Soudage TIG orbital du système de propulsion d’un satellite

Soudage TIG orbital du système de propulsion d’un satellite

Soudage TIG orbital du système de propulsion du satellite sino-brésilien de télédétection des ressources terrestres CBERS

José Augusto Orlowski de Garcia, Nilton Souza Dias, Gérson Luiz de Lima, Nivio Fernandes Nogueira, Wilson Donizete Bocallão Pereira
Arc Machines Inc.
10500 Orbital Way
Pacoima, CA 91331 USA

Cet article initialement publié sur le site internet www.arcmachines.com sous le titre « The Orbital Tig Welding of the CBERS (China-Brazil Earth Resources Satellite) Propulsion System » est publié ici traduit en français, avec l’aimable autorisation de Arc Machines Inc. © AMI

1.   Introduction

Au fil des ans, les innovations technologiques issues du domaine spatial ont fourni une contribution remarquable au développement des différents secteurs industriels, comme par exemple la fabrication mécanique. Dans ce domaine on convient que les technologies de soudage sont parmi les plus éminemment concernées, à cause de la demande croissante d’utilisation de structures soudées de haute qualité et ce avec des matériaux ayant des exigences spécifiques en fabrication.


Figure 1 – Satellite CBERS

L’ensemble de ces demandes a permis le développement d’une nouvelle génération de générateurs de soudage. En parallèle, la mise au point de têtes de soudage orbital spéciales a ouvert la voie à l’utilisation de ce type de technologie pour l’automatisation du procédé TIG. L’application en est le soudage de tubes de diamètres variables, ce qui a été directement appliqué dans différents domaines comme l’aéronautique, le nucléaire, l’alimentaire et l’industrie pharmaceutique, cités parmi d’autres exemples. De nouvelles techniques comme l’utilisation d’un courant pulsé synchronisé avec le dévidage du fil et l’avancée de la tête de soudage - lesquels sont tous les deux pulsés – a permis l’exécution de soudures en toutes positions. La qualité de ces soudures répond aux normes les plus rigoureuses.

L’objet de la présente étude est de rendre publique l’application du soudage de tubes de petit diamètre utilisés dans le système de propulsion du satellite CBERS. Trois modes opératoires de soudage différents ont été mis au point, afin de répondre aux normes de fabrication en termes de qualité de propriétés mécaniques. Après qualification, tous les assemblages soudés ont été jugés acceptables à l’utilisation ; cependant le meilleur résultat, soit un courant pulsé avec une vitesse de rotation variable lors de la séquence, indique que les conditions décrites constituent la méthode la plus appropriée pour le soudage de tubes du satellite précédemment mentionné.
 
2.   Historique

Dans les années 1970 les différentes nations ont lancé des programmes d’étude spatiaux portés par des instituts spécifiques au domaine. Ils ont engagé des études, mais également la formation du personnel et l’échange d’informations scientifiques entre les principaux pays impliqués ; l’utilisation des satellites a été un sujet important. Pour le Brésil le principal objectif était de compenser les manques en termes de connaissance et d’intégration de son propre territoire, qui est de taille. C’est pourquoi le pays s’est concentré sur des projets impliquant les satellites de réception et d’intégration de données météorologiques (projet MESA), l’utilisation des satellites et d’avions pour la télédétection visant à cartographier les ressources (projet SERE), et finalement le projet SACI visant au développement des systèmes éducatifs nationaux.

Pendant les années 1980 l’Institut Brésilien de Recherche Spatiale (INPE) a initié des programmes prioritaires comme le satellite sino-brésilien de télédétection des ressources terrestres CBERS. Ce projet est le fruit de la collaboration entre les gouvernements brésiliens et chinois et le satellite a été lancé avec succès de Taïwan le 14 octobre 1999 par la fusée Long March 4. Le Brésil était chargé de 30% de la réalisation du programme, le reste étant assuré par la Chine. L’intégration et la phase de test de CEBRS 1 ont été effectuées en Chine tandis que pour CBERS 2 elles ont été réalisées au Brésil au laboratoire d’Intégration et d’Essai (LIT) de l’INPE.

