Traitement par induction, nouveaux développements. P. Rivat.pdf

20/12/2013
Auteurs : P. Rivat
Publication 3EI 3EI 2003- Journées
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2003-:5534
DOI :

Résumé

Traitement par induction, nouveaux développements. P. Rivat.pdf

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Article_Rivat Page 1/11 NOUVEAUX DEVELOPPEMENTS DANS LES TECHNOLOGIES DE TRAITEMENT PAR INDUCTION Dr P. RIVAT* *Responsable Induction EFD INDUCTION SA Article_Rivat Page 2/11 Sommaire Sommaire ................................................................................................................................... 2 I. Introduction............................................................................................................................. 3 II. Convertisseurs ....................................................................................................................... 3 II.1- Rappel............................................................................................................................ 3 II.2- Principe.......................................................................................................................... 3 II.2.1- Réglage de la puissance................................................................................... 4 II.2.2- Redresseur........................................................................................................ 4 II.3- Types de convertisseurs................................................................................................ 4 II.4- Evolution ...................................................................................................................... 4 II.5- L’avenir ......................................................................................................................... 5 III. Machines .............................................................................................................................. 6 III.1- Définition ..................................................................................................................... 6 III.2- Les évolutions .............................................................................................................. 6 III.3- L’avenir........................................................................................................................ 7 IV. Traitement thermique........................................................................................................... 8 IV.1- Rappel .......................................................................................................................... 8 IV.2- Trempe de contour ....................................................................................................... 8 IV.3- Chauffage sous atmosphère ....................................................................................... 10 IV.4- Revenu ...................................................................................................................... 11 V. Conclusion........................................................................................................................... 11 VI. Bibliographie...................................................................................................................... 11 Article_Rivat Page 3/11 I. Introduction Depuis plus de 50 ans, le principe de l’induction est utilisé dans l’industrie. Les ateliers de traitement thermique ont été les premiers utilisateurs de ce phénomène avec des ensembles qui, au départ, faisaient un peu sourire « les anciens » habitués aux bains de sel, aux fours et autres ensembles où la chaleur était une composante vivante et permanente de l’activité traitement thermique. Aujourd’hui, il n’y a plus personne qui s’étonne de l’implantation d’un équipement de chauffage par induction qui, nous le verrons dans la suite de cet exposé, a su intégrer les dernières innovations en termes de procédé, contrôle et flexibilité. II. Convertisseurs II.1- Rappel Plusieurs conceptions de convertisseurs existent aujourd’hui. Elles permettent de répondre, le plus souvent, à des exigences différentes en terme d’application. Il peut, bien sûr, y avoir « recouvrement » des capacités mais nous ne traiterons ci-après que de conception de ces différents types de convertisseurs. Nous nous limiterons à ne présenter que les technologies usuellement utilisées. II.2- Principe Les convertisseurs de fréquences peuvent être décrits par le schéma de la Figure 1. Figure 1 : schéma de principe d’un convertisseur de fréquence Article_Rivat Page 4/11 II.2.1- Réglage de la puissance Le réglage de la puissance injectée dans la pièce peut se faire grâce à un actionneur placé en un point quelconque de la chaîne schématisée. Néanmoins, on retrouve les actionneurs suivants aux points notés sur la figure 1 : Niveau 1 & 2 : Gradateur triphasé (générateur à triode) Niveau 3 : Redresseur (ex pont de Graëtz) Niveau 4 : Hacheur (générateur à semi-conducteurs – petite puissance-) Niveau 5 : Train d’onde ou variation de fréquence Niveaux 6 – 7 : Type gradateur (très peu utilisé) II.2.2- Redresseur Deux types de redresseurs utilisés : Pont complet à diodes Pont complet