FR2680991A1 - Laser working head in a tube - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne une tête de travail au laser dans un tube. Elle s'applique en particulier au soudage dans des tubes d'eau primaire d'un générateur de vapeur d'un réacteur nucléaire à eau sous pression. The present invention relates to a laser working head in a tube. It applies in particular to welding in primary water tubes of a steam generator of a pressurized water nuclear reactor.
On connaît déjà dans l'état de la technique une tête de travail au laser, ou tête laser, du type délimitée par une paroi tubulaire comportant une fenêtre de passage pour un faisceau laser, à travers laquelle le faisceau laser atteint une zone de travail située en regard de la fenêtre. There is already known in the prior art a laser work head, or laser head, of the type delimited by a tubular wall comprising a passage window for a laser beam, through which the laser beam reaches a work area located next to the window.
Au cours d'une opération de soudage dans un tube d'eau primaire, de faible diamètre, d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire, une tête laser de ce type est soumise à une température élevée au voisinage de la fenêtre de passage du faisceau laser. Les différents éléments constituant la tête laser se dilatent et se dé for- ment en fonction de la répartition de la chaleur dans la tête laser. On constate que l'échauffement de la tête laser, pendant l'opération de soudage, provoque un cintrage de celle-ci par rapport à l'axe initial de sa paroi tubulaire. Lorsque la tête laser n'est plus en fonction, elle se refroidit sans recouvrer exactement sa forme initiale. During a welding operation in a primary water tube, of small diameter, of a nuclear reactor steam generator, a laser head of this type is subjected to a high temperature in the vicinity of the passage window of the laser beam. The different elements making up the laser head expand and deform as a function of the distribution of heat in the laser head. It is noted that the heating of the laser head, during the welding operation, causes it to bend relative to the initial axis of its tubular wall. When the laser head is no longer in use, it cools down without exactly recovering its initial shape.
En effet, on constate qu'après refroidissement, la tête laser présente un cintrage suivant une courbure opposée au cintrage dû à l'échauffement.In fact, it can be seen that after cooling, the laser head has a bending in a curvature opposite to the bending due to heating.
Habituellement, on effectue des opérations de soudage successives dans plusieurs tubes d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. La tête laser se refroidit pendant les déplacements d'un tube à un autre et, dans un même tube, d'une soudure à la suivante. La tête laser est donc soumise à des échauffements et des refroidissements successifs conduisant à une déformation persistante de la tête laser, celle-ci présentant à la longue une forme cintrée par rapport à son axe initial. Usually, successive welding operations are carried out in several tubes of a steam generator of a pressurized water nuclear reactor. The laser head cools down as it travels from one tube to another and, from one tube, from one weld to the next. The laser head is therefore subjected to successive overheating and cooling leading to persistent deformation of the laser head, the latter having in the long run a curved shape with respect to its initial axis.
L'invention a pour but d'améliorer la rectitude d'une tête laser tubulaire malgré les échauffements et refroidissements successifs de celle-ci, afin d'augmenter la durée de vie de la tête laser et, en particulier, afin d'effectuer des opérations de soudage successives dans des tubes d'eau primaire d'un générateur de vapeur de réacteur nucléaire à eau sous pression. The object of the invention is to improve the straightness of a tubular laser head despite the successive heating and cooling thereof, in order to increase the lifetime of the laser head and, in particular, in order to perform successive welding operations in primary water tubes of a steam generator of a pressurized water nuclear reactor.
A cet effet, l'invention a pour objet une tête laser du type précité caractérisée en ce que la paroi tubulaire comporte une zone localisée, entourant la fenêtre, d'épaisseur réduite. To this end, the subject of the invention is a laser head of the aforementioned type, characterized in that the tubular wall comprises a localized zone, surrounding the window, of reduced thickness.
