FR2897550A1 - Procede pour reparer une piece metallique au moyen d'un outil de rechargement - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé pour réparer une pièce métallique de turbomachine présentant au moins un défaut, au moyen d'un outil de rechargement, ledit outil étant mis en oeuvre par un moyen de commande. Le procédé est caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : l'acquisition d'une image numérisée de la forme de la pièce ainsi que de sa position dans l'espace par rapport à un repère défini notamment par son origine et ses axes, par un moyen de mesure optoélectronique (42), la résolution dudit moyen de mesure permettant de détecter la présence dudit défaut, la détermination de la position du défaut sur la pièce, la détermination des paramètres de rechargement du défaut par l'outil (60), tels que le calcul de la trajectoire de l'outil, l' extraction de données de rechargement, le transfert des données concernant ces paramètres au moyen de commande de l'outil de rechargement pour effectuer la réparation.L' invention s'applique en particulier à la réparation d'aube de turbomachine, mobile ou de stator.

Description

La présente invention se rapporte au domaine des turbomachines et des

pièces métalliques, notamment les aubages, qui les composent. Elle concerne la réparation ou la récupération de ces dernières.

On fabrique des pièces en superalliage à base de nickel ou de cobalt à structure monocristalline ou à solidification dirigée pour leur permettre de résister aux hautes températures et contraintes thermomécaniques auxquelles elles sont soumises pendant le fonctionnement du moteur sur lequel elles sont montées. En particulier, les ailettes de turbine HP sont montées avec un jeu aussi faible que possible par rapport à l'anneau de stator pour assurer une bonne étanchéité. Les frottements sont inévitables et entraînent une usure de leur sommet qui peut aussi générer des criques réparties de façon aléatoire. Des criques ou autres défauts peuvent également apparaître sur des éléments de distributeur.

Lorsque les dommages atteignent un certain seuil il faut remplacer ces pièces ; cependant étant donné leur coût de fabrication, on cherche alors à les réparer.

Le problème se pose également en fabrication. Pour les pièces neuves, des inclusions de matière céramique ou des défauts de structure, répartis de façon aléatoire, peuvent subsister après fabrication. De tels défauts impliquent normalement la mise au rebut de la pièce. Il serait aussi souhaitable de pouvoir les récupérer.

La réparation ou la récupération de ces pièces lorsqu'elles présentent des défauts de type crique, défaut ponctuel, usure de sommet d'aubage mobile est actuellement effectuée selon divers procédés dont celui connu sous le sigle SWET qui est un acronyme en anglais des termes superalloys welded at elevated temperature pour alliage soudé à haute température. La méthode consiste à préchauffer la pièce, totalement par des lampes à quartz ou localement par induction puis à la recharger. Le rechargement est effectué généralement manuellement par soudage TIG classique ou par mini plasma avec apport de métal sous forme de baguette. Cette opération implique de travailler en boîte à argon pour éviter les risques d'oxydation. La réussite dépend fortement de l'habileté de l'opérateur et les taux de retouche sont parfois importants.

Selon une autre technique on met en oeuvre des procédés à haute énergie tels que le laser ou le plasma.

Le métal de rechargement peut être apporté sous forme de fil ou de poudre. Quand il s'agit d'un fil, son guidage génère souvent des défauts géométriques et ne permet pas d'assurer un suivi de trajectoire fin. On ne peut utiliser des fils très fins, de diamètre inférieur à 0,76 m notamment, sans que les systèmes d'entraînement deviennent complexes et à la fiabilité non assurée industriellement. Cela impose la formation d'un cordon de largeur minimale ne permettant pas une totale maîtrise de l'énergie apportée à la pièce ou d'optimiser les temps d'usinage. Par ailleurs la flexibilité du fil ne permet pas d'envisager le rechargement de criques.

La technique mettant en oeuvre le chauffage par laser avec apport de matière en poudre (laser cladding) permet d'obtenir des cordons fins et localisés. Par exemple, la demanderesse a déposé une demande de brevet FR 04 51 934 sur un procédé de rechargement d'une pièce métallique monocristalline ou à solidification dirigée, d'épaisseur inférieure à 2 mm, dans lequel on applique un faisceau laser et un flux de poudre métallique sur la pièce dont la puissance du faisceau et sa vitesse de déplacement le long de la pièce sont maintenues dans un rapport déterminé. Il n'existe cependant pas actuellement de système de réparation ou de récupération qui permettrait de réaliser un cycle complet incluant le rechargement des criques, les défauts ponctuels ouverts ou simplement nettoyés, et le sommet d'une pale.

L'invention a donc pour objet un procédé automatique pour recharger les défauts de type criques, usures de sommets et défauts ponctuels des ailettes et distributeurs de turbine haute pression notamment en alliage à base nickel.