à thyristors II.3- Types de convertisseurs On distingue deux grandes familles de convertisseurs par leur technologie : Ancienne : convertisseur à tubes à vide (triode), Récente : convertisseur à semi-conducteur (thyristors, transistors IGBT, transistors MOS). Pour les convertisseurs à semi-conducteurs, les convertisseurs sont classés selon deux types de schéma : L’onduleur série ou onduleur de tension L’onduleur parallèle ou onduleur de courant1 II.4- Evolution Le tableau de la Figure 2 montre l’évolution des types de générateur sur les vingt cinq dernières années. On constate d’une part que maintenant tous les domaines de fréquences sont accessibles et d’autre part que les convertisseurs à triodes ont été remplacés en grande partie par les convertisseurs à semi- conducteur jusqu’à des fréquences de 400 kHz. Ce dernier point s’explique pour l’essentiel par le meilleur rendement de conversion des convertisseurs à semi- conducteur et par l’évolution rapide des composants (transistors, thyristors). Durant ces vingt-cinq dernières années, on a pu voir aussi une évolution très importante de la compacité des convertisseurs, diminution d’un facteur 2 à 3 des volumes d’encombrement avec un net avantage pour les convertisseurs à transistor de type série. La figure 3 représente une série de générateur à transistor de type série et la figure 4 représente un générateur à transistor MOS de type parallèle. 1 L’onduleur désigne souvent par abus de langage le convertisseur tout entier Article_Rivat Page 5/11 années 0.5 1 2 10 100 200 400 1000 fréquence en kHz 1975 1993 1999 générateur statique à thyristor générateur à triode (circuit à large bande) générateur à triode (circuit classique) générateur transitor MOS générateur transitor IGBT Figure 2 : Evolution des convertisseurs de fréquence II.5- L’avenir Dans les années à venir, les grands principes sur les générateurs ne vont pas évoluer. Néanmoins, la tendance lourde est l’amélioration des caractéristiques des composants utilisés : augmentation de la plage de fréquence disponible (ex : IGBT 100/200 kHz, MOSFET 500 kHz/600 kHz), amélioration du couple fréquence/puissance, amélioration de la tenue en tension et en courant. mais aussi : Diminution de la taille des générateurs, Plage de fréquence très large avec un même générateur. Figure 3 (générateurs MINAC) & Figure 4 (générateur CATI) Article_Rivat Page 6/11 III. Machines III.1- Définition Lorsque nous discutons des machines, beaucoup n’intègre que la partie la plus visible de ce qui est en fait une cellule de traitement thermique par induction. Les grandes composantes sont : L’ensemble alimentation électrique, qui est pour beaucoup une « boîte noire » où l’on intervient pas ou peu. On distingue en fait la partie générateur et la partie coffret d’adaptation sur lequel est fixé l’inducteur. A noter que la compacité des coffrets a un impact important sur la conception des machines. l’inducteur est assimilé par les utilisateurs à un outil au même titre qu’un outil coupant. L’ensemble mécanique qui sert à la préhension et à la présentation de la pièce à traiter, devant l’inducteur. Les circuits d’eaux de refroidissement et de trempe. Dans les deux cas, ce sont des circuits fermés qui, environnement oblige, ont une connexion à un groupe froid autonome et ou complètement séparé des réseaux d’eau habituels. III.2- Les évolutions Aujourd’hui, la demande des utilisateurs oblige les constructeurs à proposer des solutions de plus en plus flexibles, tout en garantissant une qualité optimale, et contrôlable (SPC - CND). Cela développe les tendances suivantes : Mise en plate forme des cellules de traitement (voir Figure 5). Figure 5 : Machine plateforme Intégration des moyens de contrôles de procédé (Real Time Monitoring) et de qualité (Figure 6) Article_Rivat Page 7/11 RTM 100 °C(°F) - l/mn(g/mn)-... V, Hz, kW, I,... V, I INVERTER MATCHING BOX/INDUC MACHINE Figure 6 : Schéma de principe d’un contrôle en temps réel Ajout de poste de traitement pour le revenu. Figure 7 : Exemple d’équipement de revenu III.3- L’avenir Les principaux utilisateurs de l’induction dans le traitement thermique sont les constructeurs automobiles, leurs fournisseurs et sous-traitants. Aussi, une tendance se dessine : Augmentation de la compacité des machines, Accroissement de la précision des systèmes de contrôle en temps réel, Alimentation des machines par des robots. Article_Rivat Page 8/11 IV. Traitement thermique IV.1- Rappel Le traitement thermique des pièces mécaniques par induction a connu un essor important depuis trente ans, apportant les avantages suivants : La substitution d’aciers ordinaires aux aciers de cémentation/carbonitruration. Des économies d’énergie importantes car le chauffage ne concerne plus qu’une zone localisée, la zone à traiter, qui représente quelques pour-cents par rapport à l’ensemble de la pièce. L’intégration en ligne des machines de traitement thermique. Une grande flexibilité car les équipements sont en marche/arrêt quasiment instantané, le stock n’est pas nécessaire. Coût de fonctionnement beaucoup plus faible qu’un four. Un procédé électrique non polluant, important pour l’environnement dans les circonstances actuelles. Ces avantages cumulés ont permis de montrer que, dans de nombreux