Brevet FR2694225A1 — publié le 19940204

PROCEDE DE REALISATION D'UNE LIAISON SOUDEE DE PIECES POUR TURBOIACHINES, NOTAMMENT POUR LA REPARATION DE PIECES. L'invention se rapporte à un procédé de réalisation d'une liaison soudée de pièces pour turbomachines, qui doivent être soudées l'une à l'autre le long de bords communs, notamment pour la réparation de pièces. Les liaisons soudées ou de réparation connues jusqu'à présent, sont d'une complexité de fabrication et d'un coût relativement élevés Elles présentent en outre le risque de défauts locaux de soudage. Notamment dans le cas d'une restauration locale d'aubes de soufflante ou de turbine, on procède de la manière suivante, à savoir que la pièce neuve, avant l'opération de soudage, est préfabriquée de manière à correspondre pratiquement au profil effectivement nécessaire; il est prévu à cet effet une transposition extrêmement précise de l'allure du bord de séparation de l'ancienne pièce sur la pièce neuve, en tenant compte des épaisseurs de profil variables et d'un éventuel gauchissement existant de l'aube Après soudage bord à bord, à savoir de manière jointive, de la pièce neuve ainsi préparée, sur l'ancienne pièce, se sont formées, en se référant à la longueur totale du joint soudé, des liaisons soudées localement imparfaites, l'origine de ces défauts étant à rechercher dans l'épaisseur de paroi souvent extrêmement variable le long de l'ensemble de la zone d'assemblage Il est donc difficile d'adapter les paramètres de soudage aux différentes sections transversales le long du joint de soudage Une telle adaptation serait certes réalisable, tout au moins en théorie, dans le cadre de procédés de soudage à commande numérique électronique (grandes séries); mais l'investissement très important en machine que cela nécessite, ne se justifie toutefois pas dans le cadre des besoins spécifiques de réparation de pièces de turbomachines. Le but de l'invention consiste à indiquer un procédé du type de celui mentionné en introduction, permettant de manière relativement simple, d'obtenir une liaison de pièces optimale, notamment également dans le cas d'une géométrie de pièce variable dans la zone du joint de soudage. Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce au fait que l'une des deux pièces présente un évidement formant une cavité, par lequel elle est engagée sur l'autre pièce, qu'ensuite l'espace intermédiaire entre l'évidement formant une cavité et l'autre pièce est rempli d'une poudre de soudage, et que les deux pièces sont ensuite soudées l'une à l'autre par chauffage à la température de soudage. Selon une configuration conforme à l'invention, l'évidement formant une cavité d'une des pièces à souder, est réalisé de manière à présenter une dimension en largeur plus importante que l'épaisseur locale la plus grande de l'autre pièce Cet évidement formant une cavité peut également être réalisé de manière à présenter une section transversale se rétrécissant à partir du côté de son ouverture en direction du côté de son fond. D'après une autre caractéristique de l'invention, chaque première pièce est préfabriquée en étant surdimensionnée par rapport à l'autre pièce, à savoir par rapport à des tronçons de celle-ci Ainsi, chaque première pièce est réalisée de manière à être 0,1 à 5 fois plus large que l'épaisseur locale maximale de l'autre pièce. Une configuration avantageuse prévoit que chaque première pièce, tout au moins avant le soudage sur l'autre pièce, est munie d'une marque de faisceau de soudage en saillie ou en creux sur le côté extérieur de la paroi, notamment à hauteur du fond de l'évidement ou de la rainure. Selon une autre configuration avantageuse de l'invention, chaque première pièce est préfabriquée de manière à présenter un tronçon de support supplémentaire. Selon un autre développement de l'invention, l'évidement formant une cavité est bouché sur le côté ouvert, après avoir effectué le remplissage de poudre de soudage Ainsi, l'évidement formant une cavité est bouché sur le côté ouvert, tout au moins avant l'opération de soudage Selon une réalisation particulière, l'évidement formant une cavité est fermé sur le côté ouvert, par pliage local en direction de l'autre pièce, -de tronçons de paroi de la première pièce Selon un autre mode de réalisation, l'évidement formant une cavité est bouché à la manière d'un couvercle. En variante, l'évidement formant une cavité est tout d'abord bouché