Brevet FR2760985A1 — publié le 19980925

PROCEDE DE SOUDAGE PAR FRICTION D'UNE EBAUCHE D'AUBE A UN DISQUE DE ROTOR DESCRIPTION L'invention concerne un procédé de soudage par friction d'une ébauche d'aube à un disque de rotor, et plus précisément à une racine d'aube intégrée à ce disque. Les disques aubagés monobloc, où les aubes sont d'un seul tenant avec le disque proprement dit, sont appréciés pour leur résistance mécanique dans certains endroits de turbomachines, à l'entrée ou à la sortie des compresseurs ou des turbines. Les procédés les plus courants de fabrication des disques aubagés monobloc sont le fraisage et l'usinage chimique. Un procédé alternatif, particulièrement adapté aux disques aubagés monobloc à pales de grandes dimensions, est le soudage par friction linéaire d'ébauches d'aubes fabriquées séparément sur les racines d'aube fabriquées avec le disque. On accole l'ébauche d'aube et la racine d'aube par leurs bords de jonction avec une force de pression suffisante, puis on les soumet à un mouvement linéaire alternatif de petite ampleur qui produit un frottement, un échauffement et enfin un forgeage générateur du soudage. La mise en oeuvre sans mesure particulière de ce procédé produit cependant un inconvénient normalement cantonné aux extrémités de la jonction soudée, c'est-àdire aux raccordements du bord d'attaque et du bord de fuite des deux portions de l'aube, qui sont échauffés plus lentement : des composés métalliques indésirés, constitués de particules de nitrure et d'oxyde, apparaissent. Il est possible de remédier à ces inconvénients en accroissant l'épaisseur de l'aube aux bords d'attaque et de fuite, où elle n'est que de quelques dixièmes de millimètres, contre une épaisseur de plusieurs millimètres à mi-corde. Si des aubes plus épaisses aux bords sont soudées par friction, l'échauffement devient plus rapide et les défauts métallurgiques n' apparaissent pas, ou bien ils se concentrent à la surface des bords et sont retirés pendant un usinage final, postérieur au soudage, par lequel l'épaisseur supplémentaire aux bords est retirée et les aubes sont mises aux cotes définitives. C'est ainsi qu'on procède généralement pour la fabrication de pièces neuves. Cela n'est pas possible pour le cas où il faut remplacer une aube défectueuse. En effet, si l'aube rapportée peut avoir une surépaisseur, la racine de l'aube solidaire du disque est à la cote finie. Le procédé antérieur connu est donc plutôt réservé à la construction des disques aubagés neufs, où il est facile de fabriquer par forgeage ou tout autre procédé des ébauches et des racines d'aubes pourvues des surépaisseurs désirées. On doit aussi mentionner le brevet français 2 716 397 qui décrit un procédé un peu différent : une couche métallique est disposée sous forme de collerette autour de la jonction soudée au moins aux bords d'attaque et de fuite, ou sous forme de couche continue intercalée entre les surfaces de jonction de l'ébauche d'aube et de la racine d'aube et s'étendant encore autour des parties d'aube. La matière ajoutée autour des bords d'attaque et de fuite constitue une surépaisseur qui empêche donc ici aussi l'apparition de défauts métallurgiques ; si la variante à couche continue est choisie, elle est consumée au soudage et ne modifie donc pas la soudure obtenue. Mais ce procédé efficace par ailleurs présente l'inconvénient qu'il faut compliquer l'outillage de soudage pour retenir la couche ajoutée. Le but de l'invention est d'éviter la formation des composés métallurgiques nocifs, sans devoir garnir les bords d'attaque et de fuite des parties d'aubes à souder par une surépaisseur qu'il faut enlever ensuite et en utilisant un outillage de soudage par friction habituel. On désire aussi disposer d'un procédé aussi commode pour réparer des disques aubagés que pour les construire. Le procédé traditionnel est donc enrichi d'une étape de prévention d'apparition d'oxydes et d'autres composés. On constate que l'apparition des oxydes peut être combattue soit directement, en raréfiant l'oxygène, soit indirectement, en accroissant l'échauffement des endroits concernés du joint de soudure. On préconise donc de disposer une enceinte étanche autour des parties adjacentes