Brevet FR2607743A1 — publié le 19880610

MACHINE A SOUDER DES TUBES PAR L'INTERIEUR DESCRIPTION La présente invention concerne une machine à souder des tubes par L'intérieur. On connaît, dans l'industrie, des machines pour raccorder bout à bout deux tubes par soudage par L'extérieur. Ces machines, que L'on appelle des têtes de soudage orbitaLes, sont constituées d'un support monté tournant sur L'un des tubes et supportant une torche de soudage. La torche de soudage est raccordée à un poste de soudure qui peut être programmable. Ce poste commande les différents paramètres du soudage tels que l'intensité, La vitesse de rotation de la tete orbitale, Le débit d'un gaz neutre de protection, etc. A titre d'exemple, la Société Hobart Brothers Company, Troy, Ohio, Etats-Unis, fabrique des tètes orbitales et des postes de soudage de ce type. Toutefois, on ne contact pas de machines permettant de souder deux tubes par L'intérieur, ou de raccorder un tube à une tôle lorsqu'un accès par L'intérieur du tube est seul possible. On rencontre un cas de ce type, à titre d'exemple non limitatif, lorsque l'on désire effectuer une traversée dans une paroi épaisse telle qu'une paroi de protection biologique d'une cellule à haute activité pour créer une traversée permettant d'installer un télémanipulateur. L'enceinte à haute activité est revêtue intérieurement d'une paroi d'acier inoxydable appelée "peau" à laquelle il est nécessaire de souder le tube. Etant donne que l'on ne peut pas pénétrer à L'intérieur de la cellule, la soudure entre le tube et la tle doit nécessairement être effectuée depuis L'extérieur de l'enceinte. La présente invention a précisément pour objet une machine à souder qui permet de résoudre un probtême de ce type. Toutefois, elle ne se limite pas à cette application et peut être utilisée, notamment pour souder bout à bout deux tubes par L'intérieur. Précisément, La machine à souder pour tubes comprend : - un corps, - des moyens pour centrer le corps à L'intérieur d'un tube, - un axe porte-torche monté tournant à L'intérieur du corps, - une torche de soudage à électrode métaLLique protégée par un gaz inerte, montée à une extrémité dudit axe porte-torche, - des moyens pour entraîner L'axe porte-torche en rotation, - des moyens pour régLer la position axiale de L'axe porte-torche par rapport au corps, - des moyens pour alimenter la torche en courant électrique et en gaz de protection, - une bobine débitrice pour alimenter la torche en fil métallique d'éLectrode, - des moyens pour guider et entrarner Le fil d'électrode jusqu'à la torche de soudage. De préférence, les moyens pour centrer le corps de La machine par rapport à un tube sont constitues par : - un cylindre monté coulissant sur Ze corps et dé Limitant avec celui-ci une chambre de pression, des moyens d'étanchéité étant prévus entre le corps et le cylindre, - des moyens pour alimenter la chambre de pression en un fLuide sous pression, - au moins trois doigts disposés radialement et montés pivotants sur le cylindre, chaque doigt traversant un palier de guidage monté pivotant sur un support fixe par rapport au corps, - un moyen élastique de rappel étant disposé entre le cylindre et le corps pour rappeler le cylindre vers une position antagoniste de celle dans laquelle il est entrasse par le fluide de La chambre de pression. D'autres caractéristiques et avantages de L'invention appara~tront encore à La lecture de La description qui suit d'un exemple de réaLisation donné à titre illustratif et nullement Limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles : - La figure 1 est une vue généra Le d'une machine à souder les tubes par L'intérieur conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue à écheLLe agrandie par rapport à la figure 1, montrant La tête de la machine à souder, - La figure 3 est une vue selon une direction axiale de L'extrémité antérieure de La machine à souder représentée sur les figures 1 et 2, - La figure 4 est une vue partielle de La machine, montrant le mécanisme d'entrarnemcnt du fil d'éLectrode, - la figure 5 est une vue de détail de L'extrémité de la torche et d'un cordon de soudure réalise entre un tube et une peau d'une cellule à haute activité. On a représenté sur la figure 1 une vue généra Le d'une machine à souder conforme à l'invention, désignée par la référence 2. La machine 2 a été introduite à l'intérieur d'un tube 4 lui-même