FR2995543A1 - Procede et dispositif de traitement thermique local d'une piece mecanique mince au moyen d'un laser - Google Patents

Procede et dispositif de traitement thermique local d'une piece mecanique mince au moyen d'un laser Download PDF

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Abstract

Procédé et dispositif de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince au moyen d'un laser. Selon l'invention, qui s'applique notamment au traitement thermique local d'une pièce aéronautique mince qui a été réparée, on chauffe une partie à traiter (14) de la pièce (2), sous vide ou dans une atmosphère de gaz neutre, au moyen du rayonnement (6) émis par un laser (4), et l'on effectue des mesures de température de la partie à traiter pour commander la puissance fournie par le laser.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT THERMIQUE LOCAL D'UNE PIECE MECANIQUE MINCE AU MOYEN D'UN LASER DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince. Elle concerne aussi un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Par « pièce mécanique mince », on entend une pièce mécanique dont l'épaisseur est inférieure ou égale à 10 mm, de préférence inférieure ou égale à 5 mm. L'invention s'applique notamment au traitement thermique local d'une pièce aéronautique mince (par exemple un disque aubagé monobloc (en anglais, bladed disk)) qui a été réparée. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE De nombreuses pièces aéronautiques, particulièrement les pièces aubagées, sont réparées par soudage d'un patch ou par rechargement (procédé selon lequel on apporte un métal sous forme de poudre ou de fil). Ces techniques font intervenir ce que l'on appelle des « procédés de réparation par fusion » tels que, par exemple, le soudage TIG (pour Tungsten Inert Gas), le soudage MIG (pour Metal Inert Gas), le soudage plasma, le soudage laser et le soudage par faisceau d'électrons.
En vue de restaurer un potentiel maximum aux pièces réparées, l'utilisation de ces procédés de fusion entraîne l'application d'un traitement thermique permettant de relaxer les contraintes de traction engendrées par les rechargements. Afin de minimiser les déformations des pièces réparées (aux cotes finies), on réalise alors un traitement thermique local, permettant de détendre uniquement les zones concernées par la réparation. Or, ce traitement thermique local est actuellement réalisé par induction.
De ce fait, d'une part, il est difficile à mettre en oeuvre. En effet, il nécessite l'utilisation de résistances qui doivent chaque fois être positionnées à la même hauteur et présenter le même écartement avec les pièces traitées.
D'autre part, le pilotage du cycle thermique est difficile. En d'autres termes, le contrôle de la température vue par une pièce traitée est compliqué à régler. En effet, le champ magnétique qui induit des courants dans la pièce (courants de Foucault) interagit avec les résistances. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents.
Elle utilise un laser associé à des mesures, de préférence effectuées à distance, de la température de la partie à traiter de la pièce, afin de piloter le cycle de traitement thermique local. De préférence, on utilise un pyromètre pour 30 effectuer les mesures de température, en association avec un ou plusieurs thermocouples.
Avec la présente invention, en positionnant les pièces de façon répétitive, on leur appliquera toujours un traitement identique. On s'affranchit ainsi des problèmes de positionnement.
De plus, l'invention permet de traiter les pièces, par exemple des pales, de la manière souhaitée, et de contrôler précisément l'énergie apportée par unité de surface, ce qui permet l'application d'un traitement thermique local précis.
De façon précise, la présente invention a pour objet un procédé de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince, notamment d'une pièce aéronautique mince qui a été réparée, caractérisé en ce que : -on chauffe une partie à traiter de la pièce, sous vide ou dans une atmosphère de gaz neutre, au moyen du rayonnement émis par un laser, et -on effectue des premières mesures de température de la partie à traiter pour commander la puissance fournie par le laser. Selon un mode de réalisation préféré du procédé, objet de l'invention : -on effectue les premières mesures de température au moyen d'un pyromètre, -on effectue des deuxièmes mesures de température de la pièce au moyen d'au moins un thermocouple, et -on corrige les premières mesures au moyen des deuxièmes mesures.