Dans la suite de la présente demande les termes employés suivants sont compris comme suit : Le terme réparation inclut la récupération de pièces neuves. Le terme rechargement désigne le dépôt de matière en fusion avec formation de strates successives quand il s'agit de réparer des criques ouvertes, des défauts ponctuels ou bien de reconstituer le sommet des aubes. Ce terme se rapporte aussi dans le cas de criques non usinées, à faible ouverture, à la réalisation d'une ligne de fusion du matériau par application d'énergie par le biais d'une source de soudage, et avec ou sans apport de matière. La source d'énergie peut être un faisceau laser ou bien un mini plasma (Pta pour plasma transferred arc).

Le terme défaut désigne au moins l'un des défauts suivants : une crique sur la pièce, un manque de matière au sommet de l'aube, sur le bord de fuite ou en une autre zone, un défaut ponctuel dû à une inclusion de céramique en fabrication.

Conformément à l'invention, le procédé pour réparer une pièce métallique de turbomachine présentant au moins un défaut, au moyen d'un outil de rechargement, l'outil étant mis en oeuvre par un moyen de commande, est caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : Acquisition d'une image numérisée de la forme de la pièce ainsi que de sa position dans l'espace, par un moyen de mesure optoélectronique, telle que la photogrammétrie ou la triangulation, la résolution dudit moyen de mesure permettant de détecter la présence dudit défaut, Détermination de la position du défaut sur la pièce, Détermination des paramètres de rechargement du défaut par l'outil, Transfert des données concernant les paramètres au moyen de commande de l'outil de rechargement pour effectuer le rechargement. La détermination des paramètres comprend non limitativement le calcul de la trajectoire de l'outil, la puissance du faisceau ainsi que sa vitesse d'avance. Pour un défaut usiné, ils sont déterminés à partir notamment de la profondeur du défaut, de son ouverture et le cas échéant de l'épaisseur de la paroi et de la présence ou non de raidisseurs de cette dernière. D'autres caractéristiques sont rapportées dans la description qui suit 25 d'un mode réalisation non limitatif du procédé de l'invention en référence aux dessins annexés sur lesquels : La figure 1 montre une aube mobile sur laquelle on a représenté quelques types de défauts à réparer ; La figure 2 montre un distributeur bipale présentant également des 30 défauts à réparer ; La figure 3 montre une aube en perspective avec des criques usinées, La figure 4 montre un équipement d'acquisition d'une image numérisée de la pièce ; La figure 5 montre le contour de la pièce, dans un plan de coupe 35 selon l'axe des Z ; La figure 6 montre un exemple de tête rechargement laser avec apport de poudre. La figure 7 représente une partie d'une aube qui a été réparé selon le procédé. 40 Sur la figure 1, on voit une aube mobile de turbine 10 pour un étage haute pression. Elle comprend une pale 12, une plateforme 13, un pied 14 pour son montage sur la jante d'un disque de turbine, et des parois d'étanchéité 15 délimitant une zone formant baignoire en son sommet qui coopèrent avec un anneau de turbine pour que les gaz moteurs ne contournent pas la pale. Des orifices 16 pour le passage d'air de refroidissement sont ménagés à proximité du bord d'attaque de la pale et du bord de fuite. En fonctionnement, les aubes subissent des contraintes thermomécaniques élevées. Les dommages que l'on trouve vers le sommet après de io nombreuses heures de fonctionnement du moteur sont une usure 15a des parois 15, des criques radiales 15b sur l'intrados ou l'extrados ou des criques 15c sur la paroi de fond de la baignoire. On trouve aussi des criques 12a parallèles à la direction du flux gaz notamment sur la face intrados.

15 Sur la figure 2 montrant un élément bipale de distributeur 20, on voit des criques 22a parallèles à la direction du flux gazeux sur la face intrados de l'une des pales 22. On note également la présence de manques de matière 22f le long du bord de fuite de la pale 22. Des défauts ponctuels 12p ou 22p peuvent aussi exister sur les pales 12 ou 22. Ces défauts sont présents sur 20 les pièces neuves dont le procédé de fabrication conduit à la présence d'inclusions de matière céramique.

