Brevet FR2685234A1 — publié le 19930625

"Procédé et dispositif pour souder des pièces en alliages spéciaux, par soudage à l'arc sous gaz protecteur avec préchauffage" - L'invention concerne un procédé et un dispositif de soudage avec apport ou liaison de pièces en alliages spéciaux par soudage à l'arc sous gaz protecteur, l'arc s'établissant entre une électrode de soudage et une pièce, et qui est préchauffé par une source d'énergie complémentaire.10 On connaît un tel procédé selon le document DE-28 31 702 Dans ce procédé connu, on effectue le préchauffage par une source d'énergie complémentaire constituée par l'arc de plasma d'une électrode non consommable L'arc de plasma du préchauffage de15 l'électrode non consommable est introduit au moins en partie, en biais, dans un arc électrique d'une élec- trode consommable. Ce procédé présente l'inconvénient de ne pas s'appliquer à des alliages spéciaux durcis à tempéra- ture ambiante, car la zone d'action de la source d'énergie complémentaire, constituée par l'arc de plasma, est extrêmement limitée et ne peut se réguler de manière précise sur le plan thermique. On connaît un procédé de soudage, de fusion ou de chauffage d'une pièce par de l'énergie lumi- neuse, selon le document DE-22 57 739 Ce procédé s'utilise sous une variante pour préchauffer des alliages spéciaux sous gaz protecteur La variante consiste à ne pas focaliser l'énergie lumineuse sur l'objet à réchauffer comme dans le document DE- 22 57 739, mais à réchauffer la pièce en grande surface en y dirigeant un faisceau parallèle Le soudage selon ce procédé n'est pas effectué avec de l'énergie lumineuse, mais par soudage à l'arc sous gaz protecteur. Un inconvénient du procédé ainsi appliqué est qu'avec des faisceaux parallèles limités par le rapport de dimensions et puissance de chauffage, la totalité de la pièce est chauffée à la température de préchauffage et nécessite des temps de préchauffage importants de plus de cinq minutes En même temps, l'enceinte à gaz protecteur est ainsi partiellement chauffée, ce qui est gênant Enfin, à cause de sa den- sité de puissance élevée, la source de lumière repré- sente un coût important, puisque la durée de vie de l'émetteur aux puissances élevées, nécessaires, est fortement limitée En outre, dans ce procédé, on chauffe non seulement la zone de la pièce à souder, mais également, le gaz protecteur chauffe par con- vexion l'ensemble de l'enceinte à gaz protecteur sou- mis au rayonnement qui reçoit la pièce; cela se tra- duit par des contraintes thermiques importantes pour les utilisateurs de ce procédé de préchauffage et de soudage Ce procédé consomme beaucoup d'énergie En outre, il faut des dispositifs de refroidissement dans les zones particulièrement critiques de l'enceinte à gaz protecteur. Selon le document US-A-4 141 127, on connaît un procédé de réparation d'aubes de turbines par sou- dage avec apport sur des alliages spéciaux Dans ce procédé, les contraintes de soudage sont atténuées ultérieurement par un traitement thermique à i 2000 C pendant une heure Un inconvénient de ce procédé est que cette opération de réparation, suivie d'un trai- tement thermique, ne peut convenir pour tous les alliages spéciaux durcis à température ambiante et le risque de formation de criques, lors du passage de la plage de température du "trou de ductilité" pour des sources Y' ainsi que des déformations de la pièce lors du soudage et du recuit ne sont pas exclues. La présente invention a pour but de dévelop- per un procédé et un dispositif correspondant au type défini ci-dessus, permettant d'économiser de l'éner- gie, de raccourcir le temps de préchauffage et de ré- duire les contraintes thermiques pour l'enceinte à gaz protecteur et les utilisateurs et assurer une commande et une régulation précises de la température de pré- chauffage, permettre un soudage par apport ou liaison, sans fissure ni déformation, d'alliages spéciaux sans influence négative sur le matériau de base, même pen- dant les traitements thermiques consécutifs. A cet effet, l'invention concerne un procédé caractérisé en ce qu'on chauffe tout d'abord la pièce à une température de préchauffage dans la zone d'ac- tion thermique du point de soudage par chauffage par induction constituant la source