Brevet FR2930463A1 — publié le 20091030

Dispositif de fabrication d'un tube hélicoïdal et procédé associé L'invention concerne en général la fabrication de tubes métalliques pour les lignes d'échappement de véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention concerne selon un premier aspect un dispositif de fabrication d'un tube pour une ligne d'échappement de véhicule automobile, à partir d'une bande métallique délimitée latéralement par des rives. Il est connu de rouler la bande autour de l'axe du tube, et de souder les deux rives de la bande l'une sur l'autre. La soudure est rectiligne, et est effectuée selon une génératrice du tube. De tels tubes sont utilisés notamment pour constituer les enveloppes externes des organes de purification catalytique ou des filtres à particules. Dans les deux cas, un bloc de matériau céramique est logé à l'intérieur du tube. Lors de l'opération d'introduction du bloc de céramique dans le tube, ce dernier subit typiquement soit une étape d'expansion, soit un rétreint, en fonction du procédé choisi. Quand le tube est expansé, il arrive que la soudure se déchire à l'une ou l'autre des extrémités du tube. Au contraire, quand le tube subit un rétreint, il arrive que le tube s'effondre le long de la soudure. Dans ce contexte, l'invention vise à proposer un dispositif de fabrication permettant d'obtenir des tubes plus appropriés au besoin de mise en boite d'éléments catalytiques, plus appropriés quant à leur utilisation et quant aux épates d'expansion, de rétreint, de fluotournage ou même de façonnage par outil successifs. A cette fin, l'invention porte sur un dispositif de fabrication comprenant : - des moyens de formage pour enrouler la bande en hélice autour d'un axe central, la bande formant des spires successives autour de l'axe central, chaque paire de spires successives ayant des rives respectives en vis-à-vis, - des moyens de soudage l'une à l'autre des rives en vis-à-vis des paires de spires successives, les moyens de formage étant aptes à enrouler la bande avec un angle d'hélice par rapport à l'axe central compris entre 1 °et 55°. Le dispositif peut également comprendre une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - l'angle d'hélice est compris entre 35° et 55°; - l'angle d'hélice est compris entre 1 ° et 20 ° ; - l'angle d'hélice est compris entre 1 ° et 10 ° ; - la bande présente une largeur déterminée, le tube présentant un diamètre inférieur à 0,9 fois la largeur de la bande ; - le tube présente un diamètre inférieur à 0,7 fois la largeur de la bande ; - le dispositif comprend deux ensembles de guidage de la bande enroulée en hélice, les deux ensembles étant disposés de part et d'autre des moyens de soudage le long de l'axe central ; et - le dispositif comprend des moyens pour découper le tube après enroulement et soudage de la bande. Selon un second aspect, l'invention porte sur un procédé de fabrication d'un tube pour une ligne d'échappement de véhicule automobile, à partir d'une bande métallique délimitée latéralement par des rives, le procédé comprenant les étapes suivantes : - enrouler la bande en hélice autour d'un axe central, la bande formant des spires successives autour de l'axe central, chaque paire de spires successives ayant des rives respectives en vis-à-vis, - souder l'une à l'autre les rives en vis-à-vis des paires de spires successives ; la bande étant enroulée avec un angle d'hélice par rapport à l'axe central compris entre 1 °et 55°. En outre, le procédé comprend une étape de guidage de la bande enroulée en hélice, de part et d'autre des moyens de soudage des rives le long de l'axe central. