Brevet FR2774014A1 — publié le 19990730

Machine et procédé de soudage à faisceau d'électrons sous vide local L'invention concerne une machine de soudage par faisceau d'électrons sous vide local et un procédé de soudage susceptible de mettre en oeuvre une telle machine, notamment en vue du soudage de structures de grandes dimensions. Le soudage par faisceau d'électrons sous vide local est une technique de soudage connue pouvant être appliquée au raboutage de tôles planes ou légèrement cintrées, par exemple pour souder ensemble deux demi-viroles selon leur génératrices. Ainsi, le document Commissariat à l'Energie Atomique ne32/79 et le document intitulé "Machine de soudage par faisceau d'électrons à vide local", 2nd C. I. S. F. F. E., Avignon, 5-8 septembre 1978, p.501-508, décrivent une machine de soudage linéaire par faisceau d'électrons sous vide local comprenant une enceinte de mise sous vide partiel de la zone de soudage et d'un canon à faisceau d'électrons mobile. Cependant, ce type de machine de soudage de l'art antérieur présente plusieurs inconvénients. En effet, le canon à électrons est généralment fixé à un chariot mobile se déplaçant ne pouvant se déplacer que selon une direction linéaire unique et à plat, c'est-à-dire en translation selon un axe horizontal (x-x') unique. De là, on comprend que ce type de machine classique ne peut pas être facilement mis en oeuvre pour réaliser des soudures selon plusieurs axes différents, par exemple selon un axe horizontal etlou selon un axe vertical, ni d'ailleurs pour souder selon d'autres inclinaisons, par exemple pour réaliser des joints de soudure sur une structure verticale et pour réaliser des soudures en position corniche sur des épaisseurs d'environ au moins 25 mm. A ce titre, il faut souligner que, jusqu'à présent, le soudage à plat limitait la gamme d'épaisseurs pouvant être soudées à des valeurs d'au mieux 25 mm environ, étant donné qu'au delà le bain de métal en fusion s'écoulait et le joint de soudure ne pouvait donc pas être réalisé. En outre, selon les procédés et machines de soudage par faisceau d'électrons connus, un vide partiel n'est réalisé que d'un seul côté de la zone de soudage, c'est-à-dire du côté où est situé le canon à électrons, encore appelé côté "endroit" des pièces à souder. Or, il a été observé que réaliser un vide uniquement d'un seul côté de la zone de soudage n'est pas toujours suffisant pour garantir une action efficace du faisceau d'électrons etlou ne permet pas d'obtenir des joints de soudure toujours uniforme et d'une qualité suffisante. Le but de la présente invention est donc de remédier aux problèmes et inconvénients des machines de soudage de l'art antérieur, en proposant une machine de soudage améliorée. La présente invention concerne alors une machine de soudage par faisceau d'électrons sous vide local au moins partiel comprenant: - des moyens de mise sous-vide au moins partiel comportant au moins une enceinte de mise sous vide permettant de créer un vide partiel à l'intérieur d'au moins une partie de ladite enceinte de mise sous vide, ladite enceinte étant destinée à être appliquée au contact de la ou des pièces à souder, de manière à englober au moins la zone de soudage, c'est-à-dire au moins une partie du site où doit être réalisé le joint de soudure, - des moyens de soudage comprenant au moins un canon à faisceau électrons permettant de générer au moins un faisceau d'électrons, la fusion du métal des pièces à souder ensemble étant obtenue grâce à l'énergie développée par le faisceau d'électrons, caractérisée en ce qu'au moins le canon à électrons est porté par des moyens supports mobiles permettant un déplacement d'au moins ledit canon à faisceau d'électrons selon au moins deux axes différents (x-x') et (y-y'). En d'autres termes, la machine selon l'invention n'est pas limitée à un soudage linéaire et à plat, mais peut être aussi utilisée pour souder selon des axes différents (x-x') et (y-y') etlou selon plusieurs directions, à savoir verticale, horizontale etlou oblique, en fonction de l'orientation de l'axe du canon à électrons. Selon le cas, la machine de soudage selon la présente invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractérisques suivantes - L'enceinte de mise sous vide partiel entoure au moins une partie du canon à faisceau d'électrons. - L'enceinte de mise sous vide partiel et le canon à faisceau d'électrons sont portés par un chassis-porteur. - le