Brevet FR2680991A1 — publié le 19930312

La présente invention concerne une tête de travail au laser dans un tube. Elle s'applique en particulier au soudage dans des tubes d'eau primaire d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression. On connaît déjà dans l'état de la technique une tête de travail au laser, ou tête laser, du type délimitée par une paroi tubulaire comportant une fenêtre de passage pour un faisceau laser, à travers laquelle le faisceau laser atteint une zone de travail située en regard de la fenêtre. Au cours d'une opération de soudage dans un tube d'eau primaire, de faible diamètre, d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire, une tête laser de ce type est soumise à une température élevée au voisinage de la fenêtre de passage du faisceau laser. Les différents éléments constituant la tête laser se dilatent et se dé for- ment en fonction de la répartition de la chaleur dans la tête laser. On constate que l'échauffement de la tête laser, pendant l'opération de soudage, provoque un cintrage de celle-ci par rapport à l'axe initial de sa paroi tubulaire. Lorsque la tête laser n'est plus en fonction, elle se refroidit sans recouvrer exactement sa forme initiale. En effet, on constate qu'après refroidissement, la tête laser présente un cintrage suivant une courbure opposée au cintrage dû à l'échauffement. Habituellement, on effectue des opérations de soudage successives dans plusieurs tubes d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. La tête laser se refroidit pendant les déplacements d'un tube à un autre et, dans un même tube, d'une soudure à la suivante. La tête laser est donc soumise à des échauffements et des refroidissements successifs conduisant à une déformation persistante de la tête laser, celle-ci présentant à la longue une forme cintrée par rapport à son axe initial. L'invention a pour but d'améliorer la rectitude d'une tête laser tubulaire malgré les échauffements et refroidissements successifs de celle-ci, afin d'augmenter la durée de vie de la tête laser et, en particulier, afin d'effectuer des opérations de soudage successives dans des tubes d'eau primaire d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. A cet effet, l'invention a pour objet une tête laser du type précité caractérisée en ce que la paroi tubulaire comporte une zone localisée, entourant la fenêtre, d'épaisseur réduite. Suivant d'autres caractéristiques de l'invention: - la zone d'épaisseur réduite est un évidement ménagé dans la surface externe de la paroi tubulaire - la zone d'épaisseur réduite est, vue en plan, de forme circulaire, ou bien, suivant un autre mode de réalisation, la zone d'épaisseur réduite est de forme oblongue, cette zone s'étendant en longueur suivant 1 ' axe longitudinal de la paroi tubulaire - la paroi tubulaire comporte au moins deux orifices de passage d'un gaz débouchant à la surface externe de la zone d'épaisseur réduite, disposés de part et d'autre de la fenêtre de passage du faisceau laser, et orientés vers la zone de travail - les deux orifices sont disposés sur un même plan diamétral de la paroi tubulaire - la zone d'épaisseur réduite de la paroi tubulaire a une épaisseur d'environ la moitié de l'épaisseur du reste de la paroi tubulaire - la zone d'épaisseur réduite est centrée sur l'axe de la fenêtre de passage du faisceau laser. Des exemples de réalisation de l'invention vont etre décrits ci-dessous en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une tête laser selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue partielle de côté de cette tête laser suivant la flèche 2 de la figure 1 - la figure 3 est une vue en demi-coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2 - la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'une tête laser suivant un second mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une tête laser selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne 6-6 de la figure 5. On voit sur la figure 1 une tête laser 10, suivant un premier mode de réalisation de l'invention, destinée à raccorder bout à bout, par soudage, deux tubes 12,14 de faible diamètre. Suivant une variante, les deux tubes 12,14 pourraient être emboîtés l'un dans l'autre. Suivant une autre variante, la tête laser 10 pourrait être utilisée pour fixer par soudage un manchon de réparation dans un tube, conformément à la technique couramment utilisée pour l'entretien des tubes d'eau primaire