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 est une représentation schématique, en vue de dessus, d'un dispositif de fabrication conforme à l'invention ; et - la figure 2 est une représentation schématique, en coupe perpendiculairement à l'axe central du tube, des moyens de soudage du dispositif de la figure 1. Le dispositif de fabrication représenté sur la figure 1 est prévu pour fabriquer en continu des tubes pour des lignes d'échappement de véhicules automobiles. Les tubes présentent typiquement un diamètre compris entre 100 et 250 millimètres. Ils peuvent présenter des longueurs variables, par exemple comprises entre 100 et 1000 millimètres. Les tubes sont fabriqués à partir d'une bande métallique continue 2, par exemple en acier. La bande présente initialement une épaisseur comprise entre 0,6 millimètre et 2,0 millimètres. Elle est délimitée par deux rives latérales 4, parallèles l'une à l'autre. Elle présente entre les rives 4 une largeur comprise entre 100 et 500 millimètres, valant par exemple 250 millimètres. Le dispositif de fabrication 6, comme le montre la figure 1, comprend un poste d'alimentation 8, un poste de redressement et d'aplatissement 10 de la bande, des moyens de formage 12 prévus pour enrouler la bande en hélice et pour guider la bande enroulée, un poste de soudage 14, un ensemble 16 de guidage placé en aval du poste de soudage, et un poste de découpe 18. Le poste d'alimentation 8 comprend une bobine 19 mobile en rotation autour d'un axe horizontal X. La bande 2 est enroulée autour du moyeu 20 de la bobine. Le poste d'alimentation 8 comporte par ailleurs des moyens (non représentés) pour entraîner en rotation la bobine 19 autour de son axe dans un sens provoquant le dévidement de la bande 2. Dans la description qui va suivre, l'amont et l'aval seront entendus relativement au sens de défilement normal de la bande à travers les différents postes de la machine de fabrication 6. Le sens de défilement est symbolisé par une flèche F sur la figure 1. Le poste de redressement et d'aplatissement de la bande 10 est situé immédiatement en aval du poste d'alimentation 8. Il est de type connu et ne sera pas décrit ici en détail. La bande 2 traverse le poste 10 avant d'arriver aux moyens de formage 12. Le poste 10 a pour fonction de redresser la bande 2. En effet, celle-ci est légèrement arquée, du fait qu'elle a été stockée de manière prolongée sous forme enroulée dans la bobine. A la sortie du poste 10, la courbure de la bande a été gommée, et la bande présente une forme sensiblement plane. Les moyens de formage 12 ont pour fonction d'enrouler la bande 2 en hélice autour d'un axe central C. En passant à travers les moyens 12, la bande est conformée en une succession de spires enroulées autour de l'axe central C. Deux spires consécutives dans la succession de spires présentent des rives 4 respectives en vis-à-vis. Les deux rives 4 s'étendent parallèlement l'une à l'autre, et sont séparées par un intervalle réduit, ou sont en contact l'une avec l'autre. L'axe C est horizontal. Il correspond à l'axe du tube à fabriquer. Les moyens 12 sont prévus pour enrouler la bande en une hélice de diamètre correspondant au diamètre du tube à fabriquer. Les moyens de formage enroulent la bande en une hélice avec un angle d'hélice prédéterminé par rapport à l'axe central C, qui peut varier entre typiquement 1 ° et 55 °. Dans une première variante de réalisation, l'angle d'hélice est faible. Il est par exemple compris entre 1 °et 20°, et est de préférence compris entre 1 °et 10°. Un tel angle d'hélice est avantageux car il permet de réduire la longueur de la soudure à effectuer. L'angle ne doit pas être inférieur à 1 °, car sinon la soudure s'étend pratiquement parallèlement à l'axe central C. Il y aurait alors un risque que le tube soit endommagé quand il subit une expansion ou un rétreint, comme dans l'état de la technique. Choisir un angle d'hélice compris entre 35° et 55° présente d'autres avantages. La bande est plus facile à cintrer, c'est-à-dire à mettre en forme hélicoïdale, que quand l'angle d'hélice est très réduit. Par ailleurs, la soudure est plus facile à réaliser du fait de l'inclinaison de la ligne de soudure par rapport à l'horizontale, comme expliqué plus loin. La fabrication du tube est donc plus facile à maîtriser. En revanche, la ligne de soudure est plus longue. Un angle d'hélice entre 35° et 55° correspond donc à un compromis entre