Brevet FR2886562A1 — publié le 20061208

l Procédé de soudage, en particulier de pièces tubulaires telles que des conduits métalliques mis bout à bout pour former des canalisations métalliques du type pipeline La présente invention concerne un procédé de soudage, en particulier de pièces tubulaires telles que des conduits métalliques mis bout à bout pour former des canalisations métalliques du type pipeline, destinées au transport de gaz, de pétrole. Pour former des canalisations de type pipeline, il est important que la soudure réalisée entre deux conduits présente les qualités requises au transport des matières telles que le pétrole, le gaz, la soudure ne devant donc pas présenter de défauts risquant d'entraîner des faiblesses. Pour réaliser le joint de soudure de manière fiable, on a proposé d'utiliser un procédé de soudage au laser. Toutefois, les différents procédés de soudage au laser et dispositifs pour leur mise en oeuvre présentent de nombreux inconvénients. Ainsi, selon EP 706 849 la source laser est éloignée du dispositif de focalisation et il est nécessaire de prévoir de nombreux jeux de miroirs pour faire tourner le ou les faisceaux laser autour de la circonférence à souder, conduisant de ce fait à une structure complexe, nécessitant un réglage minutieux et précis, peu fiable et qui entraîne souvent un problème d'échauffement des miroirs. De plus, le dispositif de soudage au laser est positionné à l'intérieur des conduits, ce qui implique un équipement spécifique complexe et coûteux, de maintenance délicate. Dans le document FR 2 812 227, on propose un dispositif de soudage au laser dont le groupe générateur d'énergie électrique est porté par un véhicule externe, le faisceau laser se plaçant orbitalement et présentant une puissance très élevée supérieure à 4 kW. Un tel dispositif nécessite donc une puissance importante ce qui n'est pas économiquement viable. On a pu constater également que, lorsque le laser est utilisé seul pour réaliser le soudage, on obtient une très faible tolérance sur les conditions d'accostage, notamment lorsqu'on constate la présence de jeu. En outre, la quantité de métal d'apport étant faible ou nulle, il en résulte une très forte dépendance par rapport aux compositions de métal de base des conduits à souder en ce qui concerne les caractéristiques mécaniques de la soudure obtenue. Il n'est en effet pas possible d'améliorer ces caractéristiques mécaniques en jouant sur la composition chimique du métal d'apport et sur la vitesse d'amenée de ce métal d'apport (taux de dépôt), ce qui entraîne une baisse de la dureté et une augmentation de la ténacité. Dans le document EP 0 852 984, on a proposé un procédé de soudage à l'arc et au laser combiné. En particulier, on propose de réaliser d'abord un soudage à l'arc à l'intérieur des conduits suivi d'un soudage laser à l'extérieur ou bien, d'abord un soudage laser à l'extérieur suivi d'un soudage à l'arc à l'intérieur. Le procédé proposé nécessite donc l'utilisation de deux dispositifs de soudage indépendants, un à l'intérieur et l'autre à l'extérieur, ce qui entraîne un coût très élevé. L'invention se propose de pallier ses inconvénients en proposant un procédé de soudage dans lequel on associe la puissance du soudage laser pour la passe de pénétration à celle du soudage à l'arc électrique par électrode fusible, ledit procédé présentant une vitesse de soudage largement améliorée tout en utilisant une faible puissance laser et en présentant une structure relativement simple. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de soudage, en particulier de pièces tubulaires telles que des conduits métalliques mis bout à bout pour former des canalisations métalliques du type pipeline, dans lequel on réalise la passe de pénétration par l'extérieur, caractérisé en ce qu'on crée un bain de fusion unique sous l'action simultanée d'au moins un faisceau laser transmis par fibre optique et d'au moins un arc électrique sous protection gazeuse généré à partir d'une électrode fusible constituant le matériau d'apport. Ainsi de manière très avantageuse, le procédé selon l'invention permet de conserver une vitesse de soudage élevée de plusieurs mètres par minute tout en utilisant une puissance laser relativement faible, notamment inférieure à 4 kW, grâce à l'apport de puissance du procédé à l'arc électrique. De préférence le procédé de soudage à l'arc électrique est du type MIG/MAG. On peut alors avoir avantageusement un laser de puissance délivrée sur les conduits à souder inférieure ou égale à 6 kW, de préférence inférieure à 4 kW, et une torche MIG de puissance supérieure à 8 kW. Le coût du