Brevet FR2963261A1 — publié le 20120203

PROCEDE DE BRASAGE PAR INDUCTION DE PIECES DE FORME COMPLEXE, ET POSTE DE BRASAGE SIMPLE ET MULTIPLE DE MISE EN OEUVRE INTRODUCTION [0001] L'invention concerne un procédé de brasage par induction de pièces présentant une forme complexe, ainsi qu'un poste de brasage apte à mettre en oeuvre ce procédé. Ce poste de brasage peut être multiple pour pouvoir effectuer plusieurs brasages simultanément. [0002] Le domaine de l'invention est le brasage par induction pour l'assemblage de pièces et l'invention s'applique à tout profil de pièces à assembler, en particulier aux pièces de forme complexe, présentant par exemple des courbures. Les matériaux doivent être brasables, en particulier au regard de leurs points de fusion et de celui de la brasure, avec une conductivité électrique et une perméabilité magnétique suffisantes pour que le brasage puisse opérer. [0003] L'induction électromagnétique comme mode de chauffage est avantageux : classiquement réalisé par un générateur couplé à un inducteur, il permet une montée en température rapide, un chauffage relativement localisé et reproductible, avec un faible coût d'exploitation. Ce type de chauffage s'applique dans de nombreux cas : recuit (tubes, fils), soudage (tubes), trempe superficielle et revenu (engrenages), redressage (arbres), etc. [0004] Le brasage consiste en principe à assembler deux pièces métalliques par un joint métallique - la brasure - de point de fusion inférieur à celui des pièces, et nécessite pour ce faire la mise en oeuvre de conditions strictes, quel que soit son mode de chauffage: [0005] un assemblage des pièces selon un plan de joint plan sur plan avec des jeux fixes entre les pièces, [0006] des surfaces de pièces exemptes de graisses et d'oxydes ; [0007] un cycle thermique fixe, uniquement assujetti à la géométrie des pièces et au couple de matériaux pièces/ brasure. [0008] Un tel cycle thermique se compose classiquement d'une montée en température jusqu'à la température de palier (légèrement supérieure à la température de fusion de la brasure), d'un maintien en température pendant une durée déterminée puis d'un refroidissement de durée déterminée. Afin d'empêcher l'oxydation pendant la chauffe, deux approches sont connues suivant la force du brasage souhaité : en cas de brasage dit « fort »,un « flux » dit décapant protège le joint brasé de l'oxydation pendant le cycle thermique ; en cas de brasage dit « par diffusion » l'atmosphère est généralement contrôlée sous gaz neutre, par exemple sous argon. [0009] L'induction comme mode de chauffage du brasage est connue pour des applications de type isotrope du fait de la géométrie de l'inducteur, à savoir pour des assemblages de pièces de révolution (tubulures, raccords, vannes, etc.) ou des assemblages de pièces de surfaces de géométrique simple et régulière, et sous atmosphère contrôlée. [0010] Le brasage par induction comporte en général un inducteur en forme de solénoïde entourant les pièces à braser. L'inducteur est couplé à un pyromètre optique pour une régulation de température en fonction du point de fusion du flux de brasure. [0011] Une telle approche ne permet pas d'élargir la gamme d'applications du brasage par induction à des assemblages de pièces de forme complexe, en particulier de pièces à profil complexe, ne présentant pas d'axe de révolution ou de symétrie mais un plan de joint « évolutif », c'est-à-dire non plan. EXPOSE DE L'INVENTION [0012] L'invention vise précisément à réaliser un brasage de pièces à profil complexe, avec des jeux entre les pièces pouvant varier et des cycles de chauffe pouvant être extrêmement courts, donc en utilisant un chauffage du type à induction, tout en permettant de définir des conditions de mise en oeuvre reproductibles en production. [0013] Pour atteindre ces objectifs, l'invention prévoit notamment d'adapter le cycle thermique au cours du brasage par une régulation et une vérification de l'homogénéisation en température par une cartographie thermique, en tenant compte du coefficient d'émissivité du matériau à braser. [0014] A ce titre, la présente invention a pour objet un procédé de brasage par induction de pièces pouvant présenter une forme complexe. Ce procédé consiste à définir un cycle thermique de chauffe comportant des phases de montée en température, de palier et de refroidissement en fonction du matériau à