CA2948393A1 - Systeme et methode de traitement thermique robotise par chauffage a induction - Google Patents

Abstract

Méthode et système de traitement thermique par induction d'une pièce métallique sur une zone ciblée. Selon la méthode, on effectue un traitement thermique à l'aide d'un élément thermique monté sur un système robotisé qui est apte à déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur une zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et à minimiser les écarts de température sur la zone ciblée.

Description

TITRE DE L'INVENTION
SYSTEME ET MÉTHODE DE TRAITEMENT THERMIQUE ROBOTISÉ PAR
CHAUFFAGE A INDUCTION
DOMAINE DE L'INVENTION
[0001] La présente invention est relative à un système et méthode de réparation par traitement thermique d'une pièce métallique endommagée.
CONTEXTE DE L'INVENTION

[0002] Plus du tiers du parc de production hydroélectrique d'Hydro-Québec est constitué de roues de turbine fabriquées en acier inoxydable martensitique 13Cr-4Ni (CA6NM). Les roues sont vieillissantes et des fissures résultant du chargement en fatigue apparaissent dans plusieurs installations. Pour des raisons métallurgiques, les réparations sont, jusqu'à maintenant, effectuées avec l'acier austénitique 309L. La limite élastique de cet acier est la moitié de celle du matériel de base. La résistance à la cavitation est fortement réduite.
L'utilisation d'un acier différent pour corriger les défauts engendre une hétérogénéité
microstructurale dans la zone thermiquement affectée (ZAT). Le problème est d'autant plus important que les propriétés du matériel de base autour de la zone où s'est propagée la fissure n'ont pas été en mesure de résister au temps. En résumé, l'affaiblissement de la roue due au procédé de réparation actuel engendre un problème récurrent.

[0003] Pour rétablir les propriétés mécaniques et abaisser les contraintes internes induites lors du soudage avec un fil homogène, les fabricants placent, une fois la roue complétée, la pièce entière dans un four de très grande dimension. La pièce est alors chauffée et maintenue à une température d'environ 600 C pendant plusieurs heures. La difficulté d'effectuer un tel traitement thermique in situ efficace freinait, jusqu'à maintenant, l'utilisation d'un fil homogène (410NiMo).

[0004] Ainsi, au vu des difficultés techniques actuelles, il existe donc un besoin dans ce domaine pour un traitement thermique in situ d'une pièce métallique endommagée, telle qu'une roue d'eau fissurée, sans avoir à
transporter celle-ci dans des fours de très grande dimension.

[0005] Réparation de roues de turbines

[0006] Les équipements utilisés par l'industrie hydroélectrique sont généralement de très grande dimension. Les composants comme les roues de turbine sont assemblés à partir de pièces simples coulées et usinées. Ces pièces sont ensuite soudées entre elles pour générer la roue. Comme mentionné ci-dessus, l'opération de soudage dégrade considérablement les propriétés de plusieurs aciers et génère des contraintes internes importantes. Pour assurer la qualité de l'assemblage, le manufacturier préfère placer la nouvelle pièce dans un four. Il existe donc dans ce domaine, un besoin pour une méthode fiable pour réaliser un tel traitement thermique en place sur des pièces massive de géométrie complexe.

[0007] Tel que présenté à la Figure 2, les situations pour lesquelles un traitement thermique après réparation est souhaitable sont : les fissures, les dommages causés par la cavitation et les dommages causés par l'érosion.
OBJET DE L'INVENTION

[0008] Un objet de l'invention présente est de fournir une méthode de traitement thermique par induction d'une pièce métallique sur une zone ciblée, la méthode comprenant : effectuer un traitement thermique sur la zone ciblée à
l'aide d'un élément thermique monté sur un système robotisé qui est apte à
déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur la zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et à minimiser les écarts de température sur la zone ciblée.

[0009] Un autre objectif de la présente invention est de fournir système de traitement thermique d'une zone ciblée d'une pièce métallique, comprenant un élément thermique monté sur un système robotisé qui est apte à déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur la zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et à minimiser les écarts de température sur la zone ciblée.

[0010] Avantageusement, selon un aspect préférentiel de la présente invention, la technologie de chauffage par induction robotisé permet de réaliser, avec un système compact, des traitements thermiques localisés sur des pièces de grandes dimensions. Le profil de température local est contrôlé en utilisant une source de chauffage par induction déplacée sur une trajectoire cyclique par un manipulateur compact.

[0011]
Avantageusement, en plus du système de chauffage par induction installé sur un robot, un système de mesure peut être utilisé pour assurer la qualité du profil de température et asservir les paramètres qui influencent l'uniformité de la température. Un simulateur peut être utilisé pour prédire le profil de température qui sera généré par le déplacement de la source de chauffage par induction. A partir du simulateur un algorithme détermine les paramètres de la trajectoire du robot qui génèreront localement la température la plus uniforme possible. Pour assurer la flexibilité du procédé, les simulations doivent être réalisables en chantier. Pour ce faire, les calculs sont effectués sur des systèmes de calculs hautes performances.

[0012]
Avantageusement, la méthode de chauffage robotisée est réalisée grâce à l'assemblage de 7 technologies différentes. Tel que mentionné
précédemment, le profil de température local est contrôlé en utilisant une source de chauffage par induction déplacée sur une trajectoire cyclique par un manipulateur compact. En plus du système de chauffage par induction installé
sur un robot, un système de mesure peut être utilisé pour assurer la qualité
du profil de température et compenser pour les erreurs de modélisation. Un simulateur peut être utilisé pour prédire le profil de température qui sera généré.
A partir du simulateur un algorithme détermine la trajectoire du robot qui génèrera la température la plus uniforme possible. Pour assurer la flexibilité
du procédé, les simulations sont réalisées sur des systèmes de calculs hautes performances. L'objectif final est de réaliser le traitement thermique le plus court possible. L'optimisation du profil de température spatio-temporel peut limiter le temps d'intervention par rapport aux traitements thermiques traditionnellement utilisés dans l'industrie.

