FR2984783A1

FR2984783A1 - Dispositif de rechargement d'une piece en alliage metallique

Info

Publication number: FR2984783A1
Application number: FR1162443A
Authority: FR
Inventors: Philippe Fabrice Jean-Yves Roussarie; Frederique Laurence Machi; Nicolas Haettel; Thibaut Florent Wenger
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-06-28
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: US20150102017A1; WO2013093368A1; US9764432B2; FR2984783B1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de rechargement par soudage laser d'une pièce (1) en alliage métallique, ladite pièce (1) comportant un renfoncement (3) à recharger, ledit renfoncement (3) étant présent au niveau d'une zone globalement plane de la pièce (1), caractérisé en ce que le dispositif de rechargement comporte un premier élément de protection (51) et un deuxième élément de protection (61), le premier élément de protection (51) et le deuxième élément de protection (61) étant disposés de part et d'autre du renfoncement (3), le premier élément de protection (51) et le deuxième élément de protection (61) présentant chacun une surface d'exposition destinée à être recouverte au moins partiellement d'une épaisseur de poudre pour réaliser le soudage par passage d'un faisceau laser sur ladite épaisseur de poudre, la surface d'exposition du premier élément de protection (51) étant parcourue par le faisceau laser lors du soudage avant la surface d'exposition du deuxième élément de protection (61), le deuxième élément de protection (61) présentant une forme apte à contenir une épaisseur de poudre présentant une altitude supérieure en fin, en considérant un sens de propagation du faisceau laser lors du soudage, du deuxième élément de protection (61) à une altitude en début du deuxième élément de protection (61).

Description

DISPOSITIF DE RECHARGEMENT D'UNE PIECE EN ALLIAGE METALLIQUE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de rechargement d'une pièce en alliage ; l'alliage considéré prendra la forme dans le présent document d'un alliage en aluminium, à titre d'exemple uniquement, d'autres types d'alliages métalliques pouvant être concernés par le dispositif selon l'invention. De manière générale, le rechargement d'une pièce consiste à rapporter de la matière (sous forme de poudre, de fritté...) à des endroits où la pièce présente des fissures (ou criques) et/ou des renfoncements. Pour cela, on utilise le plus souvent des techniques de soudage ou de brasage. Le procédé de l'invention peut être utilisé, notamment, pour recharger une pièce de turbomachine (par exemple de type turboréacteur, turbopropulseur, turbine à gaz terrestre...) et, plus particulièrement, un carter de soufflante de 15 turboréacteur. Les carters de soufflante de turboréacteur sont réalisés le plus souvent en alliage d'aluminium et subissent des endommagements pendant leur fabrication (coups d'outils) ou durant le fonctionnement du turboréacteur (ingestion de cailloux ou autres projectiles qui viennent taper contre le carter). De manière générale, il 20 est difficile de recharger ces carters par soudage car la soudabilité des alliages d'aluminium utilisés est assez limitée, ces alliages ayant une très forte conductivité thermique et une grande réflectivité. Parmi les procédés connus, on connaît le rechargement par soudage T.I.G. (pour Tungsten Inert Gas). Ce procédé présente néanmoins des inconvénients: la 25 zone de la pièce affectée thermiquement par le soudage est trop étendue et présente des déformations importantes. De plus, avant de pouvoir procéder au rechargement, il est nécessaire de démonter le carter de soufflante pour le séparer du reste du module de compresseur basse pression (également appelé module soufflante et booster) du turboréacteur, car l'arc électrique généré lors du soudage T.I.G. endommagerait les roulements encore assemblés. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Pour proposer une alternative au rechargement par soudage TIG, on a proposé une solution permettant de recharger une pièce, par soudage, qui induit une zone affectée thermiquement limitée et de faibles déformations dans la zone de rechargement et qui, en outre, peut être utilisé pour recharger un carter de soufflante de turboréacteur sans qu'il soit nécessaire de démonter ce carter. Une telle solution comporte essentiellement deux étapes principales pour le rechargement d'une pièce en alliage d'aluminium, par soudage, qui sont les étapes suivantes : - on dépose manuellement une couche de poudre en alliage d'aluminium sur la pièce, dans une zone de rechargement; et - on soude ladite couche de poudre sur ladite pièce par soudage laser. On a pu en effet constater que le soudage laser effectué induisait une zone affectée thermiquement et des déformations moins importantes que celles induites par un soudage T.I.G. En outre, du fait du dépôt manuel de la poudre, l'appareillage nécessaire pour la mise en oeuvre d'un tel procédé est de faible encombrement. Ceci permet d'accéder facilement à la pièce à recharger, même lorsque celle-ci est assemblée avec d'autres pièces. Plus particulièrement, ceci permet d'accéder au carter de soufflante d'un turboréacteur lorsque celui-ci est encore intégré au module de compresseur. Avantageusement, on procède donc ainsi au rechargement du carter de soufflante sans démonter celui-ci par rapport au reste du module de compresseur du turboréacteur, ce qui permet de gagner un temps précieux. De plus, aucun arc électrique n'étant généré par le soudage laser, on ne risque pas d'endommager les roulements.

