MC200031A1 - Dispositif transportable et ouvert integrant une tete laser auto-adaptive pour decouper ou souder des troncons de tubes d'une canalisation sur terre ou en mer en utilisant un generateur laser - Google Patents

Description

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IUPUCATA

1 1 JAN. 2001

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Brevet d'invention

Dispositif transportable et ouvert, intégrant une tête laser auto-adaptative, pour découper ou souder des tronçons de tubes d'une canalisation sur terre ou en mer en utilisant un générateur laser.

Nom du déposant : Michel Gareaux

La présente invention a pour but de souder et découper tout objet inscriptible dans un cylindre quelconque correspondant aux dimensions des courses du dispositif avec un laser C02 multikilowatts.

La présente invention est en particulier destinée à souder et découper des 5 canalisations pour des transports 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 10 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 diamètre 600mm 15 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 20 découpes et des soudures automatiquement, sur des tronçons de tubes par exemple, qui peuvent avoir des diamètres importants, avec un dispositif facilement transportable et résistant à des conditions d'environnement sévères.

Le cycle de ce compas motorisé consiste à faire effectuer une rotation complète plus quelques degrés supplémentaires pour le recouvrement de la 25 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

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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 motorisation en traînant la tête 5 laser par rapport au bras secondaire sera de l'ordre de 365°.

Ces 3 motorisations seront pilotées par une commande numérique programmable de telle sorte qu'elle fasse décrire à la tête laser un cercle parfait à vitesse programmée.

On sait que la soudure laser C02 a pour effet d'obtenir un cordon de soudure 10 très fin et une zone thermique affectée réduite. Il est donc nécessaire d'avoir un suivi des 2 pièces à souder précis. Nous appellerons ce suivi des deux bords « 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 ».

15 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 dispositif. Ces réflexions nous ont conduit à ajouter deux axes supplémentaires dans la tête 20 laser elle-même et 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 90° 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 25 effectuer la tête, matérialisé par les deux matériaux placés bord à bord ou matérialisé par un tracé quelconque sur les pièces à souder ; ce tracé sera lu par un détecteur électromagnétique 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 30 commande numérique, de piloter en circuit fermé et en automatique, sans progammation, le suivi de peau et le suivi de joint, soit les axes X et Z intégrés dans la tête laser auto-adaptative.

Le compas motorisé avec la tête laser auto-adaptative permettront de pouvoir palier aux défauts de positionnement du tube à découper ou à souder par rapport 35 au dispositif, dans la limite de la course des 2 axes intégrés de la tête qui est de l'ordre de 200 mm 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 « offshore » ou sur un camion pour pose « onshore ». 40 L'ensemble source laser et compas motorisé, équipé de sa tête laser, seront

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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 l'intermédiaire d'une plate-forme motorisée d'un camion de pose pour l'utilisation sur terre.

5 Celui-ci, dans le cas d'un déplacement possible du tube pendant l'opération de soudage, sur un bateau par forte houle, peut être équipé de rails de guidage qui permettrons de pouvoir atteler le dispositif au tube par bridage mécanique ou de piloter par un moteur et un détecteur pour le suivi de joint du tube.

Hormis cet attelage, aucun contact avec le tube n'est requis.

10 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 Kw, on peut considérer souder en une passe jusqu'à 15mm d'épaisseur .

Dans la pratique les tronçons de tube à souder sont maintenus bord à bord, le

15 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 modifié. Cette tête permettra de pouvoir effectuer des réparations, par exemple découper une couronne contenant une partie

20 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 se référant aux figures des plans joints sur lesquels :

25 - La fig. 1 est un schéma général du dispositif en élévation pour usinage de canalisations ne présentant pas de déplacements intempestifs du tube pendant l'opération de soudage, 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 ou ne sont

30 représentés que les bras équipés et la tête laser auto adaptative.

- La fig.4 et la fig. 5 représentent 2 coupes de la tête laser auto adaptative.

- 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.

35 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 B0 très rigide et stabilisé sur lequel sont solidarisés la source laser et le bâti Bl.

40 Le bâti Bl a pour objet de supporter la première rotation 1 qui est équipée de

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son moto-réducteur à arbre creux Ml, accouplé à 1 broche de haute précision, au centre de laquelle le faisceau laser entre dans le dispositif. L'arbre tournant de la rotation Ml est solidarisé au premier bras du compas Cl 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.l 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 parcourra la rotation 2 pour un cycle complet ainsi que la position des bras Cl et C2 en fin de cycle figurés en pointillés respectivement 8 et9 . On notera que l'on trouve la tête T au même endroit au départ du 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 Ml (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 Cl .

