Brevet FR2587513A1 — publié le 19870320

DISPOSITIF DE CONTROLE EN TEMPS REEL D'UN SOUDAGE A PENETRATION TOTALE, ADAPTE A UN JOINT INACCESSIBLE A L'OBSERVATION DIRECTE La présente invention a pour objet un dispo- sitif.de contrôle en temps réel d'un soudage à péné- tration totale et concerne plus particulièrement Le contrôle du soudage d'un joint inaccessible b L'obser- vation directe. Le dispositif de L'invention est adap- té notamment au contrôle du soudage sur une pièce pra- tiquement fermée ou au soudage de deux tubes de gran- des longueurs et de faibles diamètres. L'assemblage par soudage à pénétration to- tale conduit à L'envers de La soudure à la formation d'un bain fondu lumineux, dans le cas du soudage TIG ou MIG par exemple, ou à la formation d'un plasma lu- mineux constitué de vapeurs métalliques plus ou moins ionisées, dans le cas du soudage par faisceau d'éLec- trons ou par faisceau laser, accompagnées éventuelle- ment de fines gouttelettes de métal fondu. La consta- tation de ces phénomènes en cours de soudage permet de garantir que la zone fondue a affecté la totalité- de l'épaisseur des pièces à assembler. Un dispositif de contrôle en temps réel d'un soudage à pénétration totale comprend, de manière con- nue, un moyen optoélectronique de détection de l'in- tensité lumineuse à l'envers du cordon de soudure au droit du point de soudage, un moyen de traitement du signal électrique délivré par ledit moyen de détec- tion, et un moyen de signalisation. On connaît un moyen 'de détection constitué d'un bottier contenant un détecteur optoélectronique et un moyen de traitement optique. Il s'agit d'un moyen de détection volumineux qui ne peut être utilisé que lorsque l'envers du cordon de soudure est facile- ment accessible à l'observation. On connaÂt également un moyen de détection constitué d'un ensemble de photodiodes et un moyen de détection constitué d'un ensemble de fibres optiques reliées à une photodiode. Dans ces deux moyens de dé- tection connus, l'ensemble de photodiodes et l'ensem- ble de fibres optiques sont disposés de manière à / détecter un signal lumineux sur une circonférence. Dans ces moyens de détection connus, chaque photodio- / 10 de, ou chaque fibre optique, constitue un détecteur /l sensiblement omnidirectionnel. Le nombre de photodio- !/ des, ou de fibres optiques, nécessaires pour observer la totalité du cordon de soudure est important. Ces moyens de détection sont donc volumineux et ne peuvent pas être utilisés pour le contrôle d'un soudage à pé- nétration totale d'un joint difficilement accessible à l'observation directe. L'invention a pour but de permettre le con- trôle en temps réel d'un soudage à pénétration totale dans le cas d'un joint inaccessible ou difficilement accessible à l'observation directe. Ce but est atteint par l'utilisation d'un moyen de détection comprenant un détecteur optoélectronique et une fibre optique unique, l'extrémité de cette fibre optique étant tail- lée de manière à collecter un signal lumineux prove- nant d'un point quelconque du cordon de soudure. De manière précise, l'invention a pour objet un dispositif de contrôle en temps réel d'un soudage à pénétration totale, adapté à un joint inaccessible à l'observation directe, comprenant un moyen de détec- tion optoélectronique d'un signal optique à l'envers du cordon de soudure, un moyen de traitement et un moyen de signalisation, ledit dispositif étant carac- térisé en ce que le moyen de détection optoélectroni- que comprend un détecteur optoélectronique et une fibre optique dont une extrémité est reliée audit dé- tecteur et dont l'autre extrémité, disposée à proximi- té de l'envers du cordon de soudure, est taillée en forme de cône. Selon un mode de réalisation préféré, l'an- gle du cône d'extrémité de la fibre optique est tel que la totalité du cordon de soudure est dans le champ de vision du détecteur optoélectronique, lorsque la fibre optique est maintenue immobile. De préférence, l'angle de ce cône est compris entre 25 et 45 . Selon un mode de réalisation préféré, la fibre optique est, au moins partiellement, contenue dans une gaine. Celle-ci est avantageusement réalisée