Brevet FR2835458A1 — publié le 20030808

SOUDAGE DE STRUCTURES CREUSES f La présente invention concerne un procédé de soudage de pièces métalliques creuses, Zn les pièces réalisées selon ce procédé et les équipements mettant en oeuvre ce procédé. Certaines pièces, en particulier à usage aéronautique, sont constituées de structures C > métalliques (12) comportant un axe de symétrie (18), elles sont par exemple réalisées en alliage de Titane, et disposent dans leur forme des sections creuses (l) radiales à parois t > courbes et à distances entre parois variables, dans le prolongement desquelles on vient Z > positionner des pièces tubulaires rapportées (2) de sections semblables. L'interface entre les sections creuses et les pièces tubulaires se présente selon un plan (3), et l'on assemble généralement les deux parties par soudage selon ce plan. La technologie de soudage retenue peut être traditionnelle ou bien par faisceau Zn V. 5 d'énergie tel que le faisceau d'électrons. Les technologies traditionnelles, telles que les C > procédés T. I. G, engendrent de fortes déformations de la pièce, qui doit être reprise après C > soudage de façon importante pour retrouver une géométrie conforme. Le faisceau d'électrons présente l'avantage de minimiser les déformations après ZD soudage et est choisi préférentiellement pour certaines catégories de pièces sensibles. Pour pouvoir réaliser de façon classique les soudures sur de telles parties tubulaires par faisceau d'électrons, on doit régler préalablement les paramètres de soudage sur une t : p z : paroi témoin et on effectue une soudure simple soit au moyen d'un canon à électrons fixe et d'une rotation de la pièce, soit par rotation du canon autour de la partie tubulaire fixe. Pour des structures complexes, ou de grandes dimensions, cette opération peut nécessiter de nombreuses reprises de la pièce et mises sous vide successives, et devenir très compliquée, voire impossible pour certaines configurations de pièces comportant un nombre significatif de parties tubulaires rapportées. Dans certains cas, les parois internes des parties tubulaires sont inaccessibles après soudage : Un des objectifs est alors d'obtenir une qualité de soudure dans la partie Z-D interne de la portion tubulaire telle qu'elle ne requiert pas de reprise mécanique après soudage. L'objet de l'invention est un procédé d'assemblage des sections creuses et des pièces tubulaires rapportées qui utilise un faisceau d'électrons sous vide (4) traversant successivement les deux parois (5 et 6) en constituant après fusion un cordon de soudure de sections présentant des formes semblables sur chacune des deux parois. Ce procédé permet le soudage de la pièce dans un seul vide, avec une manipulation simple de la pièce et du canon et une qualité de soudage de type aéronautique comportant des creux et des bourrelets n'excédant pas 0,5 mm et ne requérant pas, ou très peu, de reprise après soudage. Z > On connaît la faculté du faisceau d'électrons de traverser plusieurs parois distantes par exemple de 0 à 150 mm et de réaliser ainsi une soudure par transparence d'une paroi cachée (6) derrière une autre paroi (5). On peut tirer profit de cette faculté pour procéder au soudage des deux parois sans mise Zn en rotation du canon ni de la pièce pendant le soudage. Ce soudage serait réalisé alors Z : > 0 par simple translation linéaire droite entre le faisceau d'électrons (4) et la pièce dans le plan de soudage. L'application de cette faculté aux structures décrites dans le présent brevet n'a pas été envisagée jusqu'à présent car de nombreuses difficultés y font obstacle, et il n'est pas ZD évident de trouver des conditions qui en permettent la réalisation. En effet sur une pièce soudée en transparence comportant deux parois (5 et 6) distantes par exemple de 0 à 150 mm, la première paroi (5) reçoit la totalité de la puissance qui la traverse, la deuxième paroi (6) reçoit la puissance résiduelle après absorption d'une partie par la première paroi, enfin la puissance qui n'a été absorbée ni par la première, ni par la seconde paroi, ou surpuissance, est absorbée sur une cible. On exige généralement des cordons de soudure de sections avec des formes semblables sur les deux parois (5 et 6) et en particulier des creux et des bourrelets n'excédant pas 0,5 mm. Un des objets de l'invention est de permettre d'obtenir industriellement de façon fiable et répétable ces résultats. Généralement, on obtient un soudage de bonne qualité sur la première paroi (5) en utilisant une vitesse de soudage lente, mais ceci conduit à un risque de fuite de gouttes de métal fondu depuis la paroi (5) vers la paroi (6). f Inversement, une vitesse rapide de soudage évite ce risque, mais alors la géométrie du CD cordon