FR2962675A1 - Dispositif et procede associe de reparation d'une piece metallique comportant au moins un defaut - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet un dispositif, et un procédé associé, de réparation d'un défaut d'une pièce métallique, telle par exemple un aubage de turbomachine, comportant un appareil de soudage à faisceau d'électrons et un métal d'apport, l'appareil de soudage à faisceau d'électrons comprenant au moins un canon à électrons et une enceinte à vide, dispositif caractérisé en ce que le métal d'apport est constitué par au moins un fil ou au moins une plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne.

Description

L'invention concerne le domaine de la soudure par faisceau d'électrons et a plus particulièrement pour un objet un procédé de réparation d'aubage de turbomachines présentant au moins un défaut tel une déformation, un début de crique, un impact ou un arrachement de métal.

Les aubages de turbomachines sont soumises à de fortes contraintes opérationnelles et présentent régulièrement des débuts de crique ou des déformations. La figure 1 présente un exemple de défaut 20 au niveau du profil d'une aube 6. Actuellement, pour la réparation de certains éléments de turbomachines 10 présentant au moins un défaut, on utilise le soudage à l'arc TIG avec fil d'apport. Cette technique utilisée couramment dans l'industrie aéronautique entraine elle-même la formation de défauts et, de surcroit, ne permet pas de traiter certains alliages de titane dans des conditions permettant d'obtenir des résultats acceptables. Ce procédé dégrade d'une manière telle les caractéristiques mécaniques initiales, 15 qu'il n'est pas utilisable pour la réparation d'aubage de turbomachine. En effet, le rechargement en soudage TIG met en oeuvre une énergie importante, au vu de la faible épaisseur des aubes il génère des déformations et un taux important de porosités. La zone affectée thermiquement (ZAT) étendue n'est pas compatible avec la tenue en fonctionnement des pièces réparées. 20 Pour résoudre cet inconvénient on peut utiliser le rechargement en soudage micro-plasma est un procédé plus énergétique que le soudage TIG et permet d'obtenir une ZAT plus étroite mais encore relativement élevée et ce procédé manuel oblige à des attentions particulières notamment il dépend de la dextérité du soudeur. On connaît aussi le rechargement de matière avec une machine de type laser (laser 25 cladding et laser avec fil d'apport). Cette technique nécessite un usinage de la zone à recharger pour obtenir un profil déterminé. On obtient donc une zone rechargée et affectée thermiquement plus importante que la zone du défaut. La parfaite protection gazeuse de la pièce est difficile à obtenir et n'est pas garantie de manière optimale principalement pour les alliages de titane. En outre, les zones 30 rechargées peuvent présenter des traces d'oxydation rédhibitoires pour certains matériaux.

Pour résoudre ces inconvénients, on peut utiliser la technique de rechargement brasage diffusion. Cependant, cette technique nécessite la mise en oeuvre de gaz dangereux pour l'environnement et le personnel. De plus, une pièce ayant subi une première réparation par rechargement brasage diffusion (R.B.D) ne peut plus être réparée par un autre procédé de soudage lors d'un retour en usine même si la réparation ne concernait que quelques criques. On connaît par ailleurs le soudage par faisceau d'électrons. Une séquence de soudure par faisceau d'électrons comporte une phase de montée de courant du faisceau, une phase où le courant est maintenu à pleine puissance et une phase d'évanouissement. C'est donc la phase de courant à pleine puissance qui assure la soudure correcte. Pour sa mise en oeuvre, soit la pièce soit le canon à électrons est déplacé selon une trajectoire particulière afin de traiter toute la longueur de la crique. Ce soudage peut se faire soit avec soit sans métal d'apport. Dans le cadre d'un soudage avec apport de métal, le positionnement du métal 15 d'apport, qui se présente généralement comme un fil rectiligne, est délicat et donne rarement un bon résultat des le premier tir du faisceau. Aussi, la plupart du temps, lorsqu'un aubage présente un défaut important, il est remplacé Le but de l'invention est de proposer un procédé de réparation d'un aubage de 20 turbomachine procurant un bon résultat immédiatement, ne générant pas de défaut et générant une ZAT très limitée, applicable à quasiment tout les matériaux utilisés pour des aubages, permettant, dans la plupart des cas d'éviter la mise au rebus de l'aubage, ne nécessitant pas d'opération longue de programmation tout en permettant éventuellement plusieurs réparations successives aux mêmes endroits ou 25 à des endroits connexes et en assurant une remise en état de qualité compatible avec les exigences techniques des pièces traitées. La solution apportée est un dispositif de réparation d'un défaut d'une pièce métallique, telle par exemple un aubage de turbomachine, comportant un appareil de soudage à faisceau d'électrons et un métal d'apport, l'appareil de soudage à 30 faisceau d'électrons comprenant au moins un canon à électrons et une enceinte à vide, dispositif caractérisé en ce que le métal d'apport est constitué par au moins un fil ou au moins une plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne. La réalisation d'une telle forme peut par exemple être réalisée manuellement avec une pince ou automatiquement avec une machine.