dans un matériau ductile qui constitue alors simulta- nément une protection et un support mécanique pour la fibre optique. De manière préférée, le moyen de traitement délivre au moyen de soudage un signal de commande de l'intensité du faisceau de soudage fonction de l'in- tensité du signal optique détecté. Ceci permet d'as- servir la puissance du faisceau de soudage et d'assu- rer la pénétration totale du soudage. Les caractéristiques et avantages -de l'in- vention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un mode de réalisation du dispositif de contrôle de l'invention, - la figure 2 illustre un mode de réalisa- tion du moyen de détection du dispositif de l'inven- tion, - les figures 3a et 3b représentent respec- tivement un premier mode de réalisation de l'extrémité de la fibre optique et la caractéristique de transmi- sion optique associés, :! -sFa. - Les figures 4a et 4b représentent respec- tivement un second mode de réalisation de L'extrémité de La fibre optique et sa caractéristique de transmis- sion optique associée, - les figures 5a et 5b représentent un troi- sième mode de réalisation de l'extrémité de la fibre optique et sa caractéristique de transmission optique associée, et - les figures 6a et 6b représentent respec- tivement l'intensité du faisceau de soudage dans le cas d'un soudage par faisceau d'impulsions et l'inten- sité du signal optique reLevé à l'envers de la soudure en fonction de ce faisceau d'impulsions. On a représenté schématiquement sur la figu- re 1 un système de soudage muni d'un dispositif de contrôLe conforme à l'invention. A titre d'exemple, on a représenté le cas du soudage par un faisceau laser d'impulsions d'un appareil à pression à haute perfor- mance. Cependant, il est clair que le dispositif de contrôle de l'invention n'est pas lié à la nature du moyen de soudage mais peut au contraire être associé à tout moyen de soudage connu, notamment soudage par faisceau d'électrons, soudage TIG, MIG ou MAG. L'appareil à souder se compose d'un fond 2 et d'une virole 4. Ces deux pièces ont la forme géné- rale d'un cylindre creux muni d'un fond. La virole 4 est munie d'une petite ouverture 6. L'assemblage des deux pièces à souder forme un cylindre creux fermé. Dans le cas d'une soudure par faisceau laser, les deux pièces à souder sont disposées sur un support 8 disposé sous atmosphère inerte dans une enceinte de soudage 10. Le faisceau laser 12 délivré par le moyen de soudage 14, extérieur à l'enceinte de soudage, pénètre dans l'enceinte de soudage par un hublot 16. Le moyen de soudage est fixe. Le soudage sur La totaLité du joint entre les deux pièces est obtenu par rotation de ces pièces autour d'un axe vertical. Cette rotation peut être obtenue par un plateau tournant 18 constituant la partie supérieure du support 8. Le dispositif de contrôLe du soudage com- prend un moyen de détection optoélectronique 20, un moyen de traitement 22 et un moyen de signalisation 24. Le moyen de détection 20 est disposé dans L'en- ceinte de soudage 10. Il est reliée au moyen de trai- tement 22-par une liaison électrique 26 traversant la paroi de l'enceinte de soudage 10. Le moyen de traite- ment 22 peut comprendre un amplificateur 28 suivi d'un moyen d'asservissement 30 destiné à commander, par une voie 32, la puissance du faisceau du moyen de soudage- 14 en fonction du signal optique détecté à l'envers du joint. Le moyen de signalisation 24 peut comprendre un moyen de visualisation 34 (table traçante, écran ou autre) et un moyen d'enregistrement 36. Ces moyens reçoivent simultanément un premier signal électrique correspondant au signal optique détecté et un second signal électrique correspondant à l'intensité du fais- ceau de soudage. Ce second signal est délivré par le moyen de soudage au moyen de traitement 22 sur une voie 38. Conformément à l'invention, le moyen de détection 20 comprend un détecteur optoélectronique 40 et une fibre optique 42 unique. Cette fibre est de préférence protégée des agressions mécaniques (pro- jections, vapeurs métalliques, gouttelettes de métal liquide ou autre) par une gaine. De manière avantageu- se, cette gaine est réalisée en un matériau