Optimisation par éléments finis des trajectoires de chauffage par induction pour un traitement thermique robotisé in situ

Gendron, Mathieu (2013). Optimisation par éléments finis des trajectoires de chauffage par induction pour un traitement thermique robotisé in situ. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans un contexte où les installations hydroélectriques d’Hydro-Québec sont vieillissantes, l’augmentation de la durée de vie des équipements est un enjeu majeur. Avec l’objectif d’augmenter la durée de vie des réparations de fissures sur les roues de turbine en acier CA6NM, l’Institut de recherche d’Hydro-Québec (IREQ) développe un nouveau procédé robotisé de traitement thermique par induction in situ. Un inducteur de type serpentin est déplacé par le manipulateur SCOMPI, suivant une trajectoire rectiligne va-et-vient. Ce procédé permettra d’effectuer efficacement des traitements thermiques après soudage, nécessaire pour restaurer les propriétés mécaniques dans la zone réparée. Un des aspects critiques du procédé est le contrôle précis du profil de température. Pour la réussite du traitement thermique demandé sur le CA6NM, le profil de température doit respecter une tolérance de ± 10 °C, autour de 620 °C.

Dans ce mémoire, une méthode numérique, combinant analyse par éléments finis et techniques d’optimisation est développée. L’objectif est de déterminer les paramètres de chauffe et de trajectoires optimaux pour obtenir un profil de température le plus près possible de la température cible et qui soit le plus uniforme possible. Pour prédire le profil de température, la puissance injectée en un aller-retour de l’inducteur est approximée en utilisant une source moyenne. La validité de cette approximation est vérifiée expérimentalement, sur une géométrie plane et une géométrie courbe.

Le profil de température généré par cette source dépend de la géométrie de la trajectoire et de l’inducteur ainsi que de la puissance fournie. Un algorithme de gradient conjugué est ajouté au solveur thermique pour optimiser ces différents paramètres.

Premièrement, le profil de température transversal est uniformisé en optimisant la géométrie de l’inducteur et la distance entre l’aller et le retour sur la trajectoire (décalage). Un rayon extérieur de 37 mm, un rayon intérieur de 13 mm ainsi qu’un décalage de 70 mm permettent d’obtenir le profil de température le plus uniforme. Le rayon intérieur n’est pas déterminé par l’optimisation mais par le procédé de fabrication des serpentins. La sélection du diamètre extérieur est également contrainte par le procédé de fabrication et doit représenter un nombre fixe de spires. De plus, Il est trouvé que le décalage optimal est, règle générale, 95 % du diamètre extérieur de l’inducteur.

Deuxièmement, le profil de température longitudinal est uniformisé en optimisant la puissance injectée à différentes positions de l’inducteur sur la trajectoire. Troisièmement, pour uniformiser davantage le profil de température, l’orientation de l’inducteur est optimisée. Les angles optimaux trouvés sont de 4,3 ° dans la partie rectiligne de la trajectoire et de 14 ° dans la zone de virage.

Les différents essais expérimentaux réalisés ont montré que le modèle est représentatif de la réalité. L’écart relatif obtenu entre les températures calculées et mesurées est en moyenne de 1,5 %. De plus, des résultats concluants sont obtenus lors d’un traitement thermique après soudage effectué en laboratoire.

Résumé traduit

Post-welding heat treatments are used during the hydraulic turbine manufacturing process to restore mechanical properties and relieve internal stress caused by welding. For many aging turbines, such treatments are needed to ensure high quality repairs. However, dismantling and bringing such large equipment into a furnace is not feasible.

As a solution, Hydro-Quebec’s Research Institute (IREQ) developed a new robotic process to perform local induction heat treatment in situ. Heat is generated by moving an induction coil following a back and forth trajectory over a specific area.

A critical part of the process is to make temperature profile uniform within a precise range. For CA6NM turbine wheel, this range is as narrow as ±10 °C. This thesis proposed a method, combining finite element and optimization, to set heating and trajectory optimal parameters. A conjugated gradient algorithm is combined to the thermal solver of an in-house finite element software. The temperature field calculation is computed using an averaging heat input source. Computed temperatures with this model show good agreement with measured temperatures, on a plane and a curve instrumented plate.

First, pancake coil and interpass distance are optimized to get the most uniform lateral temperature profile. Results show that an internal radius of 13 mm, an external radius of 37 mm and an interpass distance of 70 mm are optimal. The inner radius is not determined by the optimization but by the coil manufacturing process. The selection of the outer diameter is constrained by the manufacturing process and must represent a fixed number of turns. The selection of the outer diameter is also constrained by the manufacturing process and must represent a fixed number of turns. Moreover, the optimal interpass distance is found to be about 95 % of the external coil diameter.

Second, the output power along the path is optimized to get a more uniform longitudinal temperature profile. Third, the coil orientation is optimized to improve the lateral and longitudinal temperature profile uniformity. Optimal angles found are 4,3 ° in the straight portion of the path 14 ° and in the curve portion.

Experiments show that the model is representative of reality. The average difference between the calculated and measured temperatures is 1,5 %. In addition, successful results were obtained upon heat treatment after welding performed in the laboratory.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique" Bibliographie : pages 267-268.
Mots-clés libres:	Chauffage par induction. Acier Traitement thermique. Méthode des éléments finis. in, optimisation, robotisé, situ, thermique, traitement, trajectoire, simulation
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Champliaud, Henri
Codirecteur:	Codirecteur Pham, Tan
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	04 déc. 2013 16:13
Dernière modification:	10 mars 2017 01:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1232

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