Suivant d'autres caractéristiques de l'invention:
- la zone d'épaisseur réduite est un évidement ménagé dans la surface externe de la paroi tubulaire
- la zone d'épaisseur réduite est, vue en plan, de forme circulaire, ou bien, suivant un autre mode de réalisation, la zone d'épaisseur réduite est de forme oblongue, cette zone s'étendant en longueur suivant 1 ' axe longitudinal de la paroi tubulaire
- la paroi tubulaire comporte au moins deux orifices de passage d'un gaz débouchant à la surface externe de la zone d'épaisseur réduite, disposés de part et d'autre de la fenêtre de passage du faisceau laser, et orientés vers la zone de travail
- les deux orifices sont disposés sur un même plan diamétral de la paroi tubulaire
- la zone d'épaisseur réduite de la paroi tubulaire a une épaisseur d'environ la moitié de l'épaisseur du reste de la paroi tubulaire
- la zone d'épaisseur réduite est centrée sur l'axe de la fenêtre de passage du faisceau laser. According to other characteristics of the invention:
- the zone of reduced thickness is a recess formed in the external surface of the tubular wall
the zone of reduced thickness is, in plan view, of circular shape, or else, according to another embodiment, the zone of reduced thickness is of oblong shape, this zone extending in length along the longitudinal axis of the tubular wall
the tubular wall comprises at least two orifices for the passage of a gas opening onto the external surface of the zone of reduced thickness, arranged on either side of the window for passage of the laser beam, and oriented towards the zone of job
- the two orifices are arranged on the same diametral plane of the tubular wall
- the zone of reduced thickness of the tubular wall has a thickness of approximately half the thickness of the rest of the tubular wall
the reduced thickness zone is centered on the axis of the window for the passage of the laser beam.
Des exemples de réalisation de l'invention vont etre décrits ci-dessous en se référant aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une tête laser selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue partielle de côté de cette tête laser suivant la flèche 2 de la figure 1
- la figure 3 est une vue en demi-coupe selon la ligne 3-3 de la figure 2
- la figure 4 est une vue similaire à la figure 2 d'une tête laser suivant un second mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 5 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une tête laser selon un troisième mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne 6-6 de la figure 5.Examples of embodiments of the invention will be described below with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a longitudinal sectional view of part of a laser head according to a first embodiment of the invention;
- Figure 2 is a partial side view of this laser head according to arrow 2 in Figure 1
- Figure 3 is a half-sectional view along line 3-3 of Figure 2
- Figure 4 is a view similar to Figure 2 of a laser head according to a second embodiment of the invention;
- Figure 5 is a longitudinal sectional view of part of a laser head according to a third embodiment of the invention;
- Figure 6 is a sectional view along line 6-6 of Figure 5.
On voit sur la figure 1 une tête laser 10, suivant un premier mode de réalisation de l'invention, destinée à raccorder bout à bout, par soudage, deux tubes 12,14 de faible diamètre. Suivant une variante, les deux tubes 12,14 pourraient être emboîtés l'un dans l'autre. FIG. 1 shows a laser head 10, according to a first embodiment of the invention, intended to connect end to end, by welding, two tubes 12, 14 of small diameter. According to a variant, the two tubes 12, 14 could be fitted one inside the other.
Suivant une autre variante, la tête laser 10 pourrait être utilisée pour fixer par soudage un manchon de réparation dans un tube, conformément à la technique couramment utilisée pour l'entretien des tubes d'eau primaire des générateurs de vapeur des réacteurs nucléaires à eau sous pression.According to another variant, the laser head 10 could be used to fix by welding a repair sleeve in a tube, in accordance with the technique commonly used for the maintenance of primary water tubes of steam generators of nuclear water reactors under pressure.
On n'a représenté sur la figure 1 que la région de cette tête 10 comportant un dispositif optique 16 de focalisation du faisceau laser et une fenêtre 18 de passage du faisceau laser focalisé. FIG. 1 shows only the region of this head 10 comprising an optical device 16 for focusing the laser beam and a window 18 for the passage of the focused laser beam.
Dans la région représentée, la tête 10 comprend une double paroi constituée d'une paroi tubulaire interne 20 et d'une paroi tubulaire externe 22 délimitant entreelles un espace annulaire 24. In the region shown, the head 10 comprises a double wall consisting of an internal tubular wall 20 and an external tubular wall 22 delimiting between them an annular space 24.
