Brevet FR3066936A1 — publié le 20181207

PROCÉDÉ DE SOUDAGE PAR COFRITTAGE AMÉLIORÉ DOMAINE TECHNIQUE [0001] La présente invention concerne le domaine de la réalisation de pièces métalliques ou céramiques par le procédé PIM (Povtder Injection Molding, moulage par injection de poudres), et en particulier, un procédé de soudage par cofrittage. ÉTAT DE L'ART [0002] De manière classique et connue en soi, la réalisation de pièces par le procédé PIM comporte quatre étapes : - l'élaboration d'un feedstock, ou matériau « vert » - le moulage (obtention d'une pièce « verte »), - le déliantage, et - le frittage (obtention d'une pièce dense). [0003] L'étape d'élaboration du feedstock (matériau vert) consiste principalement à mélanger une poudre d'un ou plusieurs matériau(x) métallique(s) et/ou céramique(s) constituant(s) de la pièce à fabriquer à un (ou plusieurs) liant(s) thermoplastique(s) à base de polymères. Cette étape est généralement réalisée à l'aide de mélangeurs et/ou d'extrudeuses sous un fort taux de cisaillement afin d'assurer une bonne homogénéité du mélange. Une quantité relativement importante de poudre doit être incorporée au(x) liant(s) pour assurer la cohésion de la future pièce. Si le mélange comporte trop de poudre, il en résulte une viscosité trop élevée qui rend l'étape de moulage difficile et favorise l'apparition de fissures. Si, au contraire, le mélange comporte trop de liant(s), le risque d'effondrement de la pièce à fabriquer pendant l'étape de déliantage augmente. [0004] L'étape de moulage consiste à placer le feedstock (classiquement sous forme de granules) dans une presse à injecter semblable à celle de l'industrie plastique. On obtient alors une pièce dite 3066936 2 pièce verte qui est déjà sensiblement de la forme voulue pour la pièce dense (finale). [0005] L'étape de déliantage consiste à éliminer le(s) liant(s) thermoplastique(s) par un procédé adapté à sa (leur) nature(s). Si cette 5 étape est mal maîtrisée, elle peut être source d'endommagements de la pièce en fabrication par l'apparition de défauts, par exemple des fissurations ou des pollutions chimiques. A la fin de l'étape de déliantage, la pièce est poreuse. Dans le cas d'une pièce verte comportant plusieurs liants, il peut y avoir plusieurs étapes de déliantage : une première étape de 10 déliantage pour évacuer le liant primaire et une ou plusieurs étapes de déliantages secondaires pour évacuer le ou les liants secondaires. [0006] L'étape de frittage consiste à consolider et densifier la pièce verte déliantée afin d'obtenir la pièce finale. La pièce est ainsi chauffée, et cette consolidation et densification s'accompagnent d'un retrait volumique 15 qui est fonction de la composition initiale du feedstock. Cette étape s'effectue à une température élevée, mais toutefois telle que le matériau de la pièce verte déliantée ne soit pas totalement fondu : sous l'effet de la chaleur, les grains de matériau se soudent entre eux. On distingue le frittage en phase solide (l'intégralité du matériau de la pièce est sous forme 20 solide), et le frittage en phase liquide (une partie du matériau de la pièce a atteint son point de fusion). A l'issue de l'étape de frittage, on obtient une pièce dense, la pièce finale. [0007] Un des avantages du procédé PIM est la possibilité de coffriter différentes pièces, c'est-à-dire de les mettre en contact lors de 25 l'étape de frittage de manière à réaliser, en parallèle du frittage, le soudage des différentes pièces entre elles. Ceci permet de fabriquer des pièces dont la géométrie serait trop complexe pour un moulage direct : on peut ainsi décomposer ces pièces trop complexes en sous-ensembles de pièces unitaires faciles à mouler qui sont ensuite soudées entre elles lors de 30 l'étape de frittage. Cette opération de cofrittage est possible sous réserve 3066936 3 d'une bonne préparation des surfaces des différentes pièces à mettre en contact et à souder, par exemple par usinage. [0008] L'inconvénient de cette opération de soudage par cofrittage est qu'elle implique