Brevet FR2892651A1 — publié le 20070504

PROCEDE DE SOUDAGE DE CORPS DE POMPES HAUTE PRESSION Le renchérissement des carburants utilisés dans les moteurs thermiques a conduit à développer de nouvelles technologies visant à en limiter la consommation. En particulier, les constructeurs automobiles se sont intéressés à augmenter la pression des carburants injectés dans les moteurs de façon à optimiser la carburation et diminuer les rejets atmosphériques, les pressions de fonctionnement pouvant atteindre jusqu'à 200 Mpa. Dans ces conditions, de nouvelles contraintes technologiques sont apparues. Elles sont plus particulièrement liées à la nécessité de grande propreté des liquides mis sous haute pression et traversant des réseaux hydrauliques jusqu'à des injecteurs de grande précision. L'objectif d'éliminer toute trace de pollution sur les surfaces internes, neuves et non accessibles après fabrication, des corps de pompes est devenu impératif de façon à éliminer tout risque de cheminement de ces pollutions dans le circuit jusqu'aux injecteurs. Les pollutions potentielles liées aux procédés classiques de fabrication sur des corps de pompes comportant des parties soudées, sont essentiellement des oxydations, des projections ou des dépôts de natures diverses. Ces pollutions potentielles sont particulièrement localisées autour des zones chauffées par le soudage. L'augmentation des pressions d'utilisation a nécessité de faire évoluer en parallèle la conception des pompes en en augmentant les caractéristiques mécaniques, hydrauliques ou d'étanchéité par rapport aux modèles traditionnels. Ces pompes sont la plupart du temps réalisées dans des alliages d'acier plus ou moins alliés ou d'aciers inoxydables, ou autres alliages métalliques. Elles présentent en général différentes cavités reliées ou non entre elles, usinées dans un corps épais, et qu'il est nécessaire de venir obturer totalement ou partiellement à l'aide de plaques ou bouchons constitués d'un alliage de nature similaire à celle du corps lui-même. Dans le présent texte, nous les nommerons de façon générique bouchons . Ces bouchons peuvent être assemblés mécaniquement ou par soudage au corps principal. Leur épaisseur est couramment comprise entre 1 et 4 mm. Leur fonction est de retenir de façon étanche un liquide mis sous forte pression à l'intérieur des cavités du corps de pompe. Seuls les assemblages par soudage intéresseront la présente invention. Une des difficultés additionnelles à surmonter est de réussir à répondre aux différentes contraintes techniques liées au fonctionnement fiable pendant une longue utilisation. La résistance mécanique élevée et l'étanchéité parfaite aux hautes pressions implique une soudure de très haute qualité exempte de défauts tels que cavités, fissures, retassures ou autres, et occasionnant un minimum de déformations susceptibles d'induire des contraintes internes résiduelles. De plus, s'agissant de productions de masse pour l'automobile, un suivi systématique en assurance de qualité et des conditions économiques compatibles sont requis. Les pièces unitaires sont réalisés généralement au moyen de procédés industriels spécifiques selon qu'il s'agisse des bouchons ou bien des corps. Les corps principaux sont généralement issus de fonderie et usinés ultérieurement. Les tolérances d'usinage courantes de fabrication varient de l'ordre de quelques centièmes de mm jusqu'au dixième de mm. Les bouchons sont généralement issus d'estampage ou de procédés économiques en grandes séries qui sont peu précis, de l'ordre de quelques dixièmes de mm de tolérances. On se trouve en présence de rapports d'environ de 3 à 10 entre les tolérances dimensionnelles des bouchons et les tolérances d'usinage des corps, conduisant à des jeux ou espaces entre les éléments à souder pouvant aller jusqu'à quelques dixièmes de mm. La difficulté à surmonter est d'inventer un procédé de soudage qui réponde aux contraintes techniques très élevées tout en satisfaisant aux contraintes industrielles et économiques de production de masse du secteur automobile, qui sont souvent contradictoires. En effet, les premières sont davantage du ressort des technologies dites avancées alors que les secondes sont attachées aux technologies plus traditionnelles. Les techniques de soudage conventionnelles sont économiques et acceptent des différences de tolérances importantes, mais elles sont peu reproductibles, peu rapides, déforment les pièces en apportant beaucoup de chaleur, de risques d'oxydation et de projections sur les surfaces internes, et permettent difficilement un suivi d'assurance de qualité systématique et fiable. Les procédés à faisceaux d'énergie nécessitent habituellement des assemblages de précision avec des 15 jeux très réduits. Le soudage par faisceau laser est mal adapté à des épaisseurs de plusieurs mm et les résultats en soudage ne sont pas satisfaisants