TITRE : Dispositif de soudage de tube, ligne de production le comprenant, et procédé de soudage de tubes associé

Domaine technique

L’invention concerne, de manière générale, le soudage de tubes.

L’invention concerne en particulier le soudage bout à bout de tubes en métal recouverts d’un revêtement métallique sur leur surface interne pour la fabrication de canalisations longues pour le transport de gaz ou de pétrole.

L’invention est cependant applicable à tous les secteurs requérant le soudage de tubes comprenant un revêtement.

Techniques antérieures

La production de longues canalisations, par exemple pour le transport de gaz ou de pétrole, nécessite de souder bout à bout plusieurs tubes ayant parfois un diamètre de plusieurs dizaines de centimètres de diamètre et une longueur de plusieurs mètres.

La complexité de soudage de ces tubes bout à bout est augmentée lorsque les tubes sont recouverts d’un revêtement métallique sur leur surface interne. Ce revêtement est par exemple de l’ acier inoxydable, et permet d’empêcher une dégradation du tube par son contenu. Ce tube de soudage est rendu complexe par la combinaison de plusieurs matériaux différents aux propriétés métallurgiques, mécaniques et thermiques différentes.

Dans les systèmes actuels de production de ces canalisations, le soudage de tubes est effectué majoritairement par l’extérieur de la canalisation. Les propriétés mécaniques d’une soudure bout à bout de deux tubes claddés, c’est-à-dire de tubes avec un revêtement métallique intérieur, sont donc limitées par les propriétés des consommables de soudage existants si le soudage ne s’effectue que de l’extérieur.

De plus, les contrôles non destructifs nécessaires après soudage restent conservatifs du fait de la présence de plusieurs matériaux et spécifiquement de matériaux austénitiques. Par ailleurs, lorsque le soudage comprend une étape de soudage depuis l’intérieur des tubes, une opération additionnelle comme par exemple le meulage des cordons de soudure est nécessaire afin que la soudure soit suffisamment qualitative, ce qui génère une perte de temps dans le processus de production voire même une impossibilité technique.

Exposé de l’invention La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités en augmentant la productivité et la qualité de la soudure entre deux tubes comprenant un revêtement interne et aussi d’ augmenter les caractéristiques de l’ assemblage final.

La présente invention a pour objet un dispositif de soudage automatique de tubes bout à bout comprenant un poste de soudage destiné à entrer dans un tube et un poste de commande et de contrôle destiné à être à l’extérieur du tube, le poste de soudage comprenant : une tête de soudage orbital laser avec une amenée de métal d’ apport, un système de contrôle visuel de soudage, et au moins un système de blocage en position du poste de soudage dans le tube, le poste de commande et de contrôle comprenant une source de puissance laser, une source de puissance électrique, une source de fluides de protection, et une unité de commande.

Ainsi, la production d’un long tube comprenant un revêtement interne, par exemple composé de plusieurs tubes de longueur définie et raboutés entre eux, est rapide et contrôlée en temps réel grâce à l’invention. De plus, le soudage est plus homogène du fait de son automatisation et surtout du soudage interne. En outre, les opérations de meulage ne sont plus nécessaires. Avantageusement, le dispositif de soudage comprend un moyen d’extraction sortant du poste de soudage et configurée pour être agrippée afin de faire sortir ou entrer le poste de soudage dans le tube. De manière préférentielle, le moyen est une tige rigide qui pourrait aussi être remplacée par une motorisation télécommandée ou radiocommandée. Avantageusement, le dispositif de soudage comprend un système de connexion entre le poste de soudage et le poste de commande et de contrôle.

Avantageusement, l’ amenée de métal d’ apport est configurée pour amener un consommable de soudage là où s’ opère l’ opération de soudage.

La présente invention a également pour objet une ligne de production pour soudage de tubes comprenant un dispositif de soudage tel que précédemment décrit, et comprenant des convoyeurs de tubes, des stations de soudages, des systèmes d’alignement de tubes, un système d’ amenée de nouveaux tubes, un système de positionnement et un système de protection laser destiné à être positionné autour de la surface externe de deux tubes à souder avec le dispositif de soudage.

Avantageusement, la ligne de production comprend un équipement de soudage par l’extérieur des tubes.

La présente invention a également pour objet un procédé de soudage de tubes bout à bout comportant les étapes suivantes :

- Préparation des extrémités des tubes à souder ;

- Positionnement et alignement face à face des tubes à souder ;

- Réalisation d’ au moins une passe de soudage par l’extérieur des tubes ;

- Réalisation d’ au moins une passe de soudage par l’intérieur des tubes avec un dispositif de soudage tel que décrit précédemment ;

- Contrôle visuel de l’ au moins une passe de soudage par l’intérieur des tubes avec le système de contrôle visuel de soudage.