[0013] D'autres objets, avantages et fonctions de la présente invention deviendront plus apparents lors de la description suivante de modes de réalisations possibles, donnés à titres d'exemples seulement, en relation aux figures suivantes.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0014] La Figure 1 est un diagramme schématique montrant les étapes de réparation d'une fissure dans une pièce de métal, selon une réalisation préférentielle de l'invention.

[0015] La Figure 2 est une vue en perspective d'une turbine hydraulique connue illustrant les situations pour lesquelles un traitement thermique après réparation est souhaitable, à savoir: les fissures, les dommages causés par la cavitation et les dommages causés par l'érosion.

[0016] La figure 3 est une vue schématique des diverses technologies qui peuvent être utilisées dans la présente invention.

[0017] La Figure 4 est une vue en perspective d'un système de traitement thermique d'une fissure, incluant un robot qui s'apprête à chauffer une zone soudée, selon une réalisation préférentielle de l'invention.

[0018] La Figure 5 est un schéma d'un circuit électronique illustrant un système de chauffage thermique par induction, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0019] La Figure 6 est une vue en perspective d'un serpentin ou bobine à
induction, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0020] La Figure 7 est une vue en perspective d'un serpentin ou bobine à
induction avec un concentrateur de flux, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0021] La Figure 8 est une vue en perspective d'un système de traitement thermique utilisant un simulateur par éléments finis du chauffage par induction, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0022] La Figure 9a est une vue schématique d'une simulation d'entrée de flux de puissance réel du serpentin ou élément thermique sur une trajectoire cyclique, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0023] La Figure 9b est une vue schématique d'une simulation d'entrée de flux de puissance effective de la zone chauffée sur la trajectoire cyclique montrée à la Figure 9a.

[0024] La Figure 10 est une vue schématique qui présente une comparaison entre le profil de température réelle et celui généré par la source moyenne, et ce sur une trajectoire cyclique rectiligne.

[0025] La Figure 11 est une vue schématique présentant trois possibilités ou exemples de trajectoires cycliques d'un serpentin ou source thermique au-dessus d'une zone à chauffer.

[0026] La Figure 12 est une vue schématique présentant la composition d'une trajectoire cyclique, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0027] La Figure 13 est une vue schématique présentant une trajectoire cyclique rapide se déplaçant sur une trajectoire lente, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0028] La Figure 14a est une vue schématique d'un maillage d'une pièce complexe, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0029] La Figure 14b est un vue schématique d'un système de coordonnée surfacique paramétrique attachée à la surface de maillage de la Figure 14a.

[0030] La Figure 14c est une vue schématique d'un système de coordonnée surfacique paramétrique de la Figure 14b dans le repère paramétrique.

[0031] Les Figures 15a) à 15d) montrent des vues en perspective du déplacement du système de chauffage sur une géométrie courbe, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0032] La Figure 16 est une vue schématique des étapes de calcul des paramètres de trajectoire idéaux, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0033] La Figure 17 montre des vues schématiques de quatre étapes d'un algorithme d'optimisation non linéaire qui améliore les paramètres en régime stationnaire, selon une réalisation préférentielle de la présente invention.

[0034] La Figure 18 montre des graphiques présentant l'influence des rayons intérieur et extérieur de la source sur le profil de température.

[0035] La Figure 19 montre des graphiques présentant l'influence de la distance e entre l'aller et le retour sur le profil de température.

[0036] La Figure 20 montre des graphiques présentant l'influence de la modulation de la puissance en fonction de la position sur le profil de température.

[0037] La Figure 21 est un graphique montrant la modulation de la puissance en fonction du temps.

[0038] La Figure 22 montre des graphiques présentant la modulation de l'efficacité en fonction de la position sur la trajectoire rapide.

[0039] La Figure 23 montre des graphiques présentant la modulation de l'efficacité en fonction de la position sur la trajectoire lente.

[0040] La Figure 24 est un graphique présentant la modulation de l'efficacité
en fonction de la position sur la surface composite paramétrique.

[0041] La Figure 25 est une vue schématique de la lecture infrarouge du profil de température par une caméra infrarouge.

[0042] La Figure 26 est une vue en perspective d'une plaque en acier UNS
S41500 utilisé pour la validation du système.

[0043] La figure 27 montre des graphiques présentant les propriétés mécaniques de la plaque de la Figure 26 qui a été traitée thermiquement selon une méthode préférentielle de la présente invention.

[0044] La Figure 28 montrant un diagramme schématique montrant des contraintes internes après le soudage et après le traitement thermique, selon une méthode de traitement préférentielle de la présente invention.

DESCRIPTION DE MODES DE RÉALISATIONS DE L'INVENTION

[0045] En référence à la Figure 1, on illustre des étapes de réparation d'une fissure dans une pièce de métal de base, selon une réalisation préférentielle de la présente invention. La réparation comporte les étapes suivantes de : a) détecter une fissure; b) effectuer un gougeage et/ou usinage autour de la fissure;
c) effectuer un soudage suite au gougeage et/ou usinage; d) effectuer un meulage et/ou polissage suite au soudage; e) inspecter le résultat de la zone soudée (ZS); f) effectuer un traitement thermique de la zone soudée (ZS) qui s'étend à une zone affectée thermiquement (ZAT) si nécessaire. Un traitement thermique (TT) pourrait s'effectuer manuellement à l'aide d'un élément chauffant ou une torche. Toutefois, les inventeurs ont constaté qu'il est extrêmement difficile, voire impossible, de maintenir une température de chauffage relativement uniforme sur toute la surface de la zone soudée (ZS) de manière manuelle.

[0046] En référence à la Figure 4, on montre un système robotisé 10 pour le traitement thermique d'une zone soudée 12, selon une réalisation préférentielle de l'invention. Le système comporte un robot 14 qui s'apprête à chauffer la zone soudée 12 à l'aide d'un élément thermique. Préférablement, l'élément thermique comporte un serpentin ou bobine à induction 30.