Le dispositif optique 16 comprend un jeu de lentilles 26,28 et une fibre optique 40, conduisant le faisceau laser, positionnés par des moyens connus, non décrits, à l'intérieur de la paroi tubulaire 20. The optical device 16 comprises a set of lenses 26, 28 and an optical fiber 40, conducting the laser beam, positioned by known means, not described, inside the tubular wall 20.
Les lentilles 26,28 comportent des encoches périphériques 41 délimitant des passages pour un gaz utilisé habituellement au cours des opérations de soudage en atmosphère contrôlée. The lenses 26, 28 have peripheral notches 41 delimiting passages for a gas usually used during welding operations in a controlled atmosphere.
La fenêtre 18 de passage du faisceau laser est délimitée par la surface interne d'un collet cylindrique 42 reliant les parois tubulaires 20,22 entre elles. L'axe
Y-Y de ce collet cylindrique 42 est radial par rapport à l'axe X-X de la tête laser 10. On voit donc sur la figure 1 que, par rapport à la fenêtre 18, l'espace annulaire 24 comporte une partie amont 24A et une partie aval 24B qui communiquent entre elles. La partie 24B est obturée vers l'aval de la tete par des moyens non représentés.The window 18 for the passage of the laser beam is delimited by the internal surface of a cylindrical collar 42 connecting the tubular walls 20, 22 between them. The axis
YY of this cylindrical collar 42 is radial with respect to the axis XX of the laser head 10. It can therefore be seen in FIG. 1 that, with respect to the window 18, the annular space 24 comprises an upstream part 24A and a part downstream 24B which communicate with each other. Part 24B is closed downstream of the head by means not shown.
Un miroir 43 de renvoi du faisceau laser est disposé en aval du dispositif optique 16. Il présente une face active 44, inclinée à 45"par rapport à l'axe X-X de la tête, renvoyant le faisceau laser focalisé, par la fenêtre de passage 18, sur une zone de travail ou de soudage, à la jonction des deux tubes 12,14. A mirror 43 for returning the laser beam is disposed downstream of the optical device 16. It has an active face 44, inclined at 45 "relative to the axis XX of the head, returning the focused laser beam, through the passage window 18, on a work or welding area, at the junction of the two tubes 12,14.
On voit également sur la figure 1 que la paroi externe 22 de la tête 10 comporte une zone 46 d'épaisseur radiale réduite entourant la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. Cette zone 46 est constituée par un évidement de profondeur sensiblement constante ménagé dans la surface externe de la paroi tubulaire 22. It can also be seen in FIG. 1 that the external wall 22 of the head 10 has an area 46 of reduced radial thickness surrounding the window 18 for the passage of the laser beam. This zone 46 is formed by a recess of substantially constant depth formed in the external surface of the tubular wall 22.
Deux orifices 48,50 sont percés obliquement à travers la paroi externe 22 respectivement aux extrémités aval et amont de l'évidement 46. Les orifices obliques 48,50 sont disposés symétriquement de part et d'autre du collet cylindrique 42, dans un même plan diamétral de la paroi tubulaire 22. Ainsi, chaque orifice oblique communique avec l'espace annulaire 24, respectivement avec les parties 24A et 24B de celui-ci, et est dirigé sensiblement vers le point d'impact du faisceau laser, à la jonction des deux tubes 12,14. Two orifices 48.50 are drilled obliquely through the external wall 22 respectively at the downstream and upstream ends of the recess 46. The oblique orifices 48.50 are arranged symmetrically on either side of the cylindrical collar 42, in the same plane diametral of the tubular wall 22. Thus, each oblique orifice communicates with the annular space 24, respectively with the parts 24A and 24B thereof, and is directed substantially towards the point of impact of the laser beam, at the junction of the two tubes 12,14.
