EP3818185A1 - Procédé de fabrication d'une pièce bi-metallique, mettant en oeuvre un traitement thermique induisant une dilatation - Google Patents

Procédé de fabrication d'une pièce bi-metallique, mettant en oeuvre un traitement thermique induisant une dilatation

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Publication number
EP3818185A1
EP3818185A1 EP19791307.2A EP19791307A EP3818185A1 EP 3818185 A1 EP3818185 A1 EP 3818185A1 EP 19791307 A EP19791307 A EP 19791307A EP 3818185 A1 EP3818185 A1 EP 3818185A1
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EP
European Patent Office
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component
deformation
virtual
thermal expansion
temperature
Prior art date
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Pending
Application number
EP19791307.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Christophe Ehrstrom
Julien LAYE
Sylvie Arsene
Timothy Warner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Constellium Issoire SAS
Original Assignee
Constellium Issoire SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Constellium Issoire SAS filed Critical Constellium Issoire SAS
Publication of EP3818185A1 publication Critical patent/EP3818185A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C21D9/50—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for welded joints
    • C21D9/505—Cooling thereof
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    • B23K20/233—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer
    • B23K20/2336—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating taking account of the properties of the materials to be welded without ferrous layer both layers being aluminium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16C—COMPUTATIONAL CHEMISTRY; CHEMOINFORMATICS; COMPUTATIONAL MATERIALS SCIENCE
    • G16C60/00—Computational materials science, i.e. ICT specially adapted for investigating the physical or chemical properties of materials or phenomena associated with their design, synthesis, processing, characterisation or utilisation
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/08—Non-ferrous metals or alloys
    • B23K2103/10—Aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the technical field of the invention is a method of manufacturing a part, in particular a structural element, comprising two components assembled together.
  • the manufacturing implements a heat treatment inducing a deformation of a component or of the two components.
  • the method makes it possible to take into account this induced deformation so as to obtain a part whose geometry corresponds to a reference shape.
  • Aluminum is a material commonly used in aeronautical construction, in particular in fuselage or wing elements, for example in the form of panels or spars.
  • the manufacture of an aircraft wing requires the use of panels arranged at the upper part of the wing (upper surface), as well as panels arranged at the lower part of the wing (lower surface).
  • the upper and lower panels are respectively exposed to different stresses: the upper panels must have good static mechanical strength, so as to be able to undergo a high compressive stress.
  • the lower panels must have a high tolerance for damage, so that they can be exposed to tensile stresses.
  • the lower panels and the upper panels are connected, inter alia, by beams. The latter must be optimized so that an upper part of the spar, connected to the upper surface, has a high mechanical resistance in compression, while a lower part of the spar, connected to the lower surface, has a tolerance for damage. high.
  • the document WO2007068943 describes a method of manufacturing a structural element.
  • the document WO98858759 describes a manufacturing process by mixing friction stir welding.
  • the document EP1799391 describes a manufacturing process making it possible to obtain a structural element, for example a spar, obtained by welding two different aluminum alloys, and having respectively a high mechanical resistance in compression and a high tolerance for damage.
  • the welding of the two alloys can in particular be carried out by friction stir welding, designated by the English term friction stir welding.
  • Welding by friction mixing makes it possible to carry out an assembly of non-weldable alloys by fusion welding processes, during which the parts to be welded are in the liquid phase.
  • the parts to be welded are in the solid phase. It allows for example the assembly of alloys of type 2XXX and 7XXX.
  • post-welding income is achieved, so as to improve certain mechanical properties, for example corrosion resistance.
  • the inventors of the invention described below propose an improvement to the method described above, in particular for making pieces of great length, exceeding 5 meters or even 10 or 15 meters.
  • a first object of the invention is a method of manufacturing a bimetallic part, using a first component formed from a first aluminum alloy and a second component formed from a second alloy aluminum, the first and second aluminum alloys being different from each other, the first component and the second component extending:
  • the heat treatment inducing a deformation of the assembled part, called induced deformation, under the effect of a change in metallurgical nature in the first aluminum alloy and / or in the second aluminum alloy;
  • the method being characterized in that it comprises, prior to assembly, a) a determination of a reference shape, corresponding to a shape that Ton wants to obtain at the end of the manufacture;
  • step c) obtaining the first component and the second component according to their respective initial forms defined during step c).
  • the heat treatment can in particular be an income.
  • the assembly can be carried out by welding.
  • change in the metallurgical nature of an alloy is meant for example a recrystallization or a dissolution or a precipitation of alloy elements, which lasts after the heat treatment, in particular during the return of the alloy to room temperature. It may in particular be a precipitation of hardening phases, the latter causing a deformation of the component, formed by the alloy, linked to the passage of the alloying elements from the solid solution to the hardening precipitates.
  • Step b) the estimate of the deformation of the assembled part can in particular be carried out by numerical modeling.
  • Step b) can then include the following sub-steps:
  • the temporal evolution of virtual temperature defined during sub-step bi) can in particular be different from a temperature variation to which the assembled part is subjected during the heat treatment.
  • the virtual temperature evolution can extend between a minimum temperature and a maximum temperature, the amplitude between the minimum temperature and the maximum temperature being different from a temperature variation to which the assembled part is subjected during the heat treatment.
  • the first virtual thermal expansion coefficient and the second virtual thermal expansion coefficient, as well as the virtual temperature evolution can be defined experimentally.