braser, à déposer un cordon de brasure sur un plan de joint entre les pièces à braser, à exercer une pression sensiblement uniforme sur les pièces à braser une fois réunies, à disposer d'une cartographie thermique du matériau à braser tenant compte des variations du coefficient d'émissivité de ce matériau pendant le cycle pour un contrôle d'homogénéisation de la chauffe. Ce cycle thermique est alors régulé par une boucle d'asservissement fermée à partir d'une visée en un point représentatif de chauffe tenant compte également des variations du coefficient d'émissivité du matériau en ce point et par une chauffe localisée par une induction de forme au plus près du plan de joint des pièces à braser sur lequel le cordon de brasure a été déposé. [0015] Dans ces conditions, le procédé de l'invention permet d'élaborer les phases de mise au point d'applications industrielles, grâce à la reproductibilité des cycles thermiques. Le poste de brasage qui était un poste « goulot » en termes de durée et de coût en production devient un poste « fluide ». De plus, le taux de non qualité (en abrégé TNQ) du brasage est abaissé de 30-40% à moins de 3%, les coûts résiduels de NQ devenant négligeables. En outre, les risques électrique, thermique et magnétique sont sécurisés. [0016] Selon des modes de mise en oeuvre particuliers : - la prise en compte du coefficient d'émissivité du matériau à braser avec la température est effectuée par étalonnage de la variation du coefficient d'émissivité en fonction de la température de ce matériau par rapport à un corps noir à partir des flux de rayonnements respectifs obtenus aux mêmes températures ; - l'induction de chauffe est localisée à proximité de zones de brasure à réaliser qui s'étendent selon le plan de joint ; - le point représentatif de chauffe est sélectionné à proximité du plan de joint ; - le brasage est défini par des paramètres figés de géométrie et de positionnement relatif des pièces à braser et de l'induction de forme, ainsi que de l'état de surface des pièces à braser. [0017] Avantageusement, un tel procédé permet de réduire sensiblement la quantité de brasure en améliorant la qualité de l'opération. L'invention se rapporte également à un poste de brasage pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus. Un tel poste comporte un générateur de puissance électrique, apte à délivrer une tension déterminée à un transformateur sur lequel est branché un circuit conducteur formant un inducteur de forme. Ce circuit possède une conformation globale adaptée pour se rapporter à celle des zones de brasure, la pièce à braser est disposée sur un support de pièce de l'outillage. Des moyens de pression sont aptes à exercer une contrainte déterminée et sensiblement constante sur les pièces à braser. La température des pièces au cours du brasage est mesurée par un pyromètre infrarouge à visée laser et un régulateur est apte à délivrer une consigne de régulation de puissance au générateur en fonction de la température mesurée. Avantageusement, le poste est portatif et donc aisément transportable pour opérer sur site, en particulier lorsque le brasage ne nécessite pas la présence d'un gaz neutre. Le pyromètre est à visée laser afin de s'affranchir de toute perturbation de la régulation liée à la chauffe de matériaux proches. [0018] Selon des modes particuliers de réalisation : - la cartographie thermique est mesurée par une caméra infrarouge en phase de mise au point des paramètres de brasage, avant lancement de la fabrication série, pour figer ces paramètres ; - l'inducteur est constitué d'une structure métallique à section rectangulaire, de préférence carrée de côté inférieure à 1 cm, formée de tronçons linéaires raccordés par soudage, épousant globalement la forme du plan de joint des pièces à braser ; - des concentreurs de champ sont disposés au niveau des raccordements angulaires de l'inducteur afin d'éliminer les zones de fuite; - l'inducteur est positionné à une distance du couvercle à braser qui n'excède pas 2 mm ; - les moyens de pression sont composés d'un embout de serrage pourvu de doigts isolants munis de ressorts qui viennent en pression contre une face de l'une des pièces à braser, de sorte à exercer une contrainte déterminée et sensiblement constante sur l'ensemble des deux pièces ; - des buses d'air comprimé sont avantageusement disposées à proximité des pièces à braser afin d'accélérer le refroidissement pour réduire les temps de cycle, dès que la valeur de la température affranchi l'assemblage de tout risque de trempe des matériaux. [0019]Un poste de brasage multiple comporte avantageusement plusieurs inducteurs définis ci-dessus, de sorte à braser simultanément plusieurs joints d'une même pièce. Avantageusement, un générateur, un transformateur et un régulateur peuvent être mis en commun. [0020]L'invention s'applique en particulier au brasage de couvercles de pales d'aubages de turbine, également dénommés distributeurs. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0021] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit et qui se rapporte à un exemple de réalisation, en référence aux figures annexées qui illustrent : - la figure 1, une vue schématique d'un exemple d'installation de poste de brasage selon l'invention ; - la figure 2, une vue perspective d'une pale de distributeur et du couvercle à braser, positionnés sur un support approprié ; - la figure 3, une vue de dessus des pièces à braser selon la figure 2 avec un inducteur de forme selon l'invention ; - la figure 4, une vue schématique en perspective de l'outillage de maintien et de serrage pendant le brasage, et - la figure 5, un bloc diagramme de mise en oeuvre du procédé de brasage de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN EXEMPLE DE REALISATION [0022] En référence à la figure 1, une installation selon l'invention comporte des équipements de chauffe disposés dans une enceinte 10 sous atmosphère libre, munie d'une porte 30 d'accès pouvant être bloquée par un verrou 9 pour des raisons de sécurité, ainsi que des équipements d'alimentation électriques hors de l'enceinte : un générateur de puissance 40 à haute fréquence pour favoriser les courants surfaciques, couplé à un régulateur de puissance 50 en amont et à un transformateur 60 en aval, ce dernier pouvant être intégré dans l'enceinte 10 - sous forme de tête de transformateur - à proximité des équipements de chauffe comme dans l'exemple illustré. Le régulateur 50 contrôle la régulation et suit l'évolution des brasages en cours. Une unité de traitement de données 70, muni d'un terminal de visualisation 72, permet d'enregistrer des données de cycles de chauffe et des coefficients d'émissivité des principaux matériaux de brasure en fonction de la température. [0023] Les équipements de chauffe se composent d'un inducteur 11 monté 30 aux bornes du transformateur 60 et d'un pyromètre infrarouge bichromatique à visée laser 12 couplé au régulateur 50. L'inducteur 11 est disposé en regard d'une table 14 - muni d'un bâti 14a de déplacement 2 axes. Les pièces à braser sont déposées dans un support 5 en matériau isolant réfractaire posé sur la table 14. Des buses d'air comprimé 15a et 15b sont avantageusement disposées entre l'inducteur 11 et la table 14. Ces buses sont reliées à un compresseur 15c piloté par le régulateur 50. [0024] Les équipements de pression comprennent un embout 16 qui, monté verticalement sur ressort (voir figure 4) passe à travers l'inducteur 11 et surplombe le support 5. Cet embout est muni de six doigts de contact 18, en matériau thermiquement isolants, montés sur ressorts de hauteur réglable afin de permettre à l'ensemble des doigts d'exercer une contrainte sensiblement uniforme sur la pièce à braser. [0025] L'exemple ci-après se rapporte au brasage d'un couvercle de pale de distributeur de turbine à gaz. Un distributeur de turbine est constitué de pales formant un aubage fixe et de deux anneaux, les pales étant pourvues de pieds montés sur l'anneau intérieur. La fonction du distributeur est de dévier l'écoulement d'air reçu en bord d'attaque entre les faces des pales afin d'orienter le flux d'air de l'aubage mobile en rotation. [0026] La vue en perspective de la figure 2 illustre la mise en place des pièces - une pale 3 et son couvercle 4 - dans un support 5 en matériau réfractaire, avant de procéder au brasage. La pale et le couvercle sont globalement, en vue supérieure, de forme trapézoïdale. La pale 3 présente deux faces principales, une face intrados concave 32 et une face extrados convexe (non visible sur la figure) avec un bord d'attaque Ba et un bord de fuite Bf qui délimitent ces faces. Le couvercle 4 se présente sous forme d'une paroi plate. [0027] Sur les bases du trapèze, la pale est équipée respectivement d'une tête 34 et d'un pied 36 