ou fermé, et est ensuite rempli par la poudre de soudage Dans ce cas, la première pièce est équipée de passages ou de pièces d'insert d'amenée et d'évacuation, pour le remplissage et l'évacuation de la poudre de soudage. De cette manière on obtient une liaison de fusion et de soudage intime le long de la totalité de la longueur et de la largeur des pièces opposées La poudre de soudage adaptée, quant à la matière, aux pièces à souder (ancienne pièce/pièce neuve), remplit totalement les espaces intermédiaires entre la cavité et le tronçon local correspondant de l'ancienne pièce, de sorte que même dans le cas d'une épaisseur de paroi variable imposée par des considérations aérodynamiques, on obtient, le long de la totalité de la longueur et de la largeur de la zone de soudage réciproque, une répartition uniforme des matières à fondre, qui, pour le soudage, sont complétées par des parts de matériau qui auparavant formaient la cavité de la pièce neuve. L'invention évite de respecter des tolérances de fabrication extrêmement précises, aussi bien en ce qui concerne la qualité de l'état de surface de la zone de séparation sur l'ancienne pièce, qu'en ce qui concerne la qualité de la pièce neuve, par exemple de la cavité. La pièce neuve pouvant être fabriquée de manière surdimensionnée par rapport aux dimensions de pièce effectivement nécessaires, et ainsi soudée sur l'ancienne pièce, permet de maîtriser des déformations produites lors du soudage, par d'éventuelles contraintes; en outre, il est possible de prévoir sur les pièces neuves, des tronçons de suspension judicieusement répartis et permettant une manipulation plus aisée lors du soudage Une éventuelle déformation de la pièce neuve peut être corrigée, en raison du surdimensionnement existant, par une opération d'usinage ultérieure par enlèvement de copeaux, effectuée après l'opération de soudage amenant la pièce aux dimensions effectivement nécessaires. Après l'introduction du tronçon local de l'ancienne pièce dans la cavité de la nouvelle pièce, ou inversement, les volumes restants de la cavité, en ayant été adaptés aux contours de forme prédéterminée et aux dimensions des pièces à souder, peuvent être réalisés en tant que fonction de la quantité de poudre de soudage nécessaire, et/ou en tant que fonction des dimensions choisies pour les particules de poudre, et/ou en tant que fonction d'une pré-compression de la poudre telle qu'elle pourrait être effectuée dans une chambre. L'invention concerne également l'application de ce procédé à des pièces à souder l'une à l'autre, qui peuvent être des pièces d'aubes de turbine ou de compresseur, ou des pièces de paroi de tube de flammes, ou des pièces de carter d'une chambre de combustion, ou des pièces de carter de compresseur ou de turbine, ou des tronçons de rotor, ou bien encore des pièces de volets de tuyère de poussée. Ainsi, en ce qui concerne les réparations de pièces dans les turboréacteurs et groupes motopropulseurs, spécifiques au réacteur, les pièces neuves peuvent être préfabriquées en tant que pièces standard et stockées en magasin pour être utilisées selon les besoins Cela est particulièrement bien adapté, par exemple, dans le cas de la restauration d'aubes de turbine sujettes à des dommages périodiques, par exemple ablation thermique ou corrosion par les gaz chauds, sur le bord d'attaque ou sur le bord de fuite, la réparation ou la remise à neuf pouvant également s'effectuer, conformément à l'invention, sur la totalité de la hauteur de la partie active d'une aube. L'invention va maintenant être décrite plus en détail, à titre d'exemple dans le cadre d'un procédé de réparation, et au regard des dessins annexés, qui montrent: Fig 1 une vue de côté d'une aube mobile de soufflante, sur laquelle sont indiquées, sur la partie active de l'aube, les zones de séparation des tronçons endommagés et devant être renouvelés, Fig 2 l'aube mobile selon la figure 1, avec indication des pièces neuves préfabriquées conformément à l'invention, et rapportées le long des zones de séparation, à savoir soudées sur l'ancienne pièce, le long de ces zones, Fig 3 un premier mode de réalisation d'une pièce neuve pour la restauration du tronçon d'aube extérieur aval selon la figure 1, comportant la cavité et le remplissage de poudre, l'ensemble étant rapporté sur la zone de séparation considérée de l'ancienne pièce, Fig 4 un second mode de réalisation d'une pièce neuve