Un tel procédé, connu de l'état de la technique, est rappelé en référence aux figures 1 à 5 dont la description suit. Sur ces figures, une pièce 1, représentée en coupe à la figure 1, présente un renfoncement 3 en forme de cuvette, ledit renfoncement devant être rebouché.

La pièce 1 est par exemple un carter de soufflante d'un turboréacteur double- corps double flux, et appartient au module de compresseur basse pression du turboréacteur qui comprend, en outre, la soufflante (ou fan) et le compresseur basse pression (ou booster). La zone de rechargement 5 de la pièce 1 correspond avec l'étendue du renfoncement 3. Par ailleurs, lorsqu'il est fait référence à la surface de la pièce on entend désigner la surface générale S de cette pièce. Dans la zone de rechargement 5, la surface S ne correspond donc pas au fond du renfoncement 3 mais, comme représenté en pointillés sur la figure 1, à la surface S de la pièce lorsque celle-ci ne présentait pas le renfoncement 3.

On dépose manuellement une couche 8 de poudre 9 en alliage d'aluminium sur la pièce 1, dans la zone de rechargement 5. Pratiquement, pour obtenir la couche 8 on peut procéder aux dépôts successifs d'au moins deux sous-couches 11a, 11b, formées chacune de plusieurs cordons de poudre 9 parallèles et espacés d'un pas P.

Par exemple, pour recharger la pièce 1, on dépose la première sous- couche 11 a formée de cordons 12a espacés d'un pas P, et on dépose ensuite la deuxième sous-couche 11 b formée de cordons 12b espacés du même pas P mais décalés d'une distance P/2 par rapport aux cordons 12a. La juxtaposition de sous-couches de cordons de poudre 9 permet d'obtenir une couche 8 bien densifiée et d'épaisseur relativement stable. On calibre alors une hauteur de la couche 8 de poudre par rapport à la surface S de la pièce 1. De cette manière, on contrôle une épaisseur de la couche 8 à déposer, cette épaisseur ayant une influence sur la qualité du soudage laser réalisé. En effet, si cette épaisseur était trop faible, un manque de matière en surface apparaîtrait. Cette étape de calibrage a lieu, bien entendu, après l'étape de dépôt de la couche de poudre et avant l'étape de soudage au laser. Pour réaliser cette étape de calibrage, on utilise, avantageusement, une raclette comprenant au moins un pied d'appui que l'on fait reposer sur la surface S de ladite pièce, et une lame de raclage située en retrait par rapport au pied d'appui de sorte que la distance entre cette lame de raclage et la surface de ladite pièce corresponde à la hauteur souhaitée pour la couche de poudre 8.

Après avoir déposé la couche 8 et avoir avantageusement calibré la hauteur de celle-ci, on procède à l'étape de soudage laser. Pour cette étape, on utilise par exemple un laser à diode 40, visible à la figure 3, offrant une interaction faisceau/matière plus régulière qu'un laser de type Y.A.G. (pour Yttrium Aluminium Garnet).