L'évidement 46 est montré plus en détail aux figures 2 et 3. On voit à la figure 2 que l'évidement 46 a une forme oblongue, l'évidement s'étendant en longueur parallèlement à l'axe X-X de la tête laser 10. On voit également sur cette figure que l'évidement 46 a pour axe de symétrie l'axe Y-Y de la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. Plus précisément, en vue en plan (figure 2), l'évidement 46 est délimité par deux côtés longitudinaux rectilignes 46A reliés par deux arrondis d'extrémité 46B. The recess 46 is shown in more detail in FIGS. 2 and 3. It can be seen in FIG. 2 that the recess 46 has an oblong shape, the recess extending in length parallel to the axis XX of the laser head 10 It can also be seen in this figure that the recess 46 has as its axis of symmetry the axis YY of the window 18 for the passage of the laser beam. More specifically, in plan view (FIG. 2), the recess 46 is delimited by two rectilinear longitudinal sides 46A connected by two rounded ends 46B.
On voit à la figure 4 un évidement 46 de forme différente correspondant à un second mode de réalisation de l'invention. Dans ce cas, l'évidement 46 a, en plan, une forme circulaire centrée sur l'axe Y-Y de la fenêtre 18 de passage du faisceau laser. FIG. 4 shows a recess 46 of different shape corresponding to a second embodiment of the invention. In this case, the recess 46 has, in plan, a circular shape centered on the axis Y-Y of the window 18 for the passage of the laser beam.
En service, un premier flux de gaz est envoyé à l'intérieur de la tête laser 10 jusqu'au miroir 43, via les encoches périphériques 41 des lentilles 26,28. Ce gaz sort de la tête 10 par la fenêtre 18 vers la zone de travail. In service, a first gas flow is sent inside the laser head 10 to the mirror 43, via the peripheral notches 41 of the lenses 26, 28. This gas leaves the head 10 through the window 18 towards the working area.
Par ailleurs, l'extrémité amont de l'espace annulaire 24 est reliée à une source de gaz fournissant un deuxième flux de gaz, lequel emplit les parties 24A,24B de cet espace et en sort par les orifices obliques 48,50 en formant deux jets inclinés convergeant symétriquement vers la zone de travail. Furthermore, the upstream end of the annular space 24 is connected to a gas source providing a second flow of gas, which fills the parts 24A, 24B of this space and leaves it through the oblique orifices 48.50, forming two inclined jets converging symmetrically towards the work area.
Les deux flux de gaz, l'un passant à l'intérieur de la paroi interne 20 et l'autre passant dans l'espace annulaire 24, peuvent notamment provenir d'une même sour ce. Ces deux flux de gaz peuvent être constitués par un gaz neutre tel que l'argon, l'hélium ou l'azote, contenant éventuellement une faible proportion, par exemple de l'ordre de 1%, d'un gaz actif tel que l'oxygène ou l'hydrogène. The two gas flows, one passing inside the internal wall 20 and the other passing through the annular space 24, can in particular come from the same source. These two gas flows can consist of a neutral gas such as argon, helium or nitrogen, possibly containing a small proportion, for example of the order of 1%, of an active gas such as l or hydrogen.
La paroi externe 22 de la tête laser 10 étant pourvue d'une zone d'épaisseur radiale réduite autour de la fenêtre 18, on constate que la rectitude de la tête 10 suivant son axe X-X est sensiblement maintenue après plusieurs opérations de soudage malgré les échauffements et refroidissements successifs auquel s est soumise la tête 10. The external wall 22 of the laser head 10 being provided with a zone of reduced radial thickness around the window 18, it can be seen that the straightness of the head 10 along its axis XX is substantially maintained after several welding operations despite overheating and successive cooling to which the head 10 is subjected.
Par ailleurs, la zone de travail est abondamment alimentée par du gaz qui forme un matelas entre la tête 10 et la zone de travail. Le gaz assure notamment une double protection, la première consistant à protéger le bain de fusion de l'oxydation, la seconde consistant à protéger la tête de travail de l'échauffement provoqué par le métal en fusion et des projections de métal fondu. Furthermore, the work area is abundantly supplied with gas which forms a mattress between the head 10 and the work area. The gas in particular provides double protection, the first consisting in protecting the molten bath from oxidation, the second consisting in protecting the working head from the heating caused by the molten metal and from projections of molten metal.
On voit aux figures 5 et 6 une partie de tête laser suivant un troisième mode de réalisation de l'invention. Sur ces figures, les éléments ayant des fonctions analogues aux éléments décrits dans les modes de réalisation précédents sont désignés par les mêmes références. FIGS. 5 and 6 show a part of the laser head according to a third embodiment of the invention. In these figures, the elements having functions analogous to the elements described in the previous embodiments are designated by the same references.