[0047] Les avantages du chauffage par induction est qu'il est sans contact, sans fumée, sécuritaire en vase clos et facile à contrôler.

[0048] Électronique

[0049] Pour assurer le déplacement de la source de puissance avec un manipulateur portable du robot 14 montré à la Figure 4 et permettre l'utilisation dans des endroits restreints, une électronique portable a été développée. Pour ce faire, et en référence également à la Figure 5, la source de puissance 20 avec le redresseur 22 et onduleur 24, le condensateur 28 et le serpentin à induction sont séparés et intégrés à l'intérieur d'un circuit parallèle résonnant. Un schéma du circuit est présenté à la Figure 5. Dans la section faible courant Is, un câble RF
26 sépare l'onduleur 24 des condensateurs 28. Dans la zone à courant élevé lc, un conducteur flexible tressé 29 sépare le serpentin 30 des condensateurs 28.

[0050] Serpentin

[0051] En référence à la Figure 6, on montre un serpentin ou bobine à
induction 30 qui peut être fait à l'aide d'un tube de cuivre isolé 32. Un serpentin de dimensions restreintes est utilisé pour assurer le déplacement de l'inducteur selon des trajectoires complexes sur des géométries à moyennes et fortes courbures. La flexibilité engendrée par le déplacement d'un serpentin quasi circulaire de dimensions réduites permet de chauffer une infinité de géométries (voir la section Planification de trajectoires).

[0052] Concentrateur de flux

[0053] En référence à la Figure 7, pour améliorer l'efficacité du système, un concentrateur de flux 34 est ajouté sur les surfaces extérieures de la bobine 30.
Ce concentrateur 34 permet pour un même courant qui circule dans la bobine de générer davantage de flux magnétique.

[0054] Robot portable

[0055] Le serpentin 30 est installé à l'effecteur d'un manipulateur portable.
Pour le développement de la méthode, le manipulateur ScompiTM ou robot 14 présenté à la Figure 4 est utilisé. Ce robot 14 est conçu pour s'insérer dans l'espace restreint disponible entre les aubes de turbine Francis. Ce robot 14 peut être également utilisé pour les opérations de mesure laser, gougeage, soudage, meulage, polissage, usinage et martelage qui précède généralement le traitement thermique.

[0056] Simulateur thermique

[0057] En référence à la Figure 8, on montre un système de traitement thermique incluant le robot 14 qui utilise un simulateur par éléments finis du chauffage par induction. Un logiciel de simulation par éléments finis a été
développé pour calculer à partir d'une source de chauffage par induction le profil de température résultant sur une zone chauffée d'une pièce 40.

[0058] Modélisation de la source de chauffage

[0059] Plusieurs essais ont permis de conclure que, pour une courbure locale de la pièce et de la source identique, la source de chauffage utilisée pour le calcul par éléments finis peut être modélisée en utilisant un flux de puissance (W/m2) également distribué à l'intérieur d'une géométrie annulaire. Les dimensions de l'anneau sont généralement similaires à celles de l'inducteur.
Un exemple de la distribution de flux de puissance utilisé est présenté à la Figure 9a.

[0060] Éléments finis

[0061] Pour permettre de résoudre rapidement l'équation thermique aux différences finies intrinsèques à la méthode (voir [1]) on utilise l'intégration trapézoïdale de Crank-Nicolson. Les propriétés thermiques de la matière sont assumées constantes à l'intérieur d'un même pas de temps. Soit :
1 At[C(Tõi)1+ fi[K(Tõ,_1)1 1T = ,[c(1;,)1-(1- fie(TA In+ (1- li)IR M., (1) + IiIR(Tõi)1õ1 2 z-11`
devient :
( 1 r (r + /3[K(T)I 1/1 1 +1 = ¨r(T,)]_ -(T)I +
,6)1R( T,)}, ,61R (T ,)} (2)

[0062] On linéarise également l'émissivité en calculant le facteur hrad présenté
à l'équation (3) en assumant que la température Tn-Fi est identique au pas de temps précédent T.
hrad CO-Vn2+1 TI;X11 CO-(Tn2 -ETI;)(1'n Tfl) (3) OU E est l'émissivité et a la constante de Stefan-Boltzmann.

[0063] Température moyenne

[0064] Tel que présenté à la section planification de trajectoire, la source se déplace sur la surface de façon cyclique. Le déplacement en mode va-et-vient engendre des variations locales et cycliques de température. Plus le délai entre le moment où la source passe au-dessus d'une coordonnée et revient est important et plus la variation de température est grande. Le simulateur estime parmi ces variations de température la température effective. Cette température est la valeur constante qui produit le même effet sur les propriétés mécaniques de la matière que les variations de température intrinsèques au procédé de traitement thermique robotisé.

[0065] Pour obtenir cette température effective, le logiciel utilise une source moyenne. Le logiciel calcul donc l'énergie totale injectée localement (dans chaque élément) sur un même cycle. Cette énergie est ensuite divisée par le temps total (tcycie) que prend la source pour compléter le cycle. La Figure 9 présent le flux de puissance (W/m2) réel versus celui modélisé. L'équation (4) détermine fi(x,y,z) soit le flux de puissance moyenne injectée dans l'élément i sur un tour. Le premier terme est le flux de puissance réelle qui est injecté par la source dans la matière. Le second terme est la proportion du temps que prend la source pour compléter un cycle (tcycie) que passe la source à chauffer une coordonnée ( ti(x, y, z) ).
(4) A t cycle où Q est la puissance de la source et A l'aire de la source projetée sur la surface.

[0066] Cette source effective couvre toute la zone balayée par le serpentin.
Elle injecte dans chacun des éléments la puissance moyenne créée à l'intérieur d'un cycle de balayage. En plus de calculer la température moyenne dans la plaque, cette stratégie réduit de plusieurs ordres de grandeur le temps de calcul.
La Figure 10 présente une comparaison entre le profil de température réelle et celui généré par la source moyenne, et ce sur une trajectoire cyclique rectiligne.

