Brevet FR2997646A1 — publié le 20140509

Procédé de rechargement d'au moins un bras de carter intermédiaire d'une turbomachine La présente invention concerne un procédé de rechargement d'au moins un bras de carter intermédiaire d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion. Une turbomachine comporte classiquement, d'amont en aval, une soufflante, un compresseur basse-pression, un carter intermédiaire, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression. L'air entrant dans la turbomachine se divise en un flux primaire qui circule à l'intérieur des compresseurs basse et haute pression, et en un flux secondaire qui contourne le compresseur, la chambre de combustion et la turbine. Le carter intermédiaire comporte une virole externe et un moyeu interne délimitant une partie de la veine dans laquelle s'écoule le flux secondaire. La virole et le moyeu sont reliés par des bras structuraux radiaux qui sont espacés circonférentiellement les uns des autres, de façon régulière. Ces bras présentent une résistance mécanique élevée permettant, d'une part, de transmettre les efforts entre la virole et le moyeu et, d'autre part, de résister à d'éventuels projectiles susceptibles de les impacter. De plus, les bras présentent chacun une forme profilée de manière à remplir une fonction d'aubage directeur de sortie ou d'OGV (Outlet Guide Vane), visant à redresser le flux d'air secondaire afin d'en limiter la giration. Lors de la réalisation du carter intermédiaire, il peut arriver que des défauts soient générés sur les bras lors d'un usinage, notamment lors d'un endommagement de l'outil de coupe servant à l'usinage. Les défauts dus à un usinage apparaissent généralement au niveau des extrémités radialement externes des bras, plus particulièrement au niveau de semelles ménagées à ces extrémités. En outre, lors du soudage des bras sur le carter, des phénomènes de rétraction de matière peuvent engendrer des non-conformités dimensionnelles. Afin de remédier à de tels défauts, certaines semelles peuvent être arasées puis rechargées par dépôt de matière par procédé de soudage TIG (Tungsten Inert Gas). La partie rechargée est ensuite usinée de façon à lui conférer la géométrie à obtenir tout en respectant les spécifications dimensionnelles du bras. L'opération de rechargement est réalisée manuellement par un opérateur et dure environ 20 heures. Il est généralement nécessaire de réaliser 9 à 10 couches de rechargement successives afin d'atteindre l'épaisseur de matière désirée. Le procédé TIG est par ailleurs relativement énergétique et l'échauffement global de la semelle provoque fréquemment des déformations rédhibitoires. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème. A cet effet, elle propose un procédé de rechargement d'au moins un bras de carter intermédiaire d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant les étapes consistant à: - araser au moins une extrémité du bras à recharger, - recharger l'extrémité arasée du bras par ajout de métal à l'aide d'un procédé de soudage MIG à transfert par court-circuit, également appelé procédé CMT (Cold Metal Transfer), - usiner la partie rechargée du bras de façon à lui conférer la géométrie à obtenir. Le rechargement à l'aide d'un procédé de type CMT (Cold Metal Transfer) permet de réduire considérablement les échauffements dans le bras et donc de limiter l'abaissement des caractéristiques mécaniques du matériau et d'éviter les déformations du bras. Un tel procédé de rechargement permet en particulier de réduire la zone affectée thermiquement ou ZAT, qui est la siège de modifications métallurgiques du métal de base qui peuvent induire des fragilités, des baisses de résistance mécanique ou encore des manques de ductilité. Un tel procédé permet également de réduire le nombre de couches de rechargement successives, de sorte que le temps de rechargement peut être réduit de façon significative. Enfin, la mise en oeuvre du procédé CMT peut être automatisée, à l'aide d'une machine à commande numérique. Le procédé CMT est notamment connu du document US 8 124 913. Avantageusement, lors de l'étape de rechargement de l'extrémité arasée du bras, on contrôle les paramètres du procédé CMT de façon à limiter l'échauffement de la zone rechargée. Pour cela, l'extrémité du bras peut être équipée d'au moins un capteur de température, tels