Un miroir plan RI réfléchit le faisceau laser sur le miroir R

A l'intérieur du bras Cl au bout duquel on trouve la deuxième rotation 2 équipée d'un réducteur à arbre creux entraînant la broche de haute précision

5 et motorisée par le moteur M2 par l'intermédiaire d'une courroie sur l'entraînement primaire du réducteur.

L'arbre de la broche 5 est solidarisée au deuxième bras C2 et l'entraîne en rotation ; à 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 90° 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 12 se déplace linéairement selon l'axe Z sur des glissières prismatiques de haute précision 16 par des patins à billes 17 avec une course de l'ordre de 200 mm sur cette représentation. Elle est entraînée par une vis à billes 18, par une courroie et poulies crantées 19 et son moteur M4 que l'on a représenté sur la fig.4. Quelque soit la position de la table 12, le miroir R6 regarde toujours le miroir R5 sous le même angle et réfléchit dons le faisceau laser sur le miroir

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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 T1 ; La table 13 est solidarisée à 5 la table 12 par l'intermédiaire de deux glissières prismatiques 20 sur deux patins à billes 21 de telle manière qu'elles 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 micro moteur à vis à billes intégrée M5 .

Le détecteur 10, ici représenté par une caméra laser, est fixé mécaniquement 10 sur la rallonge 22 solidaire de la chambre de focalisation T1 . 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 B0 a 15 été rallongé et sur lequel on a fixé 2 glissières rectifiées 24 . Le bâti support compas Bl est alors équipé de patins 25 lui permettant de se déplacer en translation sur les glissières 24 ici représentées avec une longueur de 3 m avec une précision de l/100eme de mm par mètre, afin que le faisceau produit par la source laser L passe toujours par le centre de la rotation RI, sans 20 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 l'arrivée du faisceau sur le bâti mobile Bl.

Le bâti mobile Bl est alors solidarisé mécaniquement avec 2 mors ou toute 25 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 l/10eme de mm près.

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Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Dispositif utilisant un générateur laser L pour découper ou souder sur 5 n'importe quelle canalisation qui peut être de longueur infinie en intervenant à

un endroit quelconque de celle-ci, caractérisé par deux bras porteurs Cl et C2 et une tête de focalisation de faisceau laser T, qui sont entraînés en rotation chacun à chacun par trois broches motorisées 1, 2, et 3 à arbre creux, permettant au dispositif de replier ses bras en agissant sur une commande manuelle des 10 moteurs ou en programment une séquence spécifique sur la commande numérique, avant que de mettre la tête laser T en position de travail et lui faire décrire un cercle autour de la canalisation tout la maintenant à la normale de la surface du tube à usiner ; le faisceau laser issu de son générateur L est transporté jusqu'à la tête laser T ou il est focalisé par un miroir parabolique R7 en étant 15 préalablement réfléchi par six miroirs plans RI R2 R3 R4 R5 R6 et passant par le centre des broches à arbre creux à l'intérieur des bras porteurs et de la tête T.

2. Dispositif selon la revendication 1 ou les bras Cl 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

20 indépendamment ; ces bras ont suffisamment de raideur pour qu'il n'y ait pas de déformation risquant de dévier de façon significative le faisceau laser qui est transporté jusqu'à la tête.

3. Dispositif selon les revendications 1 et2 qui est ouvert et capable d'intervenir sur une canalisation de longueur infinie, grâce aux bras motorisés et

25 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, liant en rotation le bâti Bl au bras Cl puis au bras C2 et enfin à la tête laser T.

4. Dispositif selon les revendications 1 à 3 suffisamment compact et léger 30 pour être installé sur une plate forme auto élévatrice 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 avec des mors de serrage P sur la fig.2 qui entraîneront seulement le bâti Bl son chemin optique télescopique, les 35 deux bras avec la tête laser ; on comprend que le dispositif ainsi positionné ne le sera que d'une manière approximative soit à environ 80mm près, mais que le détecteur 10 fixé sur la tête T, se positionnera sur le plan de joint et compensera en automatique aussi bien les défauts du plan de joint à souder que la mise en place du dispositif par rapport à la canalisation à usiner, ceci dans la limite des

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courses des deux axes de la tête T, prévus à cette effet et qui sont de 200 mm en utilisation classique.

5. Tête laser autoadaptative T selon les revendications 1 à 4 intégrant deux axes X et Z permettant d'être pilotés indépendamment du cycle des 3 axes de 5 rotation des bras Cl et C2 du dispositif et qui compensera en automatique les défauts de suivi du plan de joint à souder aussi bien qu'il maintiendra à distance constante la tête laser par rapport à la peau du tube au 1/ème de mm près.

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