dans lequel un bouchon 37 est emmanché. La face intrados 32 de la pale 3 comporte une série de canaux ouverts 38, ou évents, disposés parallèlement pour déboucher à proximité du bord de fuite Bf de la pale 3. [0028] Le support 5 présente une face supérieure 5a qui épouse la face extrados de la pale de sorte que la pale soit bien calée. La face intrados 32 de la pale accueille un cordon de brasure 6 (en lignes pointillés) sous la forme initiale d'un feuillard déposé sur le plan de joint C, à l'intérieur immédiat du contour du couvercle 4 du plan de joint de cette face 32. Le couvercle 4 est posé également sur le plan de joint de la face 32 via le cordon de brasure. Dans l'exemple, la brasure est un alliage à base d'argent à 50%, et les pièces à braser sont en alliage de cuivre - cobalt - béryllium. [0029] L'inducteur 11 se présente sous la forme d'un circuit de conformation adaptée globalement à la conformation du plan de joint d'un couvercle et d'une pale, comme illustré par la vue supérieure de la figure 3 et la vue en perspective de la figure 4. Ce circuit 11 est composé de tronçons 11 a de tubes de cuivre de section carrée, de côté inférieure mais proche de 1cm. Les tronçons sont linéaires et raccordés par soudage de sorte à se conformer globalement au contour de la pièce à braser 3 disposée sur le support 5. Sur la figure 3, apparaissent également la trace des doigts de contact 18 et du point représentatif 7 de visée pyrométrique à proximité du plan de joint. [0030] L'inducteur 11 possède ainsi une conformation globale adaptée permettant de se rapprocher au plus près, sans contact, des zones longitudinales de brasure. Ainsi, l'inducteur se compose ici de quatre tronçons principaux, Ti à T4, globalement dans un même plan horizontal H1 parallèle à XOY. De manière général, une telle conformation et géométrie de l'inducteur permettent de sa rapprocher des pièces à braser avec un entrefer inférieur à 2 mm, alors que l'art antérieur prévoit de conserver une distance d'environ 2 cm. L'entrefer peut varier en fonction de différents paramètres : composition et quantité de brasure, cycle de chauffe, géométrie des pièces, de l'intensité du courant induit, etc. [0031] Les tronçons Ti à T4 forment en vue supérieure un « U » et sont connectées en extrémité au transformateur (non représenté). L'intensité du courant et la tension alternative délivrée par le transformateur sont adaptés aux dimensions et à la nature des pièces à braser et de la brasure, afin de créer un champ magnétique et donc un courant induit d'intensités appropriées aux matériaux. Des concentreurs de champ en ferrite 8 sont avantageusement disposés dans les tronçons, et plus précisément au niveau des raccordements A de ces tronçons pour limiter les zones de fuite et concentrer le courant induit dans les zones de brasure. [0032] Comme illustré par la figure 4, des ressorts 19 maintiennent en extension les doigts de contact 18 guidés par l'embout 16. Par ailleurs, l'embout 16 est traversé par une lumière 80 permettant le passage du rayon laser du pyromètre infrarouge (non représentée). [0033] L'outillage décrit ci-dessus peut être mis en oeuvre selon le bloc diagramme illustré en figure 5 qui reprend les principaux équipements décrits en référence à la figure 1 : le générateur de puissance 40, le transformateur 60 et l'inducteur 11 couplés ensemble ; le pyromètre 12 de mesure du rayonnement R, le régulateur 50 relié au générateur 40, et l'unité de traitement de données 70 pour archivage couplé au terminal de visualisation 72 en temps réel des cycles thermiques. [0034] Les paramètres du brasage - dimensions et géométrie de l'inducteur 11, état de surface des pièces 3 et 4 (dégraissage, décapage, ...), dépose de brasure 6 sur le plan de joint sous forme de feuillards, dépose du couvercle sur la pale, entrefer entre les équipements et les pièces à braser, contrainte exercée par l'embout de pression sur les pièces - sont figés avant la mise en route du cycle thermique. Dans l'exemple, l'entrefer est sensiblement égal à 1 mm et la pression est fixée à 0,02 N par doigt, soit 0,12 N pour l'ensemble des doigts. [0035] Le générateur 60, de puissance ici égale à 6 kW, fournit une tension U1, qui est transformée en une tension alternative par le transformateur 60. Ce transformateur applique la tension ul aux bornes de l'inducteur 11. Le courant induit dégage alors par effet