Selon une caractéristique préférentielle, le métal d'apport est constitué par un fil ou une plaque comportant deux branches solidarisées à leur sommet et présentant entre elles un angle compris entre 10 et 45 degrés et préférablement compris entre 20 et 40 degrés.

Selon une autre caractéristique, le métal d'apport comporte deux branches de longueur inférieure à 5cm et préférablement inférieure à 3cm. Selon une autre caractéristique, le métal d'apport comporte du titane. L'invention concerne aussi un procédé de réparation d'un défaut d'une pièce métallique, telle par exemple un aubage de turbomachine, mis en oeuvre par un appareil de soudage à faisceau d'électrons et un métal d'apport, l'appareil de soudage à faisceau d'électrons comprenant au moins un canon à électrons et une enceinte à vide, procédé caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant soit à placer une partie d'un métal d'apport constitué par un fil ou une plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne contre ou à une distance inférieure à 5 mm dudit défaut soit à déposer à déposer la base d. Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention de comporte une étape consistant à placer la base du fil ou de la plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne contre ou à une distance inférieure à 5 mm dudit défaut. Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention comporte 20 en outre les étapes suivantes : - positionner la pièce à l'intérieur de l'enceinte et de telle sorte que le défaut soit disposé sur la trajectoire du faisceau d'électrons - déposer ou placer le métal d'apport contre, sur ou à proximité dudit défaut, - fermer l'enceinte et réaliser le vide à l'intérieur de cette dernière, 25 - effectuer une séquence de soudure. Ainsi, la réparation est généralement effectuée en statique, le positionnement de la pièce par rapport à la trajectoire du faisceau restant le même notamment si on utilise un nombre de fil (ou une plaque) dont la somme des diamètres est inférieure 30 au diamètre du faisceau d'électrons. Par contre lorsque l'étendue du défaut l'exige, plusieurs tirs successifs avec un ou plusieurs fils ou une plaque peuvent être effectués, le canon à électron étant déplacé pour que la partie du métal d'apport considéré soit pour chaque tir placé dans la trajectoire du faisceau d'électrons.

Selon une caractéristique particulière, nécessaire notamment lors de la première utilisation de l'appareil à souder par faisceau d'électrons ou d'une première réparation d'une pièce, un procédé selon l'invention comporte préférablement une étape préalable consistant à positionner une éprouvette d'épaisseur semblable (plus ou moins 30%) à celle à réparer dans l'appareil de soudage de telle sorte qu'une première partie de cette éprouvette soit disposée sur la trajectoire du faisceau d'électrons puis à effectuer une séquence de soudure avec métal d'apport par faisceau d'électrons et à régler l'intensité de focalisation et de la puissance du faisceau (haute tension et intensité de soudage) et du temps de montée et d'évanouissement du faisceau ainsi que du temps de tir à pleine puissance . Selon une caractéristique particulière, un procédé selon l'invention comporte une cinquième étape de contrôle ressuage et radiographie puis une remise au profil. La réparation de l'aubage selon l'invention comporte une étape connue de rechargement par faisceau d'électrons qui consiste à fusionner du métal d'apport au niveau d'un impact avec une machine à souder par faisceau d'électrons. Cette opération s'effectue dans une enceinte sous vide. La zone à recharger aura été préalablement préparée par un décapage local approprié. Suite au rechargement une remise au profil sera effectuée.

D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront dans la description d'un mode de réalisation de l'invention au regard des figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 montre un exemple de défaut sur un aubage de turbomachine.

