Brevet FR2763875A1 — publié le 19981204

La présente invention a pour but de souder et découper tout objet inscriptible dans un cylindre quelconque correspondant aux dimensions des courses de la machine avec un laser C02 multikilowatts La présente invention est en particulier destinée à souder et découper des canalisations pour le transport de fluides ou gaz aussi bien à terre qu'en mer. L'originalité de cette invention par rapport aux dispositifs laser existants ou en cours de développement est d'être un système ouvert, compact et léger,donc facilement transportable et moins cher à fabriquer. Le système est ouvert du fait que les deux bras, de longueur égale, qui conduisent le faisceau laser et qui entraînent la tête laser sont motorisés.Ils n'ont pas à être entraînés par un chemin de roulements fermé. On peut ainsi effectuer un cycle de rotation complet au système à n'importe quel endroit d'une canalisation de longueur infinie pour réparation découpe ou soudure. Le système est compact et léger car pour usiner un tube de diamêtre 600mm par exemple,celui-ci a un poids approximatif de 500 Kg pour un encombrement,une fois replié de 1 mètre au cube. Ceci présente l'avantage de pouvoir atteler facilement le système sur une canalisation sans qu'il y ait de problèmes d'inertie,comme à déplacer une machine beaucoup plus lourde. La présente invention vise à réaliser,à l'aide d'un faisceau laser C02, des découpes et des soudures automatiquement, sur des tronçons de tubes par exemple, qui peuvent avoir des diamêtres importants, avec un dispositif facilement transportable et résistant à des conditions d'environnement sévères. Le cycle de ce compas motorisé consiste à faire effectuer un rotation complète plus quelques degrés supplémentaires pour le recouvrement de la soudure à une tête laser focalisant le faisceau tout en la maintenant à la normale de la surface du tube à découper ou à souder. Le déplacement angulaire de la première motorisation entraînant le bras primaire par rapport au bâti sera de l'ordre de 275 . Le déplacement angulaire de la deuxième motorisation entraînant le bras secondaire par rapport au bras primaire sera de la même valeur. Le déplacement angulaire de la troisième rotation entraînant la tête laser par rapport au bras secondaire sera de l'ordre de 3650. Ces trois motorisations seront pilotées par une commande numérique de telle sorte qu'elle fasse décrire à la tête laser un cercle parfait et à vitesse constante programmable. On sait que la soudure laser C02 a pour effet d'obtenir un cordon de soudure très fin et une zone affectée thermiquement réduite.Il est donc nécessaire d'avoir un suivi des deux pièces à souder précis.Nous appelerons ce suivi bord à bord "suivi de joint",terme que la profession utilise habituellement.Il est également nécessaire que la distance de la tête laser par rapport à la surface du tube soit constante. Nous appellerons ce suivi "suivi de peau". Hors nous avons vu dans le cycle des 3 rotations que notre dispositif décrivait un cercle parfait ce qui ne peut être le cas dans la réalité: un tube n'est jamais rond ; le plan de joint n'est jamais perpendiculaire à l'axe théorique de la machine; le tube n'est jamais placé parfaitement par rapport au dipositif. Ces réflexions nous ont conduits à ajouter deux axes supplémentaires dans la tête laser ellemême: nous l'appellerons tête laser auto-adaptative. Cette tête laser "auto-adaptative" a pour originalité d'être équipée en son sein de 2 axes indépendants à 900 appelés X et Z afin d'assurer le "suivi de peau", c'est à dire la distance de la buse par rapport au matériau à découper ou à souder,ainsi que le "suivi de joint" soit le suivi du chemin précis que doit effectuer la tête, matérialisé par 2 matériaux placés bord à bord ou un tracé quelconque sur les pièces à souder ou tout autre support; ce tracé sera lu par un détecteur électro-magnétique ou de préférence par une caméra laser voir une caméra CCD matricielle; le lecteur choisi sera monté en amont de la buse de focalisation sur la tête laser et permettra au moyen d'un calculateur intégré à la commande numérique, de piloter en circuit fermé et en automatique,sans programmation le suivi de peau et de joint, soit X et Z, les deux axes intégrés dans la tête laser auto-adaptative. Le compas motorisé avec la tête laser autoadaptative permettront de pouvoir palier au défaut de positionnement du tube à découper ou à souder par rapport au dispositif, dans la limite de la course des deux axes intégrés de la tête qui est de l'ordre de 200mm dans la description du dispositif que nous allons faire. Le dispositif, objet de l'application pratique de cette invention, sera facilement transportable et utilisable en milieux difficiles tels que sur un bateau de pose de canalisations 1òffshore" ou sur un camion pour pose "onshore". L'ensemble source laser et compas motorisé, équipé de sa tête