Brevet FR2656559A1 — publié le 19910705

La présente invention est relative au tra- vail au laser dans un tube Elle s'applique notamment au soudage au laser dans des tubes de faible diamètre tels que les tubes d'eau primaire des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau pressurisée. Il est de pratique courante d'envoyer un gaz dans la zone de travail, à travers la tête de travail au laser, afin, notamment, de protéger le bain de fusion de l'oxydation On peut pour cela faire sortir le gaz de la tête de travail par la fenêtre de sortie du faisceau laser, soit à partir de l'espace adjacent au miroir de renvoi du faisceau laser, comme décrit par exemple dans la demande de brevet FR 89 08 634 au nom de la Demanderesse, soit à partir d'un conduit axial qui débouche vers l'aval dans cette fenêtre (EP-A-300 458). L'invention a pour but d'augmenter la quali- té, la fiabilité et la reproductibilité des soudures et de mieux protéger la tête de travail contre l'échauffement provoqué par le bain de fusion et contre les projections venant de ce bain. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de travail au laser dans un tube, du type dans lequel on envoie un gaz dans la zone de travail à travers la tête de travail, caractérisé en ce qu'on crée, dans la région de la zone de travail, un matelas gazeux dont l'épaisseur est supérieure à l'intervalle qui existe entre la tête de travail et le tube en de- hors de cette zone. De préférence, on fait parvenir le gaz dans la zone de travail suivant au moins deux courants pro- venant de points situés de part et d'autre de cette zone et convergeant vers elle. L'invention a également pour objet une tête de travail au laser dans un tube qui est particuliè- rement adaptée pour la mise en oeuvre de ce procédé. Cette tête de travail, du type comprenant des moyens pour véhiculer un flux de gaz jusque dans la zone de travail, est caractérisée en ce que l'enveloppe exté- rieure de la tête présente un décrochement dans la ré- gion de la fenêtre de sortie du faisceau laser. Suivant des caractéristiques avantageuses lesdits moyens comprennent au moins deux orifices de sortie situés de part et d'autre de la fe- nêtre de sortie du faisceau laser et orientés vers la- dite zone; la tête de travail comporte une double enveloppe qui définit un intervalle annulaire continu s'étendant en amont et en aval de ladite fenêtre, lesdits orifices communiquant avec cet intervalle annulaire, et des moyens d'alimentation en gaz de l'intervalle annulaire; la tête de travail comporte des moyens pour véhiculer un autre flux de gaz jusqu'au miroir de renvoi du faisceau laser et à travers ladite fenêtre. Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la Figure unique représente en coupe longi- tudinale une partie d'une tête de travail au laser conforme à l'invention. La tête de travail au laser représentée au dessin est destinée à raccorder bout-à-bout par souda- ge deux tubes 2 et 3 de faible diamètre En variante, les deux tubes pourraient être emboîtés l'un dans l'autre, ou encore ils pourraient s'agir de fixer par soudage un manchon de réparation 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. La structure générale de la tête 1 est clas- sique et peut par exemple être celle décrite dans la demande de brevet FR 89 08 634 précitée On n'a re- présenté au dessin que la région de cette tête compor- tant le système optique 4 de focalisation du faisceau laser et la fenêtre 5 de sortie du faisceau laser fo- calisé. Dans la région représentée, la tête 1 com- prend une double enveloppe constituée d'une enveloppe intérieure 6 et d'une enveloppe extérieure 7 délimi- tant entre elles un espace annulaire 8. Le système optique 4, disposé dans l'enve- loppe 6, comprend un jeu de lentilles 9, 10 position- nées par des bagues-entretoises successives 11, 12, 13 Ces dernières sont reçues dans un lamage inté- rieur 14 de l'enveloppe 6 L'entretoise avant 11 bute sur l'épaulement d'extrémité aval de ce lamage, et l'empilement des lentilles et des entretoises est maintenu par une bague 15 vissée à l'extrémité amont du même lamage L'extrémité d'une fibre optique 16 véhiculant le faisceau laser est positionnée sur l'axe de la tête 1, en amont de la bague 15, par des moyens appropriés non représentés. Le miroir 17 de renvoi du faisceau laser est disposé en aval de l'ensemble 9 à 13 Il présente une face active 18 à 45 permettant de faire sortir le faisceau par la fenêtre 5 et de le focaliser sur la zone à souder, à la jonction des deux tubes 2 et 3. L'enveloppe 7 comporte, au droit de la face 18, un décrochement