qu'un thermocouple. On rappelle qu'un capteur de type thermocouple comporte au moins une jonction de deux métaux de natures différentes, soumis à des températures différentes. Dans le cas de l'invention, l'un des métaux est porté à la température de la zone d'extrémité au niveau de laquelle est monté le thermocouple, l'autre métal étant maintenu à une température de référence. Par effet Seebeck, le thermocouple génère une différence de potentiel qui dépend de la différence de température entre les deux métaux. Un tel capteur de température a l'avantage de pouvoir être utilisé dans une plage de températures relativement importante, et notamment pour des températures élevées. Les valeurs de température ainsi mesurées sont utilisées afin de contrôler les paramètres du procédé CMT, tels notamment que l'intensité du courant parcourant l'électrode ou encore la vitesse d'avance de l'électrode par rapport à la surface à recharger, de manière à éviter un échauffement important de la zone rechargée et la dégradation du bras du carter intermédiaire. Selon une forme de réalisation de l'invention, lors de l'étape de rechargement, on réalise tout d'abord un cordon de matière au moins le long des bords de la surface arasée de l'extrémité du bras, puis on dépose ensuite de la matière sur le reste de la surface arasée. Cette caractéristique permet notamment de mieux maîtriser les dimensions de la zone rechargée. De préférence, lors de l'étape de rechargement, le bras est monté dans une enceinte contenant un gaz inerte. L'enceinte peut comporter une plaque amovible comprenant une 10 ouverture pour le passage d'un outil de soudage, disposée en regard de l'extrémité du bras à recharger. En outre, le bras peut être réalisé en alliage de titane, tel que du TA6V, le métal d'apport utilisé lors du soudage CMT étant du TA6V. De préférence, le procédé est exécuté de façon automatique sur 15 une machine à commande numérique. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : 20 - la figure 1 est une demi-vue schématique en coupe d'une partie amont d'un turboréacteur de l'art antérieur, - la figure 2 est une vue en perspective d'une semelle d'extrémité d'un bras de carter intermédiaire, obtenue après arasage de la semelle et avant rechargement de celle-ci conformément au procédé selon l'invention, 25 - la figure 3 est une vue illustrant le montage du bras dans une machine à commande numérique en vue de l'étape de rechargement de l'extrémité du bras, - les figures 4 et 5 sont des vues illustrant le montage du bras dans une enceinte contenant un gaz inerte, 30 - la figure 6 représente les différentes étapes mises en oeuvre lors du procédé de soudage CMT, - la figure 7 est un ensemble de diagrammes illustrant les différentes étapes du procédé de soudage CMT. - les figures 8 et 9 sont deux vues correspondant à la figure 2, illustrant un exemple de stratégie de rechargement selon l'invention. La figure 1 représente une turbomachine de l'art antérieur comportant, d'amont en aval, une soufflante 1, un bec de séparation 2, un compresseur basse-pression 3, un carter intermédiaire 4, un compresseur haute pression 5, une chambre de combustion, une turbine haute pression et une turbine basse pression (non visibles). Le flux d'air F entrant dans la turbomachine se divise en un flux primaire F1 qui circule à l'intérieur des compresseurs basse et haute pression 3, 5, et en un flux secondaire F2 qui contourne les compresseurs 3, 5, la chambre de combustion et les turbines. Le carter intermédiaire 4 comporte une virole externe 6 et un moyeu interne 7 délimitant une partie de la veine 8 dans laquelle s'écoule le flux secondaire F2. La virole 6 et le moyeu 7 sont reliés par des bras structuraux radiaux 9 qui sont espacés circonférentiellement les uns des autres, de façon régulière. Ces bras 9 présentent une résistance mécanique élevée permettant, d'une part, de transmettre les efforts entre la virole 6 et le moyeu 7 et, d'autre part, de résister à d'éventuels projectiles susceptibles de les impacter. De plus, les bras 9 ont chacun une forme profilée de manière à remplir une fonction d'aubage directeur de sortie ou d'OGV (Outlet Guide Vane), visant à redresser le flux d'air secondaire F2 afin d'en limiter la giration. Comme indiqué précédemment, lors de la réalisation du carter intermédiaire 4, il peut arriver que des défauts