Dans le cadre de la préparation de la pièce à réparer, après nettoyage, sablage et désaluminisation dans des bains d'acide pour enlever le 25 revêtement de surface, on usine le cas échéant les criques de manière à permettre un dépôt satisfaisant de métal de rechargement. Après usinage manuel au moyen d'une fraise à boule par exemple, ou automatique par EDM, on obtient des criques dites ouvertes. La figure 3 montre une aube de turbine dont les criques ont été usinées. On distingue trois criques ouvertes 30 12u1, 12u2, 12u3 à proximité du sommet de l'aube. Ces criques outre leur position par rapport à la géométrie de la pièce, se caractérisent par leur largeur D et leur profondeur. On observe que le sommet a été préparé également ; les parois formant la baignoire ont été usinées avec égalisation du niveau. Les parois se caractérisent par leur épaisseur E. 35 L'invention concerne également la réparation de criques fermées, débouchantes, non usinées. La préparation dans ce cas consiste en un nettoyage chimique ou thermochimique. 20 La première phase de la réparation consiste à créer une image numérique de la pièce. Selon l'exemple d'appareil 40 de la figure 4 utilisant un faisceau laser, on dispose la pièce à numériser A sur un support 41, qui peut être réglé selon les deux directions principales dans le plan de référence (x, y) de la table sur laquelle il est monté, ainsi qu'en rotation sur lui-même autour de l'axe perpendiculaire (z). Un capteur laser 42 est monté sur une potence 44. Il comprend un émetteur de faisceau laser ainsi qu'un récepteur. Le faisceau est projeté sur la surface de la pièce et le faisceau réfléchi capté par le récepteur. On procède par triangulation. Le profil de la pièce ainsi que sa position dans l'espace sont calculés à partir de ces informations et sont stockés dans une mémoire appropriée. La résolution du système doit être suffisante pour identifier des défauts de type impact ou fissure d'une taille pouvant être inférieure à 50 m. En effet, on constate que cette résolution est suffisante pour une telle application.

D'autres modes de numérisation de la forme conviennent aussi. On peut procéder par photogrammétrie numérique qui donne une enveloppe tridimensionnelle de la pièce à partir de laquelle on extrait des sections le long de l'axe principal de la pièce. Une fois la forme de la pièce numérisée, des moyens de calcul appropriés assurent l'extraction géométrique des défauts. Le système repère les formes usinées dans la pièce, différencie un usinage ou un perçage inhérent à la conception de la pièce d'un défaut d'usure fonctionnelle. 25 Après que la position dans l'espace des défauts et leurs dimensions ont été calculées, on détermine une trajectoire pour l'outil ou la tête de rechargement. A partir de la géométrie des défauts, le logiciel calcule les trajectoires de l'outil ou du robot supportant l'outil via un algorithme et la 30 trajectoire est transmise au robot.

Par exemple pour une crique usinée, les paramètres de la trajectoire sont déterminés à partir des défauts relevés sur les coupes successives parallèles au plan de référence (x,y) le long de l'axe (z). Pour chaque défaut 51 ou 52 35 sur chaque plan de coupe, comme cela est illustré sur la figure 5, on détermine un point moyen à partir de la profondeur P du défaut et de son ouverture D. L'ensemble des points moyens ainsi calculés forme une courbe à partir de laquelle la trajectoire de l'outil de rechargement est déterminée. L'épaisseur de paroi intervient également. 40 On détermine les autres paramètres nécessaires au rechargement. Il s'agit d'assurer une homogénéité du rechargement aussi grande que possible pour chaque configuration de crique.

Les autres paramètres de rechargement pour un outil laser comprennent : la puissance du laser, sa distance focale, le gaz de protection, la vitesse d'avance, la distance entre deux plans de coupe successifs selon l'axe z, la vitesse d'incrémentation des passes suivant l'axe z, la taille de la fibre laser, le débit de poudre, etc. io Cet ensemble de données est ensuite transmis au moyen de commande de l'outil, c'est à dire à la commande du robot avec lequel le chargement est à effectuer. Conformément à un mode de réalisation avantageux, une base de données concernant les paramètres de soudage permet d'associer à chaque 15 classe de défauts les paramètres adéquats. La transmission des paramètres au robot s'effectue avec le passage de la trajectoire du défaut et sa position. La base de données est enrichie à partir des résultats d'essais et aussi par l'expérience en production.

20 De préférence, des séquences de rechargement sont prédéfinies dans une base de données qui intègre la géométrie de la crique ou du défaut ponctuel usiné.

Le rechargement peut se faire soit par le sommet soit par le côté de la 25 pièce. On commence de préférence par le fond de la cavité usinée, par passes successives jusqu'au remplissage complet.

Une fois le rechargement terminé, le procédé de l'invention, en mettant en oeuvre à nouveau le système de détection de la forme de la pièce, permet 30 d'effectuer un contrôle de la géométrie rechargée, de s'assurer de sa conformité, et de définir la séquence d'usinage à effectuer par rapport à un étalon.

