Brevet FR2566306A1 — publié le 19851227

Procédé de réalisation d'échangeurs de chaleur par soudage laser La présente invention a pour objet un procédé de réalisation d'échangeurs de chaleur applicable plus particulierement aux échangeurs à flux croisés ou pa allèles utilisés dans certains moteurs thermiques. Afin d'améliorer le rendement des turbines à gaz, on utilise des échangeurs de chaleur servant à préchauffer les gaz ou les fluides arrivant dans le moteur à l'aide des gaz brûlés. La plupart sont des échangeurs à flux croisés ou parallèles, c'est-à-dire qu'ils comportent un empilement de couches dont chacune contient des conduits servant au passage de l'un des fluides, la direction des conduits d'une couche étant différente ou identique à la direction des conduits des couches voisines. En général, les conduits de deux couches adjacentes sont perpendiculaires ou parallèles. Pour fabriquer de tels échangeurs, on réalise des empilements de tôles planes et de tôles ondulées soudées les unes aux autres, chaque tôle ondulée étant prise en sandwich entre deux tôles planes et inversement. Ainsi, chaque tôle ondulée définit avec les deux tôles planes qui l'enserrent des conduits étanches pour le passage de l'un des deux fluides. A l'heure actuelle, les échangeurs à flux croisés ou parallèles sont réalisés par brasage. Pour cela, on empile les tales planes et les tôles ondulées en nombre suffisant pour réaliser la totalité de l'échangeur, en mettant de la brasure aux endroits où les tales doivent être soudées les unes aux autres. Ce procédé entraîne un certain nombre d'inconvénients - Tout d'abord, il comporte tous ceux inhérents à cette technique d'assemblage : la maîtrise de la juste quantité de brasure nécessaire à la liai son est tou jours délicate ; si elle est trop importante, il peut se produire des fissurations lors de La solidifica tion, si elle est insuffisante, le brasage est incor rect et peut conduire à un simple collage. D'autre part, les brasures utilisées forment toutes des phases fragiles donnant au joint une très faible ductilité. - En outre, dans le cas qui nous préoccupe, où il s'agit d'effectuer un brasage sous vide d'une struc ture constituée d'un empilement régulier de plaques minces dont les cotes peuvent atteindre pLusieurs dizaines de centimètres, voire même plusieurs mètres, il est difficile, sinon impossible, d'assurer une montée en température homogène en tous les points de la pièce permettant un brasage simultané. Ceci se traduit par des écarts de température de la périphé rie vers le centre donc par des risques d'importantes déformations des pièces dues au gradient thermique et par des manques de brasage. Pour y pallier, on est généralement contraint d'une part, à ne braser qu'un nombre Limité de plaques par fournée, et d'autre part, à utiliser des cycLes thermiques de Longue du rée et comportant des paliers. - Enfin, chaque module sortant du four de brasage étant en caisson fermé, Le contrôle unitaire des jonctions est pratiquement impossible. La présente invention a justement pour but d'éliminer cesinconvénients grâce à un procédé de fabrication d'échangeurs thermiques qui permet de réali- ser des échangeurs de grandes dimensions sans risque de collage ou de déformation des t8les. Selon la principale caractéristique du procédé objet de l'invention, utilise pour réaliser des échangeurs de chaleur servant à L'échange thermique entre au moins deux fluides et ledit échangeur comprenant un empilement de tôles planes et de tôles onduLées disposées de manièrelternée et soudées entre elles de manière à définir des conduits pour le passage desdits fluides, ce procédé comporte les étapes suivantes : - on soude une première tôle ondulée sur une première t8le plane, - on soude une deuxième tale plane sur la première tale ondulée, du caté opposé à- la première tale plane, et - on soude une deuxième tôle ondulée sur la deuxième tale plane du côte opposé à la première tôle ondulée, toutes les soudures étant effectuées par points à l'aide d'un laser. La liaison laser est une véritable soudure ; elle est donc de bien meilleure qualité, ne comporte pas de phases fragiles et offre une meilleure résistance statique et cyclique. Le procédé, par rapport au brasage qui est un procédé par bloc et aveugle, réalise les jonctions de manière indépendante, les unes après les autres ; iL autorise donc un contrôle unitaire ou tout au moins à n'importe quel moment du cycle, le plus favorable. Le système peut être compLètement automatise : chargement, soudage, contrôle. IL est possible d'imaginer un contrôle en continu, simultanément à l'opération de soudage. L'expression disposées de manière alternée utilisée dans la présente description signifie que l'empilement de tôles constituant l'échangeur comprend successivement une tôle plane, une tale ondulée, une tale plane, une tôle ondulée et ainsi de suite, chaque tale ondulée étant encadrée par deux tôles planes et chaque tôle plane se trouvant prise en sandwich entre deux tales ondulées. Selon une autre caractéristique du procédé objet de l'invention, celui-ci comporte une étape supplémentaire consistant à souder une troisième tôle plane sur la deuxième tale ondulée, du côte opposé à la deuxième tôle plane, puis une troisième tale ondulée sur la troisième tale plane, du côte opposé à La deuxième tale