ductile, par exemple en acier inoxydable ou en cuivre. Ceci permet de conformer la fibre optique de façon à ce qu'elle suive un trajet bien défini et à ce qu'elle :.,-, , reste dans la position optimale sans dispositif parti- cutier de fixation. Le moyen de détection optique de L'invention présente ainsi les avantages d'un très faibte encom- brement et d'une très grande flexibilité lui permet- tant d'atteindre des régions inaccessibles, ou très difficilement accessibles, à l'observation directe. Conformément à L'invention, L'extrémité de la fibre optique recueillant Le signal lumineux au revers du joint est taillée en forme de cône. L'angle de ce cône définit l'ouverture du champ de vision 43 et permet de disposer la fibre hors de portée des agressions mécaniques ou thermiques dues à la soudure, pouvant endommager l'extrémité de la fibre ou simple- ment perturber la mesure. La Longueur de la fibre est prévue suffisan- te pour éloigner le détecteur optoélectronique 40 de la zone de soudage afin qu'il ne gêne pas l'exécution de la soudure et que son fonctionnement ne soit pas perturbé par L'environnement (champ électrique ou ma- gnétique, échauffement, atmosphère de soudage ou autre). On a représenté sur la figure 2 une coupe longitudinale du moyen de détection optique. Le détec- teur optoélectronique 40, constitué par exempte d'une photodiode, est protégé par un isolant 44 et disposé dans un support cylindrique 46. Sa partie optique sen- sible est disposée en regard d'une extrémité de la fibre optique 42. Celle-ci est protégée par une gaine 48 qui estpositionnéedans sa partie supérieure, par une collerette 50. Cette partie supérieure est contenue dans un support 52. L'extrémité 56 de la fibre optique col- lectant le signal optique est taillée en forme de cône. Le champ de vision 43 du moyen de détection op- tique dépend de l'ouverture de ce cône. 2587513: De préférence, le support 46 du détecteur optoélectronique et le support 52 de la fibre optique sont munis de moyens d'accrochage 58 qui coopèrent. Cette conception permet de rendre la fibre optique interchangeable et d'adapter ainsi le moyen de détec- tion optique à la géométrie de la soudure à contrôler. Sur la figure 1, on a représenté le cas o l'observation de l'envers du cordon de soudure est délicate car la pièce soudée constitue un volume fer- me. Le dispositif de contrôle de l'invention peut éga- lement être utilisé avantageusement, par exemple, dans le cas du soudage de deux tubes de grandes longueurs et de faibles diamètres. L'observation directe de l'envers du cordon de soudure, qui n'est pas possible avec les moyens de détection optique selon-l'art anté- rieur, ne présente pas de difficulté avec le moyen de détection optique de l'invention. Dans tous les cas, l'extrémité de la fibre optique est définie de telle sorte que son champ de vision couvre la totalité de l'envers du cordon de soudure. L'angle d'ouverture du cône d'extrémité de la fibre optique permet également d'adapter le champ de vision en fonction de la posi- tion et du diamètre de la soudure. Les figures 3a, 4a et 5a illustrent trois formes différentes de l'extrémité de la fibre optique. Les figures 3b, 4b et 5b illustrent le pouvoir de transmission correspondant à chacune de ces fibres en fonction de l'angle d'incidence d'un signal lumineux. Sur la figure 3a l'ouverture du cône d'ex- trémité 56 de la fibre optique 42 est de 40 . Le gra- phique de la figure 3b, représentant l'intensité lumi- neuse transmise par la fibre optique en fonction de l'angle d'incidence e d'un signal lumineux, montre que le champ de vision 43 est compris entre les incidences 30 et 45 environ. Compte tenu de l'éloignement né- cessaire de L'extrémité de la fibre optique du point de soudage, pour éviter les agressions mécaniques, ce champ de vision est adapté au contrôle d'une opération de soudage sur un joint circulaire d'environ 200mm de diamètre. Sur la figure 4a, l'ouverture du cône d'ex- trémité 56 est de 30 . La courbe de La figure 4b montre qu'aLors Le champ de vision 43 est compris entre les incidences de 50 à 60 environ. Un tel champ de vision est particulièrement adapté au contrôle