soient générés sur les bras 9 lors d'un usinage (par exemple lors d'un endommagement de l'outil de coupe servant à l'usinage). Les défauts dus à un usinage apparaissent généralement au niveau des extrémités radialement externes 10 des bras 9, plus particulièrement au niveau de semelles 11 formant ces extrémités 10. Comme cela est mieux visible à la figure 2, une telle semelle 11 comporte plusieurs lobes 12 au niveau de son bord périphérique. En outre, lors du soudage des bras 9 sur le moyeu 7, des 5 phénomènes de rétraction de matière peuvent engendrer des non-conformités dimensionnelles. Afin de remédier à cela, l'invention propose un procédé consistant à araser les semelles 11 des bras 9 non conformes (défauts dans la semelle 11, dimensions non conformes, ...), à recharger la semelle 11 10 arasée par ajout de métal d'apport à l'aide d'un procédé de soudage MIG à transfert par court-circuit, également appelé procédé CMT (Cold Metal Transfer), puis à usiner la partie rechargée du bras 9 de façon à lui conférer la géométrie à obtenir. On notera que l'étape d'arasage n'est pas forcément nécessaire. 15 Le rechargement de la semelle 11 arasée permet de recréer une semelle saine, exempte de défauts, et/ou de compenser les phénomènes de rétraction par ajout d'une épaisseur de matière supplémentaire. Le principe du procédé CMT est connu notamment du document US 8 124 913 et les paramètres de ce procédé ont, selon l'invention, été 20 adaptés afin de pouvoir recharger efficacement ce type de semelle 11. Afin d'effectuer l'étape de rechargement de la semelle 11, le bras 9 est monté dans un caisson 13 servant à confiner un gaz inerte, tel que de l'ARCAL 32 comportant 80% d'argon et 20% d'hélium (figures 4 et 5). Le caisson 13 comporte une paroi latérale 13a entourant le bras 9, 25 refermée par une plaque amovible 14 comportant une ouverture centrale 15 (figure 5) servant au passage d'une tête 16 portant une électrode consommable 17 (figures 3 et 6) servant de métal d'apport. L'électrode 17 est par exemple réalisée en TA6V. La paroi latérale 13a comporte des paliers à billes 18 sur lesquels 30 est positionnée la plaque 14. Ces paliers 18 permettent ainsi de faciliter le déplacement de la plaque 14. Les bords de la plaque 14 comportent des rebords 19 tournés vers le bas et destinés à guider le coulissement de la plaque amovible 14 par rapport à la paroi latérale 13a. La paroi amovible 14 est également équipée d'un raccord 20 pour une conduite d'arrivée du gaz inerte (figure 5). Le caisson 13 et le bras 9 sont montés fixement sur une plaque support 21 d'une machine à commande numérique 22, comportant la tête 16, l'électrode 17 et des moyens de commande 23 du déplacement et du fonctionnement de celle-ci. La machine à commande numérique 22 comporte également une interface 24 permettant notamment le réglage des paramètres du procédé CMT par un opérateur. Le principe du procédé CMT va maintenant être décrit en référence aux figures 6 et 7. Dans ce procédé, l'électrode consommable 17 (se présentant par exemple sous la forme d'un fil) est mobile de façon cyclique par rapport à la tête 16. Lors d'un cycle, un arc électrique 25 est tout d'abord généré entre l'électrode 17 et la surface 26 de la pièce à recharger 11 (phase (a)), à l'aide d'une source de courant pulsé, de façon à provoquer la fusion locale d'une zone de la pièce 11. Pendant cette phase, l'électrode 17 est dirigée vers la surface 26 de la pièce 11 jusqu'à immerger l'extrémité de l'électrode 17 dans le bain en fusion. A cet instant, l'arc électrique 25 est éteint et le courant de soudage est réduit (phase (b)). L'électrode 17 est ensuite éloignée de la pièce 11, le mouvement de recul de l'électrode 17 pendant la phase de court-circuit facilitant le détachement d'une goutte 27 de métal d'apport. Durant cette phase référencée (c) à la figure 6, le courant de court-circuit est maintenu à une faible valeur. Ensuite, lors d'une phase référencée (d) à la figure 6, le mouvement de l'électrode 17 est inversé, de façon à pouvoir débuter un nouveau cycle. Parallèlement, l'électrode 17 est déplacée par rapport à la surface 26 de la pièce à recharger 11, de manière à ce que les gouttes 27 de métal d'apport successives forment un cordon de matière d'apport après refroidissement. Un tel procédé fonctionne à l'aide d'une loi de synergie qui pilote