Brevet FR2748960A1 — publié le 19971128

PROCEDE ET DISPOSITIF DE SOUDAGE DE TRONÇONS TUBULAIRES PAR FAISCEAUX D'ELECTRONS La présente invention concerne la réalisation de pièces métalliques tubulaires de grandes dimensions, pouvant présenter des diamètres atteignant plusieurs mètres, et des longueurs variables pouvant être supérieures à plusieurs fois le diamètre. Les structures métalliques tubulaires de grandes dimensions sont généralement réalisées par soudage de plusieurs pièces disposées selon un axe horizontal, ou par soudage en continu d'une bande enroulée en hélice horizontale. Ces techniques connues ne permettent toutefois pas de réaliser une fabrication à faible coût de pièces de grand diamètre, en particulier de pièces devant présenter une géométrie précise et une épaisseur de paroi relativement importante. Pour réaliser un élément tubulaire de grand diamètre, on peut être tenté d'assembler les uns après les autres plusieurs tronçons de tube cylindrique de révolution, en réalisant successivement des soudures selon les plans de joint. Sur un premier tronçon tubulaire, reposant sur un socle et orienté selon un axe vertical, on peut poser bout à bout un second tronçon et réaliser une première soudure selon le plan de joint. On pose ensuite un troisième tronçon au-dessus du second tronçon, et on réalise une soudure selon le second plan de joint, et ainsi de suite. La difficulté est que les soudures doivent être réalisées en des zones annulaires distantes les unes des autres, et il est nécessaire rassurer une grande précision de positionnement des moyens de soudure, et des moyens de traitement et de contrôle de la soudure. I1 en résulte que l'on doit recourir à des moyens onéreux de positionnement des moyens de soudure, de traitement et de contrôle, excluant la réalisation de pièces à moindre coût. Pour les pièces présentant une épaisseur importante, ou pour des matériaux spécifiques difficiles à souder, il est nécessaire de recourir à des soudures effectuées par bombardement d'électrons. Cela nécessite de placer les tronçons à assembler dans une enceinte de grandes dimensions, et à faire le vide à l'intérieur de l'enceinte. L'enceinte doit nécessairement présenter un volume intérieur suffisant pour contenir l'objet tubulaire fini à réaliser, ce qui nécessite de prévoir des enceintes de grandes dimensions et particulièrement onéreuses. On comprend que des opérations successives d'ouverture et de fermeture de l'enceinte sont nécessaires, pour l'adaptation des tronçons tubulaires successifs, et ces manipulations nécessitent une grande hauteur de hangar, ce qui augmente encore le coût de réalisation. Le problème proposé par la présente invention est de concevoir un nouveau procédé et une nouvelle structure permettant d'assembler et de souder plusieurs tronçons de tube cylindrique de révolution de grande dimension, en évitant de recourir à des moyens onéreux de positionnement des canons de soudure et des moyens de traitement et de contrôle, et facilitant les manutentions de pièces sans avoir à augmenter exagérément la hauteur du hangar abritant l'installation. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, l'invention prévoit une machine pour assembler bout à bout par soudage sous vide, par faisceaux d'électrons, plusieurs tronçons de tube cylindrique de révolution, comprenant une enceinte étanche et des moyens pour créer et maintenir le vide dans l'enceinte, des moyens pour supporter les éléments à souder dans l'enceinte, des moyens pour supporter un ou plusieurs canons à électrons, des moyens pour régler le positionnement des canons à électrons au regard des zones de jonction à souder et pour produire les faisceaux d'électrons assurant la soudure, et des moyens pour assurer un déplacement relatif des éléments à souder et des canons à électrons pour assurer le déplacement de soudage le long de la zone de jonction entre les éléments à souder. Les moyens pour supporter les éléments à souder comprennent un support inférieur horizontal fixe en translation horizontale, adapté pour supporter les tronçons de tube cylindrique à souder empilés bout à bout selon un axe vertical. L'enceinte étanche comprend une partie inférieure fixe sur laquelle s'adapte de façon étanche une partie supérieure amovible. Les moyens pour supporter les canons à électrons et pour régler leur positionnement au regard des zones de jonction à souder comprennent des guides verticaux et des moyens d'entraînement le long de ces guides, les guides verticaux et les moyens d'entraînement étant solidaires de la partie inférieure fixe de l'enceinte. Selon un mode de réalisation avantageux, le support inférieur horizontal est un plateau fixe en rotation