Joule une température suffisante dans le cordon de brasage 6 entre les pièces 3 et 4 à braser pour liquéfier la brasure entre ces pièces et provoquer le brasage. [0036] L'homogénéité de la température du joint brasé formé est avantageusement suivie par la caméra infrarouge 13, qui transmet une image de la zone des pièces à braser à l'unité de traitement 70. Le suivi d'homogénéité de la chauffe peut être avantageusement réalisé par comparaison entre l'image transmise par la caméra au cours de la chauffe et une cartographie thermique établie antérieurement. Des cartographies peuvent être établies et préenregistrées pour différents cycles thermiques et différents matériaux à braser également préenregistrés dans l'unité de traitement. [0037] Le contrôle de la régulation thermique est effectué à partir des mesures de température effectuées par le pyromètre 12 et transmises au régulateur 50. Un point représentatif de la chauffe, situé dans le plan de joint à proximité du joint, est choisi comme point de visée du pyromètre 7 (figure 3) grâce à la cartographie établie au préalable par la camera IR. [0038] Les valeurs de température mesurées par le pyromètre et la caméra infrarouge sont corrigées pendant la phase de mise au point, avec la simulation à un corps noir, afin de s'affranchir de la variation du coefficient d'émissivité du rayonnement avec la température. Pour ce faire, l'assemblage est recouvert d'une peinture ayant un coefficient d'émissivité proche de « 1 » pour simuler un corps noir. Les réglages d'une chauffe reproductible sont alors définis. Puis, avec comme valeur de départ les abaques des coefficients d'émissivité des principaux alliages, le coefficient exact est réglé de manière à reproduire le cycle précédemment obtenu. [0039] Le cycle thermique à appliquer est paramétré dans le régulateur 50 : durées de la montée en température, du palier et du refroidissement, températures aux bornes de ces durées. Avantageusement, le cycle peut être choisi parmi des cycles préenregistrés. A chaque mesure de température par le pyromètre, l'écart entre la valeur mesurée - corrigée par le facteur d'émissivité - et la valeur attendue à l'instant du cycle est estimé par le régulateur 50. Une consigne de régulation de puissance, apte à réduire cet écart à zéro, est élaborée par le régulateur et transmise au générateur 40 qui règle sa puissance sur le signal de consigne ainsi transmis. [0040] Dans l'exemple, la durée totale du cycle n'excède pas 5 min, avec une montée en température de 1 min, un palier de 1 min et un refroidissement de 3 min. La température du palier est stabilisée dans l'intervalle 680-720 °C avec la brasure à base d'argent. Le refroidissement est libre jusqu'à environ 300°C car un refroidissement forcé pourrait conduire à une « trempe » du matériau. [0041] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Il est par exemple possible de prévoir une automatisation du brasage en utilisant une commande numérique, pouvant être interrompue manuellement ou par un automate à tout moment, à partir de l'unité de traitement des données. Après l'entrée de tous les paramètres figés qui resteront figés pendant l'opération et la saisie des données relatives aux matériaux de la brasure utilisée et des pièces à braser, la boucle de régulation du cycle thermique choisi est lancée par la commande et contrôlée par l'unité de traitement. Le suivi cartographique permet de vérifier la robustesse du procédé. La conformité au modèle préalablement enregistré est vérifiée et une alarme visuelle ou sonore peut être déclenchée en cas de dépassement d'écart de température au-delà d'un seuil prédéterminé. [0042] De plus, de nombreuses opérations de brasage peuvent être pilotées par le procédé et l'outillage selon l'invention, en particulier les brasages qui ne nécessitent pas d'atmosphère contrôlée. En outre, le brasage de pièces peut avoir lieu dans une gamme de températures importantes, par exemple entre 500 et 800°C.25 REVENDICATIONS1. Procédé de brasage par induction de pièces (3, 4) pouvant présenter une forme complexe, caractérisé en ce qu'il consiste à définir un cycle thermique de chauffe comportant des phases de montée en température, de palier et de refroidissement en fonction du matériau à braser (6), à déposer un cordon de brasure sur un plan de joint (C) entre les pièces (3, 4) à braser, à exercer une pression sensiblement uniforme sur les pièces à braser, à disposer d'une cartographie thermique du matériau à braser tenant compte des variations du coefficient d'émissivité de ce matériau pendant le cycle pour un contrôle d'homogénéisation de la chauffe, puis à réguler ce cycle thermique par une boucle d'asservissement fermée à partir d'une visée en un point représentatif (7) de chauffe tenant compte également des variations du coefficient d'émissivité du matériau en ce point et par une localisation de la chauffe par une induction de forme (11) au plus près du plan de joint des pièces à braser (4) sur lequel le cordon de brasure a été déposé. 