Ce troisième mode de réalisation de l'invention diffère des précédents par le fait que la tête laser 10 est délimitée par une paroi tubulaire 22 simple. Sur les figures 5 et 6, on n'a pas représenté les organes optiques disposés à l'intérieur de la tête 10, ces organes étant connus et similaires à ceux des précédents modes de réalisation. On voit que la paroi 22 comporte une fenêtre 18 de passage du faisceau laser et un évidement 46 ménagé autour de la fenêtre 18, sur la surface externe de cette paroi 22. Comme dans les modes de réalisation précédents, l'évidement 46 peut avoir une forme oblongue, circulaire, ou quelconque dans la mesure où il est prévu dans la région entourant la fenêtre 18. On peut également ménager l'évidement 46 sur la surface interne de la paroi 22, autour de la fenêtre 18. Dans le troisième mode de réalisation de l'invention, le gaz est amené au niveau de la zone de travail en passant par l'intérieur de la paroi 22 et par la fenêtre 18. This third embodiment of the invention differs from the previous ones in that the laser head 10 is delimited by a simple tubular wall 22. In FIGS. 5 and 6, the optical members arranged inside the head 10 have not been shown, these members being known and similar to those of the previous embodiments. It can be seen that the wall 22 has a window 18 for the passage of the laser beam and a recess 46 formed around the window 18, on the external surface of this wall 22. As in the previous embodiments, the recess 46 may have a oblong, circular, or any shape insofar as it is provided in the region surrounding the window 18. It is also possible to provide the recess 46 on the internal surface of the wall 22, around the window 18. In the third embodiment of embodiment of the invention, the gas is brought to the level of the working zone passing through the interior of the wall 22 and through the window 18.
Dans les trois modes de réalisation décrits cidessus, l'évidement 46 est ménagé sur la paroi externe de la tête laser de telle façon que la zone de cette paroi délimitée par le bord périphérique de l'évidement 46, ait une épaisseur réduite d'environ la moitié par rapport à l'épaisseur du reste de la paroi externe. In the three embodiments described above, the recess 46 is formed on the external wall of the laser head so that the area of this wall delimited by the peripheral edge of the recess 46 has a reduced thickness of approximately half the thickness of the rest of the outer wall.
De plus, dans les trois modes de réalisation décrits ci-dessus, un flux de gaz supplémentaire peut être amené jusqu'à la zone de travail en passant dans l'intervalle existant entre la paroi externe de la tete laser et la paroi interne des tubes à souder. In addition, in the three embodiments described above, an additional gas flow can be brought to the working area by passing through the gap existing between the outer wall of the laser head and the inner wall of the tubes. welding.
L'évidement 46 selon l'invention peut avoir d'autres formes, en particulier il peut être délimité par des bords obliques. The recess 46 according to the invention can have other shapes, in particular it can be delimited by oblique edges.
La zone d'épaisseur réduite entourant la fenêtre de passage du faisceau laser ainsi que la circulation du gaz au voisinage de cette fenêtre, permettent une augmentation de la durée de vie de la tête laser et une amélioration de la qualité, de la fiabilité et de la reproductibilité des soudures. The reduced thickness zone surrounding the window for the passage of the laser beam as well as the circulation of gas in the vicinity of this window, allow an increase in the life of the laser head and an improvement in the quality, reliability and the reproducibility of the welds.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR9111121A FR2680991A1 (en) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | Laser working head in a tube |
Applications Claiming Priority (1)
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| FR9111121A FR2680991A1 (en) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | Laser working head in a tube |
Publications (1)
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| FR2680991A1 true FR2680991A1 (en) | 1993-03-12 |
Family
ID=9416765
Family Applications (1)
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| FR9111121A Pending FR2680991A1 (en) | 1991-09-09 | 1991-09-09 | Laser working head in a tube |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2680991A1 (en) |
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- 1991-09-09 FR FR9111121A patent/FR2680991A1/en active Pending
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