d'avoir un contact parfait entre les surfaces à souder 5 lors du frittage. Par ailleurs, la zone de soudage est limitée aux surfaces en contact des pièces à souder, lesdites surfaces pouvant être très réduites. Ceci augmente la fragilité de la pièce assemblée finale. [0009] Une amélioration de cette opération serait de pouvoir assembler les différentes pièces vertes directement à l'état vert avant 10 l'étape de frittage. EXPOSÉ DE L'INVENTION [0010] L'invention propose à cet effet un procédé de soudage d'au moins deux pièces de matériau vert, dites pièces vertes, par cofrittage, 15 caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - mise en contact des au moins deux pièces vertes au niveau d'une zone de jonction de ces pièces, - ajout d'un cordon de soudure aux pièces vertes de manière à ce que le cordon de soudure épouse la forme de la zone de jonction, et de manière 20 à former un ensemble monobloc vert homogène, - déliantage de l'ensemble monobloc vert, et - frittage de l'ensemble monobloc de manière à obtenir un ensemble monobloc dense et homogène. [0011] Ce procédé présente plusieurs avantages par rapport à l'état 25 de l'art, notamment le fait que la surface de la zone de jonction n'est plus un caractère limitant ou éventuellement source de fragilité. En effet, l'ajout d'un cordon de soudure permet d'étendre la surface de la soudure (zone de jonction) si nécessaire. Les surfaces de mise en contact n'ont, par ailleurs, plus besoin d'être préparées en amont, par usinage, par exemple : elles 30 n'ont pas besoin de coopérer parfaitement car le cordon de soudure pallie les défauts de mise-en-contact. 3066936 4 [0012] Un autre avantage du procédé revendiqué est que le contrôle de la santé de l'assemblage issu des différentes pièces à souder ensemble (l'ensemble monobloc vert homogène obtenu après ajout du cordon de soudure) peut être réalisé en amont de l'étape de déliantage (et donc de 5 frittage). Ainsi, en cas de rebut, la perte occasionnée est moins importante, en effet l'étape de l'ajout du cordon de soudure est une étape après laquelle la valeur ajoutée de la pièce en production est faible, contrairement à une pièce verte déjà déliantée ou même déjà frittée. Un défaut détecté après déliantage ou frittage mène à jeter une pièce à forte valeur ajoutée, 10 ce qui est économiquement préjudiciable. [0013] Le procédé de soudage selon l'invention peut comprendre une plusieurs des caractéristiques ou étapes ci-dessous, prises isolément les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres : - une étape d'usinage peut précéder l'étape de déliantage, de manière à 15 reprendre le cordon de soudure, - le cordon de soudure peut être de composition semblable à celle des pièces vertes, - les pièces vertes à assembler peuvent être de compositions identiques, - le cordon de soudure et les pièces vertes peuvent ainsi être de 20 compositions identiques, - l'ajout du cordon de soudure peut être réalisé au moyen d'une vis d'injection dont une buse pointe vers la zone de jonction de manière à déposer un cordon de soudure en matériau ramolli, - l'ajout du cordon de soudure peut être réalisé en positionnant une bande 25 de matériau vert solide au contact de la zone de jonction, et en chauffant cette bande au moyen d'un pistolet à air chaud, - l'ajout du cordon de soudure peut être automatisé. [0014] L'invention porte également sur un ensemble monobloc homogène formant pièce finale, comportant au moins deux pièces 30 assemblées par le procédé tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce que la zone de jonction des pièces assemblées comporte au moins quatre 3066936 5 surfaces, une première surface appartenant à la première pièce, une seconde surface appartenant à la deuxième pièce, une troisième et une quatrième surfaces appartenant à un cordon de soudure ajouté aux deux pièces vertes préalablement mises en contact, de manière à ce que la 5 première surface coopère avec la troisième surface, et à ce que la deuxième surface coopère avec la quatrième surface lors de l'étape de frittage. [0015] L'ajout d'un cordon de soudure permet d'augmenter la surface de la zone de jonction. En effet, ce sont les surfaces de contact entre le 10 cordon de soudure et les pièces à assembler qui constituent la zone de jonction. On compte ainsi quatre surfaces de contact là où avant on n'en compte que deux, dans l'état de la technique (les deux surfaces en contact des pièces à assembler). L'avantage direct qui en résulte, est que la tenue mécanique de la zone de jonction post soudage est améliorée. 