[0067] II est à noter que la formule (4) ci-dessus assume une distribution uniforme de la puissance sous l'inducteur et est un raffinement de la formule plus générale suivante :
(x, y, z ,t)dt f,(x,y,z)- 13

[0068] Comme le comprendront les personnes versées dans le domaine, d'autres types de modèles ou de formules peuvent être utilisés pour arriver à
des résultats similaires.

[0069] Planification de trajectoire

[0070] Trajectoire cyclique (rapide)

[0071] Le manipulateur ou robot 14 déplace la source ou serpentin 30 de façon cyclique au-dessus d'une zone ciblée 36 (en ombragé sur la Figure 11) pour provoquer et contrôler l'échauffement. La Figure 11 présente trois possibilités de trajectoire. Tel que présenté à la section précédente, le déplacement de la source 30 de façon cyclique engendre des variations de température locale. La solution retenue, c) sur la Figure 11, est celle qui réduit au minimum le temps entre l'aller et le retour et par conséquent les variations de température mesurées localement sur un même cycle.

[0072] En référence à la Figure 12, la trajectoire cyclique est divisée en 8 sections. Les sections 1, 3, 5 et 7 sont les zones d'accélération et décélération.
Les zones 2 et 6 sont les zones de déplacement à vitesse constante. Les zones 4 et 8 sont les sections qui attachent les 2 groupes formés des sections 1, 2 et 3 avec 5, 6 et 7. Pour les zones 4 et 8 autant la longueur de virage que l'accélération maximale peuvent être spécifiées.

[0073] Les sections 1, 2, 3 et 5, 6, 7 sont représentées linéairement pour simplifier la compréhension. Ces sections sont, en pratique, généralement courbes.

[0074] Trajectoire lente

[0075] Tel que présenté à la Figure 13, la trajectoire cyclique rapide (trap) est déplacée sur une trajectoire lente (tient).Cette combinaison permet de traiter un volume dont la surface extérieure peut être de toutes les grandeurs et géométries possibles. Les paramètres de la trajectoire rapide peuvent être modifiés en fonction de la position sur la trajectoire lente pour tenir compte des besoins du traitement thermique.

[0076] Géométrie complexe

[0077] La trajectoire présentée à la Figure 13 chauffe une zone rectangulaire sur une surface plane. Plusieurs applications nécessitent cependant de traiter des zones complexes sur des surfaces courbes.

[0078] Tel que présentée à la Figure 14a), pour permettre l'utilisation du simulateur par éléments finis, la pièce 40 est tout d'abord maillée en trois dimensions. Ensuite, un maillage secondaire curviligne n x m surfacique appelé

zone de travail est attaché à une surface du maillage tridimensionnel. La Figure 14b) présente la surface composite n x m appelée zone de travail. Le maillage de surface est ensuite projeté dans un repère (u, y, w) paramétrique pour obtenir une surface composite avec un maillage régulier tel que présenté à la Figure 14c).

[0079] La géométrie de la zone à chauffer dans le monde cartésien est alors déformée dans l'espace paramétrique. La trajectoire cyclique utilisée pour chauffer cette zone est, règle générale, produite dans cet espace. A cette étape la distance paramétrique entre l'aller et le retour de la trajectoire (lignes droite sur la Figure 12) est constante. Cette trajectoire est ensuite ajustée pour s'assurer que la distance géodésique réelle (plus courte distance mesurée en longeant la surface) entre l'aller et le retour de la source soit égale à la distance demandée.
D'autres types de trajectoires cycliques peuvent également être obtenus. La Figure 15 présente le déplacement du système de chauffage sur une géométrie courbe.

[0080] Étape de planification des paramètres de chauffe

[0081] La Figure 16 résume les étapes de calcul. Dans un premier temps (Figure 16) le système uniformise, autour de la zone à chauffer, le profil de température (T) en régime stationnaire. Cette optimisation est utilisée pour générer la forme de la trajectoire cyclique (ex. : Figure 14c) qui sera utilisé lors de chaque phase du traitement thermique. La puissance relative est ensuite modulée en fonction du temps et de la position de la source sur cette même trajectoire. Les détails du processus de modulation de la puissance sont présentés à la section Optimisation du profil de température longitudinale.
Cette modulation permet de générer un profil uniforme autant lors de la montée en température que lors de la phase de maintien en température (traitement thermique). La puissance nominale est finalement ajustée pour respecter les requis du traitement thermique (TT) (ex : entre 630 et 600 C pendant 1 heure).

[0082] En référence à la Figure 17, on peut utiliser un algorithme d'optimisation non linéaire pour améliorer les paramètres en régime stationnaire en 4 étapes. La Figure 17 illustre chacune des étapes. Tout d'abord la trajectoire et la puissance sont estimées de façon à générer une distribution de température la plus uniforme possible. L'expérience acquise sur des géométries semblables est utilisée pour estimer les meilleurs paramètres de départ possible. Dans un deuxième temps un algorithme modifie la distance entre l'aller et le retour pour améliorer la distribution de température latérale et ainsi élargir en fonction de besoin l'étendue du traitement thermique. Troisièmement, l'algorithme module la distribution de puissance en fonction de la position longitudinale. Finalement un quatrième algorithme finalise les réglages pour s'assurer que le résultat respect les demandes du traitement thermique au temps infini.