sur ce type de pièces. L'invention décrit pour la première fois un procédé industriel combinant un ensemble de dispositifs et de conditions qui permet de concilier les différentes contraintes. Elle prévoit de mettre en oeuvre un canon à électrons (1) et de positionner le corps de pompe (3) avec 20 ses bouchons (7) posés de façon à obturer les cavités (14) . Les parois des cavités et des bouchons seront maintenues propres. Le pourtour à obturer des cavités (14) aura été usiné avec épaulement (11) et bords (16). Les bouchons sont dimensionnés avec des tolérances grossières de quelques dixièmes de mm alors que les cavités sont usinées avec des tolérances plus fines de quelques centièmes de mm, de façon à accepter un jeu (10) entre les bords à souder pouvant atteindre plusieurs dixièmes de mm. Le 25 corps de pompe est placé sur un outillage spécifique (4). A l'intérieur d'une chambre à vide (2). On amène l'outillage (4) avec le corps (3) et les bouchons (7) en position face au canon à électrons, bords (16) à souder sensiblement dans l'axe du canon. On évacue l'air de la chambre à vide (2) pendant un temps suffisant pour permettre d'évacuer en même temps l'air des cavités (14). On établit un faisceau d'électrons de façon à venir fondre les bords (16) 30 en maintenant une marge (18) entre le bain de fusion et la paroi interne (17 ) de la cavité de manière à éloigner le bain et la cavité, cette marge ayant une largeur avantageusement comprise entre 0,5 et 2,5mm. On déplace le faisceau par rapport à la pièce de façon à réaliser la soudure. Les paramètres du faisceau et les dimensions du cordon de soudure sont réglés de façon à ce que le métal, par sa fusion, puisse à la fois remplir le volume vide du jeu (10) entre les bord (16), constituer le bourrelet de 35 soudure (19) et constituer un cordon sain sans cavités ni défauts. Etant donné qu'il existe une expansion en volume entre la structure du métal de base et celle du cordon de soudure, l'augmentation de volume sera en l'occurrence affectée d'une part à combler le jeu (10) entre les bords (16) et d'autre part à constituer le bourrelet (19). La difficulté de cette opération réside dans la définition de paramètres qui évitent un effondrement du bain que l'on est en situation d'attendre d'un procédé à faisceau d'énergie du fait de l'importance du jeu (10). L'invention définira accessoirement des plages de paramètres permettant d'atteindre cet objectif. La pompe réalisée d'après le procédé selon l'invention aura vu ses parois internes éloignées de tout bain de fusion, donc protégées de toute pollution ou projections dues à la soudure et elle aura vu ces mêmes parois protégées de toute oxydation du fait de l'absence d'oxygène après sa mise sous vide. La qualité sera conforme à la très haute qualité de la soudure par faisceau d'électrons associée aux possibilités d'enregistrement des paramètres et l'utilisateur bénéficiera de pièces unitaires réalisées économiquement avec des tolérances dimensionnelles beaucoup plus larges que celles traditionnellement tolérées par la technologie du faisceau d'électrons. L'invention décrira plus en détail un dispositif permettant la mise en oeuvre industrielle du procédé. La figure 1 montre, en coupe, un détail de bouchon (7) avant soudure La figure 2 montre, en coupe, un détail de bouchon (7) soudé selon l'invention La figure 3 montre, en coupe, une machine selon l'invention. La figure 4 montre en plan, une machine selon l'invention Dans un mode de réalisation selon les figures 1 à 3, l'invention met en oeuvre un canon à électrons (1) dont le faisceau peut être émis à l'intérieur d'une chambre à vide (2). Un corps de pompe (3) est positionné sur un outillage spécifique (4) à une distance (5) d'environ 150 mm de la bobine (6) du canon (1). Le déplacement du faisceau d'électrons par rapport à la pièce peut se faire par contournage de type x-y pour les figures complexes et par contournage ou rotation pour les soudures circulaires. L'orifice à obturer (9) a été usiné de façon à ce que la plaque ou le bouchon (7) vienne reposer en appui sur l'épaulement (11), un jeu de quelques dixièmes de mm existe entre les deux bords à souder (16). Une marge (18) est maintenue entre le bain de fusion et la paroi interne (17) de la cavité (14). Dans un mode de réalisation, cette marge est d'environ 1,5 mm, de façon à éliminer tout risque de pollution ou de projection vers la cavité (14) durant le soudage. Dans un mode de réalisation avantageux, le faisceau est réglé à une tension de 50 kV pour une intensité de 50 mA. On réalise une mise sous vide à un niveau compris entre 10 -2 et 5 x 10 -4 mbar en attendant suffisamment de temps pour évacuer l'air des cavités (14) avant l'établissement du faisceau, de façon à garantir l'absence d'oxydation dans les cavités (14) pendant le soudage. Le procédé selon l'invention définit les conditions avantageuses