Avantageusement, l’étape de préparation des extrémités des tubes comprend la formation d’un chanfrein extérieur et d’un chanfrein intérieur à l’extrémité de chaque face de tube.

Avantageusement, l’étape de réalisation de l’ au moins une passe de soudage par l’extérieur est réalisée avant et/ou après l’étape de réalisation d’ au moins une passe de soudage par l’intérieur. A noter que les tubes revêtus à l’ intérieur par un métal inoxydable doivent d’abord subir une première passe externe. Avantageusement, l’étape de contrôle visuel de l’ au moins une passe de soudage par l’intérieur des tubes comprend un contrôle de la coloration et de la géométrie du cordon de soudage.

Dans un mode de mise en œuvre, le procédé de soudage comprend une étape d’installation d’un système de protection laser à l’extérieur des tubes avant l’étape de réalisation d’au moins une passe de soudage par l’intérieur des tubes.

Dans un mode de mise en œuvre, entre chaque soudage de deux tubes, on déconnecte le poste de soudage du poste de commande et de contrôle du dispositif de soudage de manière à aligner les tubes face à face, le poste de soudage restant dans le tube soudé précédemment en attendant d’être reconnectée au poste de commande et de contrôle.

Dans un autre mode de mise en œuvre, entre chaque soudage de deux tubes, on retire le poste de soudage du tube soudé précédemment de manière à aligner les tubes face à face avant de réintroduire le poste de soudage dans le tube.

Brève description des dessins

D’ autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

[Fig 1] illustre schématiquement différents éléments d’un dispositif de soudage selon l’invention ;

[Fig 2] illustre schématiquement différents éléments d’une ligne de production selon l’invention ;

[Fig 3] illustre les différentes étapes du procédé de soudage de tubes selon l’invention ; et [Fig 4] illustre différentes étapes de soudage du procédé selon l’invention.

Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté sur la figure 1 différents éléments d’un dispositif de soudage 1 automatique de tubes creux 2 selon l’invention.

Le dispositif de soudage 1 automatique de tubes 2 permet de relier bout à bout des tubes 2 et comprend un poste de soudage 3 et un poste de commande et de contrôle 4.

Il est précisé que le soudage orbital laser s’effectue autour de l’ axe dudit tube à souder.

Le poste de soudage 3 est destiné à entrer dans un tube 2 afin de souder des tubes 2 bout à bout depuis l’intérieur de ces tubes 2. Les tubes 2 à souder sont par exemple des tubes 2 dont l’intérieur comprend un revêtement (non représenté), par exemple anti-corrosion, afin de transporter des fluides tels que du gaz ou du pétrole sans endommager les tubes 2.

Le poste de soudage 3 comprend une tête de soudage 5 orbital laser à 360°, une amenée 6 de métal d’ apport permettant de fournir le métal nécessaire au soudage, un système de contrôle visuel de soudage (non représenté), et un système de blocage en position (7a, 7b, 7c, 8a, 8b) du poste de soudage 3 dans le tube 2.

Le poste de commande et de contrôle 4 est destiné à être placé à l’extérieur du tube 2.

Le poste de commande et de contrôle 4 comprend une source de puissance laser 9, une source de puissance électrique 10, une source de fluides de protection et idéalement de refroidissement 11 , une unité de commande 12. Il est à préciser, que les fluides de protection peuvent être divers, par exemple : eau, air, gaz inerte et leur fonctionnement peuvent être simultanés à travers des circuits de fonctionnements et de circulation différents. Le consommable de soudage est embarqué dans l’équipement de soudage.

Le dispositif de soudage 1 automatique comprend également une tige 14 rigide sortant du poste de soudage 3 vers l’extérieur des tubes 2 et configurée pour être agrippée afin de faire sortir ou entrer le poste de soudage 3 dans le tube 2. Par exemple, la tige 14 mesure plusieurs mètres de long et comprend une poignée 15 à son extrémité sortant du tube 2. De manière alternative, la tige peut être remplacée par un système de télécommande apte à contrôler un moteur relier aux moyens de déplacements du dispositif de soudage.