pour la restauration du tronçon d'aube extérieur amont selon la figure 1, comportant la cavité et le remplissage de poudre, l'ensemble étant rapporté sur la zone de séparation considérée de l'ancienne pièce, Fig 5 un troisième mode de réalisation d'une pièce neuve pour la restauration d'un tronçon d'aube selon la figure 1 en combinaison avec la figure 4, la figure montrant des mesures permettant de boucher la cavité remplie de poudre, par rapport au tronçon local d'aube formant l'ancienne pièce, Fig 6 un quatrième mode de réalisation d'une pièce neuve selon une représentation en perspective de l'élément complet de restauration locale d'une aube comprenant le sommet de l'aube, avec référence à l'extrémité d'aube localement brisée de l'ancienne pièce, représentée dans la cavité, et Fig 7 la vue de dessus d'une autre pièce neuve, en combinaison avec un tronçon d'aube localement gauche et variable quant à l'épaisseur de matière. Conformément au procédé de réparation, des tronçons d'aube 2, 3 localement endommagés (figure 1), d'une aube de soufflante 1 d'un réacteur à turbine à gaz, sont séparés le long de zones de séparation Tl, T 2 présentant de préférence une structure en forme de surface plane rectiligne, et sont remplacés par des pièces neuves 4, 5 (figure 2) qui doivent être soudées sur l'ancienne pièce A considérée, le long des zones de séparation Tl, T 2 Selon l'invention, les pièces neuves 4, 5 sont munies, avant l'opération de soudage, d'un évidement 6, 7 formant une cavité; l'ancienne pièce A est introduite dans les pièces neuves 4, 5 au niveau de ces cavités 6, 7, le long des zones de séparation correspondantes Tl, T 2; inversement, il est naturellement possible de rapporter la pièce neuve 4, 5 considérée sur l'ancienne pièce A, le long de la zone de séparation Tl, T 2 correspondante Ainsi, la pièce neuve 4, 5 repose de manière jointive ou bord à bord sur la zone de séparation correspondante Tl, T 2, le long du fond de sa cavité ou rainure Ensuite, l'espace intermédiaire résiduel entre l'évidement 6, 7 formant une cavité et l'ancienne pièce A, doit être rempli d'une poudre de métal S adaptée au soudage réciproque des pièces A la suite de cela, il est possible d'effectuer le soudage le long des zones de séparation Tl, T 2. Ensuite, il est possible d'effectuer un usinage par enlèvement de copeaux des pièces neuves 4, 5 ayant été soudées alors qu'elles présentaient initialement une section transversale rectangulaire ou carrée, pour amener ces pièces au contour d'aube K (figure 4) et K' (figure 3) effectivement nécessaire, conformément aux tronçons d'aube 2, 3 de la figure 1. Comme le montre notamment la figure 7 dans le haut, il est par ailleurs prévu de fabriquer l'évidement 7 formant une cavité de manière à ce qu'il présente une dimension en largeur supérieure à l'épaisseur locale la plus grande de l'ancienne pièce A; dans tous les cas, le tronçon d'aube A considéré repose avec jeu dans l'évidement formant une cavité 6 (figure 3) ou 7 (figures 4 à 7) La figure 7 laisse clairement entrevoir que dans le cas d'une géométrie d'aube présentant un gauchissement local et une épaisseur de paroi variable de l'ancienne pièce A dans le sens longitudinal de T 2, la cavité 7 est conçue de manière telle, que le remplissage de poudre S complète sur toute la longueur les retraits locaux de matière de l'ancienne pièce A, de sorte qu'il est possible d'obtenir de manière relativement simple, une liaison soudée uniforme. Les évidements 7 formant une cavité peuvent en principe être réalisés de manière à présenter une section transversale rectangulaire, mais également carrée, comme le laissent entrevoir les figures 4 et 5. Conformément à la figure 3, l'évidement 6 formant une cavité peut présenter une section transversale sensiblement en forme de "V", en se rétrécissant à partir du côté de son ouverture en direction du côté de son fond, en vue d'obtenir entre autres, un remplissage de poudre S uniformément réparti, pouvant être bien maîtrisé. Comme le laissent par ailleurs entrevoir l'ensemble des figures, les pièces neuves 4, 5 sont surdimensionnées par rapport aux tronçons d'aube 2, 3 effectivement nécessaires sur l'ancienne pièce A (figure 1) Suivant le contour prédéterminé de la pièce à réparer, les pièces neuves peuvent toutefois également être préfabriquées de manière à être beaucoup plus minces que représenté, et être ainsi soudées sur l'ancienne pièce