La présente invention a également pour objet un dispositif de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince, notamment d'une pièce aéronautique mince qui a été réparée, caractérisé en ce qu'il comprend : -un laser, apte à émettre un faisceau laser 5 pour chauffer localement la pièce, -une enceinte de traitement, comportant une face de transmission laissant passer le faisceau laser, et adaptée pour y faire le vide ou y injecter un gaz neutre et y placer au moins une partie à traiter de la 10 pièce, en regard de la face de transmission, -un dispositif optique, adapté pour projeter le faisceau laser sur l'intégralité de la partie à traiter, -un premier dispositif de mesure de 15 température, pour effectuer des premières mesures de température de la partie à traiter, et pour fournir des premiers signaux, représentatifs des premières mesures, et -un dispositif de commande, pour commander 20 la puissance fournie par le laser en fonction des premiers signaux. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif, objet de l'invention : -le premier dispositif de mesure de 25 température comprend un pyromètre, -le dispositif de traitement thermique local comprend en outre un deuxième dispositif de mesure de température, comprenant au moins un thermocouple, pour effectuer des deuxièmes mesures de 30 température de la pièce, et pour fournir des deuxièmes signaux, représentatifs des deuxièmes mesures, et -le dispositif de commande est adapté pour corriger les premiers signaux au moyen des deuxième signaux. De préférence, dans ce cas, le dispositif comprend en outre un miroir adapté pour transmettre le faisceau laser vers la face de transmission et pour réfléchir, vers le pyromètre, un rayonnement de mesure, émis par la partie à traiter lorsque cette dernière reçoit le faisceau laser.
Le laser peut être choisi parmi les lasers au dioxyde de carbone (ou lasers au CO2), les lasers Nd-YAG et les lasers à fibre. Mais, de préférence, on utilise un laser diode. Dans ce cas, le dispositif, objet de 15 l'invention, comprend en outre, de préférence, une fibre optique qui est adaptée pour amener ce faisceau émis par le laser diode jusqu'au dispositif optique. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, l'enceinte de travail est 20 adaptée pour y placer la totalité de la pièce. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, l'enceinte de travail est adaptée pour y placer seulement une partie de la pièce, incluant la partie à traiter. 25 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et 30 nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : -la figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation particulier du dispositif de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince, objet de l'invention, utilisant une enceinte de travail qui accueille la totalité de la pièce, -la figure 2A illustre schématiquement des empilements de diodes lasers qui fournissent un faisceau laser dont on voit les traces dans des plans de coupe transversale successifs, -les figures 2B, 2C et 2D illustrent schématiquement divers exemples de morphologie du faisceau laser qui peuvent être obtenus avec un laser diode, et -la figure 3 illustre de façon schématique et partielle un autre mode de réalisation particulier, utilisant une enceinte de travail qui accueille seulement une partie de la pièce, incluant la partie à traiter de celle-ci.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS La figure 1 est une vue schématique d'un exemple de l'invention. Il s'agit d'un dispositif de traitement thermique local d'une pièce aéronautique mince 2, de moins de 5 mm d'épaisseur, qui a été 25 réparée. Ce dispositif comprend un laser diode 4, apte à émettre un faisceau laser 6 pour chauffer localement la pièce 2, ainsi qu'une enceinte de traitement 8, comportant une face de transmission 10 30 qui laisse passer le faisceau laser 6 : cette face 10 est transparente à la longueur d'onde d'émission du laser diode 4 ; elle est par exemple en verre ou en plastique. L'enceinte 8 est prévue pour accueillir la totalité de la pièce 2 et comporte un support 12 pour celle-ci. Seule une partie 14 de la pièce 2 est à traiter et l'on dispose la pièce 2 de façon que cette partie 14 soit en regard de la face de transmission 10, pour recevoir le faisceau laser 6. A titre purement indicatif et nullement limitatif, dans le cas du traitement thermique d'une pale, dont l'épaisseur est fine, une unique face de celle-ci (intrados ou extrados) est chauffée à l'aide du faisceau laser. La pale, dans son épaisseur, est traitée par conduction.
L'enceinte 8 est adaptée pour y faire le vide (afin d'éviter tout risque d'oxydation durant le traitement thermique) : elle est pourvue de moyens de pompage 16 et de moyens 18 pour mesurer la pression dans cette enceinte 8.