dispositif de soudage utilisé pour mettre en oeuvre le procédé de l'invention est par ailleurs réduit tandis que le kW produit à l'arc électrique est nettement moins onéreux que le kW produit par le laser. Le procédé est donc économiquement très avantageux tout en offrant une vitesse de soudage très rapide notamment de plus de 3 m/min. De préférence, on met en oeuvre le procédé avec une puissance laser comprise dans la plage de 2 à 4 kW, la vitesse de soudage obtenue étant alors d'environ 2,5 à 4 m/min. Le procédé est alors très fiable, économique et moins encombrant tout en proposant une vitesse de soudage avantageuse. Le procédé selon l'invention permet avantageusement d'éliminer les inconvénients pouvant être liés aux conditions d'accostage (alignement des conduits). En effet, si au niveau du plan de joint entre les conduits, il existe un jour, le faisceau laser peut passer au travers, le procédé MIG intervenant de manière simultanée au laser permet de démarrer la fusion ce qui n'aurait pu avoir lieu si le laser avait été seul ou si le procédé MIG était intervenu de manière décalée. De plus, lorsqu'il existe un défaut d'alignement des conduits, le procédé MIG permet de lisser le profil de pénétration alors que le procédé laser utilisé seul en ce cas aurait abouti à un profil de pénétration en escalier. L'invention a également trait à un dispositif de soudage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention comportant au moins des moyens de génération d'un faisceau laser et au moins une fibre optique guidant celui-ci jusqu'au plan de joint entre deux conduits, le faisceau laser intervenant confondu avec le plan de joint ainsi qu'une torche de soudage à l'arc électrique telle qu'une torche MIG pourvue d'une électrode fusible et de moyens de distribution d'un gaz de protection, la torche étant positionnée angulairement décalée par rapport au faisceau laser de sorte que le point d'impact de l'arc électrique se trouve voisin du point de focalisation du faisceau laser pour créer un bain de fusion unique, l'intervalle entre les deux étant dénommé offset . Selon une forme de réalisation particulièrement avantageuse du procédé selon l'invention, au cours de la passe de pénétration réalisée sous l'action combinée du laser et de l'arc électrique, on peut régler indépendamment les uns des autres, la position du point de focalisation du faisceau laser, l'intervalle entre le point de focalisation du faisceau laser et la position du point d'impact de l'arc électrique ainsi que la position angulaire de la torche de soudage MIG par rapport au faisceau laser. Le dispositif comporte alors avantageusement des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG. Ainsi, auparavant ces point, intervalle et position angulaire étaient définis préalablement au soudage de sorte qu'en cas de variation du point de focalisation du faisceau laser, un changement de l'intervalle entre le point de focalisation et le point d'impact de l'arc électrique était induit sans pouvoir y remédier, ce qui n'était pas souhaitable. De plus au cours du déplacement orbital du dispositif de soudage autour des conduites, il est intéressant de modifier la position angulaire de la torche MIG par rapport au faisceau laser pour définir la largeur du joint. De préférence, le point de focalisation du faisceau laser est ajustable dans une plage de +1- 5mm, l'intervalle entre le point de focalisation et le point d'impact de l'arc électrique est dans la plage de -5 mm à +5 mm de part et d'autre du point de focalisation du laser et la plage angulaire dans laquelle varie la torche MIG par rapport au faisceau laser est de 5 à 45 . Le réglage possible du point de focalisation du faisceau laser, de l'intervalle entre le point de focalisation et la position du point d'impact et/ou de la position angulaire de la torche MIG permet de rattraper les variations survenant au cours de la passe de pénétration, du fait de jeux et/ou de défauts d'alignement pouvant apparaître au niveau du plan de joint et du fait de l'influence de la gravité en fonction de la position orbitale autour des conduits sur la tenue du bain de fusion, pour revenir aux conditions de soudage optimales définies On peut jouer ainsi sur le pouvoir de pénétration global du dispositif de soudage et sur le profil de joint de manière à améliorer l'ensemble. Ainsi, de préférence, avant chaque soudage, on peut programmer pour chacune des variables (point de focalisation du faisceau laser, intervalle entre le point de focalisation du faisceau laser et le point d'impact de l'arc électrique et position angulaire de la torche MIG) des valeurs de consigne