déflexion; et - la Fig 7 représente de manière synoptique un système de commande appliqué à la machine à souder pour en régler les paramètres de soudage. 257 1 994 -3 - Sur la Fig I on a représenté deux tubes 1 et 2 rapprochés l'un de l'autre et amenés en face l'un de l'autre, l'extrémité droite du tube 1 devant venir s'appliquer contre l'extrémité gauche du tube 2 selon une surface annulaire plane de contact 3. Ces tubes I et 2 sont munis d'un revêtement de béton 4, 5 sauf dans la région du soudage. A l'intérieur des tubes I et 2 on a introduit une machine à souder par faisceau d'électrons dont on n'a représenté que la partie centrale essentielle à la compréhension de l'invention. Cette machine comprend une suite de chariots aptes à se déplacer -à l'intérieur de tubes d'un diamètre déterminé. Sur la gauche de la Fig 1, on voit une partie d'un chariot 6 contenant un groupe de pompage et reliée par une liaison élastique 7 à une première structure centrale 8 dans laquelle passe une tubulure de pompage 9 destinée à permettre de faire le vide dans la partie active de la machine à souder et qui contient un arbre 10 de transmission d'un mouvement de rotation généré par un moteur, non représenté; et des joints d'étanchéité annulaires gonflables Il, 12. A droite de la Fig 1, une deuxième structure centrale 13 porte des joints d'étanchéité annulaires gonflables 14, 15, et une lentille de focalisation axiale 16 placée en avail relativement au parcours du faisceau d'électrons, d'un canon à électrons 17. Entre les structures centrales 8 et 13, un support rotatif 18 peut tourner autour de paliers 19, 20 et 21 portés respectivement par la structure 8 et par la structure 13, en étant entraîné par l'arbre 10, par l'intermédiaire d'une transmission mécanique 22. L'étanchéité entre le support rotatif 18 et les structures 8 et 13 est assurée par des joints annulaires 23 et 24. Le support rotatif 18 porte un système de déflexion 25 disposé en face de la lentille de focalisation axiale 16, un ensemble de quatre prismes magnétiques de déviation selon une direction radiale 26, 27, 28, 29 visibles sur la Fig 2 et quatre lentilles de focalisation radiale 30, 31, 32, 33 associées respectivement à chacun de ces prismes. En outre, le support rotatif 1-8 porte des caméras de visée permettant de repérer le plan de la surface de contact 3, telles que les caméras 34 et 35 de la Fig 1. L'information reçue des caméras sert au positionnement des prismes. Le support rotatif 1 est muni de quatre trous 36 de passage radial du faisceau d'élèctrons, pouvant être obturés par des vannes tiroirs 37. Des chaines porte-câbles 38 et 39 ont été prévues dans les structures centrales 8 et 13 pour permettre les liaisons électriques- avec le support rotatif 18. Le système de déflexion 25 est schématiquement illustré sur la Fig 3. Il comporte une bobine formée de deux bobines élémentaires 40, 41 assurant la déflexion suivant un axe X perpendiculaire à l'axe du canon à électrons et une bobine formée de deux bobines élémentaires 42 et 43 assurant la déflexion suivant un axe Y perpendi- culaire à l'axe X et à l'axe du canon à électrons. Les bobines 40 et 41 sont alimentées par 4 2571994 des conducteurs 44 et les bobines 42 et 43 par des conducteurs 45 selon un courant, circulant dans un sens ou dans le sens opposé, d'une intensité fixée d'après la tension d'accélération des électrons dans le canon à électrons 17 pour obtenir une déflexion composée en X et Y amenant le faisceau d'électrons en l'un des quatre emplacements P1, P2, P3, P4 définis respectivement par la position des prismes de déviation 28, 29, 26, 27. Le tableau de la Fig 4 montre, d'après le sens du courant d'alimentation des bobines 40 et 41 de déflexion en X et des bobines 42 et 43 de déflexion en Y, celui des emplacements P1, P2, P3, P4 sur lequel le faisceau d'électrons est dirigé. La Fig 5 montre la position respective des prismes de déviation et des lentilles de focalisation radiale par rapport aux axes X et Y, la flèche 46 indiquant le sens de rotation du support rotatif 18. Les bobines de déflexion 40 à 43 sont alimentées par des signaux carrés comme le représente la Fig 6. On voit sur cette figure que l'on donne aux signaux carrés des durées dans chaque alternance et des décalages dans le temps entre les signaux de déviation en X et en Y tels que l'on obtient des durées différentes tl, t2, t3, t4 d'utilisation de chacun des prismes 28, 29, 26, 27 dans un cycle. Le support rotatif 18 tournant d'au moins un quart de tour pour effectuer une soudure interne complète, on fait varier la puissance transmise par chacun des prismes au cours de la rotation, en jouant sur les temps t l, t2, t3, t4, afin de modifier la pénétration du faisceau d'électrons dans les tubes à souder selon que le faisceau transmis par un prisme de déviation se trouve en position de soudage à plat (zone 47 de la Fig 5), en position montante (zone 48 de la Fig 5), en position de plafond (zone 49 de la Fig 5) ou en position descendante (zone de la Fig 5). On va décrire le système de commande en se référant à la Fig 7 o l'on a représenté le canon à électrons 17 muni d'une