placé dans un trou traversant une paroi épaisse de béton 6. A titre d'exemple d'application, La machine à souder conforme à L'invention peut en effet être utilisée pour réaliser une soudure à l'extrémité d'un tube, tel que le tube 4, place dans une traversée pratiquée dans la paroi de protection biologique d'une cellule à haute activité dont L'intérieur a été désigné par la référence 8. A L'intérieur de la cellule, la couche de béton est revêtue d'une tôle d'acier inoxydable 10 formant une peau. Comme on peut le constater sur la figure 1, le tube 4 n'est pas nécessairement cylindrique. Il peut présenter une forme conique, ou être constitué d'une succcession de parties cylindriques et tronconiques raccordées entre elles. Il peut également être situé obliquement par rapport à la surface de la paroi 10. Comme on le verra, la machine conforme à l'invention possède en effet des moyens de centrage qui permettent de s'adapter à ces différentes configurations du tube. La machine à souder 2 proprement dite se compose d'une tête de soudage 12 située à sa partie antérieure et qui supporte la torche de soudage 14. La tête de soudage 12 comporte des moyens qui permettent de la centrer à L'intérieur du tube. La machine 2 comporte en outre une partie intermédiaire 14 qui supporte notamment Les moyens 16#permettant L'entrainement du fil d'électrode et une partie arrière ou postérieure 18 qui supporte en particulier La bobine du fil d'éLectrode 20. Dans l'exemple de réaLisation décrit, le soudage est réaLisé selon le procédé MIG ("mental inert gas"). Selon ce procédé, un fil métaLLique constituant un métal d'apport est fondu sous L'effet d'un courant éLectrique. Pendant L'opération de soudage, L'électrode est protégée par un courant de gaz inerte tel que L'argon constituant une atmosphère neutre. Toutefois, d'autres procédés de soudage pourraient être utilisés, comme par exemple le proocédé TIG ("Tungsten inert gas") dans lequel L'électrode n'est pas fusible, le métaL d'apport étant apporté séparément. L'argon est contenu dans une bouteille 22 placée à L'intérieur d'un chariot 24 qui pénètre en même temps que la machine dans le tube. La bouteille est raccordée à la tête 12 par une canalisation flexible 76. On a représenté sur la figure 2 une vue à échelle agrandie par rapport à la figure 1 de la tête de soudage d'une machine å souder 2 conforme à l'invention. La tête 12 comporte tout d'abord un corps 30 qui se présente sous la forme d'un cylindre allongé composé d'une partie de grand diamètre et d'une partie de plus petit diamètre, raccordées L'une à l'autre par une partie radiale. Le corps 30 constitue une partie fixe de la tête de soudage sur laquelle sont montées les parties mobiles. Tout d'abord, un axe creux 32, constituant un porte-torche, est monté tournant à l'intérieur du corps 30 par L'intermédiaire de paliers 34 par exemple des roulements à billes ou à aiguilles. L'axe porte-torche 32 est entraîné en rotation par L'intermédiaire d'un motoréducteur 36 monté sur un palier 38 de support de moteur. Le motoréducteur 36 entrain un pignon situé en bout d'arbre de sortie qui transmet son mouvement par L'intermédiaire d'une courroie crantée à un pignon 40 solidarisé en rotation avec L'axe porte-torche 32 par tout moyen convenable tel qu'une clavette 42. Le palier support de moteur 38 est immobilisé en translation par rapport à L'axe porte-torche 32 à L'aide d'une douille à aiguille combinée 44. Ceci permet Le réglage de La position axiale du porte-torche 32 par rapport au corps 30 au moyen d'un système vis-écrou constitué d'une vis 46 inmobilisee en translation dans Le palier 38. La vis 46 est commandée en rotation depuis La partie arrière de La machine par l'intermédiaire d'un flexible 48 relié à une poignée de réglage 49 (voir figure 1). La vis 46 est engagée à L'intérieur d'un trou taraudé pratiqué dans le corps 30.Ainsi, la rotation de la vis permet un deplacement relatif de L'axe porte-torche par rapport au corps dans un sens ou dans l'autre, ceci afin de régler la position axiale de la torche 14 qui est supportée par l'axe porte-torche 32 par L'intermédiaire d'un corps de torche 60 lui-meme fixé sur l'axe porte-torche par L'intermédiaire d'un écrou 64. Les torches sont interchangeables en fonction des diamètres de soudage. Elles sont bloquées dans Le corps de torche 60 par l'intermédiaire d'une vis 66. Chaque torche est équipée