d'énergie complémen- taire puis on applique à la surface de la pièce ou a la jonction de soudage, par apport ou introduction, un matériau de même type par soudage à l'arc. Ce procédé offre l'avantage que par chauf fa- ge par induction, la zone de soudage est préchauf fée de manière précise, à une température qui correspond à une température de recuit sans tensions, connue, pour le matériau de la pièce Cela se traduit par une dimi- nution continue des tensions à une valeur résiduelle non critique pour la formation de criques à des ten- sions propres de soudage. Le moyen de chauffage inductif et les tech- niques de chauffage par induction sont connus et s'utilisent dans la croissance des cristaux, pour chauffer des fusions à haute température ou pour souder sous vide ou sous gaz protecteur avec des sou- dures à haute température Les avantages du soudage à l'arc sous gaz protecteur n'étaient pas évidents jusqu'à présent pour le spécialiste du soudage, car la zone de fusion, chauffée par induction, est toujours limitée à la zone interne d'une bobine Ainsi, pour préchauffer efficacement la pièce, il fallait placer la zone de chauffage à l'intérieur d'un inducteur; or pour le spécialiste du soudage, cela influence de fa- çon négative l'arc électrique et signifie une enceinte de volume suffisante pour guider les électrodes. Dans les fours de fusion par induction uti- lisé uniquement pour chauffer des pièces, la bobine d'induction, usuellement enveloppée d'un tube en céra- mique ou en verre en quartz, entoure complètement la pièce à chauffer ce qui ne permet pas de souder en même temps sur la pièce. Pour une action positive du préchauffage par induction, sur le soudage d'alliages spéciaux, il faut que la température de préchauffage soit atteinte en quelques secondes seulement et que l'on passe rapide- ment dans les plages de températures critiques en- dessous de la température de préchauffage L'élimina- tion continue des contraintes, lors du soudage avec préchauffage par induction, évite en outre des addi- tions critiques de tensions résultant des transforma- tions du réseau (de fines précipitation c') qui provo- quent, dans le cas d'alliages spéciaux durcis à tempé- rature ambiante, lors du passage des températures moyennes inférieures à la température de préchauffage, des contraintes de retrait, tout en étant en même temps fragilisés (trou de ductilité) et provoquent ainsi des criques. Pour des alliages spéciaux durcis à tempéra- ture ambiante, la température de préchauffage est com- prise entre 900 et 1 1000 C Les spires de la bobine d'induction sont refroidies par de l'eau et ne subis- sent avantageusement aucune usure. Selon une mise en oeuvre préférentielle du procédé, on maintient constante la température de pré- chauffage à l'aide d'un moyen de régulation coopérant avec un pyromètre et un générateur haute fréquence. Cela offre l'avantage que le chauffage par induction permet d'atteindre en quelques secondes la température de préchauffage et de maintenir cette température ré- gulièrement, en cas de soudage prolongé La tache de mesure du pyromètre est fixée sur le côté de la pièce opposé à la zone de soudage et le chauffage par induc- tion se fait à une fréquence comprise entre 150 K Hz et 500 K Hz. Un dispositif préférentiel pour la mise en oeuvre du procédé, selon l'invention, comprend une enceinte à gaz protecteur recevant la pièce Cette enceinte est munie de passages de tubes pour l'alimen- tation en gaz protecteur et au moins un passage tour- nant pour manoeuvrer la pièce La pièce est entourée, dans la zone de soudage, à l'intérieur de l'enceinte à gaz protecteur, par une bobine d'induction, refroidie, alimentée par un générateur haute fréquence 12, par l'intermédiaire de passages haute fréquence réalisée dans l'enceinte à gaz protecteur; un pyromètre est prévu à l'extérieur de l'enceinte à gaz protecteur pour surveiller la température de préchauffage. Ce dispositif offre l'avantage de permettre de tourner la pièce dans le champ haute fréquence d'une ou plusieurs spires de la bobine d'induction pour positionner la pièce de manière optimale, ainsi que le point de soudage par rapport à la bobine d'induction, par rapport au pyromètre et par rapport à l'électrode de soudage avec la