[0083] Optimisation en utilisant l'état stationnaire de température

[0084] En utilisant le logiciel de simulation, un algorithme détermine les paramètres de trajectoire qui maximisent l'uniformité du profil de température sur un volume donné. Nombreuses sont les applications qui nécessitent des temps de chauffage très longs. Pour des temps de chauffage longs, la pièce atteint un état proche de l'état stationnaire où la distribution de température dans la pièce ne varie plus. Il existe deux façons de calculer cet état dit stationnaire. La première étape consiste à calculer toute l'évolution de la température à
chaque pas de temps dans la pièce jusqu'à atteindre un point ou la température ne varie plus. La solution la plus rapide est de résoudre un système d'équations adapté
et différent. La solution pour l'état stationnaire est alors obtenue en résolvant un seul système d'équations (voir l'équation 5).
[Mali; 1= IR (Tt )1 (1)

[0085] Considérant que la majorité des applications se réalise à
l'approche de cet état stationnaire, il est beaucoup plus rapide d'ajuster les paramètres du système pour être optimaux à cet état et utiliser des paramètres similaires pour uniformiser le profil de température également lors de la montée en température et la portion transitoire du traitement thermique. Une étude comparative effectuée sur des géométries simples n'a démontré aucune différence significative entre cette stratégie et l'optimisation des paramètres pour uniformiser individuellement chaque pas de temps du régime transitoire. Pour les géométries complexes, certaines modifications sont nécessaires afin de s'approcher davantage, lors de la portion transitoire, du profil le plus uniforme possible.

[0086] Dimensionnement de l'inducteur

[0087] Le serpentin est, tout d'abord, dimensionné de façon à générer le profil de température le plus uniforme possible, et ce, sans déplacer la source. Pour ce faire, le rayon intérieur (Rint) est déterminé selon le rayon de pliage minimum autorisé par le tuyau de cuivre. La Figur 18a) illustre l'influence du rayon intérieur sur le profil de température. Tel que présenté à la Figure 18b), pour un rayon intérieur fixe, l'augmentation du rayon extérieur (Rext) dégrade l'uniformité
du profil. En contrepartie plus l'inducteur est gros et plus la zone chauffée sera importante. Pour les géométries à forte courbure, le diamètre peut affecter la manoeuvrabilité du système et donc la possibilité d'adapter le profil de température en fonction des impondérables.

[0088] Optimisation du profil de température latéral

[0089] La distance entre l'aller et le retour (entre la trajectoire 2 et 6 de la Figure 12) est utilisée pour amplifier la largeur et la pénétration du volume chauffé. Cette distance est, règle générale, choisie légèrement inférieure au diamètre externe 90 %).
Il est important de noter que certaines situations (ex:
épaisseur variable, près des extrémités, etc...) nécessitent de modifier cette distance en fonction de la position sur la trajectoire 2 ou la trajectoire 6 sur la Figure 12. La Figure 19 illustre l'effet du paramètre.

[0090] Pour une pièce chauffée dont les dimensions sont infinies, en conservant le rayon intérieur minimal, une simple mise à l'échelle du couple rayon extérieur et distance entre l'aller et le retour permet d'augmenter d'autant la largeur et la pénétration du volume de chauffe. En fonction de la situation, l'augmentation du rayon intérieur peut permettre d'accroître légèrement l'uniformité du profil.

[0091] Optimisation du profil de température longitudinale

[0092] Pour une même trajectoire, la longueur de la zone chauffée est augmentée en modulant la puissance selon la position sur la trajectoire cyclique.
La longueur de virage influence l'uniformité du profil. En fonction de la longueur de virage minimale réalisable par le manipulateur, tel que présenté à la Figure 20, le temps que prend le manipulateur à changer de direction peut engendrer une surchauffe. La modulation de puissance est également utilisée pour s'adapter à l'effet de cette variable. Incliner le serpentin de façon stratégique permet également d'améliorer l'uniformité.

[0093] La puissance injectée est modulée selon 4 mécanismes complémentaires. Tout d'abord, tel que présenté à la Figure 21, la puissance est modulée en fonction du temps (P
,= nominale (kW)). Deuxièmement, la puissance nominale est ajustée en fonction de la position sur la trajectoire rapide (Prapide (%)). (voir Figure 22). Certaines applications demandent également de varier cette distribution de puissance selon le temps. Troisièmement, la puissance est également ajustée en fonction de la position sur la trajectoire lente (Pente (D/0)) (voir Figure 23). Quatrièmement cette puissance peut finalement être ajustée en fonction de la position sur la surface composite paramétrique (Psurface (%)) présentée à la Figure 24. Tel que présenté à l'équation suivante, la puissance injectée P est le résultat de la multiplication de la puissance nominale par l'ensemble des facteurs associés à chacun des mécanismes de modulation.
P = PnominalPtentPrapidePsurface (6)

[0094] La précision sur le contrôle du profil de température obtenue en modulant adéquatement chacun des paramètres est généralement supérieure à
la précision des instruments de mesure utilisés (voir la section Systèmes de mesure).

[0095] Système de calcul haute performance

[0096] Pour assurer la réussite de la méthode en chantier, l'ensemble des analyses présentées ci-haut doit être réalisable in situ. En effet, dans les cas où
l'accès au chantier est difficile ou retreins, la prise de mesure a priori pour déterminer la géométrie du volume (zone) à chauffer est complexe. De plus, certaines opérations comme le traitement thermique après la réparation d'une fissure nécessitent des opérations préalables (gougeage, usinage, soudage, meulage, polissage ou martelage) qui affectent la géométrie du volume à
chauffer.

[0097] Le système intègre alors des technologies de calcul haute performance comme la parallélisation du calcul sur CPU et GPGPU.
L'assemblage des matrices propres au système d'éléments finis est réalisé sur plusieurs microprocesseurs (CPU). La résolution du système matriciel est ensuite transférée au système GPGPU en utilisant des librairies du domaine public.
L'algorithme du gradient conjugué est utilisé en appliquant préalablement un préconditionneur à la matrice de rigidité.

[0098] Systèmes de mesure

[0099] Un système de mesure peut être utilisé pour assurer la qualité du profil de température et compenser pour les erreurs de modélisation. Le profil de température est lu à l'aide d'un ou plusieurs pyromètres, d'une caméra infrarouge et de thermocouples. La caméra est fixe par rapport à la scène, les pyromètres 46 sont installés sur l'effecteur du manipulateur pour lire une température près du serpentin et des thermocouples 48 sont soudés directement sur la plaque. La Figure 25 montre un exemple de lecture prise par la caméra thermique 50.