l'apport d'énergie. Une telle loi est représentée à l'aide d'un diagramme à la figure 7. Aucune loi de l'art antérieur n'est parfaitement adaptée aux alliages de titane, en particulier aux alliages de type TA6V, et à la géométrie de la semelle à recharger. Une loi a donc été développée en ce sens, dans le cadre de l'invention, et est représentée schématiquement à la figure 7. Cette figure comporte plusieurs diagrammes représentant l'évolution de la vitesse de déplacement Vd de l'électrode (également appelée vitesse de dévidage du fil), de l'intensité I du courant circulant au travers de l'électrode et de la différence de potentiel U appliquée entre l'électrode et la pièce à recharger, en fonction du temps t. Cette loi comporte un cycle d'amorçage 28, suivi de plusieurs cycles d'impulsion 29. Le cycle d'amorçage 28 comporte les phases successives suivantes : - une première phase 30 de retrait de l'électrode 17 et de génération d'un court-circuit : l'électrode 17 est éloignée de la surface à recharger 26 à une vitesse Vd maximale comprise entre -1 et -3 m/min, la valeur négative indiquant un éloignement de l'électrode 17 et de la surface à recharger 26, par opposition à une valeur positive qui indique un rapprochement de l'électrode 17 et de ladite surface 26. L'intensité I est maintenue à un seuil réduit, compris entre 50 et 70 A et la tension U est sensiblement nulle puisque l'électrode 17 touche la surface 26 de la pièce 11 (court-circuit). Cette phase 30 a une durée comprise entre 0.5 et 4 ms. - une phase 31 d'impulsion et de génération d'un arc : le mouvement de retrait de l'électrode 17 se termine puis l'électrode 17 est rapprochée de la surface 26 à recharger, jusqu'à ce que la vitesse Vd atteigne un seuil maximal compris entre 24 et 26 m/min. Parallèlement, l'intensité I augmente jusqu'à un seuil compris entre 130 et 140 A, avec pour effet de générer un arc électrique 25. Cette phase a une durée comprise entre 1 et 3 ms. - une phase 32 dite de combustion : la vitesse Vd est maintenue au seuil compris entre 24 et 26 m/min, l'intensité I étant réduite à un seuil compris entre 90 et 110 A, suffisant pour maintenir l'existence d'un arc électrique 25. A la fin de cette phase, l'électrode 17 touche à nouveau la surface 26 de la pièce 11 à recharger de manière à générer un court-circuit et éteindre l'arc électrique 25 (si l'arc électrique a été maintenu durant la phase de combustion). Cette phase a une durée comprise entre 0.5 et 4 ms. - une seconde phase 33 de retrait de l'électrode et de génération d'un court-circuit : l'électrode 17 est éloignée de la surface à recharger 26 à une vitesse maximale Vd comprise entre -1 et -3 m/s, l'intensité I est maintenue à un seuil réduit, compris entre 50 et 70 A et la tension U est sensiblement nulle puisque l'électrode 17 touche la surface 26 de la pièce 11 (court-circuit). Lors du cycle d'amorçage, l'électrode 17 est déplacée par rapport à la surface à recharger 26 à vitesse constante, comprise entre 20 cm/min et 50 cm/min. Le cycle d'amorçage 28 détaillé ci-dessus, est suivi de plusieurs cycles d'impulsions 29 lors desquels la vitesse Vd est amenée à une valeur stable comprise entre 2 et 7 m/min (l'électrode 17 est consommée progressivement) et l'intensité I varie de façon cyclique entre une valeur minimale, comprise entre 280 et 320 A et une valeur maximale, comprise entre 70 et 100 A. La durée d'un cycle 29 est comprise entre 2 et 2,5 ms (soit une fréquence d'impulsions comprise entre 400 et 500 Hz) et le nombre de cycles d'impulsions 29 est par exemple compris entre 80 et 120. Lors de cette période, la vitesse d'avance de la tête 16 (et donc également de l'électrode 17) par rapport à la surface 26 de la pièce 11 est de préférence maintenue sensiblement constante et est comprise entre 10 et 120 cm/min. A l'issue du rechargement, il est possible d'effectuer un traitement thermique local de la pièce. Les figures 8 et 9 illustrent une stratégie de rechargement conformément à un exemple de réalisation de l'invention. Cette stratégie consiste à réaliser un cordon de matière 34 le long des bords de la surface à recharger 26 de la semelle 11 et, éventuellement, le long des bords des ouvertures 35 de la semelle 11 (figure 8), puis à déposer ensuite de la matière 36 sur le reste de la surface arasée 26, en réalisant des cordons successifs et