zones les guides verticaux sont montés sur un chariot se déplaçant en rotation autour de l'axe vertical des tronçons de tube cylindrique. Selon un mode de réalisation préféré, le support inférieur horizontal est un plateau rotatif selon un axe vertical fixe zones les guides verticaux sont montés fixes sur la partie inférieure fixe de l'enceinte. De préférence, la machine comprend des moyens de bridage adaptés pour porter sélectivement contre la paroi de deux tronçons successifs de tube cylindrique de part et d'autre de la zone de jonction à souder à l'opposé des canons de soudure et pour maintenir ainsi coaxialement bout à bout les deux tronçons de tube. Pour réduire le coût de réalisation de l'enceinte, la partie supérieure d'enceinte étanche est constituée d'un ou plusieurs tronçons tubulaires d'axe vertical assemblés sélectivement bout à bout pour constituer une enceinte dont la hauteur est adaptée à la taille de l'objet à réaliser. L'invention prévoit également un procédé pour assembler bout à bout par soudage sous vide, par faisceaux d'électrons, plusieurs tronçons de tube cylindrique de révolution dans une enceinte à vide, dans lequel - les tronçons sont orientés selon un axe vertical, - les soudures sont effectuées l'une après l'autre dans la zone inférieure de l'enceinte, - le dernier tronçon à ajouter est inséré en position inférieure, pour effectuer les soudures en une même position basse. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers, faite en relation avec la figure jointe représentant, en vue de face en coupe, une machine selon un mode de réalisation de l'invention pour assembler et souder bout à bout des tronçons de tube cylindrique de grandes dimensions. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure annexée, le dispositif selon l'invention est une machine permettant d'assembler bout à bout, par soudage sous vide au moyen de faisceaux d'électrons, plusieurs tronçons 17-20 de tube cylindrique de révolution. La machine comprend pour cela une enceinte étanche 1, généralement tubulaire d'axe I-I vertical, dans laquelle on distingue une partie inférieure 2 fixe et une partie supérieure 3 amovible. Dans la réalisation illustrée, la partie inférieure 2 est une cuve cylindrique d'axe I-I vertical, de préférence encastrée dans le sol 103, son bord supérieur 4 entourant son ouverture supérieure étant légèrement au-dessus du sol 103, par exemple à hauteur d'homme. La partie supérieure 3 de l'enceinte 1 est constituée d'un ou plusieurs tronçons tubulaires 10-13 d'axe vertical I-I assemblés sélectivement bout à bout pour constituer une enceinte 1 dont la hauteur est adaptée à la taille de l'objet 5 à réaliser. La partie supérieure 3 de l'enceinte 1 peut être déplacée aisément par un engin de levage schématiquement représenté par le crochet 6 et le câble 7, pour être sélectivement relevée à l'écart de la partie inférieure 2 d'enceinte ou rabaissée sur le bord supérieur 4 de la partie inférieure 2 d'enceinte. Une liaison étanche est prévue entre le bord inférieur B de la partie supérieure 3 d'enceinte et le bord supérieur 4 de la partie inférieure 2 d'enceinte, pour réaliser une enceinte 1 étanche. Sur la figure, on voit que la partie supérieure 3 d'enceinte est réalisée par assemblage d'un couvercle supérieur 9 et de quatre tronçons tubulaires respectifs 10, 11, 12 et 13 connectés les uns aux autres par des liaisons rigides et étanches. Une pompe à vide 14 et des canalisations appropriées 15 sont adaptées pour créer et maintenir dans l'enceinte 1 un vide approprié pour les opérations de soudure. Dans la partie inférieure 2 de l'enceinte 1, on prévoit des moyens pour supporter les éléments 17-20 à souder destinés à former l'objet 5. Pour cela, on prévoit un support inférieur horizontal 16, fixe en translation horizontale, et adapté pour supporter des tronçons 17, 18, 19 et 20 de tube cylindrique empilés bout à bout selon l'axe vertical I-I pour former l'objet 5. Un calage 16a peut être prévu pour s'adapter à la hauteur d'un élément 17-20 et placer la zone de jonction 21 à souder à une hauteur appropriée. Pour réaliser une soudure selon la zone de jonction 21 entre deux éléments successifs 17 et 18, on prévoit un ou plusieurs canons à électrons tels que le canon 22, et des moyens pour supporter lesdits canons 22 et pour régler leur positionnement au regard de la zone de jonction 21 pour réalisation de la soudure. On prévoit aussi des moyens pour assurer un déplacement relatif des éléments à souder 17, 18, 19 et 20 et du ou des canons à électrons 22, pour assurer le déplacement horizontal périphérique de soudage le long de la zone de jonction 21 entre les éléments à souder 17 et 18. Selon