[00100] Asservissement

[00101] Chacun des systèmes de mesure listés dans la section précédente peut être utilisé pour le contrôle de la température. En effet la précision additionnelle offerte par les thermocouples soudés directement sur la pièce est utilisée pour effectuer une mesure absolue et valider que la puissance injectée dans la pièce permet réellement d'atteindre la température demandée. Les mesures des pyromètres mobiles ainsi que de la caméra thermique 50 sont combinées pour valider l'uniformité du profil de température. Des algorithmes basés sur le principe de contrôle par apprentissage itératif modulent les paramètres pour assurer la qualité du profil de chauffe.

[00102] Validation expérimentale

[00103] Distribution de température

[00104] Chaque étape de développement portant sur le contrôle du profil de température est tout d'abord élaborée sur des pièces simples et toujours valider sur des géométries complexes comme des roues de turbine. Les résultats pour chacune des sections montrent une concordance entre les valeurs simulées et mesurées à l'aide de thermocouples, d'une caméra infrarouge et d'un pyromètre.

[00105] Propriétés mécaniques

[00106] L'impact du traitement thermique robotisé sur les propriétés mécaniques d'une soudure est validé sur la plaque en acier inoxydable martensitique UNS S41500 présentée à la Figure 26. La plaque entière est tout d'abord traitée pour amener les propriétés microstruturales de l'acier au niveau du métal de base d'une roue de turbine. Pour simuler une réparation de fissure en laboratoire, une entaille de 292 x 149 x 57 mm est machinée dans la plaque (Figure lb). Quatre couches de métal soudé sont déposées pour remplir l'entaille Figure 1c). La couche du dessus est meulée à égalité avec la surface de la plaque (Figure 1d). Finalement, le traitement thermique est réalisé en utilisant la méthode décrite précédemment pour contrôler la température entre 600 et 630 C pendant 1 heure pour restaurer la microstructure et écrêter les contraintes internes (Figure 10.

[00107] Un objectif est de comparer la microstructure obtenue après la réalisation du traitement thermique robotisé et après un traitement thermique traditionnel à l'intérieur d'un four. Pour estimer les propriétés finales (ex :
résistance à la propagation de fissures), des essais Charpy et de dureté sont réalisés sur la zone soudée tel que soudé et après chacun des traitements thermiques (robotisé et traditionnel). Des mesures sont également effectuées pour quantifier les phases (austénite et martensite) en présence. Une amélioration importante des propriétés est constatée après avoir traité
l'acier inoxydable martensitique 13Cr-4Ni entre 600 et 630 C pendant une heure. Les résultats sont présentés à la Figure 27. Les propriétés mesurées sont, après chacun des deux traitements thermiques (TT), similaires. Les résultats sont également cohérents avec la littérature (voir Bilmes et al. [1]).

[00108] Le second objectif est de réduire significativement les contraintes internes après soudage. Les contraintes internes (voir Figure 28) sont mesurées à l'aide de la méthode des contours. Pour cette application spécifique, le traitement thermique robotisé permet de réduire d'un facteur 3 le niveau de contrainte. Ces résultats sont également cohérents avec la littérature sur les traitements thermiques sur les aciers inoxydables 13Cr-4Ni. Sabourin et aL [2]

mentionne que pour des conditions optimales un traitement thermique en atelier après l'assemble complet d'une roue de turbine abaisse la contrainte maximale de 410 à 130 MPa. La limite élastique du CA6NM est autour de 550 MPa. Les détails de cette validation sont détaillés par Godin et aL [3].

[00109] En conclusion, les applications de la présente invention peuvent être diverses. On détaille ci-dessous certaines applications possibles.

[00110] Profilage d'aube de turbine

[00111] L'arrivée des nouvelles technologies de calcul numérique permet aujourd'hui d'élaborer des profils d'aube de plus en plus efficace. La différence d'efficacité entre les roues actuelles et celles d'autrefois est marquée. Cet écart représente une perte monétaire importante pour le producteur électrique.
Effectuer la modification du profil en place par soudage et meulage modifie les propriétés des aciers et engendre des contraintes internes importantes. Il existe donc dans ce domaine un besoin pour une technologie qui puisse permettre de remettre les propriétés au niveau du métal de base et de relaxer les contraintes internes. Ce besoin peut avantageusement être comblé par la présente invention.

[00112] Reconstruction d'auget de roue Pelton

[00113] Les roues de type Pelton sont généralement installées dans des endroits où l'eau est fortement abrasive. L'érosion engendrée sur les augets par le passage des sédiments peut dégrader rapidement la géométrie. Cette variation de géométrie entraîne une perte d'efficacité et une usure prématurée de la roue. Il existe donc un besoin dans ce domaine pour une technologie qui puisse permettre de reconstruire la géométrie par soudage et de traiter thermiquement la zone réparée directement en centrale. Il était jusqu'à

maintenant proscrit de souder sur les augets en CA6NM. Ce besoin peut avantageusement être comblé par la présente invention.

[00114] Pipeline

[00115] Un pipeline est un assemblage de plusieurs tuyaux soudés en place pour former une longue conduite. Il existe donc un besoin dans ce domaine pour une technique qui puisse être utilisée pour traiter après soudage les jonctions ou pour effectuer des réparations afin d'assurer la pérennité des installations.
Ce besoin peut avantageusement être comblé par la présente invention.

[00116] Retouche chez le manufacturier de pièces de grandes dimensions

[00117] L'assemblage de pièces de grandes dimensions par soudage est complexe. Cette opération engendre fréquemment des non-conformités géométriques et structurelles. La réparation du nouvel assemblage, suite à la non-conformité, peut nécessiter des opérations complexes qui devraient requérir un traitement thermique de la pièce entière. Il existe donc un besoin dans ce domaine pour une méthode de traitement thermique qui puisse permettre au manufacturier de réparer localement le défaut et de réaliser localement le traitement thermique associé à la réparation.