peut présenter des creux ou bourrelets qui ne seraient pas acceptables. Le procédé selon l'invention détermine une vitesses de soudage comprise entre 1 et 3 M/mn pour éviter le coulage du bain de soudure de la première paroi (5) en assurant une bonne qualité de soudage sur les deux parois (5 et 6). En combinant cette vitesse de soudage avec une tension d'alimentation et une CD surpuissance du faisceau minimales et avec une géométrie de faisceau de même ordre sur les deux parois, on obtient deux cordons de soudure de géométrie semblable et de bonne qualité. Ce résultat peut être obtenu avantageusement selon le procédé en créant une section de CD faisceau (7) quasi-parallèle entre les deux parois (5 et 6) par un positionnement optimum de l'origine du faisceau, ou cathode (8), par rapport à ses points d'impact (9 et 10). Le procédé selon l'invention détermine un minimum pour la tension à 48 KV, un minimum pour la surpuissance à un coefficient de 1,2 et un optimum pour la distance entre la cathode et le point d'impact sur la première paroi (5) entre 400 mm et 1 800 mm. D'autre part, l'angle d'incidence du faisceau d'électrons par rapport au plan des parois à : CD souder (5 & 6), ou au plan tangent aux parois à souder au point d'impact du faisceau im pour des parois ou portions de parois courbes, est traditionnellement de l'ordre de 90 , ceci afin de minimiser l'épaisseur à traverser par le faisceau. On a déterminé sur les pièces concernées par le présent brevet que, bien qu'en augmentant l'épaisseur traversée par le biais d'une réduction de l'angle d'incidence (20) du faisceau d'électrons autour d'une valeur de l'ordre de 45 12 , on obtenait des conditions de soudage plus favorables. C > En appliquant les conditions du procédé selon l'invention, on assure une bonne qualité de soudage en une seule passe sur la partie courante, mais on n'évite pas le risque de défauts à l'entrée et à la sortie du faisceau dans la pièce. Pour éviter ce risque, le procédé selon l'invention prévoit de part et d'autre de la section des pièces brutes (sections creuses et pièces tubulaires rapportées), des excès de matière ou talons (11), qui constituent des zones d'entrée et de sortie du faisceau susceptibles de présenter des défauts, et qui seront éliminées au cours d'opérations ultérieures de finition. de finition. Une section minimale de chaque talon est déterminée selon l'invention à 1 cm2. Afin d'éviter le creux éventuel du cordon de soudage qui viendrait affaiblir la section de c la pièce après son usinage final, on prévoira avantageusement une surépaisseur (19) des C) CD parois (5 & 6) de quelques mm dans les pièces brutes : ces surépaisseurs qui peuvent comporter des creux de soudage seront éliminées lors des finitions. La figure 1 représente, en vue cavalière, une pièce avec les sections creuses et les pièces ZD tubulaires à souder positionnées dans leur prolongement mais montrées détachées. ZD La figure 2 représente en détail vu de face les deux éléments à souder et le trajet du faisceau d'électrons. La figure 3 représente une coupe sur une pièce tubulaire selon le plan de soudage avec t. > C > la schématisation du déplacement de la pièce pendant le soudage, le canon restant fixe. ZD La figure 4 représente dans les mêmes conditions une coupe sur une variante de pièce CD tubulaire. La figure 5 représente la structure montée (12) sur son outillage (13) dans la machine à ZD souder par faisceau d'électrons. Dans un mode de réalisation, on constitue une structure en alliage de Titane par soudage Zn C > d'une structure centrale (12) comportant 4 sections creuses (1) à parois courbes et à distances entre parois (5 et 6) variables entre 0 et 150 mm, dans le prolongement desquelles ont vient positionner 4 pièces tubulaires (2) que l'on pré-assemble par pointage T. I. G. On installe la structure centrale (12) ainsi préparée sur un outillage rotatif (13) dans la chambre à vide (14) d'une machine de soudage par faisceau d'électrons, de façon à ce Zn que le plan global de la structure (15) soit incliné à environ 45 par rapport à la ZD verticale. Un canon à électrons (16) est disposé au dessus de la pièce selon un axe vertical. L'outillage rotatif est lui-même positionné sur un chariot comportant un mouvement de soudage rectiligne de translation (17). On règle la géométrie de ZD CD 0 l'ensemble de façon à ce que le plan de soudage (3) d'une pièce tubulaire (2) et d'une tD section creuse (1) soit confondu avec le plan déterminé par l'axe vertical du faisceau d'électrons (4) interceptant une droite parallèle au mouvement rectiligne de translation z : l (17). On présente d'abord la structure selon un premier plan de soudage (3) et on ZD exécute la première soudure par activation du faisceau d'électrons