ondulée, toutes les soudures étant effectuées par points à l'aide d'un laser ; cette étape supplémentaire est effectuée autant de fois qu'il est nécessaire jusqu'à la réalisation complète de l'echangeur. Selon une dernière caractéristique du procédé objet de l'invention, on souffle de l'air comprimé sur les tôles à assembler pendant qu'on effectue le soudage à l'aide du laser. Ce soufflage d'air comprimé a pour effet de plaquer la tôle qu'on est en train de souder sur l'empilement de tôles déjà réalisé et de la refroidir à l'endroit ou l'on effectue la soudure. Quant au laser utilisé, ce peut être soit un laser pulse, soit un laser continu. L'invention apparaîtra mieux à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple purement illustratif et nullement limitatif, en refe- rence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en perspective partiellement éclatée illustrant la structure d'un échangeur de chaleur à flux croisés, et - les figures 2a à 2c sont des vues schémati- ques en perspective illustrant les principales étapes du procédé objet de l'invention. La figure 1 illustre la structure d'un échangeur de chaleur à flux croisés, où l'on voit qu'un tel échangeur se compose d'un empilement de couches dont chacune est constituée par une tale plane soudée à une tôle ondulée, de manière à définir des conduits pour te passage d'un fluide C'est ainsi qu'une première tôle plane 2 est soudée à une première tale ondulée 4 de manière étanche, les ondulations de la tôle 4 définissant avec la tale 2 des conduits 6 pour le passage d'un premier fluide dont la direction est représentée schématiquement par les flèches en traits interrompus. Sur la tale 4, du côté opposé à la tôle 2, est soudée une deuxième tale plane 8, ce qui permet de définir d'autres canaux tels que 6a servant également pour le passage du premier fluide.Sur la tôle 8, du côte opposé à la tale 4, est soudée une deuxième tôle ondulée 10, ce qui définit des canaux 12 pour le passage d'un deuxième fluide dont la direction est symbolisée par les flèches en trait plein. Sur la tôle 10 peut être encore soudée une troisième tôle plane, puis une troisième tôle ondulee et ainsi de suite avec autant de couches qu'il est nécessaire pour réaliser l'échangeur complet. On voit encore sur la figure qu'il s'agit d'un échangeur à flux croisés, c'est-à-dire que la direction des conduits d'une couche est différente de la direction des conduits des couches voisines. En général, et comme cela est représenté sur la figure 1, les canaux d'une couche sont perpendiculaires aux canaux de la couche suivante. Selon l'art antérieur, le soudage des différentes tôles les unes aux autres est réalisé par brasage une fois que toutes les tales sont empilées, ce qui présente les inconvénients mentionnés ci-dessus. Ces inconvénients disparaissent avec le procédé objet de l'invention, qui est illustré aux figures 2a à 2c. La figure 2a illustre la première étape de ce procédé qui consiste à souder la première tôle ondulée 4 sur la première tôle plane 2. Cette soudure est effectuee à l'aide d'un faisceau laser représenté schématiquement sur la figure 2a par la flèche 14. Cette soudure est effectuée par points, le long des bandes de contact entre les tôles 2 et 4. En effet, à cause des ondulations, la tôle 4 n'est en contact avec la tôle 2 que le long de certaines bandes métalliques qui portent la référence 16 sur la figure. On commence, par exem ple, par souder la première bande 16a qui se trouve à une extrémité de la tôle 4, la soudure étant effectuée par points avec ou sans recouvrement ; les points de soudure sont représentés en 18 sur la figure 2a.Une fois qu'on a réalisé le soudage le long de la première bande 16a, on déplace le laser puis on réalise la même opération le long de la deuxième bande 16b et ainsi de suite, jusqu'à ce que la tale 4 soit complètement soudée sur la tôle 2. Au cours de cette opération, on souffle de l'air comprime à l'aide d'une buse 20, ce qui a pour effet non seulement d'appliquer la tale 4 sur la tôle 2 afin d'obtenir un meilleur contact, mais encore de refroidir le métal à l'endroit où l'on effectue la soudure. La deuxième étape, illustrée à la figure 2b, consiste à souder la deuxième tale plane 8 sur la première tale ondulée 4, du côté opposé à la première tale plane 2. Du fait des ondulations, le contact entre la tale plane 8 et la tale ondulée 4 se fait le long de bandes métalliques 22 différentes des bandes 16 mentionnées en référence à la figure 2a. Comme précédeoe- ment, la soudure est effectuée par points l'aide du faisceau laser 14 en commençant, par exemple, par la bande 22a située à l'extrémité la plus voisine de la bande 16a, puis la bande 22b et ainsi de suite jusqu'à ce que la tôle 8 soit entièrement soudée sur la tale 4. Au cours de cette opération on continue à souffler de l'air comprimé comme précédemment. Une fois que la tôle 8 est soudée sur la tôle 4, l'étape suivante, illustrée à la figure 2c, consiste à souder la deuxième tale ondulée 10 sur la tale 8, du côté opposé à la tôle 4. Dans le cas d'un échangeur de chaleur à flux croisés, on dispose la tale 10 de telle façon que ses ondulations soient perpendiculaires, par exemple, à celles de la tale 4 afin que les conduits servant à véhiculer le deuxième fluide soient perpendiculaires aux conduits servant à véhiculer le premier