auto-adaptative, seront solidaires d'un même bâti Le dispositif sera amené à une position approximative à 50 mm près par rapport au plan de joint à souder par 1' intermédiaire d'une plate forme motorisée d'un camion de pose pour l'utilisation sur terre. Celui-ci dans le cas d'un déplacement possible du tube sur un bateau par exemple, peut être équipé de rails de guidage qui permettront au compas de pouvoir être attelé au tube par bridage mécanique ou par un détecteur pilotant un moteur pour le suivi du tube. Aucun contact avec le tube n'est requis hormis cet attelage. la soudure ou la découpe s'effectue en une seule ou plusieurs passes suivant l'épaisseur du tube et suivant que l'on désire ou non travailler avec du fil d'apport. D'une manière générale avec une source laser de 15 RW, on peut considérer souder en une passe jusqu'à 15mm environ. Dans la pratique les tronçons de tubes à souder sont maintenus bord à bord le temps de la soudure par un mandrin à expansion intérieur, appareil classique et appelé "clamp" dans la profession. La découpe s'effectuera avec la même tête laser que pour la soudure. Seul le gaz d'assistance sera remplacé. Elle permettra de pouvoir effectuer des réparations avec la machine, par exemple découper une couronne contenant une partie défectueuse ou pratiquer le démantèlement d'une canalisation. On décrira ci-après un dispositif conçu suivant l'invention avec l'option d'un attelage au cas ou le tube serait susceptible de se déplacer par rapport au dispositif, pendant la découpe ou la soudure, en référence aux figures des plans joints sur lesquels: -La fig.1 est un schéma général du dispositif en élévation pour usinage de canalisations ne présentant pas de déplacements, monté sur terre par exemple. -La fig.2 est un schéma du même dispositif à main gauche -La fig.3 est une coupe de la machine en vue de dessus oû ne sont représentés que les bras équipés et la tête laser auto adaptative. -Les fig.4 et 5 représentent deux coupes de la tête laser autoadaptative. -La fig.6 est une variante du dispositif ou le chemin optique et ses composants mécaniques peuvent être attelés à la canalisation lorsque celle-ci est susceptible de déplacements pendant l'usinage. La description qui suit permettra d'affiner les caractéristiques spécifiques de l'invention. Le dispositif représenté en élévation sur la fig.1 est principalement constitué d'un bâti BO très rigide et stabilisé sur lequel sont solidarisés la source laser et le bâti B1. Le bâti B1 a pour objet de supporter la première rotation 1 qui est équipée de son motoréducteur à arbre creux M1, accouplé à une broche de haute précision, au centre desquels le faisceau laser entre dans le dispositif. L'arbre tournant de la rotation M1 est solidarisé au premier bras du compas C1 au bout duquel on trouve la deuxième rotation motorisée 2 qui est solidarisée au deuxième bras du compas C2, au bout duquel se situe la troisième rotation 3 solidarisée à la tête laser T. La fig.1 représente le dispositif en début de cycle sur un tube V. La fig.2 est la vue de coté de la fig.l ou l'on représente le dispositif également en départ de cycle avec en plus le chemin 7 que parcourera la rotation 2 pour un cycle complet ainsi que la position des bras C1 et C2 en fin de cycle figurés en pointillés respectivement 8 et 9.On notera que l'on trouve la tête T au même endroit au départ de cycle qu'à son arrivée. Le patin P, monté sur amortisseur à ressort permettra de positionner grossièrement le dispositif par rapport à la canalisation à découper ou à souder. Le faisceau laser entre donc dans le dispositif au centre du moteur à arbre creux M1 (fig.3) qui entraîne le réducteur à arbre creux 1,lui même entraînant la broche de haute précision à arbre creux 4. L'arbre de la broche est solidarisé au bras C1. Un miroir plan R1 réfléchit le faisceau laser sur le miroir R2 à l'intérieur du bras C1 au bout duquel on trouve la deuxième rotation 2 équipée d'un réducteur à arbre creux entraînant la broche de haute précision 5 et motororisée par le moteur M2 par l'intermédiaire d'une courroie sur l'entraînement primaire du réducteur. L'arbre de la broche 5 est solidarisé au deuxième bras C2 et l'entraîne en rotation ; a son extrémité est fixée la troisième rotation 3, composée de son réducteur à arbre creux entraînant la broche de rotation 6.L'arbre de celle-ci entraîne en rotation la tête T. Le faisceau laser, arrivé sur R3 en passant par le centre de la broche creuse, est ensuite réfléchi à 900 sur R4, puis en passant au centre de la broche creuse 6 est réfléchi sur le miroir R5 de la tête T pour arriver sur le dernier miroir plan R6 du chemin optique. On retrouve sur la fig.5 représentant une coupe de la tête laser T le miroir plan R6 qui est solidaire de la table 12.Cette table se déplace linéairement selon l'axe Z sur des glissières prismatiques de haute précisison 16 par des patins à billes 17 