et déplacement relatif 1 de la structure (12) et du faisceau (4) selon le mouvement rectiligne (17). On met ensuite en rotation l'outillage (13) de façon à présenter la structure selon un deuxième plan de soudage (3), et on exécute la deuxième soudure, et ainsi de suite jusqu'à la dernière soudure. Ce procédé permet donc d'exécuter toutes les soudures requises sans avoir à reprendre la pièce ni à ouvrir la chambre à vide. Dans un mode de réalisation où la distance entre les parois (5 & 6) est comprise entre 0 et 150 mm, le procédé selon l'invention a déterminé certaines conditions avantageuses zl : l permettant d'atteindre les objectifs de qualité et de répétabilité industrielles recherchés : La vitesse de soudage est comprise entre 1 et 3 M/mn. La distance entre l'origine du faisceau, ou cathode (8), et le point d'impact (9) sur la C > première paroi (5) est comprise entre 400 et 1800 mm. Le faisceau d'électrons est établi avec un facteur de surpuissance supérieur à 1,2, son angle d'incidence par rapport aux parois (5 & 6) est réglé pour son parcours principal à ZD 45 0 12 On prévoira avantageusement de part et d'autre de la section des pièces brutes deux talons (11) d'un minimum de 1 cm2 de section chacun pour l'entrée du faisceau et sa sortie. On prévoira également des surépaisseurs de l'ordre de 1 mm au droit des CD cordons de soudure, dans la partie extérieure des pièces. Ces talons et surépaisseurs seront éliminés après soudage pour constituer la pièce finie. REVENDICATIONS l. Procédé de soudage de structures métalliques qui disposent dans leurs formes de sections creuses (1) radiales à parois courbes et à distances entre parois variables, dans le prolongement desquelles on vient positionner des pièces tubulaires rapportées (2) de CD sections semblables, pièce réalisée selon ce procédé, ou équipement mettant en oeuvre ce procédé, caractérisé (e) en ce que l'on assemble les sections creuses et les pièces tubulaires en utilisant un faisceau d'électrons sous vide (4) qui traverse successivement les deux parois (5 & 6) en constituant après fusion un cordon de soudure sur chacune des deux parois. 2. Procédé, pièce ou équipement, selon la revendication 1 caractérisé (e) en ce que le soudage est réalisé par simple translation linéaire droite entre le faisceau d'électrons (4) ZD et la pièce dans le plan de soudage (3). ZD 3. Procédé, pièce ou équipement, selon la revendication 1 ou 2 caractérisé (e) en ce que la distance entre les deux parois (5 & 6) est comprise entre 0 et 150 mm. 4. procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que les cordons de soudure ont des sections présentant des formes semblables sur chacune des deux parois (5 & 6) et qu'en particulier les creux et bourrelets n'excédent pas 0,5 mm. 5. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que la vitesse de soudage est comprise entre 1 et 3 M/mn. 6. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que la distance entre l'origine du faisceau, ou cathode (8), et le point d'impact (9) sur la première paroi (5) est comprise entre 400 et 1800 mm. 7. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que le faisceau est établi avec un facteur de surpuissance supérieur à 1,2. 8. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que l'on prévoit de part et d'autre de la section des pièces brutes deux talons (11) pour l'entrée du faisceau et sa sortie, que chacun de ces talons a une section minimum de 1 cm2, et que ces talons seront éliminés pour constituer la pièce finie. 9. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que l'on prévoit sur la pièce brute, au droit des cordons de soudure, des surépaisseurs de l'ordre de quelques mm, qui seront éliminées lors des finitions. 10. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que l'angle d'incidence (20) du faisceau par rapport au plan des parois (5 & 6) à souder, ou au plan tangent aux parois à souder au point d'impact du faisceau pour les parois ou portions de parois courbes, est réglé pour son parcours principal à 45O : t 120. 11. Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que l'on présente d'abord la structure (12) selon un premier plan de soudage (3) et que l'on exécute la première soudure par activation du CD faisceau d'électrons (4) et déplacement relatif de la structure (17) et du faisceau (4) selon un mouvement rectiligne (17), et que l'on met ensuite en rotation l'outillage (13) de façon à présenter la structure selon un deuxième plan de soudage (3), et que l'on exécute la deuxième soudure, et que l'on procède ainsi de suite jusqu'à la dernière soudure. 12 Procédé, pièce ou équipement, selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé (e) en ce que les pièces sont réalisées en alliage de Titane. c