de l'ébauche d'aube et de la racine d'aube, et l'oxygène est retiré de cette enceinte ; l'oxygène peut aussi être chassé des endroits à souder en soufflant un autre gaz, neutre notamment, sur les parties adjacentes de l'ébauche et de la racine d'aube pendant le soudage ; ou bien, conformément à l'autre façon d'agir, on préconise de créer une concavité sur une surface à souder de l'ébauche d'aube ou de la racine d'aube entre le bord d'attaque et le bord de fuite, de façon que les bords subissent une friction plus longue que les autres parties du joint et finissent donc par être échauffés autant qu'elles. L'invention va maintenant être décrite en détail à l'aide des figures suivantes, annexées à titre illustratif et non limitatif - la figure 1 illustre un des modes de réalisation de l'invention et les principes du soudage par friction, - les figures 2 et 3 illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 illustre un troisième mode de réalisation de l'invention, - la figure 5 explicite les particularités de ce troisième mode de réalisation - la figure 6 montre une microphotographie d'une zone soudée suivant un procédé connu antérieur, - et la figure 7 montre une microphotographie d'une zone soudée suivant le procédé conforme à l'invention. La figure 1 représente une ébauche d'aube 1 à souder à une racine d'aube 2 intégrée à un disque 3 de rotor qui n'est que partiellement représenté. La machine de soudage est également partiellement représentée par certains éléments directement associés aux pièces à souder, c'est-à-dire une paire de mâchoires 4 enserrant l'ébauche d'aube 1 et reliée au système générateur de vibrations qui permet d'imposer à l'ébauche d'aube 1 un mouvement linéaire alterné de faible amplitude, généralement dans la direction de la corde de la section d'aube. Un effort axial de pression perpendiculaire à la surface de soudage est par ailleurs appliqué au moyen d'un outillage enserrant le disque 3. Cet outillage reçoit également les efforts de friction exercés dans le plan de soudage. Les bords d'attaque et de fuite ont respectivement été référencés par 7 et 8 pour l'ébauche d'aube 1 et par 9 et 10 pour la racine d'aube 2. Les zones adjacentes à ces bords et au plan de soudage 11, à la jonction de l'ébauche d'aube 1 et de la racine d'aube 2, sont sujettes à la formation de composés métalliques nocifs comme on l'a mentionné. Un procédé pour lutter contre cela et proposé conformément à l'invention consiste à chasser l'oxygène avoisinant par un courant de gaz neutre tel que de l'argon. Ce courant peut être fourni par une buse 12 en forme d'U qui embrasse presque tout le plan de soudage 11, ses branches 13 et 14 s'étendant devant l'intrados et l'extrados de l'aube à former, à hauteur du plan de soudage 11. Les branches 13 et 14 sont percées d'une rangée d'orifices 15 dirigée vers l'aube : il suffit alors de fournir l'argon par une canalisation 16 qui aboutit dans la buse 12, à la jonction des branches 13 et 14, pour qu'il soit projeté contre le plan de soudage 11 et chasse l'air à cet endroit. Le fonctionnement de la machine de soudage par friction n'est pas modifié. La buse 12 peut rester immobile si le volume occupé par le gaz neutre a une hauteur suffisante pour contenir le plan de soudage 11 pendant toute la durée du soudage, pendant laquelle de la matière soumise à l'échauffement de l'ébauche d'aube 1 et de la racine d'aube 2 est consumée, de sorte que l'ébauche et la racine d'aube 1 et 2 sont rognées et que le plan de soudage 11 s'abaisse. Sinon, il est possible de déplacer la buse 12 par un système d'asservissement non représenté en détail. Cependant, on peut proposer d'asservir le déplacement de la buse 12 à celui des mâchoires 4 de l'ébauche d'aube 1, qui exercent un effort axial sur celle-ci et se déplacent donc pendant le soudage : en supposant que la matière consumée est égale pour l'ébauche d'aube 1 et la racine d'aube 2, le déplacement de la buse 12 pourrait être égal à la moitié de celui des mâchoires 4 pour qu'on soit assuré de suivre sensiblement l'abaissement du plan de soudage 11. Parmi les solutions technologiques possibles, on peut disposer une portion rigide de la canalisation 16 dans un palier 17 à l'extrémité