La figure 2 présente un exemple de réalisation d'un dispositif 1 de soudage par faisceau d'électrons selon l'invention, La figure 3 montre plusieurs exemples de forme du métal d'apport mettre en oeuvre un procédé selon l'invention. La figure 4 montre l'aspect du défaut 20 de la figure 1 après rechargement.

La figure 2 présente un exemple de réalisation d'un dispositif 1 de soudage par faisceau d'électrons selon l'invention, Ce dispositif comporte un canon à électrons 2 débouchant au niveau d'une enceinte étanche 3 comportant : une porte pour introduire une pièce 6 à réparer et une éprouvette 14, telle une aube rebutée faite dans le même matériau que l'aube à réparer, une table 4 supportant des moyens 15 de fixation de l'éprouvette 14 et de la pièce à réparer 6. Des moyens 5 de déplacement de ce canon à électrons en translation selon deux directions perpendiculaires lui sont associés. Une centrale de vide 10 est associée à l'enceinte et permet de générer le vide dans cette dernière. Des moyens 7 de réglage de la puissance du faisceau ainsi que 10 des moyens 9 de réglage de sa focalisation sont associés au canon 2. Ce dispositif comporte en outre des moyens 11 de contrôle de : - La distance de tir, - L'intensité de focalisation, - La puissance du faisceau (haute tension et intensité de soudage), 15 - La séquence de soudage : Le temps de montée, l'évanouissement du faisceau ainsi que le temps de tir à pleine puissance. Ces moyens 11 de contrôle sont constitués, dans cet exemple de réalisation, par un micro-ordinateur et une commande numérique. La pièce 6 à réparer est un aubage de turbomachine. 20 Cette pièce 6 est décapée au préalable de façon connue. II en est de même pour l'éprouvette. On effectue par exemple un décapage chimique local pour les aubes en alliage de titane. Le métal d'apport est aussi décapé de la même façon. La pièce 6 et l'éprouvette sont ensuite introduites de façon connue à l'intérieur de l'enceinte 3, puis positionnées et fixées sur la table 4 via les moyens de fixation 15 25 de façon à ce que le défaut à réparer soit sur la trajectoire du faisceau, après éventuellement déplacement du canon. Un ou plusieurs fils d'apport sont ensuite posés sur les défauts du profil 20 de l'aube, la forme en V permettant son maintien sur le profil 18 de l'aube. Un ou plusieurs fils en Vé sont aussi déposés sur un défaut de l'éprouvette qui en 30 l'occurrence est une aube rebutée récupérée sur un disque aubagé ou un redresseur et ayant une forme similaire ou identique à celle à recharger. Soit elle présentera les même type de défauts que les pièces à réaliser soit le même type de défaut sera reproduit.

Elle est donc constituée du même matériau ayant fonctionné et elle a les mêmes caractéristiques de surface, géométriques, thermiques et métallurgiques que les pièces à réparer. Après avoir réglé la distance de tir, le vide est établi à l'intérieur de l'enceinte.

Une fois le bon niveau de vide atteint, le point d'impact du faisceau est positionné sur le fil d'apport à une distance déterminée du bord de l'aube. Ce réglage s'effectue avec précision à l'aide de l'écran de contrôle de la machine. Le programme de rechargement préalablement établi est ensuite lancé. Ce programme est piloté par une commande numérique et les paramètres machine figés sont contrôlés. Une répétabilité parfaite est ainsi obtenue. Le faisceau d'électrons est positionné au droit de la base 27 du métal d'apport qui entre en fusion et se lie au substrat. Au point de fusion, l'interaction du faisceau d'électrons, du métal d'apport et du substrat génère un phénomène qui attire le métal d'apport. Ce dernier vient combler la zone à recharger en formant une boule 25 sur le bord de l'aube comme montré sur la figure 4. Les paramètres sont déterminés préalablement et ils sont optimisés pour limiter notamment les déformations internes et la remise au profil ainsi que l'étendue de la zone affectée thermiquement(ZAT). Le rechargement s'effectuant sous vide la zone à réparer est parfaitement protégée de l'oxydation, plus particulièrement pour les alliages de titane. Les différents paramètres machine à prendre en compte pour le rechargement sont : - La distance de tir, - L'intensité de focalisation, - La puissance du faisceau (haute tension et intensité de soudage), - La séquence de soudage : Le temps de montée, l'évanouissement du faisceau ainsi que le temps de tir à pleine puissance.