pour chacune des positions orbitales du dispositif de soudage autour des conduits (la position angulaire pouvant être notamment donnée par un capteur embarqué sur la tête de soudage). A cet effet, le dispositif comporte des moyens de programmation des valeurs de consigne et des moyens de reconnaissance de la position orbitale du dispositif de soudage tel qu'un capteur angulaire embarqué sur le dispositif et des moyens de commande des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG. En variante, on régule en temps réel chacune des variables en fonction d'informations issues de la détection et de l'analyse des conditions d'accostage en temps réel au cours de la passe de pénétration. Selon cette forme de réalisation particulièrement avantageuse de l'invention, il est possible pendant le soudage orbital de plus ou moins concentrer les puissances laser et MIG en un seul point, ce qui permet de répartir la densité de puissance et de faire varier notamment le pouvoir de pénétration ainsi que le mouillage extérieur du bain de fusion et ce, avec des paramètres liés au faisceau laser et à l'arc électrique MIG constant. A cet effet, le dispositif comporte avantageusement des moyens de détection et d'analyse des conditions d'accostage en temps réel au cours de la passe de pénétration et des moyens de commande en temps réel des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et régler l'intervalle entre le point de focalisation du faisceau laser et le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG. Cette capacité de modification ainsi que la programmation possible en fonction de la position orbitale ou la régulation en temps réel en fonction des conditions d'accostages détectées en temps réel, permettent de garantir une qualité (compacité) accrue, notamment lors de la réalisation de la passe de pénétration ainsi que pour les passes de recouvrement ultérieures. On décrira maintenant l'invention plus en détail en référence au dessin en 30 annexe dans lequel: La figure 1 représente une vue en perspective d'un dispositif de soudage selon l'invention hors soudage; La figure 2 représente une vue en coupe dans le plan de joint d'un dispositif de soudage selon l'invention au cours d'un cycle de soudage; La figure 3 représente une vue en coupe d'un bain de fusion au niveau d'un chanfrein lors d'un soudage au laser seul et La figure 4 représente une vue en coupe similaire à la figure 3 mais lors d'un soudage selon l'invention. Comme on peut le voir à la figure 1, le dispositif selon l'invention présente au moins des moyens de génération d'un faisceau laser 1 et au moins une fibre optique guidant celui-ci jusqu'au plan de joint entre deux conduits Cl et C2. Le faisceau laser 1 intervient sensiblement perpendiculairement au talon du chanfrein créé entre les conduits CI, C2. Le dispositif comporte en outre une torche MIG 2 pourvue d'une électrode fusible 2a et de moyens de distribution d'un gaz de protection. La torche MIG 2 est positionnée angulairement décalée par rapport au faisceau laser 1 selon un angle a de sorte que le point d'impact de l'arc électrique 2b se trouve voisin du point de focalisation 1 a du faisceau laser 1 pour générer un bain de fusion 3 unique comme cela est visible à la figure 2. L'intervalle entre le point de focalisation la du faisceau laser 1 et le l'arc 25 électrique (sensiblement l'extrémité de l'électrode fusible 2a) est appelé Offset . Le dispositif comporte en outre des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser1, des moyens de déplacement de la torche MIG 2 pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG 2. De préférence, le point de focalisation 1 a du faisceau laser 1 est ajustable par en hauteur par rapport au fond du chanfrein dans une plage de +1- 5mm. L'intervalle offset entre le point de focalisation la et le point d'impact de l'arc électrique 2b se trouve de préférence dans la plage de 5 mm à +5 mm de part et d'autre du point de focalisation du laser 1 et la plage angulaire dans laquelle varie l'angle a la torche MIG par rapport au faisceau laser est de 5 à 45 . Le réglage possible du point de focalisation du faisceau laser, de l'intervalle entre le point de focalisation et la position du point d'impact et/ou de la position angulaire de la torche MIG permet de rattraper les variations survenant au cours de la passe de pénétration, du fait de jeux et/ou de défauts d'alignement pouvant apparaître au niveau du plan de joint et du fait de l'influence de la gravité en fonction de la position orbitale autour des conduits sur la tenue du bain de fusion, pour revenir aux conditions de soudage optimales définies