Le faisceau laser 41 émis parcourt ensuite la zone de rechargement 5, comme représenté sur la figure 4. L'énergie apportée par le faisceau 41 provoque la fusion, pour former un bain, et le mélange de la poudre 9 et des parties de la pièce 1 limitrophes. Après refroidissement, on obtient le rechargement souhaité. Selon un mode de mise en oeuvre, après l'étape de soudage, pour restaurer les propriétés aérodynamiques de la pièce 1, on arase par usinage la pièce dans la zone de rechargement 5, car la surface de la pièce 1 dans cette zone n'est généralement pas parfaitement plane après le soudage. La figure 4 montre la pièce finale, obtenue après l'étape d'usinage. De manière avantageuse, comme illustré à la figure 5, on prévoit l'utilisation de caches, ou martyres, qui sont par exemple constitués d'une tôle en alliage d'aluminium, ou plus généralement en alliage de même nature que le matériau à recharger. Sur la figure 5, on utilise un premier cache 51 et un deuxième cache 52 disposés de part et d'autre du renfoncement 3. La couche 8 de poudre en alliage d'aluminium est déposée dans la zone de rechargement 5, en débordant sur les caches 51 et 52 pour créer des zones de débordement non représentées. On procède ensuite au raclage de la couche 8 et au soudage laser, en respectant une direction de propagation 53 du faisceau laser, de manière analogue aux opérations de raclage et de soudage laser qui viennent d'être décrites. Dans le procédé des figures 2 à 4, la périphérie de la couche de poudre 8 correspond sensiblement à celle de la zone de rechargement 5 et l'interaction entre le faisceau laser 41 et la pièce 1 dans la zone de transition entre la zone de rechargement 5 et le reste de la pièce 1 peut créer des microfissures. De telles microfissures sont gênantes dans la mesure où elles se situent à la proche périphérie de la zone de rechargement 5, voire dans la zone de rechargement 5, et risquent de fragiliser cette dernière. En faisant déborder la couche 8 de poudre sur les caches 51 et 52, la périphérie de la couche 8 est déportée à l'extérieur de la périphérie de la zone de rechargement 5. Si des microfissures se créent lors du soudage, elles sont localisées à la périphérie des zones de débordement et sont ainsi suffisamment éloignées de la zone de rechargement 5 pour ne pas fragiliser celle-ci. Après l'étape de soudage, on retire les caches et la poudre 9 des zones de débordement qui est alors soudée aux caches 51 et 52. Sur la pièce 1, il ne reste 20 de la poudre soudée que dans la zone de rechargement 5. On peut alors, si nécessaire, araser par usinage la pièce dans la zone de rechargement 5. Cependant, si cette technique est particulièrement efficace sur des pièces de petite taille, par exemple des éprouvettes planes, les résultats sont moins bons sur les pièces de taille supérieure, telles que les carters, les viroles. En effet, pour 25 des pièces de taille plus importantes, on voit apparaître, malgré la présence des caches, des criques aux extrémités des cordons les plus éloignées, c'est-à-dire aux extrémités qui sont atteintes en dernier par le faisceau laser. La présence de telles criques s'explique notamment par le fait que le bain provoqué par le passage du laser chauffe rapidement les extrémités des cordons les plus 30 éloignées, et la différence de température entre ces cordons et la pièce 1, même située sous le cache 52, est ainsi maintenue pendant une durée importante, ce qui occasionne l'apparition des criques mentionnés. Par ailleurs, le pompage thermique des pièces de taille importantes, telles que les carters, est plus important que pour les pièces de petite taille. Des gradients thermiques sont alors générés dans la pièce, ce qui initie l'apparition de criques. DESCRIPTION GENERALE DE L'INVENTION L'objet de l'invention offre une solution aux problèmes qui viennent d'être exposés, en proposant un dispositif qui permette d'éloigner en fin de cordon le bain liquide, qui est chaud, obtenu lors du soudage laser, de la pièce à recharger, qui demeure relativement froide. A cet effet, le dispositif selon l'invention propose l'utilisation d'un élément de protection permettant d'élever les cordons obtenus par soudage, sur la fin de l'opération de soudage, de sorte qu'ils ne sont plus en contact avec la pièce à recharger. De ce fait les fissures susceptibles d'apparaître sont localisées à l'extérieur de la pièce.

L'invention concerne ainsi essentiellement un dispositif de rechargement par soudage laser d'une pièce en alliage métallique, ladite pièce comportant un renfoncement à recharger, ledit renfoncement étant présent au niveau d'une zone globalement plane de la pièce, caractérisé en ce que le dispositif de rechargement comporte un premier élément de protection et un deuxième élément de protection, le premier élément de protection et le deuxième élément de protection étant disposés de part et d'autre du renfoncement, le premier élément de protection et le deuxième élément de protection présentant chacun une surface d'exposition destinée à être recouverte au moins partiellement d'une épaisseur de poudre pour réaliser le soudage par passage d'un faisceau laser sur ladite épaisseur de poudre, la surface d'exposition du premier élément de protection étant parcourue par le faisceau laser lors du soudage avant la surface d'exposition du deuxième élément de protection, le deuxième élément de protection présentant une forme apte à contenir une épaisseur de poudre présentant une altitude supérieure en fin, en considérant un sens de propagation du faisceau laser lors du soudage, du deuxième élément de protection à une altitude en début du deuxième élément de protection.