la longueur de la soudure à effectuer et la maîtrise du procédé de fabrication. Les moyens de formage 12 sont de type connu et ne seront donc pas décrits dans le détail ici. Ils comprennent par exemple trois rouleaux coaxiaux disposés aux trois sommets d'un triangle. Le poste de soudage 14 comprend un outil de soudage de type TIG, MAG, ou de type laser. Comme le montre la figure 2, l'outil de soudage comporte une tête 22 orientée suivant un axe Z. La tête de soudage est fixe par rapport au bâti du dispositif de fabrication et aux moyens de formage 12. Les rives à souder défilent sous la tête de soudage, au fur et à mesure que la bande 2 se dévide de la bobine. La tête 22 est appliquée à un point fixe P sur la bande. Considérée en coupe perpendiculairement à l'axe C, la direction D passant par l'axe C et le point P forme un angle Y d'environ 45° au-dessus de l'horizontale. L'axe Z de la tête de soudage 22 forme quant à lui un angle X d'environ 15° par rapport à la direction D, et un angle de 60° environ par rapport à l'horizontale. Au point P, la ligne de soudure 23 est inclinée par rapport à l'horizontale et est également inclinée par rapport à la verticale. La ligne de soudure 23 correspond aux deux rives en vis-à-vis des spires successives formées par la bande autour de l'axe C. La ligne de soudure 23 forme elle-même une hélice autour de l'axe C, de même diamètre et de même angle d'hélice que la bande 2. La ligne de soudure 23 est inclinée vers le bas au point P quand on la suit d'amont en aval. Ceci est favorable pour la soudure, et permet d'augmenter la vitesse de soudage. L'ensemble de guidage 16 est pratiquement identique aux moyens de formage 12. Il est placé en aval du poste de soudage 14. Ainsi, les moyens de formage 12 et l'ensemble de guidage 16 sont disposés le long de l'axe central C, de part et d'autre du poste de soudage 14. Les moyens 12 assurent un guidage de la bande 2 en amont du poste de soudage 14, et l'ensemble 16 assure un guidage de la bande 2 en aval du poste de soudage 14. L'ensemble de guidage 16 a pour fonction de guider la bande 2 après formage en hélice et soudage, de manière à ce qu'elle conserve sa forme hélicoïdale jusqu'à ce que le bain de soudure soit suffisamment refroidit. Par ailleurs, les moyens 16 assurent un certain freinage de la bande 2 en aval du poste de soudage 14, de manière à forcer les rives 4 de la bande à proximité l'une de l'autre au point de soudage P. Le poste de découpe 18 est de type connu et ne sera pas détaillé ici. Il a pour fonction de découper un tube 23 de longueur prédéterminée, après formage de la bande en hélice et soudage des spires successives de la bande. Le poste de découpe 18 est placé en aval de l'ensemble de guidage 16. Le poste de découpe 18 comporte par exemple une tête de découpe 24 et des moyens 25 pour déplacer la tête 24 parallèlement à l'axe central C. La tête 24 est fixe en rotation autour de l'axe C par rapport au bâti du dispositif de fabrication 6, aux moyens de formage 12 et à l'ensemble de guidage 16 lorsque la longueur du tube génère suffisamment de temps et ainsi au moins un tour pour couper le tube, dans le cas contraire le système de coupe sera animé en rotation. La bande 2 se déplace en rotation autour de l'axe C par rapport à la tête 24, sous l'effet de l'enroulement de la bande 2. La tête 24 accompagne la bande dans son déplacement parallèlement à l'axe C. Elle se déplace à la même vitesse que la bande, jusqu'à ce que la découpe soit effectuée sur toute la périphérie du tube lorsque le système de coupe est fixe. Le dispositif 6 comporte par ailleurs un calculateur 26 apte à piloter les moyens d'entraînement de la bobine 8, 10 et 12, le poste de soudage 14 et le poste de découpe 18. Le dispositif 6 est contrôlé à l'aide d'un panneau de commande (non représenté) relié au calculateur 26. La largeur de la bande, l'angle d'hélice, et le diamètre du tube sont liés les uns aux autres. Le tube présente typiquement un diamètre inférieur à 0,9 fois la largeur de la bande, de préférence