cathode 51, d'une électrode Wehnelt 52 et d'une anode 53, la lentille de focalisation 16 et le support rotatif 18 avec le système de déflexion 40 à 43 et les prismes de déviation 26 à 29. Un codeur incrémental 54 capte la position angulaire du support rotatif 18 et envoie une information correspondante à un appareil de commande programmé à microprocesseur 55. Cette information peut notamment être constituée par un nombre d'impulsions 1 à m incrémenté en fonction de la rotation du support rotatif 18. L'appareil a en mémoire les valeurs voulues pour chaque nombre d'impulsions incrémentées, des courants IP1, IP2, IP3, IP4 dus au faisceau d'électrons dévié respectivement par les prismes 28, 29, 26, 27. Ces valeurs sont introduites dans un sommateur 56 qui donne la valeur du courant total I que doit débiter le canon à électrons 17 à un instant donné. Ce courant total I est comparé, dans un comparateur 57, au courant réel 257 1 994 -5 - mesuré IR débité par le canon à électrons 17. Le résultat de cette comparaison commande un régulateur 58 qui règle la polarisation de l'électrode Wehnelt 52 pour assurer l'égalité entre I et IR. Le sommateur 56 envoie aussi la valeur du courant total voulu I à l'entrée de quatre diviseurs 59 à 62 recevant d'autre part chacun l'une des valeurs voulues des courants IP1, IP2, IP3, IP4 et donnant chacun en sortie la fraction du courant total I que représente cette valeur IP1, IP2, IP3, IP4. D'après la fréquence F, choisie, d'apparition d'un cycle complet de commuta- tions entre les quatre prismes 26 à 29, un inverseur 63 calcule-la durée T de ce cycle: T = I/F et l'envoie dans des multiplicateurs 64 à 67 qui reçoivent d'autre part la valeur de la fraction calculée dans l'un des diviseurs 59 à 62. Ces multiplicateurs 64 à 67 fournissent ainsi à un organe de transformation 68 les durées t1, t2, t3, t4 pendant lesquelles, dans un cycle de durée T, chacun des prismes 28, 29, 26 et 27 est rendu actif par la déflexion du faisceau d'électrons en direction de son emplacement Pi, P2, P3, Pt. Le tableau de la Fig 4 montre quel doit être le sens du courant dans les conducteurs d'alimentation 44 et 45 pendant ces durées successives tD, t2, t3, t4. L'organe 60 établit ainsi une sortie logique XL et une sortie logique YL telles que - - pendant le temps tl: XL = 0 YL = 0 -pendant le temps t2 - XL= L= 1 pendant le temps t3: XL = 1 YL -pendant le temps t4: XL = 1 YL I Des organes de conversion de numérique en analogique et d'asservissement en tension 69 et 70 reçoivent respectivement les valeurs logiques XL et YL et leur font correspondre des tensions + Vx ou + Vy selon que la valeur logique est 0 ou 1. Des amplificateurs 71 et 72 commandés par les tensions + Vx et F Vy respectivement, fournissent respectivemnent des courants + Ax et F Ay qui alimentent respectivement les conducteurs 44 et 45. On a supposé dans cet exemple qu'il y avait quatre prismes de déviation mais il est évident que l'on peut facilement adapter le système de commande au cas d'un nombre différent de prismes de déviation. Pour un même nombre de prismes de déviation, de nombreuses variantes du système de commande peuvent également être adoptées. -.6- 2571994 REVENDICATIONS t- Machine pour le soudage interne de deux tubes (1, 2) disposés bout à bout selon un même axe, qui comprend un canon à électrons fixe (17) émettant un faisceau d'électrons axial, des moyens de déviation (26) pour dévier ce faisceau d'électrons en direction radiale et un support rotatif (18) portant ces moyens de déviation et pouvant tourner autour d'un axe confondu avec celui des tubes, caractérisée en ce que ledit support rotatif (18) porte un nombre n, égal au moins à deux, de tels moyens de déviation (26, 27, 28, 29) disposés de manière à dévier le faisceau d'électrons dans des directions radiales différentes écartées les unes des autres de 360 et en ce qu'il porte aussi, en amont des n moyens de déviation (26, 27, 28, 29), un système de déflexion (25) agencé de manière à envoyer selon un cycle le faisceau axial d'électrons émis par le canon à électrons (17) successivement sur chacun des n moyens de déviation (26, 27, 28, 29), à une cadence élevée. 2 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le système de déflexion (25) est agencé de manière que la fréquence d'apparition dudit cycle est d'au moins un kilocycle par seconde. 3 - Machine selon la revendication 1, dans laquelle ledit système de déflexion (25) comprend au moins une bobine de déflexion (40-41, 42-43) et des - conducteurs d'alimentation (44, 45) pour alimenter cette ou chaque bobine de déflexion dans un sens ou dans l'autre, caractérisée en ce qu'elle comprend aussi un appareil de commande (55) permettant de modifier les durées relatives d'alimentation dans chaque sens de la ou de chaque bobine de déflexion dans ledit cycle. 4- Machine selon la revendication 3, caractérisée en ce qu'elle comprend un codeur incrémental (54) assujetti à l'angle de rotation dudit support rotatif (18) et fournissant une information sur cet angle à l'appareil de commande (55), tandis que cet appareil détermine lesdites durées relatives d'après cette information.