de façon connue d'une bague isolante, d'un écrou de blocage, d'une buse, d'un tube de contact et d'une gaine (non représentes). La torche est traversée axialement par une électrode métallique 70 entourée d'une gaine 72. Comme on L'a expliqué précédemment, L'électrode 70 constitue Le métal d'apport nécessaire pour réaliser le cordon de soudure. Il est donc nécessaire de prévoir un mécanisme d'entrainement pour faire progresser L'électrode avec une vitesse convenable déterminée en fonction des différents paramètres de soudage. Ces moyens d'entrainement sont constitués par deux galets 74 dont l'un au moins est entrasse en rotation par L'intermediaire d'un motoréducteur. Ce mécanisme d'entrainement sera décrit plus en détail en référence à la figure 4. Une canalisation 76, représentée en traits mixtes sur la figure 2, permet d'amener un gaz neutre de protection tel que L'hélium ou L'argon au corps de torche 60. Comme on le remarque sur La figure 2, la tête de soudage 12 est munie de deux roulettes 78, représentées en traits mixtes, qui permet de la faire progresser plus aisément à L'intérieur du tube 2 (voir également La figure 3). On décrira maintenant les moyens qui permettent de centrer La tête de soudage 12 à l'intérieur du tube. Ces moyens sont constitués par une pluralité de doigts 80 répartis à intervalles anguLaires réguliers autour de la tête 12. Dans L'exemple de réalisation décrit, la tête comporte trois paires de doigts placées à 1200 l'une de L'autre. Chaque doigt est articulé sur le corps 30 par L'intermédiaire d'un axe démontable 82. Les axes 82 sont montés sur un piston 90 qui est mobile en translation par rapport au corps. D'autre part, chaque doigt traverse un palier 84 qui est lui-meme monté pivotant sur un support 86. Chacun des trois supports 86 est fixe par rapport au corps 30.Le piston 90 détermine avec la surface extérieure du corps 30 une chambre de pression 92 qui peut être mise en communication avec une source de fluide sous pression 93, de préférence de l'air comprimé, par L'intermédiaire d'une canalisation 94 représentée en traits mixtes (voir aussi figure 1). Des joints d'étanchéité toriques 96 disposées de part-et d'autre de la chambre -92, assurent son étanchéité au fluide sous pression. Un ressort héLico#daL, désigné par la référence 100, sollicite le piston 90 à se deplaceriaxialement dans la direction opposée à celle dans laquelle il se déplace lorsque la chambre 92 est alimentée en fluide sous pression.Ainsi sur la figure 2, le ressort hélicoidal sollicite le piston vers la droite de la figure, tandis que lorsque la chambre 92 est mise sous pression, le piston se déplace vers la gauche. La surface de la chambre et La pression d'air comprimé sont déterminées de manière que la force exercée par la chambre de pression 92 surpasse celle du ressort 100. Le système de centrage est muni d'un compensateur de diamètre qui permet d'adapter la tête de soudage à un tube conique. Un ressort 79 est intercalé entre la partie principale du support 86 et une partie 87 montée mobile par rapport au support 86. De cette manière, des différences de diamètre du tube peuvent être absorbées par L'élasticité du ressort 79. On a représenté sur La figure 3 une vue selon la direction axiale A de La machine à souder représentée sur les figures 1 et 2. Cette figure permet d'apprécier en particulier La position angulaire de chacun des doigts 80 destinés à centrer la tête de soudage 12 à l'intérieur du tube 4. Dans La position convenable de la tête, deux doigts se trouvent à 600 de part et d'autre d'une direction verticale passant par le centre O du tube, et le troisième doigt est orienté vers Le haut. On remarque les paliers 84, L'axe d'articulation 82 des doigts 80 sur le cylindre mobile 90 et l'axe porte-torche 30 sur lequel coulisse le cylindre 90. On note également la position des deux roulettes 78 dont la longueur est régLable orace à une patte 102 comportant un trou oblong. Les roulettes 78 sont montées solidaires du corps 30. En position de soudage, les roulettes sont décollées de la paroi intérieure du tube 2. Enfin, on remarque que la torche 14 doit être dirigée vers le haut au moment de l'introduction de la tête de soudage à l'intérieur du tube 2. On a représenté sur la figure 4 les moyens d'entrafnement du fil d'électrode. Ils comprennent deux galets 16, dont un seul est visible sur la figure 4. L'un des galets 