Brevet FR2656557A1 — publié le 19910705

La présente invention est relative à une tête de travail au laser à l'intérieur d'un tube. Elle s'applique en particulier à la réalisation de soudures circulaires dans des tubes de faible diamè- tre, par exemple pour la fixation étanche ou le man- chonnage des tubes des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Dans la technique actuelle (voir par exemple la demande de brevet FR-88 13 602 au nom de la Deman- deresse), un faisceau laser est transporté, par exem- ple par fibre optique, jusqu'à un miroir incliné de renvoi précédé d'un dispositif optique de focalisa- tion Le faisceau focalisé sort de la tête de travail par une fenêtre latérale de celle-ci, et l'on fait tourner la tête sur un tour complet pour réaliser une soudure circulaire. Les travaux à réaliser intéressent fréquem- ment plusieurs zones de travail circulaires espacées axialement les unes des autres Il est alors néces- saire de répéter à plusieurs reprises les opérations de positionnement et de réglage de la tête de travail. L'invention a pour but de réaliser des tra- vaux multiples en un temps beaucoup plus réduit. A cet effet, la tête de travail au laser suivant l'invention comprend: une enveloppe tubulaire présentant une fenêtre aval et au moins une fenêtre amont, ces fenê- tres étant espacées axialement les unes des autres; en regard de la fenêtre aval, un miroir aval de renvoi, incliné et totalement réfléchissant; en regard de la ou de chaque fenêtre amont, un miroir amont de renvoi, incliné et partiel- lement réfléchissant; en amont de chaque miroir, un dispositif optique de focalisation du faisceau laser sur une zone de travail située au droit de la fenêtre correspondan- te; chaque dispositif optique étant disposé entre le miroir associé et le foyer image du disposi- tif optique situé immédiatement en amont. Quelques exemples de réalisation de l'inven- tion vont maintenant être décrits en regard des des- sins annexés, sur lesquels: la Fig 1 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une tête de travail au laser con- forme à l'invention; la Fig 2 est une vue analogue, à plus pe- tite échelle, d'une variante; et la Fig 3 est une vue analogue, à plus grande échelle, d'une autre variante. On N a représenté à la Fig 1 que la partie aval d'une tête de soudage au laser 1, dont la struc- ture générale peut être celle décrite dans la demande de brevet français précitée Cette tête 1 est desti- née à réaliser simultanément deux soudures circulaires dans un tube 2 dont le diamètre intérieur est légère- ment supérieur au diamètre extérieur de l'enveloppe extérieure cylindrique 3 de la tête 1 Il peut s'agir notamment de fixer par soudage un manchon de répara- tion dans un tube, suivant la technique couramment utilisée pour l'entretien des tubes d'eau primaire des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. L'enveloppe 3 présente, sur une même généra- trices, deux fenêtres de sortie de faisceaux laser, à savoir une fenêtre amont 4 et une fenêtre aval 5 Les axes de ces fenêtres ont entre eux le même espacement axial (c'est-à-dire suivant l'axe général X-X de l'en- semble) que les deux soudures à réaliser, et la tête 1 est positionnée et centrée de façon correspondante dans le tube 2, par des moyens classiques non repré- sentés. La partie de la tête 1 qui est illustrée à la Fig 1 comprend dans l'enveloppe 3, d'amont vers l'aval: une fibre optique 6 qui émet le faisceau laser de départ par son extrémité aval 7, centrée sur l'axe X-X; un premier dispositif optique 8 de focali- sation, comprenant au moins deux lentilles convergen- tes 9 et 10; entre le dispositif 8 et son foyer image 11, un miroir semiréfléchissant 12 incliné à 45 , adapté pour envoyer 50 % du faisceau focalisé vers la zone de travail amont du tube 2, à travers la fenêtre 4, le reste du faisceau n'étant pas dévié et étant focalisé au foyer 11; un second dispositif optique 13 analogue au dispositif 8, disposé en aval du foyer 11; et un second miroir de renvoi 14 incliné à , totalement réfléchissant, qui renvoie la partie du faisceau non déviée par le miroir 12, focalisée par le dispositif optique 13, vers la zone de travail aval du tube 2, à travers la fenêtre 5. Le fonctionnement de la tête 1 se déduit di- rectement de la description qui précède: un faisceau laser dont l'énergie est double de celle nécessaire pour réaliser une soudure est véhiculé par la fibre optique 6, 50 % de ce faisceau est focalisé sur chaque zone de travail, et, en faisant tourner la tête 1 sur un tour complet autour de l'axe X-X, on réalise simultanément les