chassis-porteur comporte des moyens de guidage permettant de guider le déplacement du canon à faisceau d'électrons. - les moyens de mise sous vide permettent de créer un vide au moins partiel local d'au moins un côté et, de préférence, des deux côtés de la zone à souder. - des moyens de commande permettent de contrôler au moins un paramètre choisi parmi le ou les déplacements du canon à électrons, le fonctionnement du canon à électrons, la réalisation du vide partiel, le pilotage du programme de soudage, le cycle complet de soudage et le contrôle des sécurités. - un moteur électrique assure le déplacement du canon à faisceau d'électrons dans lesdits moyens de guidage. - ladite enceinte de mise sous vide est reliée à au moins une pompe à vide par l'intermédiaire d'au moins une canalisation de gaz, de manière à créer un vide au moins partiel à l'intérieur de l'enceinte en évacuant tout ou partie de l'air ambiant qui s'y trouve. - le chassis-porteur comporte, en outre, des moyens d'accrochage permettant une fixation dudit chassis-porteur directement sur la ou les pièces à souder, par exemples un système avec un ou des crochets de fixation ou un système à ventouses. - elle comprend au moins une première partie, mobile ou fixe et préférenciellement posée sur le sol, et une deuxième partie, mobile et préférenciellement accrochable à la ou aux pièces à souder, reliées l'une à l'autre par des moyens de liaison, de préférence ladite deuxième partie comprenant ledit chassis-porteur, ledit canon et ladite enceinte de mise sous vide etlou ladite première partie comprend des moyens de commandes de la machine, tel un pupitre de commande numérique. - elle comprend, en outre, des moyens d'étanchéité, notamment une contre-bride etlou une embase - elle comprend, en outre, des moyens de visualisation, comprenant par exemple une caméra vidéo ou analogue, permettant de visualiser, c'està-dire observer ou localiser avant, pendant etlou après soudage, au moins une partie de la scène de soudage, de manière à effectuer une visée et/ou un positionnement correct et ainsi de contrôler efficacement la réalisation du joint de soudure, de préférence les moyens de visualisation sont reliés à un pupitre de commande. - on prévoit des moyens d'éclairage, telle qu'une lampe ou analogue, permettant d'améliorer la luminosité de la zone à souder et permettre un meilleur contrôle visuel du soudage par le biais des moyens de visualisation. La présente invention concerne également un procédé de soudage par faisceau d'électrons sous vide au moins partiel susceptible de mettre en oeuvre la machine de soudage selon l'invention. Avantageusement, la machine selon l'invention peut être utilisée pour souder, en une seule passe, des pièces de 1 mm à 300 mm environ d'épaisseur, de préférence d'au moins 25 mm, et réalisées en aciers, alliages légers ou autres métaux. Selon un autre aspect, la présente invention a trait à un procédé de soudage par faisceau d'électrons sous vide partiel pour souder une ou des pièces métalliques, dans lequel: - on crée, localement au moins au niveau de la zone de soudage, un vide au moins partiel des deux côtés desdites pièces à souder, et - on génère au moins un faisceau d'électrons au moyen d'au moins un canon à faisceau d'électrons et on déplace ledit canon à faisceau d'électrons de manière à réaliser un joint de soudure entre lesdites au moins deux pièces, de préférence, on déplace le canon à faisceau d'électrons selon un premier axe (x-x') et/ou selon un second axe (y-y'), préférentiellement par pilotage par commande numérique et/ou microordinateur. La machine de soudage selon l'invention peut être utilisée pour réaliser d'une structure de grandes dimensions, c'est-à-dire nécessitant des joints de soudure d'au moins 5 m, voire d'au moins 10 m, en longueur par réalisation de tronçons de soudure successifs de 1 à 3 m environ, lesquels sont réalisés en une seule passe, et/ou sur une épaisseur del à 300 mm, susceptible d'être mise en oeuvre ensuite notamment dans le domaine nucléaire, sidérurgique, aérospacial ou des chantiers navals. En outre, la machine de soudage selon l'invention permet de souder non seulement selon deux axes (x-x') et (y-y') différents, préférentiellement perpendiculaires l'un à l'autre, mais aussi selon plusieurs positions, en particulier, en position à plat et en position corniche, ce qui permet de réaliser des soudures de fortes pénétration, c'est-à-dire pouvant atteindre 300 