fluide. Du fait des ondulations, le contact entre la tale 10 et la tale plane 8 se fait le long de bandes 24. Le soudage se fait comme précédemment, par points en soudant les bandes les unes après les autres, par exemple en commençant par la bande 24a située à une extrémité, puis la bande suivante 24b et ainsi de suite jus qu'à soudure complète de la tôle 10 sur la tôle 8. Une fois que la tôle 10 est soudée sur la tôle 8, on peut continuer en soudant une troisième tôle plane sur la tôle 8, puis une troisième tale ondulée sur cette troi sième tale plane et ainsi de suite jusqu'à achèvement de l'échangeur. L'utilisation d'un laser permet de réaliser l'échangeur couche par couche, et donc sans déformation, puisqu'on réalise la soudure par points, donc avec un dégagement de chaleur limité. Ce dégagement de chaleur est encore atténue par le fait qu'on souffle de l'air comprime sur les tôles à assembler pendant le soudage et par le fait qu'on utilise de préférence un laser pulsé. Il n'est plus nécessaire d'empiler la to talité des tales constituant l'échangeur dans un four et de chauffer jusqu'à ce que la température soit homogène partout et tous les inconvénients dus à la soudure par brasage disparaissent. D'autre part, on obtient des soudures d'excellente qualité et il n'y a plus de risque de collage.On conçoit que cette méthode permet de réaliser des échangeurs de n'importe quelles dimensions, puisqu'on les réalise couche par couche et que les risques de déformation sont pratiquement éliminés. Une fois qu'on a réalisé l'empilement de tôles planes et de tales ondulées, il faut achever l'échangeur en plaçant un entourage final. Les tôles constituant cet entourage peuvent être soudées aux autres tales soit encore à l'aide d'un laser, Soit par brasure ; comme it s'agit de souder une seule tale sur une ou plusieurs autres et non plus de braser un empilement de tales, les inconvénients mentionnés plus -haut disparaissent. Enfin, il est bien entendu que l'invention ne se limite pas au seul exemple de réalisation qui vient d'être décrit, mais qu'on peut envisager des variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Par exemple, la soudure par points peut se faire avec ou sans recouvrement. Quant à l'ordre dans lequel on soude les bandes de contact entre deux tôles adjacentes, il peut être quelconque. On peut également prévoir un guidage du laser et programmer les mouvements de celui-ci en fonction de la forme et des dimensions de la pièce à réaliser. On peut aussi, le laser étant fixe, déplacer les tales ou déplacer simultanément les tales et Le laser. Enfin, si on a décrit une application particu lièvre de l'invention au cas d'échangeurs de chaleur à flux croisés, celle-ci peut s'appliquer à toute sorte d'échangeurs constitues par un empilement de tales notamment un échangeur à flux parallèles. Le procédé de l'invention s'applique particulièrement bien à la réalisation d'échangeurs en alliages métalliques riches en nickel comme l'Inconel qui sont utilisés à des tempéra- tures de l'ordre de 600 C. Ce procédé est valable pour tout métal se soudant par laser. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation d'un échangeur de chaleur servant à l'échange thermique entre au moins deux fluides, ledit échangeur comprenant un empilement de tôles planes (2, 8) et de tales ondulées (4, 10) disposées de manière alternée et soudées entre elles de manière à définir des conduits (6, 12) pour le passage desdits fluides, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - on soude une première tôle ondulée (4) sur une pre mière tale plane (2), - on soude une deuxième tôle plane (8) sur la première tôle ondulée (4), du côte opposé à la première tôle plane (2), et - on soude une deuxième tôle ondulée (10) sur la deuxième tôle plane (8), du côte opposé à la première tôle ondulée (4), toutes les soudures étant effectuées par points à l'aide d'un laser. 2. Procédé selon la revendication 1, carac térisé en ce qu'il comporte une étape supplémentaire consistant à souder une troisième tôle plane sur la deuxième tôle ondulée, du côté opposé à la deuxième tôle plane, (8), puis une troisième tale ondulée sur la troisième tôle plane, du côté opposé à la deuxième tale ondulée (10), ces soudures étant effectuées par points à l'aide d'un laser et cette étape supplémentaire étant effectuée autant de fois qu'il est nécessaire pour réaliser complètement l'échangeur. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on souffle de l'air comprimé sur les tôles à assembler au cours de l'opération de soudage. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise un laser pulsé pour effectuer les soudures. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on utilise un laser continu pour effectuer les soudures. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dispose les tôles ondulées (4, 10) de manière à réaliser un echangeur à flux croisés, les conduits (6) définis par une tôle ondulée (4) ayant une direction différente des conduits (12) définis par une tôle ondulée voisine (10). 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on dispose les tôles ondulées (4, 10) de manière à réaliser un échan geur à flux parallèles, les conduits (6) définis par une tôle ondulée (4) ayant une direction parallèle à celle des conduits (12) définis par une tôle ondulée voisine (10).