15 DESCRIPTION DES FIGURES [0016] L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif et en 20 référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en perspectives de l'étape de l'ajout d'un cordon de soudure entre deux pièces à souder selon le procédé revendiqué, selon un premier mode de réalisation, - La figure 2 est une vue en perspective de l'étape de l'ajout d'un cordon de 25 soudure entre deux pièces à souder selon le procédé revendiqué, selon un deuxième mode de réalisation, - la figure 3 est une vue en coupe transversale schématique d'un ensemble monobloc vert homogène selon le procédé revendiqué, - la figure 4 est une vue en coupe transversale schématique d'un ensemble 30 monobloc vert homogène après une étape d'usinage selon le procédé revendiqué, 3066936 6 - la figure 5 est une vue en coupe transversale schématique d'une pièce finale obtenue par une méthode de cofrittage de l'état de la technique classique, - la figure 6 est une vue en coupe transversale schématique d'une pièce 5 finale obtenue par le procédé revendiqué. DESCRIPTION DÉTAILLÉE [0017] Dans la présente demande, on entend par « feedstock » ou « matériau vert », un mélange suivant : 10 - au moins un matériau métallique et/ou céramique constituant d'une pièce à fabriquer, et - un (ou plusieurs) liant(s) thermoplastique(s) à base de polymère (s). Ce mélange se présente classiquement sous forme de granules. [0018] Par ailleurs, dans la présente demande, on entend par « pièce 15 verte », une pièce en cours de fabrication qui a déjà été moulée mais qui n'a pas encore été déliantée. Cette pièce verte présente donc la forme générale de la pièce dense finale mais comme elle n'a pas encore subi l'étape de frittage, elle n'a pas encore ses dimensions finales. En effet, l'étape de frittage implique un phénomène dit de retrait volumique, qui est 20 un phénomène de contraction dimensionnelle impliquant une diminution des dimensions de la pièce. Ce retrait volumique est fonction de la composition initiale du feedstock et en particulier du taux de charge dudit feedstock. [0019] Dans une formulation, une charge est une substance solide 25 non miscible dispersée dans une matrice par un moyen mécanique. Ainsi, le taux de charge correspond au volume de poudre dans le feedstock. [0020] Comme visible sur les figures 1 et 2, un utilisateur désire souder deux pièces : une plaque 10 et un cylindre creux 12. Les deux pièces 10, 12 sont des pièces dites « vertes », c'est-à-dire, comme 30 mentionné ci-dessus, qu'elles n'ont pas encore passé l'étape de déliantage. 3066936 7 Les deux pièces vertes 10, 12 sont donc mise en contact au niveau d'une zone de jonction 14 de ces pièces vertes 10, 12. Un cordon de soudure 16 lui-même en feedstock est ajouté aux pièces vertes 10, 12 de manière à ce que le cordon de soudure 16 épouse la forme de la zone de jonction 14. 5 L'ensemble forme alors un ensemble monobloc vert homogène. [0021] Selon le mode de réalisation illustré en figure 1, le dépôt du cordon de soudure 16 se fait au moyen d'une vis d'injection 18 dont une buse 20 pointe vers la zone de jonction 14. La température en sortie de la buse 20 est sensiblement la même que la température d'injection lors de 10 l'étape de moulage des pièces vertes 10, 12. Par exemple, pour un feedstock Inconel 718 utilisé aujourd'hui par la demanderesse, la température de la buse 20 est de 190°C. Pour un meilleur contrôle du procédé, la vis d'injection 18 peut être montée sur un bras robotisé 22, relié à une unité de commande 24 permettant une automatisation du procédé. 