annulaire 19 formant une gorge annulaire délimitée par deux épaulements radiaux Les deux enveloppes 6 et 7 sont reliées entre elles, dans la région médiane de cette gorge, par un collet cyli- drique 21 qui constitue la fenêtre 5 et dont l'axe est radial par rapport à la tête 1 et est contenu dans le plan médian du décrochement 19 Par rapport à la fe- nêtre 5, l'intervalle annulaire 8 comporte ainsi une partie amont 8 A et une partie aval 8 B qui communiquent entre elles La partie 8 B est obturée vers l'aval par des moyens non représentés. Deux orifices 22 sont percés obliquement aux extrémités respectives de la gorge 19, symétriquement par rapport au collet 21 et dans un même plan diamétral de celui-ci Ainsi, chaque orifice communi- que avec l'intervalle annulaire 8, respectivement avec les parties 8 A et 8 B de celui-ci, et est dirigé sensi- blement vers le point d'impact du faisceau laser. En service, un premier flux de gaz est envoyé dans l'intérieur de la tête de travail jusqu'au miroir 17, via des encoches périphériques 24 ménagées dans les lentilles 9 et 10, et sort de la tête 1 vers la zone de travail par la fenêtre 5. De plus, l'extrémité amont de l'intervalle 8 A est reliée à une source d'un deuxième flux de gaz, lequel emplit les parties 8 A et 8 B de cet intervalle et en sort par les orifices 22 sous la forme de deux jets inclinés qui convergent symétriquement sur la zone de travail Les deux flux de gaz peuvent notamment provenir d'une même source et être consti- tués par un gaz neutre tel que l'argon, l'hélium ou l'azote, contenant éventuellement une faible propor- tion, par exemple de l'ordre du %, d'un gaz actif tel que l'oxygène ou l'hydrogène. Ainsi, la zone de travail est abondamment alimentée par du gaz qui forme un matelas relative- ment épais entre la tête 1 et la zone de travail De cette façon, le gaz non seulement protège le bain de fusion de l'oxydation, mais encore assure une protec- tion améliorée de la tête de travail contre l'échauf- fement provoqué par le métal en fusion et contre les projections Il en résulte finalement une augmenta- tion de la durée de vie de l'outillage et une amélio- ration de la qualité, de la fiabilité et de la repro- ductibilité des soudures. REVENDICATIONS 1 Procédé de travail au laser dans un tu- be, du type dans lequel on envoie un gaz dans la zone de travail à travers la tête de travail ( 1), caracté- risé en ce qu'on crée, dans la région de la zone de travail, un matelas gazeux dont l'épaisseur est supé- rieure à l'intervalle qui existe entre la tête de tra- vail ( 1) et le tube ( 2, 3) en dehors de cette zone. 2 Procédé suivant la revendication 1, ca- ractérisé en ce qu'on fait parvenir le gaz dans la zo- ne de travail suivant au moins deux courants provenant de points ( 22) situés de part et d'autre de cette zone et convergeant vers elle. 3 Procédé suivant la revendication 2, ca- ractérisé en ce que les deux points ( 22) sont situés l'un en amont, l'autre en aval de la zone de travail. 4 Tête de travail au laser dans un tube, du type comprenant des moyens pour véhiculer un flux de gaz jusque dans la zone de travail, caractérisée en ce que l'enveloppe extérieure ( 7) de la tête ( 1) pré- sente un décrochement ( 19) dans la région de la fenê- tre ( 5) de sortie du faisceau laser. Tête de travail au laser suivant la re- vendication 4, caractérisée en ce que le décrochement ( 19) est annulaire. 6 Tête de travail suivant l'une des reven- dications 4 ou 5, caractérisée en ce que lesdits moyens comprennent au moins deux orifices de sortie ( 22) situés de part et d'autre de ladite fenêtre ( 5) et orientés vers ladite zone. 7 Tête de travail au laser suivant la re- vendication 6, caractérisée en ce que les deux orifi- ces ( 22) sont situés l'un à l'amont, l'autre à l'aval de ladite fenêtre ( 5). 8 Tête de travail au laser suivant l'une des revendications 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte une double enveloppe ( 6, 7) qui définit un intervalle annulaire ( 8) continu s'étendant en amont ( 8 A) et en aval ( 8 B) de ladite fenêtre ( 5), lesdits orifices ( 22) communiquant avec cet intervalle annu- laire, et des moyens d'alimentation en gaz de l'in- tervalle annulaire. 9 Tête de travail au laser suivant l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens pour véhiculer un autre flux de gaz jusqu'au miroir ( 17) de renvoi du faisceau laser et à travers ladite fenêtre ( 5). Tête de travail au laser suivant l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisée en ce que les orifices de sortie ( 22) débouchent dans le décrochement ( 19).