de la tige d'un vérin 18 asservi selon le principe qu'on vient de signaler. On représente enfin par 19 la source du gaz neutre dépensé. On passe aux figures 2 et 3, qui illustrent une réalisation différente fondée sur le même principe de raréfaction ou d'élimination de l'oxygène autour du plan de soudage 11 : une enceinte 20 est ici disposée autour de ce plan pour parfaire l'élimination de l'oxygène, et cette enceinte 20 se compose de deux parties en forme de caisson rectiligne 21 et 22 respectivement liées à l'ébauche d'aube 1 et à la racine d'aube 2 : elles peuvent être fixées aux mâchoires 4 et à la surface du disque 3 par des portions de fixation 23 et 24. Des moyens usuels tels que des vis, des brides, des serre-joints, etc. Sont utilisés. Les parties d'enceinte 21 et 22 s'élèvent dans le sens de l'ébauche 1 et de la racine d'aube 2 à partir des portions de fixation 23 et 24, et finissent en bords d'ouverture 25 et 26 qui s'emboîtent l'un dans l'autre pour clore à peu près complétement l'enceinte 20 et la rendre presque étanche ; les bords 25 et 26 ne sont séparés que par un petit interstice à leurs côtés latéraux, qui s'étendent en direction du mouvement de friction, comme on le voit à la figure 2, mais la figure 3 montre que l'interstice doit être plus important pour les côtés longitudinaux, croisant les précédents, des bords 25 et 26, afin qu'un contact entre ces bords n'entrave pas le mouvement de friction accompli le long de la flèche F. On dispose alors un joint d'étanchéité 27 entre les bords 25 et 26 afin d'éviter les fuites d'un gaz neutre insufflé dans l'enceinte 20. Ce joint 27 est un joint élastique, torique à section creuse, en membrane ou autre, collé aux bords 25 et 26 et qui se déforme entre eux selon leurs mouvements. L'argon est insufflé dans le volume de l'enceinte 20 par une canalisation 28 traversant la partie 22. Le débit d'argon est important avant le soudage pour chasser l'air de l'enceinte 20, puis un débit résiduel est maintenu jusqu'à la fin du soudage. La figure 6 montre les résultats obtenus lors d'un soudage suivant le procédé à l'air connu antérieur où on relève la présence de particules d'oxynitrures dans la soudure. La figure 7 montre l'amélioration de la qualité d'assemblage obtenu en appliquant le procédé conforme à l'invention sur un alliage à base de titane et 6 pour cent d'aluminium et 4 pour cent de vanadium où aucun défaut n'est constaté dans la soudure réalisée entre le disque 3 et l'aube 1. Ces avantages obtenus en appliquant le premier mode de réalisation de l'invention ont été constatés sur des familles d'alliages à base de titane, de nickel ou de fer. L'ébauche d'aube porte la référence 31 sur la figure 4 et se distingue de l'ébauche d'aube 1 en ce que son bord inférieur n'est pas plan, contrairement aux conceptions habituelles : il présente une concavité 32 au centre, entre des saillies 33 et 34 dirigées vers la racine d'aube 2 et qui ont pour effet essentiel de prolonger les bords d'attaque et de fuite 7 et 8 et leurs alentours. Quand la friction est produite, elle concerne d'abord uniquement ces zones qui s'échauffent avant les autres, ce qui compense leur moindre facilité d'échauffement et permet d'éviter la formation des composés métallurgiques nocifs. Le procédé de soudage sera explicité en se reportant à la figure 5, où les courbes en trait plein représentent, pour une configuration de soudage sans creusement de la surface, l'amplitude des mouvements horizontaux des mâchoires 4 et de l'ébauche d'aube 31, l'effort axial appliqué par les mâchoires 4 au plan de soudage, la consommation de matière totale et la fréquence des mouvements en fonction du temps. Cette fréquence reste constante pendant tout le processus ; l'amplitude du mouvement s'élève rapidement dès le démarrage et atteint un palier avant de décroître plus lentement qu'elle n'avait crû ; l'effort axial est instauré peu après que l'amplitude du mouvement a atteint son palier, et il est prolongé bien après que l'amplitude est redevenue nulle, afin de permettre le refroidissement de la liaison sous pression, avant d'être diminué peu à peu. La période pendant laquelle l'amplitude du mouvement et l'effort axial sont tous deux maximaux