permettant au cordon de soudure de combler un espace de jeu (10) de quelques dixièmes de mm entre les bords (16) tout en évitant un effondrement du cordon et les défauts associés, par une puissance de faisceau comprise entre 1 et 4 kW, une vitesse de soudage comprise entre 1 et 3 mètres/minute, et un courant de focalisation compris entre 1 et 4 Ampères. La géométrie avantageuse du cordon s'établit alors entre 1,2 et 3,8 mm de pénétration (12) et 1,2 et 3,8 mm de largeur en surface (13). Sur la figure 3, on observe en coupe un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le canon à électrons (1) est disposé à axe vertical. La chambre à vide (2) comporte un outillage (4) dans lequel est fixé une pompe comportant un corps (3) et des bouchons (7) préparés d'après l'invention. La soudure s'opère à une distance (5) d'environ 150 mm entre la bobine (6) du canon et la pièce à souder. Un système de déplacement croisé en x-y de la pièce par rapport au canon ou du canon par rapport à la pièce permet de souder selon des parcours circulaires ou selon des figures pré-établies de géométrie libre. Sur la figure 4, on observe en plan un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Un dispositif rotatif (12) supporte plusieurs outillages (4). Lorsque un outillage (4) est en position de soudage (19) à l'intérieur de la chambre à vide (2), un ou plusieurs autres outillages (4) sont en position de chargement/déchargement (20). L'invention prévoit une ou plusieurs positions de chargement/déchargement (20) pour un outillage(4), de façon à pouvoir disposer une pièce (21) en position de soudage (19) alors qu'une autre pièce (21) serait en position de chargement/déchargement (20). De façon concomitante, une autre pièce (22) peut être préparée au chargement/déchargement sur deux autres postes . Lorsque le dispositif rotatif tourne sur son axe (13), une pièce (21) ou (22) peut être amenée d'une position de chargement/déchargement (20) en position de soudage (19). Ce dispositif permet de souder en grande cadence plusieurs pièces (21) de même catégorie pendant une campagne de production, ou bien de souder deux séries de pièces (21 et 22) sur un même équipement et pendant une même campagne. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont été explicitement décrits, mais elle inclut les diverses variantes et généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après : 35 REVENDICATIONS 1. Procédé de soudage de corps de pompes haute pression comportant un corps ( 3) en acier, acier inoxydable ou autre alliage métallique, dans lequel sont ménagées des cavités (14) obturées par des bouchons (7) de forme circulaire ou quelconque, caractérisé en ce que le pourtour à obturer des cavités (14) est usiné avec épaulement (Il) et bord (16) , que les bouchons (7) sont posés sur les épaulements (11), que l'ensemble est placé sur un outillage (4), lui même positionné dans une chambre à vide (2), qu'on amène les bords à souder (16) sensiblement dans l'axe d'un canon à électrons (1), qu'on évacue l'air de la chambre à vide pendant un temps suffisant pour permettre d'évacuer en même temps les cavités (14), qu'on établit un faisceau d'électrons et qu'on déplace le faisceau par rapport à la pièce. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le jeu (10) entre les bords (16) à souder peut atteindre plusieurs dixièmes de mm. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on vient fondre les bords (16)en maintenant une marge (18) entre le bain de fusion et la paroi interne (17) de la cavité. 4. Procédé selon la revendication 3 caractérisé en ce que la marge (18) a une largeur comprise entre 0,5 et 2,5 mm. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la pénétration (12) du cordon de soudure est comprise entre 1,2 et 3,8 mm. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur en surface (13) du cordon de soudure est comprise entre 1,2 et 3,8 mm. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la puissance du faisceau est comprise entre 1 et 4 kW 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le courant de focalisation est établi entre 1 et 4 Ampères. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le niveau de vide dans la chambre est établi entre 10 -2 et 5 x 10 -4 mbar. 10. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un système de déplacement croisé en x-y de la pièce par rapport au canon ou du canon par rapport à la pièce permet de souder selon des figures pré-établies. 11. Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce qu'un dispositif rotatif (12) supporte plusieurs outillages (4) et puisse tourner autour d'un axe (13) de façon à pouvoir disposer une pièce en position de soudage (19) alors qu'une ou plusieurs autres pièces sont en position de chargement/déchargement (20), et amener une pièce d'une position de chargement/déchargement (20) à la position de soudage (19).