A Aussi, selon une configuration de l'invention, chaque pièce neuve 4, 5 peut être réalisée de manière à être 0,1 à 5 fois plus large que l'épaisseur locale maximale de l'autre pièce A, dans la zone de séparation Tl, T 2. Comme le laisse par exemple entrevoir la figure 6, dans le cadre d'une restauration d'un sommet d'aube, chaque pièce neuve considérée, par exemple 4, peut être munie d'une marque de faisceau de soudage M s'étendant à hauteur du fond de la cavité ou de la rainure, et visualisant en même temps le joint des pièces le long de la zone de séparation Tl considérée, en vue d'assurer un soudage optimal, de manière simplifiée. Comme cela est représenté en pointillés sur le haut et à droite de la figure 2, chaque pièce neuve, par exemple 5, peut être préfabriquée de manière à comporter au moins un tronçon supplémentaire de support 8, pourvu par exemple d'un perçage 9 en vue de faciliter la manipulation des pièces neuves lors du soudage, ou bien en vue de réaliser une prise de pièce souhaitée pour un usinage supplémentaire Mais les tronçons de support peuvent également contribuer à une évacuation rapide et uniforme de la chaleur produite par le processus de soudage, en présentant ainsi à nouveau un effet de réduction des contraintes et des déformations, tout au moins en ce qui concerne les pièces neuves 4, 5. La figure 5 concrétise un exemple de réalisation dans lequel l'évidement 7 formant une cavité peut être fermé sur son côté ouvert éloigné du fond ou de la base Comme le laisse entrevoir la figure 5, la fermeture peut s'effectuer par pliage local en direction de l'ancienne pièce A, de tronçons de paroi 9 formant l'évidement formant une cavité de la pièce neuve 4 En variante, il est également possible de réaliser une fermeture de l'évidement formant une cavité, à la manière d'un couvercle Il est ici possible de réaliser la fermeture avant ou après le remplissage par la poudre de soudage S. La figure 5 constitue un exemple selon lequel on ferme l'évidement 7 formant une cavité, et l'on remplit ensuite seulement l'évidement avec la poudre de soudage S A cet effet, dans les tronçons de paroi 9 n'ayant pas été pliés et restés rectilignes, sont disposés des inserts réalisés en tant qu'éléments d'alimentation en matière 10 et en tant qu'éléments d'évacuation de matière 11, qui présentent des ouvertures de passage pour la poudre de soudage S amenée là sous pression ou évacuée Les éléments d'alimentation et d'évacuation 10, 11 peuvent être obturés avant le soudage des pièces En variante, il est possible de prévoir en tant qu'éléments d'alimentation et d'évacuation, des perçages dans les parois 9, que l'on obture à la manière de bouchons avant le soudage. Le procédé conforme à l'invention peut être mis en oeuvre pour la fabrication, ou la réparation, ou bien encore pour une optimisation ultérieure de la qualité de pièces de turbomachines, notamment de réacteurs à turbine à gaz, qui sont énumérées ci-après: aubes de turbine, de compresseur et de soufflante, ou aubes stationnaires (aubes directrices), parties de paroi de tube de flammes, carters de chambre de combustion, carters de compresseur ou de turbine, rotors ou volets de tuyère de poussée. L'invention peut s'appliquer dans la restauration locale de zones sollicitées par de fortes températures, par exemple le bord d'attaque ou de fuite ou le sommet d'aubes de turbine, en permettant d'utiliser pour les pièces neuves, des matériaux plus fortement alliés et plus résistants à la chaleur que le matériau initial de l'ancienne pièce A Dans cet esprit, il est également possible, conformément à l'invention, de préfabriquer une pièce, par exemple une aube, en plusieurs parties, c'est à dire pièce par pièce, celles- ci étant assemblées ultérieurement par le nouveau procédé de soudage, dans l'optique de prendre en considération des sollicitations en fonctionnement différentes, sur l'aube (charges, températures, abrasion). Par exemple, en ce qui concerne les limites de charge que l'on atteint périodiquement, et les dommages que l'on peut en attendre, il est possible de mettre en oeuvre pour les pièces neuves, des pièces solidifiées de manière unidirectionnelle, c'est à dire des pièces monocristallines, en vue de mieux maîtriser encore, localement, par exemple au niveau de la partie active de l'aube, des sollicitations de traction aggravantes, cette maîtrise étant meilleure que cela n'est le cas localement