Dans une variante non représentée de l'invention, l'enceinte 8 est adaptée pour y injecter un gaz neutre, par exemple l'argon, pour effectuer le traitement thermique dans une atmosphère de gaz neutre (afin d'éviter tout risque d'oxydation durant ce traitement). L'enceinte 8 est alors pourvue de moyens pour y injecter ce gaz et de moyens pour mesurer la pression dans l'enceinte 8. Revenons à la figure 1. Le dispositif de traitement thermique local comprend aussi un dispositif 30 optique 20 (ensemble de lentilles) qui permet de projeter le faisceau laser 6 émis par le laser diode 4 sur l'intégralité de la partie à traiter 14. Une fibre optique 22 (une fibre en quartz dans l'exemple) est prévue pour transporter le faisceau 5 6, émis par le laser diode 4, jusqu'au dispositif optique 20. Le dispositif de traitement thermique comprend en outre : -un pyromètre 24 pour effectuer des mesures 10 de température de la partie à traiter 14 (plus précisément des mesures de la température superficielle de celle-ci), et pour fournir des signaux qui sont représentatifs de ces mesures, et -un dispositif de commande 26, pour 15 commander le laser diode 4, et plus précisément pour faire varier la puissance fournie par ce laser diode 4, en fonction des signaux qu'il reçoit du pyromètre 24 (et qui sont représentatifs des températures mesurées), en vue de maintenir une puissance de consigne. 20 On précise qu'un calibrage du laser diode 4 est effectué au préalable, en fonction des pièces à traiter et de l'état de surface (émissivité) de celles-ci. D'autres dispositifs de mesure de 25 température à distance pourraient être utilisés à la place du pyromètre 24, en association avec le dispositif de commande 26. Dans l'exemple décrit, le dispositif de traitement thermique local comprend en outre un 30 thermocouple 28 pour effectuer des mesures de température sur la pièce 2 et fournir des signaux représentatifs de ces mesures. Le dispositif de commande 26 est alors adapté pour corriger les signaux fournis par le pyromètre 24 au moyen des signaux fournis par ce thermocouple 28, qui constituent des signaux de recalage. En effet, le pyromètre mesure un rayonnement global de la partie traitée de la pièce. Son signal de sortie est influencé par l'état de surface de cette partie ; et il est donc préférable de corriger ce signal de sortie. On peut aussi utiliser plusieurs thermocouples au lieu d'un seul et les placer en divers points de la pièce 2 pour mesurer la température en ces points. Le dispositif de commande 26 est alors prévu pour corriger les mesures de température, fournis par le pyromètre, à l'aide des diverses mesures de température, fournies par ces thermocouples. Il convient de noter que, contrairement à l'art antérieur, il n'existe ici aucun champ magnétique susceptible de perturber les mesures effectuées par les thermocouples. Il convient en outre de noter que des thermocouples permettent seulement d'effectuer des mesures ponctuelles et ne peuvent donc être utilisés que pour corriger les mesures superficielles dont on a besoin dans le cas présent. Dans l'exemple de la figure 1, le dispositif de traitement comprend en outre un miroir 30 pour transmettre le faisceau laser 6 vers la face de 30 transmission 10 et pour réfléchir, vers le pyromètre 24, un rayonnement 32, émis par la partie à traiter 14 lorsque cette dernière reçoit le faisceau laser 6. Dans l'exemple représenté, on utilise pour ce faire un miroir dichroïque 30 qui est bien entendu 5 adapté à la longueur d'onde du laser diode 4 et à la longueur d'onde du rayonnement 32. Comme on le voit sur la figure 1, les lentilles constituant le dispositif optique 20 ont un axe optique commun X suivant lequel le faisceau laser 6 10 est envoyé vers la partie à traiter 14 à travers la face 10. Et le miroir dichroïque 30 est inséré dans l'ensemble des lentilles constituant le dispositif 20, et placé à 45° de l'axe X pour récupérer une partie du rayonnement 32 se propageant suivant cet axe X et la 15 réfléchir vers le pyromètre 24, convenablement disposé à cet effet. Au lieu d'utiliser un laser diode, on pourrait utiliser un autre laser, approprié au traitement thermique considéré, par exemple un laser à 20 CO2 (laser au dioxyde de carbone), un laser Nd-YAG ou un laser à fibre. Bien entendu, le transport du faisceau laser jusqu'au dispositif optique dépend du type de laser utilisé ; par exemple, dans le cas d'un laser à CO2, on utilise un ensemble de miroirs pour ce 25 faire. Il convient toutefois de noter que les lasers à CO2 et les lasers Nd-YAG ne fournissent que des faisceaux dont les sections transversales sont circulaires, alors que l'on peut choisir la forme du 30 faisceau si l'on utilise un laser diode. Le faisceau de ce dernier est issu de plusieurs empilements de diodes, qui sont constitués de diodes lasers individuelles alignées les unes au-dessus des autres. La figure 2A illustre schématiquement des empilements E de diodes lasers qui fournissent un faisceau laser dont on voit les traces Fl, F2, F3 dans des plans de coupe transversale successifs Pl, P2, P3. Dans cet exemple, la trace F3 correspond au faisceau laser à la surface d'une pièce traitée. Les figures 2B, 2C et 2D illustrent 10 schématiquement divers exemples de morphologie du faisceau laser qui peuvent être obtenus avec un laser diode. On peut par exemple obtenir un faisceau circulaire Fci (figure 2B) ou un faisceau carré Fca (figure 2C) ou encore un faisceau rectangulaire Fr 15 (figure 2D). A titre purement indicatif et nullement limitatif, on donne ci-après un exemple relatif au traitement thermique d'une zone d'une pièce mince. Cette pièce mince est une pale rechargée 20 dont on veut traiter thermiquement le sommet. Pour ce faire, on utilise un laser diode qui fournit un faisceau de forme rectangulaire et permet de recouvrir toute la zone à traiter en une opération. Les lentilles du dispositif optique permettent d'homogénéiser la 25 répartition énergétique du faisceau laser vu par l'intrados ou l'extrados de la pale. L'enceinte de travail 8, au lieu d'être prévue pour y placer la totalité de la pièce 2, peut être prévue pour y placer seulement une partie de la 30 pièce, incluant la partie à traiter de celle-ci.