[00118] Traitement thermique des moules à injection

[00119] Le choix des aciers utilisés pour la fabrication des moules à
injection de plastique est critique. Pour maximiser la résistance à la corrosion et la durabilité, la matrice doit être traitée thermiquement. Traditionnellement les matériaux utilisés sont difficiles à souder et par conséquent impossibles à
modifier ou à réparer. Il existe donc dans ce domaine un besoin pour un procédé
de traitement thermique qui puisse être utilisé pour effectuer un traitement thermique localisé suite à une réparation ou une modification d'un moule par soudage. Ce besoin peut avantageusement être comblé par la présente invention.

[00120] Les inventeurs estiment que les raisons qui expliquent la difficulté
pour l'industrie à effectuer un traitement thermique (TT) localisé de qualité sont:

1. L'impossibilité pour un ouvrier à maintenir un profil de température élevée à l'intérieur d'une fourchette de température restreinte sans simulation informatique ni boucle de rétroaction (ex : Le CA6NM requiert un traitement thermique (TT) entre 600 et 630 C pendant 1 heure).
2. L'impossibilité pour un ouvrier de maintenir un profil de température élevée à l'intérieur d'une fourchette de température restreinte pendant des heures.
3. L'impossibilité pour les technologies actuelles (couverture chauffante, bobine à induction entourée autour d'un pipeline) à maintenir localement un profil de température uniforme à l'intérieur d'un volume significatif sur une des géométries complexes ou à épaisseur variable ou non symétrique.
4. La nécessité pour les technologies actuelles d'étendre la zone chauffée sur une largeur beaucoup plus importante que la zone à traiter. Ceci est requis pour assurer l'uniformité du profil de température dans la zone désirée. De plus, ceci s'applique à des pièces simples uniquement. Enfin, ceci nécessite des installations volumineuses et augmente l'importance des déformations et des contraintes internes.
5. L'impossibilité pour les technologies actuelles de s'adapter in situ aux imprévues (Ex. : géométrie de la pièce et volume à réparer imprévus).
6. La difficulté à installer les technologies actuelles dans les endroits restreints.

[00121] La présente invention présente donc plusieurs avantages par rapport aux types de traitement thermiques connus, à savoir :
1. Traitement thermique après soudage avec couverture chauffante.
Ce système comporte les désavantages suivants :
- Il n'y a aucun contrôle sur la distribution de température.
- Le système n'est pas applicable pour les géométries complexes.
- Le système n'est pas applicable pour les géométries à épaisseur variable.

- Le système est dédié pour à une application spécifique.
- Le système n'est pas suffisamment adaptable pour les applications de réparation in situ.
- Le système est très volumineux pour les applications in situ.
2. Traitement thermique dans un four. Ce système comporte les désavantages suivants :
- La pièce doit être démantelée et transportée jusqu'au four.
- Pour les pièces de grandes dimensions, un four de très grandes dimensions est nécessaire.
- La pièce complète doit être traitée.
3. Traitement thermique par induction fixe. Ce système comporte les désavantages suivants :
- Le système est volumineux.
- Le système est fixe.
- La pièce est amenée au système de chauffage.
- Le système est dédié pour une application.

[00122] Références [1] Bilmes P. Llorente C and Perez Ipina J 2000 Toughness and Microstructure of 13Cr4NiMo high-strength steel welds Journal of Material Engineering and Performance vol 9 no 6 pp 609-615 [2] Sabourin M, Thibault D, Bouffard D A and Lévesque M 2010 New parameters influencing hydraulic runner lifetime 2010 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machineiy and Systems (Timisoara, Romania) [3] Godin S, Boudreault E, Lévesque J-B and Hazel B 2013 On-site post-weld heat treatment of welds made of 410NiMo Steel Proceedings of MS&T-COM
(Montréal Québec Canada) [5] Fisk, M., Lundbâck, A., 2012, "Simulation and validation of repair welding and heat treatment of an alloy 718 plate", Finite Elements in Analysis and Design, vol. 58."
[6] Ruffini, R.T., Nemkov, V., 2004, "New Magnetodielectric Materials for Magnetic Flux Control", HES 2004.

[00123] Les revendications ne doivent pas être limitées dans leur portée par les réalisations préférentielles illustrées dans les exemples, mais doivent recevoir l'interprétation la plus large qui soit conforme à la description dans son ensemble.

Claims (26)

REVENDICATIONS

1. Méthode de traitement thermique par induction d'une pièce métallique sur une zone ciblée, la méthode comprenant : effectuer le traitement thermique sur la zone ciblée à l'aide d'un élément thermique monté sur un système robotisé qui est apte à déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur la zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et à minimiser des écarts de température sur la zone ciblée.

2. La méthode selon la revendication 1, dans laquelle l'élément thermique comprend une bobine à induction ou serpentin.

3. La méthode selon la revendication 2, dans laquelle la bobine à induction ou serpentin comprend un concentrateur de flux magnétique.

4. La méthode selon la revendication 1, dans laquelle le système robotisé
comprend un bras robotisé servant à déplacer l'élément thermique sur la trajectoire cyclique.

5. La méthode selon la revendication 2 ou 3, comprenant alimenter l'élément thermique en puissance électrique à l'aide d'un circuit parallèle résonant.

6. La méthode selon la revendication 5, dans laquelle le circuit parallèle résonant comprend un onduleur relié à une source de puissance via un redresseur et un condensateur relié à l'onduleur par un câble RF, le condensateur étant relié à la bobine d'induction ou au serpentin par un câble flexible.

7. La méthode selon la revendication 6, dans laquelle le condensateur est monté sur le bras robotisé.

8. La méthode selon la revendication 1, comprenant mesurer un profil de température de la zone ciblée afin d'asservir/contrôler la température de la zone ciblée.

9. La méthode selon la revendication 8, dans laquelle on mesure le profil de température de la zone ciblée à l'aide d'au moins un élément sélectionné
parmi: un thermocouple, un pyromètre monté sur l'élément thermique et une caméra infrarouge.