2. Procédé de brasage par induction selon la revendication 1, dans lequel la prise en compte du coefficient d'émissivité du matériau à braser avec la température est effectuée par étalonnage de la variation du coefficient d'émissivité en fonction de la température de ce matériau par rapport à un corps noir à partir des flux de rayonnements respectifs obtenus aux mêmes températures. 3. Procédé de brasage par induction selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel l'induction de chauffe est localisée à proximité de zones de brasure qui s'étendent selon des portions longitudinales du plan de joint (C). 4. Procédé de brasage par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le point représentatif de chauffe (7) est sélectionné à proximité du plan de joint (C). 5. Procédé de brasage par induction selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le brasage est défini par des paramètres figés de géométrie et de positionnement relatif des pièces à braser et de l'induction de forme, ainsi que de l'état de surface des pièces à braser. 6. Poste de brasage de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un générateur de puissance électrique (40), apte à délivrer une tension déterminée (U1) à un transformateur (60) sur lequel est branché un circuit conducteur formant un inducteur de forme (11), ce circuit possède une conformation globale qui se rapporte à celle de zones longitudinales de brasure définies par un contour (C) de pièce à braser disposée sur un support (5), en ce que des moyens de pression (16 à 18) sont aptes à exercer une contrainte déterminée et sensiblement constante sur les pièces à braser (3, 4), en ce qu'un pyromètre infrarouge à visée laser (12) mesure la température du brasage, et en ce qu'un régulateur (50) est apte à délivrer une consigne de régulation de puissance au générateur (40) en fonction de la température mesurée. 7. Poste de brasage selon la revendication précédente, dans lequel la cartographie thermique est mesurée par une caméra infrarouge (13) en phase de mise au point des paramètres de brasage, avant lancement de la fabrication série pour figer des paramètres de brasage. 8. Poste de brasage selon l'une des revendications 6 ou 7, dans lequel l'inducteur (11) est constitué par une structure métallique à section rectangulaire, formée de tronçons linéaires (Ti à T4) articulés par soudage et épousant globalement la forme du plan de joint des pièces à braser (3,4). 9. Poste de brasage selon la revendication précédente, dans lequel la structure métallique de l'inducteur (11) est de section carrée de côté inférieure à 1 cm. 10. Poste de brasage selon l'une des revendications 8 ou 9, dans lequel des concentreurs de champ (8) sont disposés au niveau des raccordements angulaires (A) de l'inducteur (11). 11. Poste de brasage selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel les moyens de pression sont composés d'un embout de serrage (16) pourvu de doigts isolants (18) munis de ressorts (19) qui viennent en pression contre une face de l'une des pièces (4) à braser, de sorte à exercer une contrainte déterminée et sensible constante sur l'ensemble des deux pièces (3,4) 12. Poste de brasage selon l'une quelconque des revendications 6 10 à 11, dans lequel des buses d'air comprimé (15a, 15b) sont disposées à proximité des pièces à braser (3, 4) pour accélérer le refroidissement. 13. Poste de brasage multiple comportant plusieurs inducteurs d'un poste selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé en ce qu'il est apte à braser simultanément plusieurs joints d'une même pièce. 15 14. Poste de brasage multiple selon la revendication précédente, dans lequel un générateur, un transformateur et un régulateur sont mis en commun à tous les outillages. 20