Le dispositif de soudage 1 automatique comprend un système de connexion 16 entre le poste de soudage 3 et le poste de commande et de contrôle 4. Ce système de connexion 16 permet de déconnecter puis de reconnecter rapidement le poste de soudage 3 au poste de commande et de contrôle 4 à chaque fois qu’un nouveau tube 2 est positionné au bout du tube 2 précédent pour être soudés ensemble. La connexion s’effectue par l’intermédiaire d’un câble 17 comprenant des fils comprenant le faisceau laser, les fluides de protection et idéalement de refroidissement, le courant électrique, ainsi que la câbles de commande contenant les informations nécessaires pour contrôler la machine.

La tête de soudage 5 orbital laser à 360° comprend une buse en cuivre au travers de laquelle passe le faisceau laser. Elle peut pivoter à 360° de manière à souder sur tout le périmètre interne des tubes 2 à souder. Elle est complétée par l’ amenée 6 de métal d’ apport qui débouche au même endroit.

Le dispositif de soudage de tube permet ainsi de faire focaliser un faisceau laser entre les deux tubes à souder tout en amenant dans la même zone un métal d’ apport sous la forme d’un fil métallique.

L’ amenée 6 de métal d’ apport permet d’ amener le métal d’ apport par une gaine fil depuis une source de métal d’ apport 13 jusqu’ à proximité de la tête de soudage 5 orbital.

Le système de contrôle visuel de soudage permet de définir la zone à souder avant le soudage, de contrôler le soudage pendant l’ opération et de vérifier que le soudage est correctement effectué après l’ opération de soudage. Par exemple, le système de contrôle visuel de soudage est une caméra ou un profilomètre laser.

Le système de blocage en position du poste de soudage 3 dans le tube 2 comprend un premier groupe de trois éléments de blocage 7a, 7b et 7c et un second groupe de deux éléments de blocage 8a et 8b. A noter, qu’il est possible d’ avoir un élément de blocage, ceci n’est pas limitatif, de préférence on en a une multitude. En particulier, les éléments de blocages 7a, 7b, 7c, 8a et 8b comprennent des tiges ou des mécanismes se déplaçant radialement de l’ axe central du tube 2 vers la paroi intérieure de ce dernier pour venir en appui sur ladite paroi afin de bloquer le poste de soudage 3 dans sa position axiale le long du tube 2. Par exemple, le premier groupe de trois éléments de blocage 7a, 7b et 7c comprend, pour chacun des éléments de blocage, trois roulettes positionnées à 120° dont l’écartement par rapport à l’ axe du tube 2 est ajustable. Le second groupe de deux éléments de blocage 8a et 8b comprend, pour chacun des éléments de blocage placés de part et d’autre du joint 18 à souder, une rampe de piston permettant de maintenir les deux tubes 2 face à face et de stabiliser le poste de soudage 3. Le soudage s’effectue ainsi avec plus de précision, le poste de soudage 3 ne pouvant pas se déplacer. Le système de blocage est par exemple un système de blocage pneumatique et comprend un réservoir 19 d’ air comprimé.

La source de puissance laser 9 est placée à l’extérieur des tubes 2 et permet de générer un faisceau laser qui est ensuite dirigé jusqu’ à la tête de soudage 5.

La source de fluides de protection 11 est placée à l’extérieur des tubes 2 et permet d’envoyer des fluides tels que de l’eau pour un circuit de refroidissement, de l’ air, par exemple pour le système de blocage pneumatique et du gaz de soudage pour protéger l’environnement de la zone de soudure.

L’unité de commande 12 contrôle et commande automatiquement tous les paramètres de soudage. En outre, l’unité de commande 12 peut contrôler et commander automatiquement par exemple les mécanismes de positionnement de la tête de soudage, de rotation, et de contrôle visuel. Le système de positionnement de la tête de soudage permet en temps réel de bien centrer le dispositif selon l’invention et la tête de soudage laser associée tout au long du soudage par rapport au plan de joint entre les tubes à rabouter.

On a représenté sur la figure 2 une ligne de production 20 pour soudage de tubes 2 comprenant un dispositif de soudage 1 automatique précédemment décrit.

La ligne de production 20 permet, à partir de tubes de moyenne taille 21 , d’ assembler par soudage bout à bout ces tubes 21 de manière à produire un long tube 22 pour le transport de fluides. La ligne de production 20 comprend des convoyeurs 23 de tubes, des stations de soudages 24, des systèmes d’ alignement 25 de tubes, un système d’ amenée 26 de nouveaux tubes 21 et un système de protection laser 27 destiné à être positionné autour de la surface externe de deux tubes à souder avec le dispositif de soudage 1.

En outre, la ligne de production comprend un système de protection de l’ opérateur.