des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression. On n'a représenté sur la figure 1 que la région de cette tête 10 comportant un dispositif optique 16 de focalisation du faisceau laser et une fenêtre 18 de passage du faisceau laser focalisé. Dans la région représentée, la tête 10 comprend une double paroi constituée d'une paroi tubulaire interne 20 et d'une paroi tubulaire externe 22 délimitant entreelles un espace annulaire 24. Le dispositif optique 16 comprend un jeu de lentilles 26,28 et une fibre optique 40, conduisant le faisceau laser, positionnés par des moyens connus, non décrits, à l'intérieur de la paroi tubulaire 20. Les lentilles 26,28 comportent des encoches périphériques 41 délimitant des passages pour un gaz utilisé habituellement au cours des opérations de soudage en atmosphère contrôlée. La fenêtre 18 de passage du faisceau laser est délimitée par la surface interne d'un collet cylindrique 42 reliant les parois tubulaires 20,22 entre elles. L'axe Y-Y de ce collet cylindrique 42 est radial par rapport à l'axe X-X de la tête laser 10. On voit donc sur la figure 1 que, par rapport à la fenêtre 18, l'espace annulaire 24 comporte une partie amont 24A et une partie aval 24B qui communiquent entre elles. La partie 24B est obturée vers l'aval de la tete par des moyens non représentés. Un miroir 43 de renvoi du faisceau laser est disposé en aval du dispositif optique 16. Il présente une face active 44, inclinée à 45"par rapport à l'axe X-X de la tête, renvoyant le faisceau laser focalisé, par la fenêtre de passage 18, sur une zone de travail ou de soudage, à la jonction des deux tubes 12,14. On voit également sur la figure 1 que la paroi externe 22 de la tête 10 comporte une zone 46 d'épaisseur radiale réduite entourant la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. Cette zone 46 est constituée par un évidement de profondeur sensiblement constante ménagé dans la surface externe de la paroi tubulaire 22. Deux orifices 48,50 sont percés obliquement à travers la paroi externe 22 respectivement aux extrémités aval et amont de l'évidement 46. Les orifices obliques 48,50 sont disposés symétriquement de part et d'autre du collet cylindrique 42, dans un même plan diamétral de la paroi tubulaire 22. Ainsi, chaque orifice oblique communique avec l'espace annulaire 24, respectivement avec les parties 24A et 24B de celui-ci, et est dirigé sensiblement vers le point d'impact du faisceau laser, à la jonction des deux tubes 12,14. L'évidement 46 est montré plus en détail aux figures 2 et 3. On voit à la figure 2 que l'évidement 46 a une forme oblongue, l'évidement s'étendant en longueur parallèlement à l'axe X-X de la tête laser 10. On voit également sur cette figure que l'évidement 46 a pour axe de symétrie l'axe Y-Y de la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. Plus précisément, en vue en plan (figure 2), l'évidement 46 est délimité par deux côtés longitudinaux rectilignes 46A reliés par deux arrondis d'extrémité 46B. On voit à la figure 4 un évidement 46 de forme différente correspondant à un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, l'évidement 46 a, en plan, une forme circulaire centrée sur l'axe Y-Y de la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. En service, un premier flux de gaz est envoyé à l'intérieur de la tête laser 10 jusqu'au miroir 43, via les encoches périphériques 41 des lentilles 26,28. Ce gaz sort de la tête 10 par la fenêtre 18 vers la zone de travail. Par ailleurs, l'extrémité amont de l'espace annulaire 24 est reliée à une source de gaz fournissant un deuxième flux de gaz, lequel emplit les parties 24A,24B de cet espace et en sort par les orifices obliques 48,50 en formant deux jets inclinés convergeant symétriquement vers la zone de travail. Les deux flux de gaz, l'un passant à l'intérieur de la paroi interne 20 et l'autre passant dans l'espace annulaire 24, peuvent notamment provenir d'une même sour ce. Ces deux flux de gaz peuvent être constitués par un gaz neutre tel que l'argon, l'hélium ou l'azote, contenant éventuellement une faible proportion, par exemple de l'ordre de 1%, d'un gaz actif tel que l'oxygène ou l'hydrogène. La paroi externe 22 de la tête laser 10 étant pourvue d'une zone d'épaisseur radiale réduite autour de la fenêtre 18, on constate que la rectitude de la tête 10 suivant son axe X-X est sensiblement maintenue après plusieurs opérations de soudage malgré les échauffements et refroidissements