cas, il était possible de substituer les machines de traitement par induction aux fours traditionnels de traitement thermique. Nous allons montrer ci après quelques exemples de développements dans des domaines où l’induction n’était pas présente. IV.2- Trempe de contour Il reste encore des limites pour les pièces de forme complexe tels que les engrenages, cas dans lequel la trempe superficielle par induction ne répond pas encore, aux besoins des clients et notamment pas à ceux des constructeurs automobiles. Divers travaux réalisés en Europe et aux Etats-Unis ont montré que les caractéristiques mécaniques des engrenages trempés par induction étaient fortement améliorées par un procédé de trempe induction adapté, permettant d’obtenir une zone durcie d’épaisseur faible et régulière sur toute la surface de l’engrenage. Ce profil dit de « trempe de contour » ne peut être obtenu que dans certaines conditions : − Préchauffe à moyenne fréquence, − Pulse de puissance à une fréquence de 100 à 400 kHz pendant un temps très court pour permettre l’austénitisation, uniquement dans la zone donnée. La structure du matériau de base est essentielle. Une première opération de trempe permet de préparer le matériau en vue de la trempe de contour. Les densités de puissances mises en œuvre dépendent du module à traiter. Elles sont typiquement de l’ordre de 4 à 2,5 kW/cm2 pour des modules de 2 à 4 mm en tenant compte d’un rendement global de 60 à 70 %. Compte tenu des enjeux, CFEI a décidé de s’équiper d’une installation de trempe de contour, répondant au traitement spécifique des engrenages. Cette installation, présentée sur la photo de la Figure 8, est composée d’un générateur moyenne fréquence d’une puissance de Article_Rivat Page 9/11 200 kW, d’un convertisseur à transistors MOS de 1MW, d’une machine de présentation de pièce de type DB équipée d’une commande numérique et d’un recirculateur de fluide de trempe. Figure 8 : installation de trempe de contour à CFEI Cette installation, opérationnelle depuis plus de 1 an, a permis de confirmer les résultats métallurgiques attendus. Des expertises mécaniques en cours de réalisation permettront, vraisemblablement, de confirmer et valider le procédé. A titre d’exemple, les photos des Figure 9 et Figure 10 montrent une pièce en cours de chauffe MF et HF. Figure 9 : Chauffe MF Article_Rivat Page 10/11 Figure 10 : Chauffe HF IV.3- Chauffage sous atmosphère Nous avons montré que l’induction a beaucoup pris sur la part des pièces cémentées et/ou carbonitrurées depuis une trentaine d’années. Néanmoins, les traitements sous atmosphère ont été et restent le champ privilégié des fours. Aujourd’hui, l’induction utilise de plus en plus des gaz inertes lors de la montée en température de la pièce. Ceci devient une demande de plus en plus fréquente des utilisateurs qui souhaitent minimiser le coût de leur composant et donc éliminer des opérations coûteuses en investissement et en temps. (Figure 11 : Exemple d’application de pièce chauffée sous atmosphère). Il y a bien sur des limites qui sont repoussées jour après jour. Figure 11 : Exemple d’application de pièce chauffée sous atmosphère Article_Rivat Page 11/11 IV.4- Revenu Depuis près de 30 ans, les discussions vont bon train entre les praticiens du traitement thermique. En effet, qui n’a jamais été au cœur d’une discussion portant sur la possibilité de réaliser une opération de revenu par induction? Sans entrer dans une polémique qui est inutile lorsque que n’ont pas été fixés les limites d’un composant mécanique souhaitées par le concepteur, il est nécessaire d’avoir à l’esprit que les aciers utilisés ainsi que les équipements d’induction sont devenus très « pointus » et permettent d’obtenir des résultats qu’il était impossible d’envisager il y a quelques décennies. Le revenu est devenu depuis une dizaine d’années une opération réalisée par induction à la suite de la trempe. Avec des puissances bien inférieures, des fréquences qui peuvent varier en fonction de la pièce et de la profondeur à traiter cette opération est devenue « classique » dans une ligne de traitement thermique. Les avantages sont, bien sûr une évidence pour un utilisateur qui évitera d’avoir un four encombrant, cher à l’emploi,… Cette réalité est devenue une tendance forte qu’il faut bien suivre car de nombreux composants seront impliqués. Nous noterons aussi, que certaines applications utilisent la chaleur résiduelle issue de la trempe, notamment pour remplacer le revenu de détente en four. V. Conclusion Comme nous avons pu le montrer, les technologies de traitement par induction sont en constante évolution. Cependant, il arrive que ce procédé de traitement ne réponde pas toujours aux attentes des clients. Ces échecs, peu liés à une impossibilité technologique du traitement par induction, résultent le plus souvent d’un manque de concertation lors de la conception de la pièce, entre le mécanicien qui la définit, le métallurgiste qui élabore l’acier et le spécialiste du traitement thermique par induction. VI. Bibliographie 1) Electrothermie industrielles -M ORFEUIL -édition Dunod 2) Trempe de contour avec chauffage par induction bi- fréquence d’engrenage à denture droite -P RIVAT, C DURBAN, D GHIGLIONE, R BRUNET- ATTT 2002 Grenoble