l'invention, les moyens pour supporter les canons à électrons 22 et pour régler leur positionnement au regard des zones de soudage comprennent des guides verticaux 23 et des moyens pour entraîner le long de ces guides verticaux 23 le ou les canons à électrons 22. Les guides verticaux 23 sont solidaires de la partie inférieure 2 fixe de l'enceinte 1. On peut utiliser, pour l'entraînement en translation des canons 22 le long des guides verticaux 23, tous moyens disponibles dans l'état de la technique, tels que des moteurs, des vérins, qui ne seront donc pas décrits plus en détail car ils sont à la portée de l'homme du métier. Dans la réalisation illustrée sur la figure, le canon à électrons 22 est de type interne, c'est-à-dire disposé avec ses guides verticaux 23 entièrement à l'intérieur de l'enceinte 1. En alternative, on peut prévoir un canon 22 de type externe, avec des guides verticaux 23 et la partie principale du canon à électrons 22 disposés à l'extérieur de l'enceinte 1, avec des passages étanches appropriés pour la traversée étanche et mobile du canon à travers la paroi d'enceinte. De préférence, l'installation comprend en outre des moyens de bridage adaptés pour porter sélectivement contre la paroi de deux tronçons successifs de tube cylindrique tels que les tronçons 17 et 18, de part et d'autre de la zone de jonction 21 à souder, à l'opposé des canons de soudure 22, et pour maintenir ainsi coaxialement bout à bout les deux tronçons de tubes jusqu'à achèvement de la soudure. Dans la réalisation illustrée sur la figure, les canons à électrons 22 sont disposés en périphérie des éléments 17, 18 à souder, et les moyens de bridage sont disposés à l'intérieur desdits éléments 17, 18. Les moyens de bridage comprennent un support axial 24, disposé au centre de l'enceinte 1 selon llaxe I-I et se développant vers le haut à partir du support inférieur 16. Le support axial 24 soutient des brides intérieures 25 à déplacement radial pouvant venir porter sélectivement sur la face intérieure des tronçons 17, 18 formant l'objet 5, de part et d'autre de la zone de jonction 21 à souder. Des vérins, non représentés, permettent de commander le mouvement radial des brides 25, entre une position de retrait illustrée sur la figure, et une position de serrage appliquée contre la face intérieure de l'objet 5. De façon optionnelle, on peut en outre prévoir un canon à électrons intérieur 26, monté à coulissement sur une glissière verticale 27 portée par le support axial 24, et entraîné en translation verticale le long de la glissière 27 par des moyens de réglage non représentés. Le canon intérieur 26 permet par exemple le lissage de la face intérieure de zone de jonction 21, après réalisation de la soudure. De façon optionnelle, on peut également prévoir un système de traitement thermique qui peut être une couronne inductive périphérique 28, constituant un générateur de champ magnétique à haute fréquence pour assurer le traitement thermique de la zone de jonction 21 après soudure. La couronne inductive périphérique 28 est alimentée par un générateur électrique haute fréquence, et peut coulisser verticalement le long de glissières périphériques 29. Elle peut être optionnellement fixe au niveau de la zone de jonction 21 à traiter. Le traitement thermique est effectué après réalisation de la soudure, et, selon la disposition illustrée sur la figure, ce traitement thermique peut être effectué à faible délai dès que la soudure est réalisée. Dans le mode de réalisation préféré illustré sur la figure, les guides verticaux 23, la glissière 27 et les glissières périphériques 29 peuvent être fixes sur la partie inférieure 2 de l'enceinte 1. Les seuls mouvements nécessaires du ou des canons à électrons 22 et du ou des canons à électrons 26 sont alors des mouvements de réglage verticaux, pour positionner les canons à électrons 22, 26 exactement en face de la zone de jonction 21 à souder. Le mouvement relatif assurant le déplacement horizontal périphérique de soudage le long de la zone de jonction 21 entre les éléments 17 et 18 à souder est de préférence assuré par le fait que le support inférieur horizontal 16 est un plateau rotatif entraîné en rotation selon l'axe vertical I-I fixe. En alternative, on peut prévoir un support inférieur horizontal 16 constitué d'un plateau fixe en rotation, les guides verticaux 23 et les glissières 27 étant montés sur des chariots se déplaçant en rotation autour de l'axe vertical I-I. De préférence, comme illustré sur la figure, on peut prévoir que les guides verticaux 23 et la glissière 27 sont entièrement disposés dans la partie inférieure 2 de l'enceinte 1, cette partie inférieure 2 étant drune hauteur suffisante pour