d'une soudure sur un joint ayant un diamètre de L'or- dre de 100 mm. Sur La figure 5a, on a représenté Le cas extrême d'une fibre optique dont le cône d'extrémité a une ouverture de 180 . Le champ de vision est ici un cône centré sur L'incidence normale et ayant une ou- verture d'environ 30 . Une teLLe géométrie du cône d'extrémité peut être intéressante par exemple lors du soudage d'un fond sur un tube de faible diamètre. On a représenté sur la figure 6a l'énergie E en fonction du temps t du faisceau de soudage obtenu par un laser YAG (semiconducteur au grenat d'aluminium et d'yttrium). Il s'agit d'un soudage point par point, Le soudage étant constitué par une succession de points avec recouvrement, ce qui assure une soudure continue. Lorsque Le soudage est à pénétration totale, iL y a, pour chaque impulsion du faisceau Laser, appa- rition à l'envers de la soudure d'un panache de plasma et d'un signal Lumineux correspondant. La présence ou l'absence de ce signal lumineux détecté au moyen du capteur optoéLectronique permet d'apprécier l'état de la soudure à l'envers du cordon de soudure. On a représenté sur la figure 6b l'intensité du signal Lumineux détecté, en correspondance avec l'intensité du faisceau laser. Le délai séparant le début du signal de l'impulsion laser du début du signal lumineux à l'en- vers de la soudure est significatif de la qualité de la pénétration de la soudure. Pour l'impulsion 60 du faisceau Laser, le délai AT1 est faible: il y a sur- pénétration. Pour l'impulsion 62, aucun signal lumi- neux n'apparaît à l'envers du cordon de soudure: il y a sous-pénétration. Pour l'impulsion 64, le délai AT2 indique une pénétration normale. Enfin, pour l'impul- sion 66, le délai AT3 est pratiquement égal à la durée AT de l'impulsion laser: la pénétration totale est tout juste atteinte. Les chronogrammes des figures 6a et 6b per- mettent d'apprécier La qualité de la pénétration de la soudure, de localiser les éventuels manques de péné- tration et leurs coordonnées par rapport à la position de référence de départ de la soudure. Ils permettent également de décider de la nécessité éventuelle d'une réparation de la soudure dans la zone o la pénétra- tion est jugée insuffisante compte tenu du pas de re- couvrement des points de soudage. Dans le cas o le moyen de traitement du dispositif de contrôle comprend un moyen d'asservisse- ment de la puissance du moyen de soudage, le signal représenté sur la figure 6b est utilisé pour asservir la puissance du moyen de soudage. Cette puissance est augmentée au vu du signal optique correspondant aux impulsions 62 et 66 de l'impulsion du faisceau laser et diminuée au vu du signal optique correspondant à l'impulsion 60 du faisceau laser. REVENDICATIONS 1. Dispositif de contrôle en temps réel d'un soudage à pénétration totale, adapté à un joint inac- cessible à l'observation directe, comprenant un moyen de détection optique (20), un moyen de traitement (22) et un moyen de signalisation (24), ledit dispositif étant caractérisé en ce que le moyen de détection op- tique (20) comprend un détecteur optoélectronique (40) et une fibre optique (42), ladite fibre comprenant une extrémité taillée en forme de cône collectant l'inten- sité lumineuse présente à l'envers du cordon de soudu- re et une autre extrémité reliée au détecteur opto- électronique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle du cône d'extrémité de la fibre optique est tel que la totalité du joint défini par les pièces à souder est dans le champ de vision (43) de ladite fibre, celle-ci étant maintenue immobile. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'angle du cône d'extrémité (56) est compris entre 25 et 45 . 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que la fibre optique est, au moins partiellement, contenue dans une gaine (48). 5. Dispositif selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que ladite gaine est réalisée dans un matériau ductile. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce que le moyen de traitement (22) délivre un signal de commande de l'intensité du faisceau de soudage en fonction de l'intensité du signal optique détecté.