mm. En d'autres termes, la machine de la présente invention autorise, d'une part, un déplacement du canon à électrons selon au moins deux axes distincts (x-x') et (y-y'), notamment deux axes perpendiculaire l'un à l'autre, afin de pouvoir effectuer une soudure en une seule passe et, d'autre part1 un positionnement de l'axe du canon à électrons non seulement selon un axe vertical (position à plat) ou, selon le cas, selon un axe sensiblement horizontal (position corniche), mais aussi selon tout axe intermédiaire entre ces deux positions, c'est-à-dire obliquement. L'invention va maintenant être décrite plus en détail à l'aide d'un mode de réalisation d'une machine de soudage schématisé sur les figures annexées et donné à titre illustratif, mais non limitatif. La Figure 1 schématise une machine de soudage par faisceau d'électrons sous vide local selon la présente invention, laquelle est constituée de deux parties, à savoir une première partie 1 posée sur le sol et une deuxième partie 2 mobile comportant notamment un canon à faisceau d'électrons 3 et une enceinte de mise sous vide partiel 4. Ainsi que détaillé sur la Figure 2, la deuxième partie 2 mobile, comprenant un chassis-porteur 6, peut être directement accrochée sur les pièces 7 à souder, I'accrochage étant assuré par un système d'accrochage ou des moyens de fixation 9 de type classique, tels des crochets d'arrimage ou un système à ventouses, relié au chassis-porteur 6. De plus, la deuxième partie 2 peut être déplacée à volonté sur la ou les pièces 7 à souder, de manière à pouvoir être positionnée correctement sur la ou les zones à souder. Plus précisément, L'enceinte 4 de mise sous-vide est amovible et englobe le canon 3 à faisceau d'électrons, par exemple un générateur permettant d'obtenir un faisceau d'électrons de 45 kW de puissance, le canon 3 étant, en outre, porté par un chariot-support 5. La mise sous-vide de l'intérieur de l'enceinte 4 est réalisé par le groupe de pompage 14 qui extrait au moins une partie de l'air ambiant contenu dans ladite enceinte 4, par l'intermédiaire d'une canalisation 15, de manière à créer un vide partiel dans l'enceinte 4. Les moyens d'étanchéité, tels les joints toriques, susceptibles d'être utilisés afin d'assurer une mise en dépression locale et efficace de l'enceinte 4 et donc de la zone de soudage sont de type classique et ne seront donc pas davantage détaillés ici. On peut néanmoins préciser que l'étanchéité entre le chassis 6 et les pièces à souder 7 est assuré notamment par une embase 10, de préférence interchangeable, fixée sur ledit chassis 6 et de joints toriques. Etant donné que la longueur du joint de soudure à réaliser peut varier considérablement d'une application à l'autre, en fonction des dimensions des pièces 7 à souder, la machine de la présente invention autorise l'utilisation d'embases 10 de dimensions différentes. Le vide partiel, c'est-à-dire la dépression, obtenue dans l'enceinte ou enceinte 4 peut être contrôlé par une jauge, de préférence une jauge à seuil minimal réglable à volonté, de manière à délivrer une information de pression et/ou à empêcher, notamment par le biais de vannes ou autres moyens similaires, le début de l'opération de soudage si ledit seuil minimal de mise en dépression n'est pas atteint ou, au contraire, d'autoriser la formation du faisceau d'électron lorsqu'un vide partiel acceptable a été obtenu, par exemple un seuil minimal dépressionnaire fixé à 2.1 on2 mbar. La machine de soudage selon la présente invention permet de réaliser un vide partiel local non seulement du côté "endroit" des pièces 7 à souder, c'est-à-dire du côté où est situé le canon 3, mais aussi du côté "envers" des pièces 7 à souder, c'est-à-dire du côté opposé au canon 3. En particulier, la mise en dépression du côté "envers" de la zone de soudage peut être effectuée par le biais d'une contre-bride 8 munie d'un ou plusieurs joints d'étanchéité et d'une pompe secondare 13. Comme précédemment, la contre-bride 8 est, elle aussi, adaptable à la longueur du joint de soudure à réaliser et donc interchangeable. Lorsque la deuxième partie 2 de la machine de soudage est accrochée et positionnée sur la ou les pièces à souder, le bridage en position est effectué, par exemple, par pincement de l'embase 10 et de la contre-bride 8 par l'inetrmédiaire de tirants vissés ou autres moyens de maintien analogues. Selon l'invention, L'enceinte 4 ou cloche est fixée au chassis-porteur 6 sur