10. La méthode selon la revendication 1, comprenant effectuer une modélisation d'un flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injecté dans la zone ciblée afin de simuler la température effective dans la pièce, le flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injectée dans un élément sur un tour/cycle de la trajectoire étant calculé selon l'équation :
où Q est le flux de chaleur d'une source, A est l'aire de la source projetée sur la zone ciblée, et f i(x,y,z)/t cycle est la proportion du temps que prend la source pour compléter un cycle (t cycle) que passe la source à chauffer une coordonnée ( f i(x, y, z)

11. La méthode selon la revendication 1, comprenant effectuer une modélisation d'un flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injecté dans la zone ciblée afin de simuler la température effective dans la pièce, le flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injectée dans un élément i sur un tour/cycle de la trajectoire étant calculé selon l'équation :
où f i(x,y,z,t) est le flux de chaleur par unité de surface injecté sur la zone ciblée dans le temps t et t cycle est le temps que prend la source pour compléter un tour/cycle.

12. La méthode selon la revendication 1, dans laquelle la trajectoire cyclique comprend : a) une première composante de trajectoire cyclique (t rap) que suit l'élément thermique à une première vitesse moyenne sur une portion de la zone ciblée; et b) une deuxième composante de trajectoire (t lent) que suit l'élément thermique à une deuxième vitesse moyenne inférieure à la première vitesse moyenne.

13. La méthode selon la revendication 1, comprenant : a) uniformiser un profil de température (T) en régime stationnaire autour de la zone ciblée à l'aide d'un simulateur; b) récupérer une forme de la trajectoire cyclique générée par le simulateur en régime stationnaire; c) moduler un flux de chaleur injectée à l'élément thermique en fonction du temps et de la position de l'élément thermique sur la trajectoire cyclique de façon à minimiser les écarts de température sur une zone donnée lors d'une phase de montée en température et/ou lors du traitement thermique et à maintenir la température constante lors du traitement thermique.

14. Méthode de réparation d'une pièce métallique ayant un dommage sur une zone ciblée, comprenant:
a) effectuer un gougeage et/ou usinage autour du dommage;
b) effectuer un soudage suite au gougeage et/ou usinage;
c) effectuer un meulage et/ou polissage suite au soudage;
d) effectuer la méthode de traitement thermique par induction selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 suite au meulage et/ou polissage à l'aide d'un élément thermique monté
sur un système robotisé qui est apte à déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur la zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et minimiser les écarts de température sur la zone ciblée.

15. Système de traitement thermique d'une zone ciblée d'une pièce métallique, comprenant un élément thermique monté sur un système robotisé qui est apte à déplacer l'élément thermique en suivant une trajectoire cyclique sur la zone ciblée de manière à chauffer la zone ciblée et à minimiser des écarts de température sur la zone ciblée.

16. Le système selon la revendication 15, dans lequel l'élément thermique comprend une bobine à induction ou serpentin.

17. Le système selon la revendication 16, dans lequel la bobine à induction ou serpentin comprend un concentrateur de flux magnétique.

18. Le système selon la revendication 15, dans lequel le système robotisé
comprend un bras robotisé servant à déplacer l'élément thermique sur la trajectoire cyclique.

19. Le système selon la revendication 16 ou 17, comprenant un circuit parallèle résonant pour alimenter l'élément thermique en puissance électrique.

20. Le système selon la revendication 19, dans lequel le circuit parallèle résonant comprend un onduleur relié à une source de puissance via un redresseur et un condensateur relié à ronduleur par un câble RF, le condensateur étant relié à la bobine d'induction ou au serpentin par un câble flexible.

21. Le système selon la revendication 20, dans lequel le condensateur est monté sur le bras robotisé.

22. Le système selon la revendication 15, comprenant un système thermique pour mesurer un profil de température de la zone ciblée afin d'asservir/contrôler la température de la zone ciblée.

23. Le système selon la revendication 22, dans lequel le système thermique comprend thermocouple(s), pyromètre(s) montés sur l'élément thermique et caméra(s) infrarouge(s).

24. Le système selon la revendication 15, comprenant un simulateur configuré
pour :

a).uniformiser un profil de température (T) en régime stationnaire autour de la zone ciblée;
b) récupérer la forme de la trajectoire cyclique générée par le simulateur en a); et c) moduler un flux de chaleur injectée à l'élément thermique en fonction du temps et de la position de l'élément thermique sur la trajectoire cyclique;
dans lequel le système comprend un contrôleur pour moduler la trajectoire et le flux de chaleur injectée à l'élément thermique en fonction du temps et de la position de l'élément thermique sur la trajectoire cyclique de façon à
minimiser les écarts de température sur une zone donnée lors d'une phase de montée en température et/ou lors du traitement thermique et à
maintenir la température constante lors du traitement thermique.

25. Le système selon la revendication 24, dans lequel le simulateur est configuré pour effectuer une modélisation d'un flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injecté dans la zone ciblée afin de simuler la température effective dans la pièce, le flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injectée dans un élément i sur un tour/cycle de la trajectoire étant calculé selon l'équation :
où Q est la le flux de chaleur d'une source, A est l'aire de la source projetée sur la zone ciblée, et ti(x,y,z)/t cycle est la proportion du temps que prend la source pour compléter un cycle (t cycle) que passe la source à
chauffer une coordonnée ( f i(x, y, z) )

26. Le système selon la revendication 24, dans lequel le simulateur est configuré pour effectuer une modélisation d'un flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injecté dans la zone ciblée afin de simuler la température effective dans la pièce, le flux de chaleur par unité de surface moyen f i(x,y,z) injectée dans un élément i sur un tour/cycle de la trajectoire étant calculé selon l'équation où f i(x,y,z,t) est le flux de chaleur par unité de surface injecté sur la zone ciblée dans le temps t et t cycle est le temps que prend la source pour compléter un tour/cycle.