adjacents (figure 9). Les cordons de matière ainsi obtenus peuvent avoir une largeur comprise entre 5 et 10 mm, et une épaisseur comprise entre 3 et 5 mm. Bien qu'une seule couche de matière 36 soit généralement suffisante pour les applications visées, plusieurs couches de matières peuvent être déposées successivement, en fonction de l'épaisseur de matière nécessaire pour effectuer le rechargement souhaité. Grâce au procédé selon l'invention, le temps de rechargement d'une semelle 11 est de l'ordre de 3 heures, c'est-à-dire bien inférieur au temps de rechargement nécessaire dans l'art antérieur (environ 20 heures). Les trajectoires de la tête 16 sont adaptées de façon à obtenir un léger recouvrement des cordons afin d'éviter un manque de matière et/ou l'apparition de porosités entre les cordons. Durant ces différentes phases, les paramètres utilisés permettent d'éviter ou de limiter les projections de matière, de réduire au maximum les zones affectées thermiquement (ZAT), d'éviter les phénomènes de brûlures ou de retassures en début et en fin de cordon, et d'éviter des déformations géométriques de la semelle 11 (minimisation des contraintes thermiques au sein du matériau). En particulier, des temps de pause entre les différentes passes et/ou les différentes couches de matière 36, compris entre 60 et 600 secondes, permettent un refroidissement suffisant des cordons et/ou des couches de métal d'apport pour éviter l'apparition de déformations géométriques de la semelle 11. Afin de mieux contrôler encore la qualité du rechargement réalisé, des capteurs de température 37 se présentant sous la forme de thermocouples sont fixés localement dans les zones les plus critiques, (c'est-à-dire dans les zones les plus chaudes), que sont les lobes 12 de la semelle 11. Les thermocouples 37 sont montés sous la semelle 11, au niveau de ces lobes 12, comme cela visible aux figures 4, 5, 8 et 9. Comme indiqué précédemment, ces thermocouples 37 renvoient des informations sur les températures des zones concernées de la semelle 11, ces informations étant ensuite utilisées pour adapter en conséquence les différents paramètres du procédé CMT. Un échauffement de la température détecté dans une zone 12 nécessitera par exemple une réduction de l'intensité du courant traversant l'électrode 17, un temps de pause plus long entre deux passes, etc...15 REVENDICATIONS1. Procédé de rechargement d'au moins un bras (9) de carter intermédiaire (4) d'une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur d'avion, comportant les étapes consistant à: - araser au moins une extrémité (11) du bras (9) à recharger, - recharger l'extrémité arasée (11) du bras (9) par ajout de métal d'apport (34, 36) à l'aide d'un procédé de soudage MIG à transfert par court-circuit, également appelé procédé CMT (Cold Metal Transfer), - usiner la partie rechargée (11, 36) du bras (9) de façon à lui conférer la géométrie à obtenir. 2. Procédé de rechargement selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lors de l'étape de rechargement de l'extrémité arasée (11, 26) du bras (9), on contrôle les paramètres du procédé CMT de façon à limiter l'échauffement de la zone rechargée (11). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'extrémité (12) du bras (11) est équipée d'au moins un capteur de température, tel qu'un thermocouple (37). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, lors de l'étape de rechargement, on réalise tout d'abord un cordon de matière (34) au moins le long des bords de la surface arasée (26) de l'extrémité (11) du bras (9), puis on dépose ensuite de la matière (36) sur le reste de la surface arasée (26). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que, lors de l'étape de rechargement, le bras (9) est monté dans une enceinte (13) contenant un gaz inerte. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte (13) comporte une plaque amovible (14) comprenant une ouverture (15) pour le passage d'un outil de soudage (16, 17), disposée en regard de l'extrémité (11) du bras (9) à recharger 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le bras (9) est réalisé en alliage de titane, tel que du TA6V, le métal d'apport utilisé lors du soudage CMT étant TA6V. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce 5 qu'il est exécuté de façon automatique sur une machine à commande numérique (22). 10