avec une course de l'ordre de 200mm sur cette représentation. Elle est entraînée par une vis à bille 18 par une courroie et poulies crantées 19 et son moteur M4 que l'on a représenté sur la fig.4 . Quelle que soit la position de la table 12 le miroir R6 regarde toujours le miroir R5 sous le même angle et réfléchit donc le faisceau laser sur le miroir parabolique R7 qui a une longueur de focale de 300 mm dans cette représentation. Le miroir parabolique est lui-même fixé sur la deuxième table 13 par l'intermédiaire de la chambre de focalisation Tl.La table 13 est solidarisée à la table 12 par l'intermédiaire de 2 glissières prismatiques 20 sur 2 patins à billes 21 de telle manière qu'elle soit libre en translation suivant l'axe X, qui dans cette représentation a une course de 50 mm. Cette table 13 sera entraînée par un micromoteur à vis à billes intégrée MS. Le détecteur 10 ici représenté par une caméra laser est fixé mécaniquement sur la rallonge 22 solidaire de la chambre de focalisation Tl.Ce détecteur pilotera en boucle fermée les moteurs M4 de l'axe Z et M5 de l'axe X de telle manière que la hauteur de focale par rapport à la pièce à usiner soit constante ainsi que le joint à suivre suivant l'axe X. La fig.6 représente une variante du dispositif, vue en élévation ou le bâti BO a été rallongé et sur lequel on a fixé 2 glissières rectifiées 24 . Le bâti support compas B1 est alors équipé de patins 25 lui permettant de se déplacer en translation sur les glissières 24, ici représentées avec une longueur de 3m avec une précision de 1/100ème de mm par mêtre, afin que le faisceau produit par la source laser L passe toujours par le centre de la rotation R1, sans variation angulaire notable. Par mesure de sécurité et pour éviter toute pénétration de poussière, un soufflet de protection 23 a été installé entre la source L et 1' arrivée du faisceau sur le bâti B1 mobile dans le dispositif. Le bâti mobile B1 est alors solidarisé mécaniquement avec 2 mors ou toute autre fixation à la canalisation. Cette fixation mécanique peut être remplacée par un détecteur fixé sur le bâti lisant un chemin à suivre sur la canalisation et pilotant un moteur entraînant la partie mobile du dispositif au 1/10sème de mm près. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour découper ou souder en utilisant un générateur laser L, équipé de deux bras supports motorisés C1 et C2 de longueur égale et constante ,équipés de rotations 1 et 2 capables en se croisant comme selon le chemin 7 de la fig.2 de faire décrire à une tête laser T un cercle parfait,tout en la maintenant à la normale de la forme inscriptible à usiner, du fait de la troisième rotation motorisée 3 située à l'intérieur et à l'extrémité du deuxième bras C2. 2. Dispositif selon la revendication 1 oû les bras C1 et C2 sont autoporteurs et emmènent le faisceau laser par des miroirs plans réfléchissants, situés de chaque coté, et au centre de chaque rotation qui sont motorisées indépendamment; ces bras ont suffisamment de raideur pour qu'il n'y ait pas de déformation risquant de dévier de façon notoire le faisceau laser qui est transporté jusqu'à la tête. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 qui est ouvert et capable d'intervenir sur une canalisation de longueur infinie, gràce aux bras motorisés et autoporteurs à l'intérieur desquels le chemin optique progresse jusqu'à la tête laser en passant par le centre de rotation des broches creuses attelées à des motoréducteurs également à arbre creux, rattachant le bâti B1 aux bras C1 puis au bras C2 et enfin à la tête laser T. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3 suffisamment compact et léger pour être installé sur une plate forme autoélévatrice de camion ou être attelé sur une canalisation qui subit des translations intempestives pendant l'usinage sur un bateau de pose de pipes par exemple, comme selon la fig.6; dans cette application l'attelage pourra être mécanique comme selon des mors P sur la fig.2 qui entraineront seulement le bâti B1 et son chemin optique C1, C2 et T sur des glissières 24; l'attelage pourra être sans contact direct avec la canalisation en utilisant un détecteur lisant le déplacement du tube, déplacement qu'il corrigera en temps réel en transmettant ses informations à la CN, comportant un axe supplémentaire qui pilotera le moteur d'asservissement lié au bâti B1 pour le faire se déplacer comme selon la canalisation. 5. Tête laser autoadaptative T selon les revendications 1 à 4 comprenant 2 axes X et Z permettant d'être pilotés indépendamment du cycle des 3 axes de rotation des bras C1 et C2 du dispositif et qui compensera en automatique gràce au détecteur situé sur la tête T1, aussi bien les défauts géométriques des tubes et du plan de joint à souder, que la mise en place du dispositif lui-même par rapport à la canalisation à usiner, ceci dans la limite des courses des axes de la tête T.