torche et le fil de soudure Un autre avantage est que la pièce puisse être traitée avec une action simultanée du chauffage par induction et du soudage à l'arc Le dispositif assure en outre un chauffage réduit de l'enceinte à gaz protecteur ainsi que du gaz protecteur, par compa- raison avec un préchauffage par lampe. Une réalisation préférentielle de l'inven- tion consiste à diriger le pyromètre sur une tache de mesure à travers une fenêtre optique de l'enceinte à gaz protecteur, cette tache se trouvant du côté de la pièce, opposé au point de soudage Cette disposition offre l'avantage d'éviter le couplage par la pièce, de la température de soudage et la température de pré- chauffage On évite ainsi les erreurs de mesure de la température de préchauffage pendant l'opération de soudage. Selon une autre réalisation avantageuse du dispositif, le passage tournant est un passage tour- nant et coulissant, ce qui offre l'avantage d'une plus grande liberté de manoeuvre et de permettre d'utiliser le dispositif pour des pièces de dimensions différen- tes En outre, on a de préférence un manipulateur si- tué à l'extérieur de l'enceinte à gaz protecteur pour guider l'électrode de soudage dans le cas du soudage à l'arc, à l'intérieur de l'enceinte à gaz protecteur; on réalise ainsi un soudage dans une enceinte à gaz protecteur pratiquement fermée de tous côtés L'en- ceinte à gaz protecteur comporte également une fenêtre optique pour surveiller, réguler et commander l'opéra- tion de préchauffage et de soudage. La présente invention sera décrite ci-après, tant pour le dispositif que pour le procédé, à l'aide d'un exemple de réalisation représenté dans l'unique figure 1. La figure 1 montre un dispositif préfé- rentiel pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention Ce dispositif comprend une enceinte à gaz protecteur 1 pour recevoir la pièce 7 Cette enceinte est munie de passages de tubes 14 et 15 pour l'alimentation et l'évacuation du gaz protecteur dans la direction des flèches D, H, et d'au moins un passa- ge tournant et coulissant 2 pour entraîner la pièce 7 dans les directions de mouvement B et C La pièce 7 est entourée, au niveau des zones de soudure 16, à l'intérieur de l'enceinte à gaz protecteur 1, par une bobine d'induction 8, refroidie, ayant par exemple deux spires Cette bobine est reliée à un générateur à haute fréquence 12 par l'intermédiaire de passages haute fréquence 17, 18 réalisés dans l'enceinte à gaz protecteur 1 Un micromanipulateur 19, servant à gui- der l'électrode de soudage pour le soudage à l'arc à l'intérieur de l'enceinte à gaz protecteur 1, se trou- ve à l'extérieur de cette enceinte 1 et peut déplacer l'électrode de soudage 20 avec la torche et le fil de soudure 31 dans la direction des flèches E et F et la faire basculer autour d'un axe dans la direction G. La transmission du mouvement se fait par exemple par l'intermédiaire d'une articulation à rotu- le 38 isolée électriquement Cette articulation est usinée dans une plaque en verre de quartz, coulissan- te, constituant une fenêtre d'inspection et de contrô- le 22 De plus, l'enceinte à gaz protecteur 1 est équipée d'une fenêtre optique 23 supplémentaire pour surveiller et contrôler l'opération de préchauffage à l'aide d'un pyromètre 11 Le pyromètre 11 mesure la température de préchauffage de la pièce 7 à un empla- cement opposé à celui de l'arc électrique sur la pièce 7, pour éviter les erreurs de mesure de la température de préchauffage. Le pyromètre est relié par des câbles élec- triques 24 à un moyen de régulation 30 et au généra- teur haute fréquence 12; ce générateur alimente en énergie, par l'intermédiaire de l'adaptateur de haute fréquence 9, la bobine d'induction 8 refroidie par de l'eau et qui comprend par exemple deux spires La bo- bine d'induction 8 refroidie par de l'eau, selon cet exemple, se compose d'un tube en cuivre noyé dans un matériau isolant Le matériau isolant est réfractaire et inoxydable; il doit éviter les arcs électriques et les courts-circuits entre la bobine d'induction 8 et l'électrode de soudage 20 ou une torche de soudage au tungstène et à gaz inerte WIG Pour augmenter la sécu- rité, on assure le découplage en potentiel du généra- teur haute fréquence 12 et de la source de courant de