Le satellite CBERS est composé de deux modules. Le premier, la charge utile, comprend les systèmes optiques et électroniques utilisés pour observer la terre et collecter les données. Le second module, utilitaire, est chargé d’apporter l’énergie, d’effectuer les contrôles et les télécommunications ainsi que d’autres tâches fonctionnelles du satellite. Les principales caractéristiques du satellite sont les suivantes :

Poids1450 kg
Puissance1100 W
Dimensions (corps du satellite)1, 8x2x2,2 m
Dimensions des panneaux6, 3x2, 6 m
Altitude en orbite778 km
Stabilisation3 axes
CommunicationBandes UHF et S
Durée de vie2 ans


Les bénéfices de cette coopération sino-brésilienne de fabrication du satellite CBERS se sont traduits pour le Brésil par la participation du pays, représenté par l’INPE, à la construction de la station spatiale internationale ISS. Ce projet, le plus ambitieux jusqu’à maintenant a rassemblé 16 pays sous la supervision des USA.
Le satellite CBERS 2 a été lancé de Chine avec succès le 21 octobre 2003.
 
3.   Soudage orbital
 
Le soudage orbital a été développé dans les années 1960 afin de répondre aux attentes de l’industrie aéronautique, surtout en ce qui concerne les composants devant présenter une grande intégrité, comme les systèmes hydrauliques. Des cas de rupture en vol de soudures sur ces composants, à une vitesse proche de celle du son, ont impulsé le développement du soudage orbital.

Dans les années 1980 le soudage orbital a été employé dans différents domaines comme les semiconducteurs, l’industrie pharmaceutique, l’alimentaire et l’ingénierie nucléaire pour ne citer qu’eux. La technique a été choisie non seulement en fonction de la qualité et de la grande intégrité des joints soudés, mais surtout pour des raisons de productivité, d’aspect du cordon de soudure, d’amélioration de la résistance à la corrosion, et pour des raisons de facilité de mise en pratique en comparaison avec le soudage à l’arc manuel ou d’autres procédés.


Figure 2 – Principes du soudage TIG orbital

Figure 4 Générateur de soudage AMI 207-HP et tête de soudage modèle 9AF-750

Le soudage orbital est une version mécanisée du soudage TIG, qui est exclusivement utilisé pour les tubes et canalisations. Le soudage TIG est un procédé par fusion, entre d’autres mots, un procédé qui fournit assez d’énergie sous forme de chaleur pour faire fondre les pièces. L’énergie est fournie par un arc électrique que l’on définit par le passage d’un courant électrique à travers un volume gazeux ionisé entre deux électrodes soumises à une différence de potentiel.

L’une des électrodes est le métal de base (pièce) et l’autre est l’électrode appelée non-consommable en tungstène pur ou allié. En général le soudage de tubes de petits diamètres et faibles épaisseurs est réalisé en une seule passe en bout-à-bout. Dans ce procédé les pièces sont maintenues statiques tandis que l’électrode se déplace le long du joint pour former le cordon de soudure. L’opération est menée sous atmosphère inerte ce qui permet d’assure une protection de la contamination par l’atmosphère ambiante des extrémités de l’électrode, du bain fondu et des régions subissant un échauffement.

Le dispositif orbital consiste en un générateur électrique programmable, un ensemble de câbles et de distribution des gaz, une tête de soudage et des composants optionnels comme une télécommande et un système de refroidissement. Pour les opérations manuelles par exemple l’insertion de la torche et d’une pédale, cette dernière servant à contrôler l’ampérage, sont indispensables.

Le générateur est un équipement programmable dont la séquence de soudage est contrôlée par un microprocesseur. Ce qui veut dire que l’opération est effectuée automatiquement sans nécessiter un opérateur. Cela garantit la répétabilité et par conséquent la qualité des cordons. Les connaissances nécessaires en soudage et le temps de soudage sont réduits de façon importante, ce qui diminue les coûts de façon importante. Les possibilités de programmation sont telles qu’il est possible d’ajuster les différents niveaux d’intensité de courant, de vitesse et de temps de soudage en fonction du diamètre et de l’épaisseur du matériau à souder.