15 [0022] Selon le mode de réalisation illustré en figure 2, l'ajout du cordon de soudure 16 est réalisé en deux étapes : - premièrement, une bande de matériau vert solide 26 est mise au contact de la zone de jonction 14, - deuxièmement, ladite bande de matériau vert solide 26 est chauffée 20 au moyen d'un pistolet à air chaud 28 de manière à ramollir le matériau de la bande 26 et de former le cordon de soudure 16. Comme pour le mode de réalisation précédent, le pistolet à air chaud 28 peut être fixé sur un bras robotisé 24 relié à une unité de commande 24. Ceci permet, comme mentionné ci-dessus, un meilleur contrôle de l'étape 25 de l'ajout du cordon de soudure 16. [0023] Pour un matériau vert de formulation Inconel 718 la température de l'air en sortie du pistolet 28 doit être supérieure à 100°C. [0024] Les deux pièces vertes 10, 12 peuvent être de compositions identiques ou de compositions différentes. De même que le cordon de 30 soudure 16: celui-ci peut être de composition similaire à celle des deux pièces 10, 12 à assembler ou de composition identique à celle-ci (sous 3066936 8 réserve que les deux pièces 10, 12 soient elles-mêmes de composition identique). [0025] Par composition similaire, on entend une composition présentant : 5 - le même taux de charge que la composition des autres composants 10, 12, 16 de l'ensemble monobloc vert homogène afin d'assurer un retrait volumique identique (ou sensiblement identique) de chacun de ces composants 10, 12, 16 lors de l'étape de frittage, - une vitesse de densification identique (ou sensiblement identique) à 10 celle des autres composants 10, 12, 16 de l'ensemble monobloc vert homogène, - un domaine de frittage compatible à celui des autres composants 10, 12, 16 de l'ensemble monobloc vert homogène. [0026] Suite à l'ajout du cordon de soudure 16, le procédé peut 15 comporter un étape d'usinage : en effet, le cordon de soudure 16 étant à l'état vert, il peut être immédiatement repris en usinage, avant même l'étape de déliantage, afin de lui conférer directement un rayon ou une forme spécifique, comme illustré aux figures 3 et 4. [0027] L'avantage d'un usinage pré-déliantage est qu'il nécessite 20 moins d'énergie qu'un usinage sur une pièce finale, plus dure. Par ailleurs, une erreur d'usinage sur une pièce verte, à moindre valeur ajoutée, a moins d'impact qu'une erreur d'usinage sur une pièce finale à forte valeur ajoutée. [0028] Par ailleurs, comme visible sur les figures 5 et 6, le procédé 25 décrit dans la présente demande permet de souder des pièces PIM en s'affranchissant de la contrainte imposée par le cofrittage connu de l'état de la technique qui implique que la zone de jonction 14 est délimitée par l'ensemble des surfaces initiales 30, 32 en contact des pièces 10, 12 à assembler (voir figure 5). Grâce à la solution proposée par le procédé de la 30 présente demande, ce sont les surfaces de contact 34, 34', 36, 38 entre le cordon de soudure 16 et les pièces à assembler 10, 12 qui constituent la 3066936 9 zone de jonction 14 (voir figure 6). On compte ainsi quatre surfaces de contact 34, 34', 36, 38 là où avant on n'en comptait que deux, 30, 32. L'avantage direct qui en résulte est que la tenue mécanique de la zone de jonction 14 post soudage est améliorée. 5 [0029] Ainsi, suite à l'ajout du cordon de soudure 16, l'ensemble monobloc homogène forme une pièce finale 40 (voir figures 4 et 6) à part entière qui comporte deux pièces 10, 12 et le cordon de soudure 16. La zone de jonction 14 comporte au moins quatre surfaces 34, 34', 36, 38 (une première surface 36 appartenant à la première pièce 10, une seconde 10 surface 38 appartenant à la deuxième pièce 12, une troisième et une quatrième surfaces 34, 34' appartenant au cordon de soudure 16) : la première surface 36 coopère avec la troisième surface 34, et la deuxième surface 38 coopère avec la quatrième surface 34' lors de l'étape de frittage et permet de renforcer la tenue mécanique de la pièce finale 40. 