sur la pièce appelée l'ancienne pièce, qui peut ainsi être fabriquée de manière plus simple et moins coûteuse quant au matériau utilisé. L'invention est également adaptée dans le cas de pièces dénommées usuellement "blisks", c'est à dire de composants formés d'un rotor muni de ses aubes, fabriqué en série d'une seule pièce, par exemple selon un procédé d'usinage électrochimique; dans ce cas, lorsque le disque de rotor ou un secteur de rotor sont restés sans dommages, l'entretien permettant de conserver le composant considéré par la réparation ou la restauration locale des aubes, semble particulièrement se justifier. L'invention peut avantageusement être mise en oeuvre dans le cadre des procédés de soudage suivants: soudage par faisceau d'électrons, soudage dit "WIG" (de l'anglais "Wolfram Inert Gaz"), soudage plasma, soudage en bouchon, ou par exemple soudage par résistance électrique. REVENDICATIONS. 1 Procédé de réalisation d'une liaison soudée de pièces (A; 4, 5) pour turbomachines, qui doivent être soudées les unes aux autres le long de bords communs, notamment pour la réparation de pièces, caractérisé en ce que l'une des deux pièces (A; 4, 5) présente un évidement ( 6, 7) formant une cavité, par lequel elle est engagée sur l'autre pièce (A), en ce qu'ensuite l'espace intermédiaire entre l'évidement formant une cavité et l'autre pièce (A) est rempli d'une poudre de soudage (S), et en ce que les deux pièces (A; 4, 5) sont ensuite soudées l'une à l'autre par chauffage à la température de soudage. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évidement formant une cavité d'une pièce ( 4, 5) des pièces à souder, est réalisé de manière à présenter une dimension en largeur plus importante que l'épaisseur locale la plus grande de l'autre pièce (A). 3 Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'évidement ( 6) formant une cavité est réalisé de manière à présenter une section transversale se rétrécissant à partir du côté de son ouverture en direction du côté de son fond. 4 Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque première pièce ( 4, 5) est préfabriquée en étant surdimensionnée par rapport à l'autre pièce (A), à savoir par rapport à des tronçons ( 2, 3) de celle-ci. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque première pièce ( 4) est réalisée de manière à être 0,1 à 5 fois plus large que l'épaisseur locale maximale de l'autre pièce (A). 6 Procédé selon l'une des revendications 1 à , caractérisé en ce que chaque première pièce ( 4), tout au moins avant le soudage sur l'autre pièce (A), est munie d'une marque de faisceau de soudage (M) en saillie ou en creux sur le côté extérieur de la paroi, notamment à hauteur du fond de la cavité ou de la rainure. 7 Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque première pièce ( 4, 5) est préfabriquée de manière à présenter un tronçon de support ( 8) supplémentaire. 8 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'évidement ( 7) formant une cavité est bouché sur le côté ouvert, après avoir effectué le remplissage de poudre de soudage (S). 9 Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'évidement ( 7) formant une cavité est bouché sur le côté ouvert, tout au moins avant l'opération de soudage. Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'évidement ( 7) formant une cavité est fermé sur le côté ouvert, par pliage local en direction de l'autre pièce (A), de tronçons de paroi ( 9) de la première pièce ( 4). 11 Procédé selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que l'évidement formant une cavité est bouché à la manière d'un couvercle. 12 Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce l'évidement ( 7) formant une cavité est tout d'abord bouché ou fermé, et est ensuite rempli par la poudre de soudage (S). 13 Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première pièce ( 4) est équipée de passages ou de pièces d'insert d'amenée et d'évacuation ( 10, 11), pour le remplissage et l'évacuation de la poudre de soudage (S). 14 Application du procédé selon l'une des revendications précédentes à des pièces à souder l'une à l'autre, qui peuvent être des pièces d'aubes de turbine ou de compresseur, ou des pièces de paroi de tube de flammes, ou des pièces de carter d'une chambre de combustion, ou des pièces de carter de compresseur ou de turbine, ou des tronçons de rotor, ou bien encore des pièces de volets de tuyère de poussée.