Outre les caractéristiques principales qui viennent d'être mentionnées dans le paragraphe précédent, le dispositif selon l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon les combinaisons techniquement possibles : - le deuxième élément de protection présente une première paroi latérale inclinée, une deuxième paroi latérale inclinée parallèle à la première paroi latérale inclinée, la hauteur de la première paroi latérale inclinée et de la deuxième paroi latérale inclinée augmentant dans le sens de la propagation du faisceau laser ; -chaque paroi latérale inclinée du deuxième élément de protection 10 présente une encoche inclinée apte à recevoir une plaque, ladite plaque présentant une face constituant la surface d'exposition du deuxième élément de protection destinée à être recouverte par l'épaisseur de poudre ; - la plaque présente un angle d'inclinaison compris entre quinze degrés et vingt degrés par rapport au plan de la zone globalement plane présentant le 15 renfoncement ; - les parois latérales inclinées du deuxième élément de protection présentent une hauteur au moins supérieure de un centimètre à la hauteur de la plaque ; - chaque paroi latérale inclinée du deuxième élément de protection est 20 prolongée par une patte plane, reposant lors du soudage laser sur la pièce en alliage métallique, une extrémité libre de chacune desdites pattes venant en appui contre le premier élément de protection ; - les pattes planes présentent une épaisseur comprise entre 0,5 millimètre et 1 millimètre, notamment une épaisseur comprise entre 0,7 millimètre et 0,8 25 millimètre ; - le deuxième élément de protection est placé contre une cale de positionnement maintenue sur la pièce comportant le renfoncement à recharger ; - le premier élément de protection et le deuxième élément de protection sont réalisés dans un alliage de même nature que le matériau à recharger.. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent, à titre d'exemple de réalisation. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES Les figures ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention: - la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement, en coupe, un exemple de pièce à recharger ; - les figures 2 à 4, également déjà décrites, représentent schématiquement différentes étapes d'un exemple d'un procédé de l'état de la technique pour le rechargement d'une pièce en alliage ; - la figure 5, également déjà décrite, montre une représentation schématique d'un dispositif apte à être utilisé dans un exemple d'un procédé de l'état de la technique pour le rechargement d'une pièce en alliage ; - la figure 6, montre un exemple de dispositif selon l'invention pour le rechargement d'une pièce en alliage métallique.

DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION Sauf précision contraire, les éléments apparaissant sur différentes figures conservent la même référence. Sur la figure 6, on retrouve les mêmes éléments que ceux présents sur la figure 5, à l'exception du deuxième cache 52 qui est remplacé par un deuxième élément de protection 61, le premier élément de protection étant constitué par le cache 51.

Selon l'invention, le premier élément de protection 51 et le deuxième élément de protection 61 sont disposés de part et d'autre du renfoncement 3 ; le deuxième élément de protection 61 a la forme d'un tremplin, et sera par la suite désigné ainsi, - c'est-à-dire qu'il est constitué par la moitié d'un parallélépipède rectangle ; il présente ainsi une première paroi latérale inclinée 62, une deuxième paroi latérale inclinée 63 parallèle à la première paroi latérale inclinée 62, la hauteur de la première paroi latérale inclinée 62 et de la deuxième paroi latérale inclinée 63 augmentant dans le sens 53 de la propagation du faisceau laser. Le tremplin 61 présente par ailleurs une paroi de fermeture 70 servant de support aux parois latérales inclinées 62 et 63. Ainsi, on peut remplir un volume intérieur 69 du tremplin 61 avec de la poudre pour être par la suite passée sous le laser. En remplissant le volume intérieur 69 de poudre, et en passant le laser sur la poudre ainsi déposée, seule la couche superficielle de la poudre fusionne ; on éloigne ainsi progressivement la source de chaleur importante de la pièce 1, et le risque d'apparition de criques en fin de cordons est ainsi éliminé. Pour limiter la consommation de poudre, on propose d'insérer dans une première encoche 65 et dans une deuxième encoche 66, ménagées respectivement dans la première paroi latérale inclinée 62 et dans la deuxième paroi latérale inclinée 63 une plaque 64, elle-même inclinée une fois positionnée dans les encoches 65 et 66, pour présenter un angle par rapport à la pièce 1 compris entre 15 et 20 degrés. Tout un volume 74 situé sous la plaque 64 reste ainsi vide, en n'étant pas rempli de poudre, ce qui représente des économies substantielles en terme de consommation de poudre. Avantageusement, on prévoit de laisser au moins un centimètre entre le haut des parois latérales inclinées 62 et 63 et la plaque 64, afin de disposer d'une épaisseur de poudre suffisante pour préserver la plaque 64 lors de la fusion de la poudre, seule une couche superficielle de la poudre entrant en fusion. Dans l'exemple décrit, chaque paroi latérale inclinée 62 et 63 du tremplin 61 est prolongée par une patte plane 67 et 68, reposant lors du soudage laser sur la pièce 1 en alliage métallique, une extrémité libre 71 et 72 de chacune desdites pattes 67 et 68 venant en appui contre le premier élément de protection 51.1es pattes planes 67 et 68 planes présentent avantageusement une épaisseur comprise entre 0,5 millimètre et 1 millimètre, notamment une épaisseur comprise entre 0,7 millimètre et 0,8 millimètre, correspondant à l'épaisseur de poudre à répandre avant le passage du faisceau laser.