La conception de la tête de soudage est compacte et indépendante du contexte. La tête peut être refroidie ou non et peut tout à fait être utilisée en forte cadence ainsi que pour souder des tubes de fort diamètre. Les composants de la tête sont en deux parties, et grâce à la haute précision nécessaire à leur fabrication, l’électrode reste alignée au plan de joint lors de l’exécution du cycle de soudage.

4.   Infrastructure du projet
 
La phase initiale du travail consiste à concevoir et implanter un laboratoire de soudage capable de répondre aux exigences de fabrication du système de propulsion à haute pureté du satellite CBERS Dans cette configuration, il est absolument nécessaire de travailler en chambre propre avec un contrôle précis de l’humidité et de la température. Les valeurs spécifiées de ces paramètres sont maintenues grâce à des filtres et divers équipements qui purifient l’air de l’environnement de travail.

La seconde étape consiste à se procurer un équipement importé qui assure la continuité des différentes phases de fabrication. Il comporte entre autres le système de nettoyage final, un compteur de particules et enfin l’unité de puissance pour le soudage TIG orbital fournie par Arc Machines Inc. utilisée pour l’assemblage des composants du système de propulsion. Le dispositif de soudage est compact, portable et a une précision de plus ou moins 1% par rapport aux paramètres de soudage, ce qui permet d’obtenir une haute qualité de soudage de façon constante si l’ensemble des données opératoires reste constant : longueur et angle de la pointe de l’électrode, préparation des bords à souder, température et propriétés métallurgiques des alliages. Les figures 3 et 4 montrent le laboratoire de soudage ainsi que quelques uns de ses équipements.

La phase finale implique la formation du personnel au procédé de fabrication mentionné ci-dessus, c’est-à-dire l’apprentissage de la méthode adéquate pour effectuer les différentes étapes de coupage, surfaçage, pliage, attaque chimique, intégration, pointage et soudage, inspection et contrôle.
 
5.   Considérations spécifiques au soudage du titane et de ses alliages
 
Le titane, avec sa forte réactivité aux températures au dessus de 426°C, principalement vis-à-vis des gaz atmosphériques, présente des difficultés au soudage de par les risques de contamination par ces gaz. Lorsque cela arrive une fragilité est constatée. Elle consiste en une augmentation importante de la résistance mécanique à rupture, accompagnée par une réduction de ductilité, de ténacité et de résistance à la corrosion. A partir de là, la condition minimale à remplir pour tout procédé de soudage du titane et de ses alliages, est d’assurer une protection efficace de la zone soudée lorsque des températures égales ou supérieure à celle précédemment citée sont atteintes.

En liaison avec les méthodes de réduction des effets de la contamination, il est important d’insister sur la mise en place d’une procédure de décapage chimique, afin d’enlever le film d’oxyde ainsi que tout résidu organique provenant du procédé de fabrication de la pièce.
L’apport de chaleur doit être maintenu à un niveau faible de façon à limiter l’étendue de la zone affectée thermiquement et par conséquent la zone devant être protégée par une atmosphère inerte, minimisant ainsi les risques de contamination. Un apport de chaleur trop important se caractérise également par une concavité du cordon. Si cette concavité est trop importante elle peut conduire à la mise au rebut de la pièce.
 
6.   Matériaux et consommables
 
Le matériau de base est du titane pur qui est approvisionné sous forme de tubes sans soudure, des pièces de garnissage ou accessoires (pièces cruciformes, en T et connexions sphériques) et différents composants (filtres, valves et capteurs), qui ont respectivement les diamètres et épaisseurs suivants 6 ±0,1 mm et 1± 0,05 mm.

Les consommables sont décrits ainsi :
-      Electrode non consommable EWCe-2 (2% de cérium tungstène) ; diamètre 1,6 mm avec un angle au sommet de 18°.
-      Bouteille d’argon à haute pureté (99,999%) pour la protection gazeuse et la purge.