soudage 29. Après avoir appliqué le champ à haute fré- quence, la pièce 7 atteint, en moins de 12 secondes, une température de préchauffage comprise entre 900 et 1 100 C dans la zone du point de soudage 16 Au niveau de la fissure 10, qui a été meulée pour le soudage bout à bout, on peut alors réaliser une soudure à l'aide de l'électrode 20 conduite par le manipulateur 19 et qui met en même temps le fil de soudage 31 au centre Pour souder l'ensemble de la fissure 10, on peut positionner, de manière optimale, soit la pièce 7 à l'aide du passage en rotation et en hauteur 2 ou l'électrode de soudage 20 à l'aide de la rotule 38 et du montage coulissant 25, puis assurer l'asservisse- ment. La pièce 7 est fixée sur un porte-pièce 6 qui peut être relevé ou abaissé dans la direction de la flèche B ou être tourné dans la direction de la flèche C par l'intermédiaire d'un tube 13 La pièce peut également être alimentée en gaz protecteur dans la direction de la flèche A Si la pièce 7 est une pièce creuse ou, si comme dans l'exemple, il s'agit d'une aube de moteur comportant des canaux de refroi- dissement 26, on peut alimenter les cavités ou canaux de refroidissement 26 à partir du support de pièce 6 avec du gaz protecteur en le faisant passer dans la direction des flèches K. Une conduite de gaz 5 alimente, dans la di- rection de la flèche D, un réseau de conduites réalisé dans le fond de l'enceinte à gaz protecteur 1 pour fournir le gaz protecteur Ce réseau de conduites est par exemple entouré par de la laine d'acier 3 pour arriver à une répartition régulière du gaz protecteur au fond de l'enceinte à gaz protecteur 1 Le gaz pro- tecteur traverse alors la plaque de fond 4, perforée, pour arriver dans la chambre 28 de l'enceinte à gaz protecteur 1 et balayer régulièrement la surface exté- rieure de la pièce 7 pendant toute la mise en oeuvre du procédé. REVENDICATIONS ) Procédé de soudage avec apport ou liai- son de pièces en alliages spéciaux par soudage à l'arc sous gaz protecteur, l'arc s'établissant entre une électrode de soudage et une pièce, et qui est pré- chauffé par une source d'énergie complémentaire, pro- cédé caractérisé en ce qu'on chauffe tout d'abord la pièce ( 7) à une température de préchauffage dans la zone d'action thermique du point de soudage ( 16) par chauffage par induction constituant la source d'éner- gie complémentaire puis on applique à la surface de la pièce ( 7) ou à la jonction de soudage, par apport ou introduction, un matériau de même type par soudage à l'arc. 20) Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la température de préchauffage est maintenue constante à l'aide d'un moyen de régulation ( 30) coopérant avec un pyromètre ( 11) et un générateur de haute fréquence ( 12). 3 *) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1 ou 2, comportant une enceinte à gaz protecteur ( 1) pour recevoir la pièce ( 7) et un passage de tube ( 14) pour fournir du gaz protecteur, avec au moins un passage tournant pour ma- nipuler la pièce ( 7), dispositif caractérisé en ce que la pièce ( 7) est entourée, au niveau de la soudure ( 16), à l'intérieur de l'enceinte à gaz protecteur ( 7), par une bobine d'induction ( 8) refroidie, dans la zone de soudage, et qui est reliée à un générateur haute fréquence ( 12) par des passages haute fréquence ( 17, 18) réalisés dans l'enceinte à gaz protecteur ( 1), la surveillance de la température de préchauffage étant assurée par un pyromètre placé à l'extérieur de l'enceinte à gaz protecteur. 40) Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que le pyromètre ( 11) est aligné par une fenêtre optique ( 23) de l'enceinte à gaz protec- teur ( 1) sur une tache de mesure qui se trouve sur le côté de la pièce ( 7) opposé au point de soudage ( 16). 50) Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le passage tournant est un passage tournant et coulissant ( 2) et en ce qu'il est prévu au moins un manipulateur ( 19) prévu à l'exté- rieur de l'enceinte ( 1) à gaz protecteur pour le gui- dage de l'électrode de soudage pour le soudage à l'arc électrique à l'intérieur de l'enceinte à gaz protec- teur ( 1) et en ce que l'enceinte ( 1) comporte des fenêtres optiques ( 22, 23) pour surveiller, réguler et commander le préchauffage et le soudage.