inférieur à 0,7 fois la largeur de la bande. Par exemple, le tube présente un diamètre sensiblement égal à 0,6 fois la largeur de la bande. Le procédé de fabrication d'un tube à l'aide du dispositif de fabrication décrit ci-dessus va maintenant être détaillé. Le calculateur 26 commande la rotation de la bobine 19 du poste d'alimentation, de telle sorte que la bande 2 se dévide de la bobine. La bande 2 traverse le poste de redressement 10, et pénètre dans les moyens de formage 12. Dans les moyens 12 elle est cintrée et enroulée en hélice autour de l'axe C. La bande 2 forme alors des spires successives autour de l'axe central C, deux spires successives ayant des rives respectives en vis-à-vis. Les spires sont soudées les unes aux autres, rive 4 contre rive 4, en passant au poste de soudage 14. La bande formée en hélice se déplace à la fois parallèlement à l'axe C et en rotation autour de l'axe C, au fur et à mesure que la bande 2 se dévide de la bobine et s'enroule autour de l'axe C. En aval du poste de soudage 14, la bande traverse l'ensemble de guidage 16. L'ensemble 16 maintient la bande en forme pendant une durée suffisante pour que le bain de soudage refroidisse. Par ailleurs, les moyens 16 freinent le déplacement de la bande, ce qui contribue à maintenir les rives jointives au point de soudage P. A la sortie de l'ensemble de guidage 16, la bande formée en hélice et soudée est découpée. Pour cela, la tête de découpe 24 est placée à une distance prédéterminée de la découpe précédente. La tête de découpe 24 accompagne la bande dans son mouvement parallèlement à l'axe C. La bande déplace ainsi en rotation par rapport à la tête de découpe 24. Le tronçon du tube est entièrement découpé quand la bande a effectué un tour complet autour de l'axe C. Selon un mode de réalisation, on prévoit une assistance en rotation du système de coupe. La tête de découpe 24 est alors repositionnée à proximité de l'ensemble de guidage 16. Le dispositif de fabrication décrit ci-dessus présente de multiples avantages. Du fait que ce dispositif comprend : - des moyens de formage pour enrouler la bande en hélice autour d'un axe central, la bande formant des spires successives autour de l'axe central, chaque paire de spires successive ayant des rives respectives en vis-à-vis, - des moyens de soudage des rives en vis-à-vis des paires de spires successives ; les moyens de formage étant aptes à enrouler la bande avec un angle d'hélice par rapport à l'axe central compris entre 1 ° et 55°, le dispositif est apte à fabriquer des tubes ayant une ligne de soudure hélicoïdale, d'angle d'hélice faible ou modéré par rapport à l'axe central. Les tubes ainsi formés présentent un bon comportement mécanique, notamment lorsqu'ils subissent une expansion ou un rétreint ou une opération de fluotournage ou même de façonnage par outil successifs. Ces tubes peuvent être fabriqués à une cadence importante. Quand l'angle d'hélice est dans la fourchette haute, par exemple entre 35 et 55°, le tube est particulièrement solide mécaniquement, et le soudage est 30 particulièrement facile à maîtriser. Au contraire, quand l'angle d'hélice est dans la fourchette basse, par exemple entre 1 et 10°, la ligne de soudure est plus courte, et les cadences de fabrication sont plus importantes. Dans tous les cas, c'est-à-dire quel que soit l'angle d'hélice, la ligne de soudure est inclinée vers le bas, considérée d'amont en aval, au point de soudure. Ceci est favorable pour la réalisation de la soudure, de telle sorte que celle-ci peut être plus rapide. Ainsi, les vitesses linéaires de soudage sont supérieures de 60 à 300 % aux vitesses linéaires susceptibles d'être obtenues quand le soudage est effectué parallèlement à l'axe central du tube. Dans ce cas, la ligne de soudure est horizontale. Dans l'invention, on peut atteindre des vitesses linéaires de soudures de 2 à 3 mètres à la minute pour des applications utilisant un procédé de soudure TIG. Le coût d'investissement du dispositif de fabrication est modéré. Du fait que le