7.   Qualification
 


Figure 5 Coupons témoins

L’étape initiale de l’expérimentation a demandé une étude paramétrique des paramètres de soudage accompagnée par la qualification. Tout d’abord les tubes sont coupés à la longueur désirée, opération suivie d’un surfaçage des extrémités visant à respecter les exigences de perpendicularité, d’ovalisation, d’ébavurage et de chanfreinage des bords. Ensuite de l’argon est injecté dans les tubes afin d’évacuer tout résidu résultant de l’opération précédente. La durée de l’attaque chimique est établie grâce à la mesure des diamètres intérieur et extérieur de chaque tube avant et après attaque. Puis les tubes sont places dans des sacs plastiques sous atmosphère protectrice d’argon jusqu’à leur utilisation.

L’étape suivante consiste en l’étude des paramètres de soudage et de pointage. Trois procédures distinctes ont été développées pour le soudage de tubes en titane :

-      courant continu
-      courant pulsé avec vitesse variable (augmentation graduelle du nombre de rotations par minute selon une progression par niveaux successifs)
-      courant pulsé en diminuant l’ampérage.

Après soudage les échantillons sont soumis à des inspections visuelles (mesures au pied à coulisse, boroscope, projecteur de profil) et par rayons X. Des essais d’étanchéité et de traction uniaxiale sont également effectués. Les essais non-destructifs ont révélé qu’il n’y a pas de discontinuités ou de défauts internes dans les cordons. Les résultats des essais de traction et d’étanchéité sont pour tous les échantillons sans exception, compatibles avec les valeurs requises dans le projet, quelle que soit la procédure de soudage.
Lors de l’essai de traction les ruptures ont invariablement lieu dans le métal de base.
Pour des considérations opérationnelles il a été décidé d’utiliser la méthode avec courant pulsé et vitesse variable.

8.   Fabrication
 
Le système de propulsion du CBERS comporte 42 composants, interconnectés entre eux par différents connexions et tubes de faible diamètre afin de constituer le réseau de circulation à très haute pureté de l’hydrazine. L’ensemble est en titane pur et comporte 126 joints soudés. Le procédé de soudage TIG orbital a été choisi pour un ensemble de raisons telles que la qualité, la fiabilité, la productivité et la grande souplesse d’emploi par rapport au soudage manuel ou d’autres procédés.

Afin de faciliter l’opération de soudage la structure a été divisée en sous-ensembles. Chacun d’entre eux a été assemblé séparément selon la séquence de fabrication précédemment qualifiée, puis intégré au corps du satellite au fur et à mesure de l’avancement des travaux.


Figure 6 Opération de pointage par soudage manuel TIG

Figure 7 Opération de soudage orbital TIG

Figure 8 Opération de soudage orbital TIG

Puisqu’il s’agit d’un système à ultra haute pureté, où une erreur même minime peut mener à la perte de l’unité entière, des précautions sont prises dès la manipulation et le stockage des pièces (composants, tubes et connexions). Celles-ci, après une inspection détaillée visant à vérifier leur conformité aux exigences spécifiées, sont isolées dans des zones de quarantaine dans lesquelles la température, l’humidité et la concentration de particules sont maintenues à des niveaux respectant les normes adoptées. Au cours de la progression du travail les pièces sont séparées selon leur utilisation et manipulées avec des gants spéciaux afin d’éviter toute contamination.
La première phase consiste en une préparation des tubes : pliage selon les plans de conception, pré-assemblage, coupage et surfaçage des extrémités. La précision de ces opérations est indispensable pour garantir la qualité et la tenue des cordons soudés.

L’étape suivante est consacrée à l’intégration des pièces dans un ensemble à l’aide de brides spéciales afin de garantir la précision d’alignement des joints à souder (assemblage tube sur tube, tube sur connexion, tube sur composant) en respectant les normes en vigueur. Les joints sont inspectés visuellement à l’aide d’une lunette grossissante afin de vérifier l’absence de jeu ou de défaut d’alignement. Après approbation l’ensemble est démonté et les pièces sont envoyées au nettoyage.