15 [0030] Par ailleurs, comme mentionné plus haut, le cofrittage des surfaces 30, 32 des pièces vertes 10, 12 en contact n'est pas nécessaire : la jonction se faisant par cofrittage des surfaces 36, 38 des pièces vertes 10, 12 en contact avec des surfaces 34, 34' du cordon de soudure 16, ajouté dans un deuxième temps de manière à épouser la forme de la zone 20 de jonction 14, le contact entre les différentes surfaces 34, 34', 36, 38 à souder est satisfaisant et ne nécessite pas de préparation en amont de l'étape de frittage. [0031] Suite à l'ajout et à l'éventuel usinage du cordon de soudure 16, l'ensemble monobloc vert homogène est délianté, puis fritté, de 25 manière à obtenir un ensemble monobloc dense et homogène, soit une pièce finale. [0032] Ainsi, une illustration du procédé complet de production de pièces assemblées au vert tel que décrit dans la présente demande est, par exemple avec des pièces en Inconel 718: 30 - injection des pièces à assembler, par exemple deux pièces distinctes 10, 12; 3066936 lo - assemblage des pièces 10, 12 par le procédé revendiqué dans la présente demande, en ajoutant un cordon de soudure 16 en Inconel 718; - éventuelle reprise d'usinage dans la zone de jonction 14 si besoin ; 5 - déliantage selon un protocole classique défini sur Inconel 718; - frittage selon un protocole classique défini sur Inconel 718. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage d'au moins deux pièces (10, 12) de matériau vert, dites pièces vertes (10, 12), par cofrittage, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - mise en contact des au moins deux pièces vertes (10, 12) au niveau d'une zone de jonction (14) de ces pièces (10, 12), - ajout d'un cordon de soudure (16) aux pièces vertes de manière à ce que le cordon de soudure (16) épouse la forme de la zone de jonction (14), et 10 de manière à former un ensemble monobloc vert homogène, - déliantage de l'ensemble monobloc vert, et - frittage de l'ensemble monobloc de manière à obtenir un ensemble monobloc dense et homogène formant pièce finale (40). 15 2. Procédé de soudage selon la revendication précédente, dans lequel une étape d'usinage précède l'étape de déliantage, de manière à reprendre le cordon de soudure (16). 3. Procédé selon l'une quelconque des étapes précédentes, dans 20 lequel le cordon de soudure (16) est de composition semblable à celle des pièces vertes (10, 12). 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les pièces vertes (10, 12) à assembler sont de compositions 25 identiques. 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel le cordon de soudure (16) et les pièces vertes (10, 12) sont de compositions identiques. 30 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ajout du cordon de soudure (16) est réalisé au moyen d'une vis d'injection (18) dont une buse (20) pointe vers la zone de jonction (14) de manière à déposer un cordon de soudure (16) en matériau vert ramolli. 3066936 12 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'ajout du cordon de soudure (16) est réalisé en positionnant une bande de matériau vert solide (26) au contact de la zone de jonction (14), 5 et en chauffant cette bande (26) au moyen d'un pistolet à air chaud (28). 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'ajout du cordon de soudure (16) est automatisé. 9. Ensemble monobloc homogène formant pièce finale (40), comportant au moins deux pièces (10, 12) assemblées par le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la zone de jonction (14) des pièces assemblées (10, 12) comporte au moins quatre surfaces (34, 34', 36, 38), une première surface (36) appartenant à la première pièce (10), une seconde surface (38) appartenant à la deuxième pièce (12), une troisième et une quatrième surfaces (34, 34') appartenant à un cordon de soudure (16) ajouté aux deux pièces vertes (10, 12) préalablement mises en contact, de manière à ce que la première surface (36) coopère avec la troisième surface (34), et à ce que la deuxième surface (38) coopère avec la quatrième surface (34') lors de l'étape de frittage.