Ainsi, comme on peut le voir à la figure 3, lorsqu'un dispositif au laser seul est utilisé et qu'au niveau du chanfrein, il y a un désalignement, il survient un effet de marche ou escalier 4. A la figure 4, on peut voir que pour un même défaut d'alignement, le procédé de soudage selon l'invention permet grâce à la génération d'un bain de fusion unique d'atténuer l'effet escalier 4'. L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés mais couvre également toutes les variantes entrant dans le champ de protection défini notamment dans les revendications. REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage, en particulier de pièces tubulaires telles que des conduits métalliques mis bout à bout pour former des canalisations métalliques du type pipeline, dans lequel on réalise la passe de pénétration par l'extérieur, caractérisé en ce qu'on crée un bain de fusion unique sous l'action simultanée d'au moins un faisceau laser (1) transmis par fibre optique et d'au moins un arc électrique sous protection gazeuse généré à partir d'une électrode fusible (2a) constituant le matériau d'apport. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on réalise la passe de pénétration à une puissance laser délivrée sur les conduits à souder inférieure ou égale à 6 kW et avec une torche de soudage à l'arc électrique telle qu'une torche MIG de puissance supérieure à 8 kW. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on règle indépendamment les uns des autres, la position du point de focalisation du faisceau laser (1), l'intervalle entre le point de focalisation (la) du faisceau laser (1) et la position du point d'impact (2b) de l'arc électrique ainsi que la position angulaire de la torche de soudage MIG par rapport au faisceau laser. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que, avant le début du soudage, on programme pour chacune des variables (point de focalisation du faisceau laser, intervalle entre le point de focalisation du faisceau laser et le point d'impact de l'arc électrique et la position angulaire de la torche MIG) des valeurs de consigne pour chacune des positions orbitales du dispositif de soudage autour des conduits. 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on régule en temps réel chacune des variables en fonction d'informations issues de la détection et de l'analyse des conditions d'accostage en temps réel au cours de la passe de pénétration. 6. Procédé selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que le point de focalisation du faisceau laser est ajustable dans une plage de +1- 5mm au-dessus ou en dessous, du fond du chanfrein formé par les deux conduits. 7. Procédé selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que l'intervalle entre le point de focalisation et le point d'impact de l'arc électrique varie dans la plage de -5 mm à + 5 mm de part et d'autre du point de focalisation du laser. 8. Procédé selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la plage angulaire (a) dans laquelle varie la torche MIG par rapport au faisceau laser est de 5 à 45 . 9. Dispositif de soudage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 8, comportant au moins des moyens de génération d'un faisceau laser (1) et au moins une fibre optique guidant celui-ci jusqu'au plan de joint entre deux conduits, le faisceau laser (1) intervenant confondu avec le plan de joint (P) créé entre les conduits (Cl, C2) ainsi qu'une torche de soudage (2) à l'arc électrique telle qu'une torche MIG pourvue d'une électrode fusible (2a) et de moyens de distribution d'un gaz de protection, caractérisé en ce que la torche de soudage (2) à l'arc électrique est positionnée angulairement décalée par rapport au faisceau laser (1) de sorte que le point d'impact (2b) de l'arc électrique se trouve voisin du point de focalisation du faisceau laser (1) pour former un bain de fusion unique lors de la passe de pénétration. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de programmation des valeurs de consigne et des moyens de reconnaissance de la position orbitale du dispositif de soudage tel qu'un capteur angulaire embarqué sur le dispositif et des moyens de commande des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG. 12. Dispositif selon l'une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de détection et d'analyse des conditions d'accostage en temps réel au cours de la passe de pénétration et des moyens de commande en temps réel des moyens de réglage en hauteur du faisceau laser, des moyens de déplacement de la torche MIG pour déplacer le point d'impact de l'arc électrique et des moyens de déplacement angulaire de la torche MIG.