16 est entrarné en rotation par un motoréducteur 74 commandé par le boitier de commande programmable 116, par L'intermédiaire du câble électrique 116b. Un couple conique 26 assure la transmission du mouvement au galet supérieur 16. On remarque également un guide-fil 28 sous le galet supérieur 16. La mise en oeuvre de La tête de soudage est la suivante : On commence par préparer La tête. Tout d'abord, on adapte la torche 14 dont Les dimensions correspondent au diamètre du tube à souder. En effet, le rayon de la torche n'est pas variable et il est nécessaire de changer de torche lorsque le diamètre du tube change. Ceci peut être effectué en desserrant la vis 66 et en rempLaçant La torche par une autre, de dimensions appropriées. On ajuste égaLement la position des roulettes 78 en fonction du diamètre du tube en réglant leur Longueur. On met en place des doigts de centrage 80 dont La longueur correspond au diamètre du tube. En effet, comme pour La torche de soudage, La longueur des doigts n'est pas variable et il est nécessaire de les changer Lorsque le diamètre du tube change. On vérifie que le réglage de la position Longitudinale de L'axe porte-torche 32 est à mi-course de manière à se réserver des possibilités de réglage dans un sens et dans l'autre, ce qui permettra ultérieurement d'amener l'extrémité de la torche à une distance convenable de la soudure. Si L'axe porte-torche n'est pas à mi-course, on le place dans cette position en agissant sur la vis de réglage 46 par l'intermédiaire d'un bouton de commande. On met en place la bobine de fil 20 sur son support 110, on effectue une coupe franche sur Le fil et on l'introduit jusqu'aux molettes ou galets d'entra#nement 16. On vérifie la commande des molettes de dévidage 16, entrarnées par le motoréducteur 74, puis on coupe le fil à trois niillimètres de l'extrémité du tube contact. L'ensemble de ces opérations ayant été effectué, la tête peut être introduite dans le tube en la faisant rouler sur les roulettes 78. On fixe une plaque de soutien 112 assez librement sur une bride du tube 4 et on ajuste la position de la tête 12 a l'intérieur du tube en faisant correspondre la bague intérieure du roulement 114 avec un repère R marqué sur le tube 18. La position de ce repère a été déterminée de manière que, lorsqu'il est en regard de La bague intérieure du roulement, la position de L'extrémité de la torche de soudage 14 est approximativement convenable. On commande Le bridage de la tête 12 au moyen des doigts 80 à L'aide du bottier de commande à distance 116 qui actionne le cylindre 90 en fournissant de l'air comprimé sous pression à La chambre 92. On contrôle ensuite la position axiale de la torche 14 à L'aide d'un endoscope 118 représenté schématiquement. On règle le tube contact à 8 millimètres du plan de soudage à L'aide du bouton de réglage 49 qui commande te flexible cntrafnant La vis 46. On commande alors Le soudage à L'aide du bottier de commande à distance 116. La torche de soudage 14 effectue un tour complet ou plusieurs tours si plusieurs passes doivent être effectuées. La soudure ayant été exécutée, on desserre la plaque 112 et on commande Le débridage de la tête par relâchement de la pression à L'intérieur de la chambre 92. On peut alors extraire La tête 12 du tube 4. On a représenté sur la figure 4 une vue à échelle agrandie montrant le détail de la réalisation d'une soudure en plusieurs passes entre le tube 4 et une tôle 10 de revêtement d'une paroi de protection biologique 6 d'une cellule à haute activité. La soudure est réalisée en plusieurs passes 120a, b, c, d. Pour réaliser chacune de ces passes, L'extrémité de la torche 14 tourne de 3600, comme indiqué par la flèche 122. Pour chaque passe, il est nécessaire de régler la position axiale de La torche à une valeur convenable. EXEMPLE DE REALISATION On a réalisé une machine à souder conforme à l'invention, utilisant le procédé MIG et permettant de souder des tubes de diamètre compris entre 219 et 356 mm. Avec l'appareil réalisé, la profondeur maximum de soudage était de 1,550 m parce qu'on utilisait un endoscope rigide à lentille, dont la longueur maximum est de 1,6 m. La profondeur de 1,550 m peut toutefois être largement dépassée en utilisant un système de réglage optique différent, par exemple un laser conduit par une fibre optique et relié à un système de visualisation sur écran. Le soudage s'effectue en