Les éléments de protection 51 et 61 sont amovibles. Une fois un passage du faisceau laser achevé, ils peuvent être retirés pour nettoyer la pièce notamment de la poudre restante. Le tremplin 61 peut ensuite, si un second passage du faisceau laser est nécessaire, être remplacé facilement sur la pièce 1 en le positionnant contre une cale de positionnement 73 qui est maintenue sur la pièce 1 par tout moyen de fixation. Ainsi, grâce au dispositif selon l'invention, on peut mettre en oeuvre un procédé efficace de rechargement par soudage, le bain liquide produit lors du passage du faisceau laser étant éloigné de la pièce à recharger. Les éventuelles criques sont ainsi générées dans la surépaisseur de poudre présente sur le tremplin 61, à l'extérieur de la pièce 1 ; la poudre fusionnée sur le tremplin est ensuite éliminée très facilement lors d'une opération d'usinage.20

Claims

REVENDICATIONS1 - Dispositif de rechargement par soudage laser d'une pièce (1) en alliage métallique, ladite pièce (1) comportant un renfoncement (3) à recharger, ledit renfoncement (3) étant présent au niveau d'une zone globalement plane de la pièce (1), caractérisé en ce que le dispositif de rechargement comporte un premier élément de protection (51) et un deuxième élément de protection (61), le premier élément de protection (51) et le deuxième élément de protection (61) étant disposés de part et d'autre du renfoncement (3), le premier élément de protection (51) et le deuxième élément de protection (61) présentant chacun une surface d'exposition destinée à être recouverte au moins partiellement d'une épaisseur de poudre pour réaliser le soudage par passage d'un faisceau laser sur ladite épaisseur de poudre, la surface d'exposition du premier élément de protection (51) étant parcourue par le faisceau laser lors du soudage avant la surface d'exposition du deuxième élément de protection (61), le deuxième élément de protection (61) présentant une forme apte à contenir une épaisseur de poudre présentant une altitude supérieure en fin, en considérant un sens de propagation du faisceau laser lors du soudage, du deuxième élément de protection (61) à une altitude en début du deuxième élément de protection (61).
2- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième élément de protection (61) présente une première paroi latérale inclinée (62), une deuxième paroi latérale inclinée (63) parallèle à la première paroi latérale inclinée (62), la hauteur de la première paroi latérale inclinée (62) et de la deuxième paroi latérale inclinée (63) augmentant dans le sens de la propagation du faisceau laser.
3 - Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que chaque paroi latérale inclinée (62 ; 63) du deuxième élément de protection (61) présente une encoche (65 ; 66) inclinée apte à recevoir une plaque (64) , laditeplaque (64) présentant une face constituant la surface d'exposition du deuxième élément de protection (61) destinée à être recouverte par l'épaisseur de poudre.
4- Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que la plaque (64) présente un angle d'inclinaison compris entre quinze degrés et vingt 5 degrés par rapport au plan de la zone globalement plane présentant le renfoncement (3).
5- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que les parois latérales inclinées (62 ; 63) du deuxième élément de protection (61) présentent une hauteur au moins supérieure de un centimètre à la 10 hauteur de la plaque (64).
6- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5 caractérisé en ce que chaque paroi latérale inclinée (62 ; 63) du deuxième élément de protection (61) est prolongée par une patte plane (67 ; 68), reposant lors du soudage laser sur la pièce (1) en alliage métallique, une extrémité libre (71 ; 72) de chacune 15 desdites pattes (67 ; 68) venant en appui contre le premier élément de protection (51).
7- Dispositif selon la revendication précédente caractérisé en ce que les pattes planes (67 ; 68) présentent une épaisseur comprise entre 0,5 millimètre et 1 millimètre, notamment une épaisseur comprise entre 0,7 millimètre et 0,8 20 millimètre.
8- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le deuxième élément de protection (61) est placé contre une cale de positionnement (73) maintenue sur la pièce (1) comportant le renfoncement (3) à recharger. 25
9- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le premier élément de protection (51) et le deuxième élément de protection (61) sont réalisés dans un alliage de même nature que le matériau à recharger