correspond à une phase de soudage par friction pilotée, pendant laquelle les pièces s'échauffent, et une phase de forgeage apparaît ensuite tant que l'effort axial est maintenu à sa valeur maximale. La courbe de consommation de matière montre une consommation de matière sans cesse croissante pendant la phase de soudage après une période de latence, une nouvelle augmentation au début de la phase de forgeage, et un arrêt presque total de consommation quand l'amplitude a décru au-dessous d'une valeur relativement élevée. On peut donc dire que la phase de soudage correspond à l'échauffement des pièces, à des frottements importants et à une perte importante de la matière soudée, alors que la phase de forgeage permet de consolider la soudure en permettant l'union intime de la matière des deux constituants. Ces conditions de soudage devraient être modifiées pour souder les pièces de la figure 4 correspondant à la présente invention : si A désigne la profondeur de la cavité 32 ou la hauteur des saillies 33 et 34, l'effort axial est modifié selon le trait mixte et n'atteint le palier maximal qu'une fois que les saillies ont été consommées, la hauteur A ayant été expulsée ; un effort axial plus modéré, en rapport avec la section de contact réduite prenant l'aspect d'un palier préliminaire inférieur, est imposé entre temps ; on peut préconiser A compris entre 0,3 mm et 1 mm environ. On notera que de manière préférentielle, la presion exercée dans le sens axial est maintenue sensiblement constante et par conséquent l'effort axial exercé est proportionnel à la surface de contact aux différents paliers. On doit enfin remarquer que la concavité 32 aurait pu être formée sur la racine d'aube 2 ; le bord de l'ébauche d'aube 31 aurait alors été plan ; une répartition entre les deux surfaces à souder est également possible. Les mêmes résultats avantageux précédemment décrits sont également constatés en appliquant ces modes de réalisation de l'invention sur les familles d'alliages à base de titane, de nickel ou de fer. REVEND I CAT IONS 1. Procédé de soudage par friction d'une ébauche d'aube (1, 31) à une racine d'aube (2) intégrée à un disque de rotor (3), l'ébauche d'aube et la racine d'aube présentant des bords d'attaque (7, 9) et de fuite (8, 10), caractérisé en ce qu'il comprend une étape de prévention d'apparition d'oxydes aux bords d'attaque et de fuite pendant le soudage. 2. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de prévention consiste à entourer des parties adjacentes de l'ébauche d'aube et de la racine d'aube par une enceinte étanche (20) de laquelle l'oxygène est retiré. 3. Procédé de soudage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'enceinte est composée de deux parties (21, 22) se refermant respectivement sur l'ébauche d'aube (1) et sur la racine d'aube (2) et présentant chacune un bord d'ouverture (25, 26), et d'un joint d'étanchéité (27) intercalé entre les bords d'ouverture et déformable au moins à une portion qui s'étend dans une direction croisant une direction de mouvement relatif, produisant la friction, entre l'ébauche d'aube et la racine d'aube. 4. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de prévention consiste à souffler un gaz dépourvu d'oxygène sur des parties adjacentes de l'ébauche d'aube et de la racine d'aube. 5. Procédé de soudage selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz est soufflé par une buse (12) entourant les parties adjacentes de l'ébauche d'aube et de la racine d'aube. 6. Procédé de soudage selon la revendication 5, caractérisé en ce que la buse (12) est déplacée pendant le soudage pour suivre une variation de hauteur d'un plan de jonction soudée (11) entre l'ébauche d'aube et la racine d'aube. 7. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de prévention consiste à créer, en préliminaire au soudage, une concavité (32) sur une surface à souder, soit de l'ébauche d'aube (31), soit de la racine d'aube (2), entre le bord d'attaque et le bord de fuite. 8. Procédé de soudage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'est appliqué un effort axial ayant une valeur variable proportionnelle à la surface de contact entre l'ébauche d'aube (31) et la racine d'aube (2).