position horizontale. Le diamètre du fil d'apport est de 0,8 mm et la vitesse de soudage de 1 m par minute au maximum. La vitesse de dévidage du fil est de 15 m par minute au maximum et l'intensité du courant de soudage de 200 ampères au maximum. Dans cette machine, le cycle de soudage utilisé était le suivant : on envoie un gaz de protection tel que L'argon et on commande le générateur de courant de soudage et le dévidage du fil. Quand le fil touche la partie à souder, un arc se produit. La détection de l'amorçage de L'arc commande l'entraSnement en rotation de la torche sur 3600, avec un Léger recouvrement du cordon de soudure, constaté visuellement par l'opérateur. Celuici commande alors l'arrêt du dévidage de fil et de la rotation de la tête. Après une temporisation réglée à 0,5 seconde, on arrête le générateur de courant de soudage, puis après une temporisation de 5 secondes, on coupe L'arrivée du gaz de protection. Le générateur de courant utilisé est un poste de soudage ESAB MIG/MAG du type LAE 400. IL a été modifié pour y adapter une prise sur la face avant pour permettre le raccordement du coffret d'automatisme. Des électrovannes de gaz de protection et d'air pour le cylindre 90 ont été incorporées ainsi que des manostats de contrôle et un dispositif de détection du courant de soudage. Le coffret d'automatisme assure le déroulement des opérations de soudage de façon automatique. L'opérateur dispose essentiellement d'une boite de commande à distance à partir de laquelle il peut provoquer le serrage et le desserrage de la tête de soudage 12 ainsi que le départ et l'arrêt du poste de soudage. Sur les faces avant du coffre proprement dit sont disposées les commandes de réglage de la vitesse de rotation de la torche, de la vitesse du dévidage du fil et d'inversion du sens de rotation de la torche. REVENDICATIONS 1. Machine à souder pour tubes, caractérisée en ce qu'elle comprend : un corps (30), des moyens (80, 90) pour centrer le corps à L'intérieur d'un tube, un axe porte-torche (32) monté tournant à L'intérieur du corps, une torche de soudage (14) à électrode métallique protégée par un gaz inerte, montée à une extrémité dudit axe porte-torche (32), des moyens (36, 39) pour entraîner L'axe porte-torche (32) en rotation, des moyens (46, 48) pour régler la position axiale de l'axe porte-torche (32) par rapport au corps, des moyens (93, 116) pour alimenter La torche en courant électrique et en gaz de protection, une bobine débitrice (110) pour alimenter la torche (14) en fil métallique d'électrode, des moyens (16, 74) pour guider et entrafner le fil d'électrode jusqu'à la torche de soudage. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour centrer le corps de la machine par rapport à un tube sont constitués par : un cylindre (90) monté coulissant sur le corps (30) et délimitant avec celui-ci une chambre de pression (92), des moyens d'étanchéité (96) étant prévus entre le corps (30) et le cylindre (90), des moyens pour alimenter la chambre de pression en un fluide sous pression, - au moins trois doigts (80) disposés radialement et montés pivotants sur le cylindre (90), chaque doigt traversant un palier de guidage (84) monté pivotant sur un support (86) fixe par rapport au corps (30), - un moyen élastique (100) de rappel étant disposé entre le cylindre (90) et le corps pour rappeler le cylindre vers une position antagoniste de celle dans Laquelle il est entraSné par Le fluide de la chambre de pression (92). 3. Machine à souder selon la revendication I ou 2, caractérisée en ce que les moyens pour cntratner L'axe portetorche (32) en rotation sont constitués par un motoréducteur (36) entrafnant ledit axe (32) par L'intermédiaire d'une courroie crantée (39). 4. Machine à souder selon L'une queLconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens pour régler la position axiale de la torche sont constitués par un système vis-écrou (46) dont L'écrou est solidaire du corps (30), la vis (46) étant montée tournante sur un palier solidaire (38) de l'axe porte-torche (32), Ladite vis (46) pouvant être entraînée en rotation au moyen d'un flexible (48 > . 5. Machine à souder selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens pour entratner L'électrode sont constitués par deux galets (16), l'un au moins comportant une gorge de guidage, l'un au moins de ces galets étant entrain en rotation par un motoréducteur (74).