L’une des conditions de base pour la réussite du soudage du système de propulsion est l’absence totale de contaminants (graisse, huile, poussière etc…) sur les surfaces externes et internes des pièces. L’étape de décapage chimique correspond à l’élimination de ces impuretés ainsi que de la couche d’oxyde.

Ensuite les pièces sont placées dans des sacs plastiques sous atmosphère d’argon afin d’éliminer toute source de contamination. Elles sont alors envoyées au nettoyage final pour le contrôle de composants particulaires dans un enceinte où circule de l’alcool isopropylique.
Lors de l’intégration finale, les pièces sont positionnées et alignées en utilisant des brides. S’en suit un nouvel examen visuel des joints. Puis un pointage est réalisé en soudage TIG manuel, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser un fil d’apport. Les cordons de pointage doivent être d’une taille minimale mais suffisamment résistants pour maintenir les pièces en position. La figure 6 illustre l’opération de pointage.

L’une des caractéristiques du système à ultra haute pureté est la nécessité de purger le gaz inerte présent à l’intérieur du système lors des opérations de soudage et de pointage. Grâce à cette technique une pression positive est créée, ce qui évite la formation de cordons concaves ainsi que la menace permanente d’oxydation du côté interne.

Lorsque le pointage est achevé on substitue la tête de soudage orbital à la torche TIG manuelle, en chargeant la séquence programmée pour chaque opération. Ces changements impliquent des contrôles des pièces pour chacune des procédures (pointage et différentes séquences de soudage). Les figures 7 et 8 montrent deux situations différentes de soudage. A l’issue du soudage d’un groupe de pièces on procède au contrôle par rayons X et les cordons de soudure sont inspectés visuellement. Une fois ces contrôles effectués l’ensemble est raccordé au corps par des connexions et un test d’étanchéité local et global du système de propulsion est effectué.
 
9.   Conclusions
 
Le succès obtenu après soudage avec un pourcentage de rejet de seulement 0,7% est attribué aux procédures de fabrication mises en place pour la manipulation, le coupage, le surfaçage, le décapage, le pointage, le soudage, la purge interne et à l’utilisation d’électrodes standards et de coupons témoins lors de l’opération de soudage. L’utilisation simultanée de gaz aux caractéristiques spécifiques associée à des filtres, à un contrôle rigoureux de l’environnnement, ainsi que les essais d’étanchéité ont été décisifs pour assurer la qualité du produit final. Les progrès dans la technologie de soudage, les procédés de fabrication et les matériaux ont contribué au succès de ces travaux.
 
10. Remerciements
 
Les auteurs expriment leurs remerciements au Dr. Clovis Pereira (directeur du laboration Intégration et Essais), à Carlos de Oliveira Lino (INPE/LIT) – ingénieur, à MM. Meng Song, Chen Xiang Dong, Zhang Yin Yu et Wang He Zhong – ingénieurs CAST, et à l’équipe des laboratoires Contamination et Essais d’étanchéité (INPE/LIT).
 
11. Bibliographie
 
[1]Emmerson, J.; Recent Developments in Orbital Welding Equipment, Welding Design and Fabrication, April, 1997.

[2] Mannion, B.; The Fundamentals of Orbital Welding, Welding Design and Fabrication, February, 1999.

[3] Henon, B.; Fabrication Techniques for Successful Orbital Tube Welding, Reprinted from The Tube and Pipe Quarterly, part one – January / February, 1996 and part two – March / April, 1996, AMI.

[4] Relatório Interno INPE/LIT, http://www.inpe.br/programas/cbers/portugues/satelite

[5] Henon, B.; Discovering Application for Orbital Fusion Welding, Reprinted from The Tube and Pipe Journal, vol. 10, no 2, March, 1999, AMI.

[6] Henon, B.; Orbital Welding of. Stainless Steel Tubing for Biopharmaceutical, Food and Dairy Use, Reprinted from Tube International, September, 1999, AMI.

[7] Casti, The Metals Red Book, vol. 2, Nonferrous Metals, third printing, April, 1997.

[8] AWS, Welding Handbook, vol. 3, Materials and Applications – part 1, eighth edition, 1996.