On a représenté sur la figure 6, une tête de rechargement 60 par faisceau 35 laser avec une buse de projection de poudre de rechargement. Celle-ci comporte une portion d'extrémité tronconique 62, comprenant un alésage central 63 et une série de canaux antistatiques 64 s'étendant dans la paroi de génération de son extrémité tronconique 62. Les canaux sont alimentés en poudre 65, tandis qu'un faisceau laser 66 rectiligne se propage au sein de 15 l'alésage central. La buse est du type de la buse décrite dans le brevet DE 3935009, auquel il pourra être fait référence pour plus de détails.

Le faisceau laser 66 est produit par source laser dite YAG. Il émet un faisceau d'énergie continue. La fibre optique de guidage du faisceau est, par exemple, de diamètre 0,3 ou 0,6 mm, en fonction de la géométrie de la paroi à recharger. Par exemple, une fibre de diamètre 0,6 mm permet de recharger des parois dont l'épaisseur est comprise entre 0,5 et 2 mm. Le laser YAG permet une très bonne interaction entre le faisceau laser 6 et la matière, et autorise une plus grande maniabilité de la tête de projection, du fait de la maniabilité de sa fibre optique.

La buse 61 est reliée à un ou des distributeurs de poudre d'alliage. La poudre 65 est entraînée par de l'Argon, afin d'assurer sa protection. Le faisceau laser 66 se propage de façon coaxiale avec la poudre 65.

On a représenté sur la figure 7 la partie supérieure d'une aube de turbine qui a été réparée selon le procédé de l'invention. Cette pièce a été 20 préalablement préparée par usinage de la crique 12u4 et élimination de la paroi de baignoire. Après reconnaissance de la forme le dispositif a calculé la trajectoire de la tête de soudure par faisceau laser puis a commandé le robot supportant la tête de soudage. La crique usinée 12u4 a été comblée à partir du fond par strates successives dont on voit les lignes de séparation 25 sur la photo. Ensuite l'outil s'est déplacé le long de trajectoires parallèles et le long de la périphérie du fond de la baignoire jusqu'à la hauteur de paroi prescrite.

Dans le cas de criques non usinées, le rechargement consiste en la 30 réalisation d'une ligne de fusion du matériau, le long du défaut. La tête de soudage est disposée de préférence de manière à former un angle droit avec la pièce par rapport à sa direction d'avance ou de la table support. Cet angle peut varier entre 45 et 135 . La ligne de fusion est simple ou avec poudre dans le cas d'un défaut non usiné mais plus large. 35 On procède par exemple à partir du fond de la crique ou à partir de la zone la plus large de l'ouverture de la crique.

On a décrit le rechargement par laser. L'invention s'applique également au soudage au moyen d'un torche plasma. Les paramètres de ce moyen sont la hauteur d'arc et l'intensité.

Claims (12)

Revendications

1. Procédé pour réparer une pièce métallique de turbomachine présentant au moins un défaut, au moyen d'un outil de rechargement, ledit outil étant mis en oeuvre par un moyen de commande, caractérisé par le fait qu'il comprend les étapes suivantes : l'acquisition d'une image numérisée de la forme de la pièce ainsi que de sa position dans l'espace, par un moyen de mesure optoélectronique (42), la résolution dudit moyen de mesure permettant de détecter la présence dudit défaut, la détermination de la position du défaut sur la pièce, la détermination des paramètres de rechargement du défaut par l'outil (60), le transfert des paramètres au moyen de commande de l'outil de rechargement pour effectuer la réparation.

2. procédé selon la revendication 1 dont la détermination des paramètres comprend, non limitativement, le calcul de la trajectoire de l'outil, la puissance du faisceau ainsi que sa vitesse d'avance.

3. Procédé selon la revendication 1 dont l'acquisition de la forme est effectuée par photogrammétrie numérique.

4. Procédé selon la revendication 1 dont l'acquisition de la forme est effectuée par triangulation laser.

5. Procédé selon la revendication 1 dont l'acquisition de forme comprend l'extraction de coupes selon l'axe principal de la pièce, la détermination du défaut sur chacune des coupes

6. Procédé selon la revendication précédente comprenant la détermination d'un point moyen formant un point de la trajectoire à calculer.

7. Procédé selon la revendication précédente dont le point moyen est déterminé à partir de la profondeur de la crique, de sa largeur et de l'épaisseur de la paroi.

8. Procédé selon l'une des revendications précédente dont le défaut est une crique usinée, une crique débouchante non usinée, une paroi de sommet d'aube ou un défaut ponctuel.

9. Procédé selon l'une des revendications précédentes dont le rechargement est effectué par projection de poudre et chauffage au moyen d'une source à haute énergie.

10.Procédé selon la revendication précédente dont l'outil de rechargement est de type laser.

11.Procédé selon la revendication 5 dont l'outil de rechargement est une torche plasma. 2897550 io

12.Procédé selon l'une des revendications précédentes comprenant un contrôle de la réparation par acquisition de la forme de la pièce réparée.