La figure 3 est une vue schématique et partielle d'un dispositif conforme à l'invention, dans lequel on utilise une telle enceinte 8. Cette dernière forme une sorte d'étui ou de fourreau qui entoure seulement une partie 34 de la pièce 2, incluant la partie à traiter 14. Comme on le voit, une extrémité de cet étui, ou fourreau, est prévue pour l'introduction de la partie 34 de la pièce 2 ; et un joint d'étanchéité 36 est prévu en cette extrémité pour établir une liasion étanche entre la pièce 2 et l'enceinte 8 afin de pouvoir faire le vide dans cette dernière. A cet effet, on prévoit encore des moyens de pompage 16 et des moyens de mesure de pression 18.
Dans l'enceinte de la figure 3, un support 38 est encore prévu pour la partie 34 de la pièce 2. On a également représenté le faisceau laser 6 qui est envoyé vers la partie à traiter 14, à travers la face 10 de l'enceinte 8, qui laisser passer ce faisceau, ainsi que le rayonnement 32 à détecter par le pyromètre (non représenté).25

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de traitement thermique local d'une pièce mécanique mince (2), notamment d'une pièce aéronautique mince qui a été réparée, caractérisé en ce que : -on chauffe une partie à traiter (14) de la pièce, sous vide ou dans une atmosphère de gaz neutre, au moyen du rayonnement (6) émis par un laser (4), et -on effectue des premières mesures de température de la partie à traiter (14) pour commander la puissance fournie par le laser (4).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : -on effectue les premières mesures de température au moyen d'un pyromètre (24), -on effectue des deuxièmes mesures de température de la pièce (2) au moyen d'au moins un 20 thermocouple (28), et -on corrige les premières mesures au moyen des deuxièmes mesures.
  3. 3. Dispositif de traitement thermique local 25 d'une pièce mécanique mince (2), notamment d'une pièce aéronautique mince qui a été réparée, caractérisé en ce qu'il comprend : -un laser (4), apte à émettre un faisceau laser (6) pour chauffer localement la pièce, 30 -une enceinte de traitement (8), comportant une face de transmission (10) laissant passer lefaisceau laser (6), et adaptée pour y faire le vide ou y injecter un gaz neutre et y placer au moins une partie à traiter (14) de la pièce (2), en regard de la face de transmission (10), -un dispositif optique (20), adapté pour projeter le faisceau laser (6) sur l'intégralité de la partie à traiter (14), -un premier dispositif de mesure de température (24), pour effectuer des premières mesures de température de la partie à traiter (14), et pour fournir des premiers signaux, représentatifs des premières mesures, et -un dispositif de commande (26), pour commander la puissance fournie par le laser (4) en fonction des premiers signaux.
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel -le premier dispositif de mesure de température comprend un pyromètre (24), -le dispositif de traitement thermique local comprend en outre un deuxième dispositif de mesure de température, comprenant au moins un thermocouple (28), pour effectuer des deuxièmes mesures de température de la pièce (2), et pour fournir des deuxièmes signaux, représentatifs des deuxièmes mesures, et -le dispositif de commande (26) est adapté pour corriger les premiers signaux au moyen des deuxième signaux.
  5. 5. Dispositif selon la revendication 4, comprenant en outre un miroir (30) adapté pour transmettre le faisceau laser (6) vers la face de transmission (10) et pour réfléchir, vers le pyromètre (24), un rayonnement de mesure (32), émis par la partie à traiter (14) lorsque cette dernière reçoit le faisceau laser (6).
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des 10 revendications 3 à 5, dans lequel le laser (4) est choisi parmi les lasers au dioxyde de carbone, les lasers Nd-YAG et les lasers à fibre.
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des 15 revendications 3 à 5, dans lequel le laser est un laser diode (4).
  8. 8. Dispositif selon la revendication 7, comprenant en outre une fibre optique (22), adaptée 20 pour amener le faisceau (6) émis par le laser diode (4) jusqu'au dispositif optique (20).
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel l'enceinte de travail 25 (8) est adaptée pour y placer la totalité de la pièce (2).
  10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel l'enceinte de travail 30 (8) est adaptée pour y placer seulement une partie (34) de la pièce (2), incluant la partie à traiter (14).
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