dispositif de fabrication comporte un ensemble de guidage du tube en aval de la tête de soudage, qui assure également un freinage de la bande, il est possible d'obtenir des soudures de particulièrement bonne qualité. Le dispositif de fabrication peut présenter de multiples variantes. Ainsi, les moyens de formage peuvent être de tous types adaptés, et ne sont pas nécessairement constitués de rouleaux ou d'une pièce pleine avec un canal de passage de la bande. De même, l'ensemble de guidage en aval du poste de soudage peut être de tout type adapté. Le dispositif de fabrication ne comporte pas nécessairement des moyens pour découper les tubes à des longueurs adaptées pour être directement utilisés dans une ligne d'échappement. Par exemple, il est possible de découper des tronçons de longueurs importantes à l'aide des moyens de découpe prévus dans le dispositif de fabrication. Le tronçon est ensuite subdivisé en tubes aux dimensions finales d'utilisation dans une autre machine. Dans des variantes non préférées de l'invention, le dispositif de fabrication ne comprend pas de poste de redressement, ou ne comprend pas d'ensemble de guidage en aval du poste de soudure. L'outil de soudage peut être de tout type. Il est de préférence de type MIG, MAG ou laser, mais il est envisageable d'utiliser d'autres procédés de soudure, avec ou sans métal d'apport. En variante, le dispositif de fabrication peut comporter un poste d'écrouissage de la soudure, de manière à garantir que le tube ne présente pas de surépaisseur au niveau des soudures. REVENDICATIONS1. Dispositif de fabrication d'un tube pour une ligne d'échappement de véhicule automobile, à partir d'une bande métallique (2) délimitée latéralement par des rives (4), le dispositif (6) comprenant : - des moyens de formage (12) pour enrouler la bande (1) en hélice autour d'un axe central (C), la bande (2) formant des spires successives autour de l'axe central (C), chaque paire de spires successives ayant des rives (4) respectives en vis-à-vis, - des moyens (14) de soudage l'une à l'autre des rives (4) en vis-à-vis des paires de spires successives ; les moyens de formage (12) étant aptes à enrouler la bande (2) avec un angle d'hélice par rapport à l'axe central (C) compris entre 1 °et 55°. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'hélice est compris entre 35° et 55°. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle d'hélice est compris entre 1 ° et 20°. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle d'hélice est compris entre 1 °et 10°. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bande (2) présente une largeur déterminée, le tube (23) présentant un diamètre inférieur à 0,9 fois la largeur de la bande (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube (23) présente un diamètre inférieur à 0,7 fois la largeur de la bande (2). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux ensembles (12, 16) de guidage de la bande (2) enroulée en hélice, les deux ensembles (12, 16) étant disposés de part et d'autre des moyens de soudage (14) le long de l'axe central (C). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (18) pour découper le tube (23) 30 après enroulement et soudage de la bande (2). 9. Procédé de fabrication d'un tube (23) pour une ligne d'échappement de véhicule automobile, à partir d'une bande métallique (2) délimitée latéralement par des rives (4), le procédé comprenant les étapes suivantes :- enrouler la bande (2) en hélice autour d'un axe central (C), la bande (2) formant des spires successives autour de l'axe central (C), chaque paire de spires successives ayant des rives (4) respectives en vis-à-vis, - souder l'une à l'autre les rives (4) en vis-à-vis des paires de spires successives ; la bande (2) étant enroulée avec un angle d'hélice par rapport à l'axe central (C) compris entre 1 °et 55°. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape de guidage de la bande (2) enroulée en hélice, de part et d'autre des moyens (14) de soudage des rives (14) le long de l'axe central (C).