contenir entièrement l'élément inférieur tubulaire 17 à assembler. Ainsi, selon l'invention, la soudure est toujours effectuée dans une zone de hauteur réduite, selon la zone de jonction 21 plane séparant le tronçon inférieur 17 du tronçon immédiatement supérieur 18, le tronçon 18 ayant éventuellement déjà été assemblé aux tronçons 19 et 20. De cette façon, le ou les canons 22 de réalisation de soudure sont toujours disposés à l'intérieur de la partie inférieure 2 de l'enceinte, et leur déplacement vertical nécessaire est de faible amplitude, et peut donc être précis en utilisant des moyens supports peu onéreux. La machine peut également comporter des dispositifs de contrôle de qualité de la soudure, par exemple un dispositif de contrôle à rayons X 35 fixe ou déplaçable sur une glissière 36, et des dispositifs de finition par lissage de soudure, tous ces dispositifs étant portés par la partie inférieure 2 de l'enceinte. Ces opérations de contrôle et de finition peuvent être réalisées aussitôt après exécution de la soudure selon la zone de jonction 21 inférieure, sans manipulation de l'objet 5. Selon l'invention, l'assemblage bout à bout par soudage sous vide des tronçons 17, 18, 19 et 20 de tube cylindrique de révolution, dans l'enceinte à vide 1, est assuré par un procédé particulier dans lequel - les tronçons 17, 18, 19 et 20 sont orientés selon un axe vertical I-I, - les soudures sont effectuées en succession lune après l'autre, toujours dans une même zone inférieure de l'enceinte 1, le dernier tronçon tubulaire 17 à ajouter est toujours inséré en position inférieure, pour placer la zone de jonction 21 à souder dans la partie inférieure de l'enceinte 1, en face de canons 22 n'ayant à se déplacer verticalement que dans une plage de réglage de hauteur réduite. Pour cela, le fonctionnement de l'installation de la figure est le suivant au cours d'une première opération, la partie supérieure 3 de l'enceinte 1 étant relevée par les moyens de levage 6, 7, on place un premier tronçon 19 sur le support inférieur 16, et l'on place le tronçon 20 sur le tronçon 19. La première zone de jonction à souder est alors à l'intérieur de la partie inférieure 2 de l'enceinte 1, en face de la zone de réglage des canons 22. On assure le bridage par les brides 25. On referme alors l'enceinte 1 en abaissant sa partie supérieure 3, on fait le vide à l'aide de la pompe à vide 14, et on réalise la soudure par le ou les canons 22, pendant la rotation du support inférieur 16, en réglant la position du ou des canons 22 face à la zone de jonction à souder. Après réalisation de la soudure, et traitements de finition éventuels, on retracte les brides 25, on soulève la partie supérieure 3 de l'enceinte 1, puis on soulève les deux tronçons 19 et 20 pour insérer le tronçon 18 sur le plateau inférieur 16. On rabaisse les tronçons 19 et 20 sur le tronçon 18, on replace les brides 25, on referme l'enceinte 1, et l'on réalise la soudure entre le tronçon 19 et le tronçon 18 de la même manière que décrite précédemment. On relève ensuite la partie supérieure 3 de l'enceinte 1, et les tronçons supérieurs 20, 19 et 18 pour insérer le tronçon inférieur 17 sur le plateau inférieur 16. On referme ensuite l'enceinte pour réaliser la soudure selon la zone de jonction 21 entre les tronçons 18 et 17, de la même façon que décrite précédemment. Les opérations d'ouverture, de fermeture, et de déplacement des tronçons peuvent être exécutées par les moyens de levage 6, 7 traditionnels et peu onéreux. Au cours de l'assemblage successif des tronçons 17-20 formant l'objet 5, on peut utiliser l'enceinte 1 complète, présentant la dimension suffisante pour contenir l'objet 5 définitif. En alternative, on peut prévoir de moduler la hauteur de l'enceinte 1 en adaptant un nombre plus ou moins important de tronçons tels que les tronçons 10-13, adaptés à la longueur de l'objet 5 en cours de réalisation. On peut ainsi limiter le volume de l'enceinte 1, pour optimiser les conditions de réalisation du vide, pendant la soudure. On comprend que les divers éléments du dispositif peuvent être pilotes depuis un pupitre 30, à l'extérieur de l'enceinte 1. Une telle installation peut être prévue pour réaliser des objets 5 dont le diamètre fait plusieurs mètres, et présentant une hauteur pouvant être supérieure à dix mètres. Un tel procédé et un tel dispositif peuvent trouver application dans la réalisation d'éléments de fusée lanceur de satellites. Dans ce cas, les tronçons de tube cylindrique tels que le tronçon 17 sont réalisés en aciers spéciaux, présentant des dimensions relativement précises. On peut également prévoir, selon l'invention, des moyens permettant une reprise de soudure dans les zones supérieures de l'objet 5. Pour cela, les tronçons tubulaires 10, 11, 12, 13 de l'enceinte 1 peuvent comprendre des lumières telles que la lumière 31, obturables chacune par une tape de façon étanche, et permettant l'adaptation sélective éventuelle d'un module tel que le module 32 comportant un canon 33 interne ou externe pour la reprise d'une soudure périphérique 34 sur l'objet 5. Le module 32 peut être avantageusement constitué par le canon 22 que l'on déplace en position 33 avec ses systèmes de déplacement et d'étanchéité. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après. REVENDICATIONS 1 - Machine pour assembler bout à bout par soudage sous vide, par faisceaux d'électrons, plusieurs tronçons (17-20) de tube cylindrique de révolution, comprenant une enceinte (1) étanche et des moyens (14, 15) pour créer et maintenir le vide dans l'enceinte (1), des moyens (16) pour supporter les éléments (17-20) à souder dans l'enceinte (1), des moyens (23) pour supporter un ou plusieurs canons à électrons (22), pour régler leur positionnement au regard des zones de jonction (21) à souder et pour produire les faisceaux d'électrons assurant la soudure, et des moyens pour assurer un déplacement relatif des éléments (17-20) à souder et des canons à électrons (22) pour assurer le déplacement de soudage le long de la zone de jonction (21) entre les éléments (17, 18) à souder, caractérisée en ce que - les moyens pour supporter les éléments (17-20) à souder comprennent un support inférieur (16) horizontal fixe en translation horizontale, adapté pour supporter les tronçons (17-20) de tube cylindrique à souder empilés bout à bout selon un axe (I-I) vertical, - l'enceinte (1) étanche comprend une partie inférieure (2) fixe sur laquelle s'adapte de façon étanche une partie supérieure (3) amovible, les moyens (23) pour supporter les canons à électrons (22) et pour regler leur positionnement au regard des zones de jonction (21) à souder comprennent des guides verticaux (23) et des moyens d'entraînement le long de ces guides (23), les guides verticaux (23) et les moyens d'entraînement étant solidaires de la partie inférieure (2) fixe de l'enceinte (1). 2 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que - le support inférieur (16) horizontal est un plateau rotatif selon un axe vertical fixe (I-I), les guides verticaux (23) sont montés fixes sur la partie inférieure (2) fixe de l'enceinte (1). 3 - Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que - le support inférieur (16) horizontal est un plateau fixe en rotation, les guides verticaux (23) sont montés sur un chariot se déplaçant en rotation autour de l'axe vertical (I-I) des tronçons de tube cylindrique (17-20). 4 - Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de bridage (24, 25) adaptés pour porter sélectivement contre la paroi de deux tronçons successifs (17, 18) de tube cylindrique de part et d'autre de la zone de jonction (21) à souder à l'opposé des canons de soudure (22) et pour maintenir ainsi coaxialement bout à bout les deux tronçons de tube (17, 18). 5 - Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la partie supérieure (3) d'enceinte étanche (1) est constituée d'un ou plusieurs tronçons tubulaires (10-13) d'axe vertical (I-I) assemblés sélectivement bout à bout pour constituer une enceinte dont la hauteur est adaptée à la taille de l'objet (5) à réaliser. 6 - Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des dispositifs (26, 28, 35) d'exécution d'opérations annexes tels que des dispositifs de traitement thermique de la soudure, des dispositifs de contrôle de qualité de la soudure, des dispositifs de finition par lissage de la soudure, portés par la partie inférieure (2) de l'enceinte (1). 7 - Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la partie inférieure (2) fixe de l'enceinte (1) est encastrée dans le sol (103). 8 - Procédé pour assembler bout à bout par soudage sous vide, par faisceaux d'électrons, plusieurs tronçons (17-20) de tube cylindrique de révolution dans une enceinte à vide (1), caractérisé en ce que - les tronçons (17-20) sont orientés selon un axe vertical (I-I), - les soudures sont effectuées l'une après l'autre dans la zone inférieure (2) de l'enceinte (1), le dernier tronçon (17) à ajouter est inséré en position inférieure, pour effectuer la soudure (21) en une même position basse. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un traitement thermique est effectué dans l'enceinte (1) aussitôt après exécution de la soudure, sans manipulation de l'objet (5). 10 - Elément de fusée lanceur de satellites obtenu par la mise en oeuvre d'un procédé ou d'un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.