La ligne de production 20 comprend également un équipement de soudage par l’extérieur des tubes, non représenté. L’équipement de soudage par l’extérieur des tubes permet de compléter le soudage interne du dispositif de soudage 1.

Les convoyeurs 23 comprennent par exemples des rouleaux permettant de centrer et faire circuler le long de son axe le long tube 22 formé par la mise bout à bout des tubes de moyenne taille 21.

Les stations de soudage 24 sont les emplacements auxquels sont placés les dispositifs de soudage 1 interne ou les équipements de soudage externe.

Les systèmes d’ alignement 25 de tubes 21 sont des systèmes de centrage de nouveaux tubes de moyenne taille 21 lors de leur mise bout à bout avec les tubes déjà soudés.

Le système d’ amenée 26 de nouveaux tubes permet d’ amener les tubes de moyenne taille 21 vers les systèmes d’ alignement 25.

Lors de l’amenée et de l’ alignement d’un nouveau tube de moyenne taille 21 , il y a déconnexion du câble 17 reliant le poste de soudage 3 et le poste de commande et de contrôle 4.

Le système de protection laser 27 est un système placé à l’extérieur du joint 18 à souder par le poste de soudage 3. Par exemple, il s’ agit d’un anneau opaque. Il permet, lors du soudage, de ne pas laisser le faisceau laser du poste de soudage 3 diverger vers l’extérieur et blesser un opérateur ou endommager du matériel.

La ligne de production 20 munie du dispositif de soudage 1 automatique permet de mettre en œuvre le procédé représenté sur les figures 3 et 4.

Le procédé selon l’invention permet, entre autres, d’augmenter les caractéristiques mécaniques des soudures, notamment sur les tubes dits claddés inconel, i.e. métal plaqué avec de l’inconel, en réalisant la combinaison d’une première passe de soudage extérieure avec un métal d’ apport en acier, puis une reconstitution de la couche de clad avec un métal d’ apport en base nickel, puis finalisation de la soudure par l’extérieur avec un métal d’ apport acier.

Ainsi, le procédé de soudage de tubes bout à bout comporte une première étape 31 de préparation des extrémités des tubes 2 à souder. L’étape 31 de préparation des extrémités des tubes 2 à souder comprend la formation d’un chanfrein extérieur 28 et d’un chanfrein intérieur 29 à l’extrémité de chaque tube 2.

Le procédé comprend ensuite une étape 32 de positionnement et d’ alignement face à face des tubes 2 à souder.

Le procédé comprend ensuite des étapes de soudage avec en premier lieu la réalisation (étape 33) d’une passe de soudage avec l’équipement de soudage par l’extérieur des tubes 2.

Puis, on installe lors d’une étape 34, un système de protection laser 27 à l’extérieur des tubes 2 à l’emplacement où le soudage interne de l’étape 35 suivante a lieu.

Durant l’étape 35 suivante, on réalise une passe de soudage par l’intérieur des tubes 2 avec le poste de soudage 3.

Par exemple, on réitère l’étape 35 précédente pour réaliser une seconde passe de soudage par l’intérieur des tubes 2 avec le poste de soudage 3. Ainsi, le chanfrein intérieur 29 est comblé par le métal de soudage, de composition métallurgiquement compatible avec le revêtement interne du tube.

Dans un mode de réalisation, on réitère l’étape 33 de réalisation d’une passe de soudage avec l’équipement de soudage par l’extérieur des tubes 2, et ce suffisamment de fois pour combler le chanfrein extérieur 28.

Enfin, on contrôle visuellement lors d’une étape 36 les passes de soudage par l’intérieur des tubes 2 avec le système de contrôle visuel de soudage. Par exemple, la coloration et la géométrie du cordon de soudage sont contrôlées.

Afin de mettre en œuvre ce procédé de manière industrielle, on déconnecte entre chaque soudage de deux tubes 2 le poste de soudage 3 du poste de commande et de contrôle 4 du dispositif de soudage 1 de manière à aligner les tubes 2 face à face, le poste de soudage 3 restant dans le tube 2 soudé précédemment en attendant d’être reconnectée au poste de commande et de contrôle 4.

Dans un autre mode de mise en œuvre alternatif, on retire le poste de soudage 3 du tube 2 entre chaque soudage de deux tubes 2 de manière à aligner les tubes 2 face à face avant de réintroduire le poste de soudage 3 du dispositif de soudage 1.

Le procédé mis en œuvre dans le cadre de l’invention permet de s’ affranchir de l’étape de meulage lors de la reconstitution de la couche de cladding ce qui est un avantage de l’invention.