lequel se déplace te chariot-support 5 portant lui-même le canon 3 à faisceau d'électrons, le déplacement du chariot-support 5 se faisant par l'intermédiaire de rails de guidage ou autres moyens analogues. Par exemple, deux glissières linéaires à billes, agencées orthogonalement l'une par rapport à l'autre, permettent le mouvement en translation du canon 3 porté par le chariot-support 5 selon des axes différents (x-x') et (y-y'), de préférence un axe sensiblement horizontal (x-x') et un axe sensiblement vertical (y-y'); I'entraînement en translation dudit chariot-support 5 étant assuré par un système électrique motorisé commandé à distance par le pupitre de commande de la première partie 1. Ainsi, dans le cas présent, le chariot-support 5 et donc le canon 3 peuvent se déplacer de 1000 mm selon un axe (x-x') horizontal et de 100 mm selon un axe (y-y') vertical. Toutefois, il est possible de prévoir, dès le départ, des distances de déplacement supérieures ou inférieures à ces valeurs ou de modifier à volonté ces distances et ce, notamment , en fonction des pièces à souder, c'est-à-dire de la longueur des joints de soudure à effectuer. La vitesse de déplacement du canon 3 en fonctionnement est variable et peut être adaptée selon les besoins, notamment, en fonction de l'épaisseur des pièces à souder. Des essais réalisés avec une machine ont permis d'atteindre des vitesses allant jusqu'à environ 10 m/min avec une rectitude du déplacement quasi-parfaite (+/- 0.03 mm). II va de soi que les dimensions et l'architecture de la cloche 4 sont choisies de manière adéquate pour, d'une part, ne pas entraver le déplacement du canon 3 à l'intérieur de ladite enceinte 4 et, d'autre part, pour permettre une conservation d'un vide partiel sur la zone de soudage avant et/ou pendant et/ou après déplacement dudit canon 3 sur son chariotporteur 5. Le canon 3 à faisceau d'électrons comporte plusieurs électrodes, à savoir, par exemple, une cathode massive en hexaborure de lanthane permettant une grande stabilité associée à une longue durée de vie, par exemple jusqu'à 1000 heures, un filament de chauffage indirect régulé et une grille classiquement appelée Wehnelt, permettant un fonctionnement en régime triode ou diode. De plus, le canon 3 comprend également deux bobines de focalisation à faibles abérrations permettant de souder un joint situé à une distance de 100 mm à 1000 mm du centre de cette bobine, une vanne permettant d'isoler le canon de l'enceinte de soudage, un bol anodique fixé sur le corps de vanne, une enceinte canon constituée de deux parties, I'une étant fixée sur le corps de vanne et recevant l'orifice de pompage et des moyens de mesure de pression, et l'autre étant solidaire de la première et équipée d'une traversée électrique étanche terminée, côté canon, par un système d'embrochage concentriques à connection rapide. Le faisceau est généré par générateur, par exemples un générateur IOkW/GOkV, 30kW/45kV, 45kW/65kW, 1 OOkW/i OOkW.. La géométrie du canon 3 et la définition des électrodes sont choisies de manière à obtenir une tenue en tension adéquate. En outre, il est possible d'agencer sur la deuxième partie 2 d'autres accessoires ou dispositifs susceptibles de présenter un intérêt, tels une caméra de visée, des moyens de refroidissement, des vérins, des vannes.. La première partie 1 comporte, quant à elle, des moyens informatisés de commandes, de programmation et/ou de régulation, tel un pupitre de commande, un variateur, des moyens d'asservissement, des cartes électroniques, un microordinateur, des microprocesseurs.. Plus précisément, le pupitre de commande est monté sur roulettes pour pouvoir être déplacé facilement et regroupe les moyens de commande du générateur du faisceau d'électrons, du système de déviation dudit faisceau, de la machine elle-même et une commande numérique. La figure 3 schématise les directions (x-x') et (y-y') de déplacement du canon 3 à faisceau d'électrons et l'orientation (z-z') de l'axe dudit canon 3 lors d'un soudage en position corniche, c'est-à-dire pour un positionnement de la deuxième partie 2 de la machine de soudage et donc du canon 3 comme représenté sur les figures 1 et 2. La figure 4 schématise, quant à elle, les directions (x-x') et (y-y') de déplacement du canon 3 à faisceau d'électrons et l'orientation (z-z') de l'axe dudit canon 3 lors d'un soudage en position à plat. On remarque, sur ces deux figures 3 et 4, que les axes (x-x'), (y-y') et (z-z') sont perpendiculaires les uns aux autres et que le faisceau d'électrons est dirigé de z vers z'. La machine de la présente invention autorise une grande souplesse d'utilisation, peut s'adapter aux structures des pièces à souder et permet de souder des épaisseurs importantes. La présente invention peut être utilisée pour fabriquer des structures comprenant des pièces soudées utilisables subséquemment dans des domaines très variés, notamment dans les domaines aéronautique, de l'armement, automobile, nucléaire, de la chaudronnerie,... En particulier, la machine à souder de la présente invention est particulièrement bien adaptée à la réalisation de structures lourdes, notamment de plusieurs dizaine de tonnes, et de grandes dimensions de formes tubulaires ou sphériques. REVENDICATIONS 1. Machine (1, 2) de soudage par faisceau d'électrons sous vide local au moins partiel comprenant: - des moyens de mise sous vide (4, 8,10,13,14,15) au moins partiel comportant au moins une enceinte (4) de mise sous vide au moins partiel, et - des moyens de soudage (3) comprenant au moins un canon à électrons permettant de générer au moins un faisceau d'électrons, caractérisée en ce qu'au moins le canon (3) à électrons est porté par des moyens supports (5) mobiles permettant un déplacement d'au moins ledit canon (3) à faisceau d'électrons selon au moins deux axes différents (xx') et (y-y'). 2. Machine de soudage selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enceinte (4) de mise sous vide partiel entoure au moins une partie du canon (3) à faisceau d'électrons. 3. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que l'enceinte (4) de mise sous vide partiel et le canon (3) à faisceau d'électrons sont portés par un chassis-porteur (6). 4. Machine de soudage selon l'une des revendications i à 3, caractérisée en ce que le chassis-porteur (6) comporte des moyens de guidage permettant de guider le déplacement du canon (3) à faisceau d'électrons. 5. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les moyens de mise sous vide (4, 8, 10, 13, 14, 15) permettent de créer un vide au moins partiel local des deux côtés de la zone à souder. 6. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que des moyens de commande (1) permettant de contrôler au moins un paramètre choisi parmi le déplacement du canon (3) à électrons, le fonctionnement du canon (3) à électrons, la réalisation du vide partiel, le pilotage du programme de soudage, le cycle complet de soudage et le contrôle des sécurités. 7. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'un moteur électrique assure le déplacement du canon (3) à faisceau d'électrons dans lesdits moyens de guidage. 8. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que ladite enceinte (4) de mise sous vide est reliée à au moins une pompe à vide (13, 14). 9. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que le chassis-porteur (6) comporte, en outre, des moyens d'accrochage (9) permettant une fixation dudit chassis-porteur (6) directement sur la ou les pièces à souder. 10. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une première partie (i) et une deuxième partie (2), reliées l'une à l'autre par des moyens de liaison (15), de préférence ladite deuxième partie (2) comprenant ledit chassis-porteur (6), ledit canon (3) et ladite enceinte (4) de mise sous vide. 11. Machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'elle comprend, en outre, des moyens d'étanchéité (8, 10), notamment une contre-bride (8) et/ou une embase (10), et/ou des moyens de visualisation. 12. Procédé de soudage par faisceau d'électrons sous vide au moins partiel susceptible de mettre en oeuvre une machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 11. 13. Procédé de soudage par faisceau d'électrons sous vide au moins partiel, dans lequel: - on crée, au moins localement au niveau de la zone à souder, un vide au moins partiel des deux côtés de la ou des pièces à souder, - on génère au moins un faisceau d'électrons au moyen d'au moins un canon (3) à faisceau d'électrons, et - on déplace ledit canon (3) à faisceau d'électrons selon un premier axe (x-x') et/ou selon un second axe (y-y'), de manière à réaliser au moins un joint de soudure. 14. Utilisation d'une machine de soudage selon l'une des revendications 1 à 11 pour la réalisation d'une structure de grandes dimensions susceptible d'être mise en oeuvre dans le domaine nucléaire, automobile, aérospacial ou naval.