Après le rechargement, on effectue la remise au profil de l'aube (cf. photographie n° 4).

Un contrôle visuel est ensuite effectué, puis un contrôle radiographique et une macrographie du rechargement : détection des manques de liaison, criques et soufflures.

Lorsque le rechargement de l'éprouvette est considéré comme bon, le même processus de réparation est appliqué sur la ou les pièces de production Un contrôle visuel et éventuellement une radiographie des zones rechargées des pièces de production sont réalisés.

Une éprouvette de fin de campagne est réalisée dans les mêmes conditions de soudage que les étapes précédentes. Le contrôle effectué sur cette éprouvette représentative permet de valider ou non la réparation. Ce contrôle comprend un contrôle visuel, un contrôle radiographique et une macrographie du rechargement (expertise métallographique à la recherche de micro-soufflures éventuelles).

Ainsi un procédé selon l'invention ne nécessite pas de préparation préalable contraignante, d'avoir une protection optimale des pièces pendant le soudage, d'obtenir des pièces avec moins de déformations et une zone affectée thermiquement plus étroite, tout cela permettant de diminuer fortement les coûts de réparation et d'améliorer la disponibilité des matériels.

Claims (5)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de réparation d'un défaut d'une pièce métallique, telle par exemple un aubage de turbomachine, comportant un appareil de soudage à faisceau d'électrons et un métal d'apport, l'appareil de soudage à faisceau d'électrons comprenant au moins un canon à électrons et une enceinte à vide, dispositif caractérisé en ce que le métal d'apport est constitué par au moins un fil ou au moins une plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne.
2. 2. Dispositif de réparation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le 10 métal d'apport est constitué par un fil ou une plaque comportant deux branches solidarisées à leur sommet et présentant entre elles un angle compris entre 10 et 45 degrés et préférablement compris entre 20 et 40 degrés.
3. 3. Dispositif de réparation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le métal d'apport comporte deux branches de longueur 15 inférieure à 5cm et préférablement inférieure à 3cm.
4. 4. Dispositif de réparation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le métal d'apport est de préférence de même nature que la pièce à souder et «n'est pas bridé» se . 20 5 Procédé de réparation d'un défaut d'une pièce métallique, telle par exemple un aubage de turbomachine, mis en oeuvre par un appareil de soudage à faisceau d'électrons et un métal d'apport, l'appareil de soudage à faisceau d'électrons comprenant au moins un canon à électrons et une enceinte à vide, procédé 25 caractérisé en ce qu'il comporte une étape consistant soit à placer une partie d'un métal d'apport constitué par un fil ou une plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne contre ou à une distance inférieure à 5 mm dudit défaut soit à déposer à déposer la base du fil ou de la plaque sur le défaut. 6 Procédé de réparation selon la revendication 5, caractérisé en ce qu' il 30 comporte une étape consistant à placer la base du fil ou de la plaque en forme de Vé, de U, de 1 ou de canne contre ou à une distance inférieure à 5 mm dudit défaut. 7 Procédé de réparation selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes suivantes :- positionner de la pièce à l'intérieur de l'enceinte et de telle sorte que le défaut soit disposé sur la trajectoire du faisceau d'électrons - déposer ou placer le métal d'apport contre, sur ou à proximité dudit défaut, - fermer l'enceinte et réaliser le vide à l'intérieur de cette dernière,
5. 5 - effectuer une séquence de soudure soudage. 8 Procédé de réparation selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte préférablement une étape préalable consistant à positionner une éprouvette d'épaisseur semblable (plus ou moins 30%) à celle à réparer dans l'appareil de soudage de telle sorte qu'une première partie de cette 10 éprouvette soit disposée sur la trajectoire du faisceau d'électrons puis à effectuer une séquence de soudure avec métal d'apport par faisceau d'électrons et à régler l'intensité de focalisation et de la puissance du faisceau (haute tension et intensité de soudage) et du temps de montée et d'évanouissement du faisceau ainsi que du temps de tir à pleine puissance . 15 9. Procédé de réparation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une étape ultérieure de ressuage et radiographie et/eu-de puis une remise au profil de l'aubage.