successifs auquel s est soumise la tête 10. Par ailleurs, la zone de travail est abondamment alimentée par du gaz qui forme un matelas entre la tête 10 et la zone de travail. Le gaz assure notamment une double protection, la première consistant à protéger le bain de fusion de l'oxydation, la seconde consistant à protéger la tête de travail de l'échauffement provoqué par le métal en fusion et des projections de métal fondu. On voit aux figures 5 et 6 une partie de tête laser suivant un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur ces figures, les éléments ayant des fonctions analogues aux éléments décrits dans les modes de réalisation précédents sont désignés par les mêmes références. Ce troisième mode de réalisation de l'invention diffère des précédents par le fait que la tête laser 10 est délimitée par une paroi tubulaire 22 simple. Sur les figures 5 et 6, on n'a pas représenté les organes optiques disposés à l'intérieur de la tête 10, ces organes étant connus et similaires à ceux des précédents modes de réalisation. On voit que la paroi 22 comporte une fenêtre 18 de passage du faisceau laser et un évidement 46 ménagé autour de la fenêtre 18, sur la surface externe de cette paroi 22. Comme dans les modes de réalisation précédents, l'évidement 46 peut avoir une forme oblongue, circulaire, ou quelconque dans la mesure où il est prévu dans la région entourant la fenêtre 18. On peut également ménager l'évidement 46 sur la surface interne de la paroi 22, autour de la fenêtre 18. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention, le gaz est amené au niveau de la zone de travail en passant par l'intérieur de la paroi 22 et par la fenêtre 18. Dans les trois modes de réalisation décrits cidessus, l'évidement 46 est ménagé sur la paroi externe de la tête laser de telle façon que la zone de cette paroi délimitée par le bord périphérique de l'évidement 46, ait une épaisseur réduite d'environ la moitié par rapport à l'épaisseur du reste de la paroi externe. De plus, dans les trois modes de réalisation décrits ci-dessus, un flux de gaz supplémentaire peut être amené jusqu'à la zone de travail en passant dans l'intervalle existant entre la paroi externe de la tete laser et la paroi interne des tubes à souder. L'évidement 46 selon l'invention peut avoir d'autres formes, en particulier il peut être délimité par des bords obliques. La zone d'épaisseur réduite entourant la fenêtre de passage du faisceau laser ainsi que la circulation du gaz au voisinage de cette fenêtre, permettent une augmentation de la durée de vie de la tête laser et une amélioration de la qualité, de la fiabilité et de la reproductibilité des soudures. REVENDICATIONS 1. Tête de travail au laser dans un tube, du type délimitée par une paroi tubulaire (22) comportant une fe nêtre (18) de passage pour un faisceau laser, à travers laquelle le faisceau laser atteint une zone de travail située en regard de la fenêtre (18), caractérisée en ce que la paroi tubulaire (22) comporte une zone (46) localisée, entourant la fenêtre (18), d'épaisseur réduite. 2. Tête suivant la revendication 1, caractérisée en ce que la zone (46) d'épaisseur réduite est un évidement ménagé dans la surface externe de la paroi tubulaire (22). 3. Tête suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la zone (46) d'épaisseur réduite est, vue en plan, de forme circulaire. 4. Tête suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la zone (46) d'épaisseur réduite est de forme oblongue, cette zone s'étendant en longueur suivant l'axe longitudinal de la paroi tubulaire (22). 5. Tête suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la paroi tubulaire (22) comporte au moins deux orifices (48,50) de passage d'un gaz débouchant à la surface externe de la zone (46) d'épaisseur réduite, disposés de part et d'autre de la fenêtre (18) de passage du faisceau laser, et orientés vers la zone de travail. 6. Tête suivant la revendication 5, caractérisée en ce que les deux orifices (48,50) sont disposés sur un même plan diamétral de la paroi tubulaire (22). 7. Tête suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la zone (46) d'épaisseur réduite de la paroi tubulaire (22) a une épaisseur d'environ la moitié de l'épaisseur du reste de la paroi tubulaire. 8. Tête suivant l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la zone (46) d'épaisseur réduite est centrée sur l'axe (Y-Y) de la fenêtre (18) de passage du faisceau laser.