deux soudures circulaires désirées. La variante 1 A de la Fig 2 est destinée à réaliser simultanément d'une façon analogue un nombre de soudures circulaires supérieur à deux, égal à qua- tre dans l'exemple représenté Elle diffère de celle de la Fig 1 par le fait que l'enveloppe 3 présente deux fenêtres supplémentaires 4 A, 4 B entre les fenê- tres 4 et 5, sur la même génératrice Un miroir par- tiellement réfléchissant 12 A, 12 B, incliné à 45 , est disposé en regard de chacune de ces fenêtres, et un dispositif optique de focalisation 13 A, 13 B est disposé devant chacun de ces miroirs Plus précisément, chaque dispositif optique 13 A, 13 B et 13 est disposé entre le miroir situé immédiatement en aval, 12 A, 12 B et 14 respectivement, et le foyer ima- ge, 11, 1 IA, 11 B respectivement, du dispositif optique situé immédiatement en amont, 8, 13 A, 13 B respectivement. Dans le cas de la Fig 2, le pourcentage d'énergie lumineuse réfléchie par chaque miroir est calculé pour que chaque zone de travail reçoive la même énergie, soit: 100/4 % pour le miroir 12 r /3 % pour le miroir 12 A, et 100/2 % pour le miroir 12 B Plus généralement, dans le cas de (n 1) mi- roirs partiellement réfléchissants montés l'un derriè- re l'autre, ces miroirs doivent réfléchir respective- ment, d'amont en aval 100/n %, 100/(n 1) %, (n 2) %,, 100/2 % de l'énergie du faisceau de départ Dans tous les cas, l'énergie de ce faisceau de départ est bien entendu égale à N fois l'énergie nécessaire pour réaliser une soudure. Dans les agencements des Fig 1 et 2, les caractéristiques optiques des dispositifs optiques de focalisation sont choisis en fonction de l'entr'axe des fenêtres 4 et 5, ou 4, 4 A, 4 B et 5, de façon que le foyer image de chaque dispositif optique soit en même temps le foyer objet du dispositif optique suivant Si cette condition ne peut être remplie, notamment à cause d'une trop grande distance entre les zones de travail, on peut utiliser avantageusement la variante de la Fig 3, dans laquelle, avec seulement deux fenêtres 4 et 5, une fibre optique 15 s'étend le long de l'axe X-X du foyer image 11 du dispositif optique 8 au foyer objet 16 du dispositif optique 13. Cette variante peut bien entendu s'adapter au cas de la tête à miroirs multiples de la Fig 2. On remarque que chaque miroir intercepte obliquement un faisceau laser non encore focalisé, in- téressant par conséquent une aire importante du mi- roir On évite ainsi tout risque d'échauffement loca- lisé excessif des miroirs. En variante, les fenêtres de sortie des faisceaux laser pourraient se trouver sur des généra- trices différentes de la tête de travail Les miroirs correspondants seraient alors tournés les uns par rap- port aux autres autour de l'axe X-X. REVENDICATIONS 1 Tête de travail au laser à l'intérieur d'un tube, caractérisée en ce qu'elle comprend: une enveloppe tubulaire ( 3) présentant une fenêtre aval ( 5) et au moins une fenêtre amont ( 4; 4, 4 A, 4 B), ces fenêtres étant espacées axialement les unes des autres; en regard de la fenêtre aval, un miroir aval ( 14) de renvoi, incliné et totalement réfléchis- sant; en regard de la ou de chaque fenêtre amont, un miroir amont de renvoi ( 12; 12, 12 A, 12 B), incliné et partiellement réfléchissant en amont de chaque miroir, un dispositif optique ( 8, 13; 8, 13, 13 A, 13 B) de focalisation du faisceau laser sur une zone de travail située au droit de la fenêtre correspondante; chaque dispositif optique étant disposé entre le miroir associé et le foyer image du disposi- tif optique situé immédiatement en amont. 2 Tête de travail suivant la revendication 1, caractérisée en ce que tous les miroirs ( 12, 14 12, 12 A, 12 B, 14) sont inclinés à 45 e D 3 Tête de travail au laser suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que tous les miroirs ( 12, 14; 12, 12 A, 12 B, 14) sont sensible- ment parallèles. 4 Tête de travail au laser suivant l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que les miroirs sont tournés les uns par rapport aux autres autour de l'axe (X-X) de la tête, les fenêtres asso- ciées étant prévues sur des génératrices différentes de celle-ci. Tête de travail au laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le foyer objet ( 11; 11, 11 A, 11 B) de chaque dis- positif optique est constitué par le foyer image du dispositif optique situé immédiatement en amont. 6 Tête de travail au laser suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'une fibre optique ( 15) s'étend du foyer image ( 11) d'un dispositif optique ( 8) au foyer objet ( 16) du dispositif optique ( 13) situé immédiatement en aval.