  • the first and second virtual thermal expansion coefficients and the virtual temperature evolution can be defined by:
  • a digital modeling of the test piece to obtain a modeled deformation, the modeling taking into account the first virtual thermal expansion coefficient, the second virtual thermal expansion coefficient, as well as the virtual temperature evolution;
  • the first virtual thermal expansion coefficient, the second virtual thermal expansion coefficient, as well as the virtual temperature evolution can be defined from a measurement, by dilatometry, of the metallurgical deformation, corresponding the dimensional difference of each component between the start and end of the heat treatment.
  • the measurements are then carried out on test pieces, each test piece being respectively representative of the first component and of the second component.
  • the difference in the virtual thermal expansion coefficients between the alloys can then be adjusted to the measurements made by dilatometry, by taking into account a virtual temperature change.
  • step b) the modeling takes into account the elastic behavior of the two alloys. It can take into account different Young's moduli for each alloy.
  • the first alloy is a 2XXX type aluminum alloy and the second alloy is a 7XXX type aluminum alloy.
  • the heat treatment is an income
  • the first coefficient of virtual thermal expansion can be strictly greater than the second coefficient of virtual thermal expansion.
  • the assembly is carried out by welding and the heat treatment is an income.
  • the method can then include a step b ′) of estimating a deformation of the assembled part due to welding, in order to define an intermediate shape of the assembled part, between welding and tempering, so that during the step c), the initial shape of the first component and of the second component are defined taking into account the reference shape and the intermediate shape of the assembled part.
  • Step b ') can in particular be carried out by numerical modeling. It can then include the following sub-steps: b'i) assignment of a first coefficient of virtual thermal expansion auxiliary to the first alloy and of a second coefficient of virtual thermal expansion auxiliary to the second alloy and definition of a temporal evolution of auxiliary virtual temperature;
  • a second object of the invention is a part produced according to the first object of the invention extending over a length greater than 5 meters and preferably greater than 10 meters.
  • a third object of the invention is the use of a part according to the invention for the manufacture of a component of a transport vehicle, for example a component of an aircraft, for example a spar of a wing airplane or empennage.
  • Figure IA shows a bimetallic part, in this case a beam, to be manufactured.
  • Figures IB and IC show details of two opposite ends of the bimetallic part.
  • FIG. 1D shows a test piece.
  • FIG. 1E shows diagrammatically a deformation obtained experimentally using a so-called test piece. In this figure, the deformation is exaggerated.
  • FIG. 2A shows an evolution of virtual temperature considered for carrying out a modeling of a deformation of a part under the effect of an income.
  • the abscissa and ordinates represent temperature and time respectively.
  • FIG. 2B represents a modeling of a deformation of a part under the effect of an income.
  • FIGS. 3A and 3B show the main steps of a method respectively according to a first embodiment and according to a second embodiment.
  • FIGS. 4A and 4B represent a modeling of a deformation due to welding.
  • FIG. 5 represents a modeling of a deformation of a part due to welding and then to tempering, called post-welding tempering.
  • FIG. 6A represents a modeling of a so-called intermediate shape, corresponding to a shape of a part assembled by welding.
  • FIG. 6B represents a modeling of a deformation due to income, from the intermediate form illustrated in FIG. 6A.
  • FIG. 7A shows a part extending in a reference shape.
  • FIG. 7B shows a form of an assembled part, the deformation of which, following tempering, makes it possible to obtain the reference form represented in FIG. 7A.
  • FIG. 7C shows the two components, the assembly of which makes it possible to obtain the assembled part shown in FIG. 7B.
  • Figure 8A shows a part extending in a reference shape, similar to that shown in Figure 7A.
  • FIG. 8B shows the two components which, after welding and tempering, make it possible to obtain the part shown in FIG. 8A.
  • alloy designations correspond to the designations established by The Aluminum Association.
  • structural element is meant a constituent element of the structure of an item of equipment.
  • a structural element particularly designates an armature intended for example for an aircraft wing, a fuselage or other element of a construction, notably aeronautical.
  • Figure IA shows schematically a spar 10 comprising a first component 11, produced according to a first aluminum alloy Ml and a second component 12, produced according to a second aluminum alloy M2.
  • the first aluminum alloy M1 can for example be a 2XXX type alloy
  • the second aluminum alloy M2 can be a 7XXX type alloy.
  • the first component 11 and the second component 12 are arranged one against the other along an interface 13 of length b, along a longitudinal axis Y.
  • the invention mainly relates to a part produced by an assembly of two components, of materials different, joined to each other over a great length.
  • the length of the interface 13 is typically greater than 5 m or 10 m. It is for example between 5m and 20m.
  • the spar 10 extends, along the longitudinal axis Y, between two ends A and B, the respective details of which are illustrated in FIGS. 1B and 1C.
  • the width of the piece 10, along the lateral axis Z varies, between the end A and the end B, respectively between approximately 500 mm to 800 mm and between 150 mm to 400 mm.
  • the thickness of the part, along the transverse axis X is for example between 50 mm and 150 mm.
  • the plane defined by the axes Y and Z is a main plane P YZ .
  • the first component 11 is assembled to the second component 12 by welding.
  • a friction stir welding is particularly suitable for carrying out welds of aluminum alloys which cannot be welded by fusion welding processes. Friction-kneading welding is carried out along the interface 13. After welding, the spar 10 undergoes tempering, called tempering after welding, so as to improve certain properties, in particular the corrosion resistance and / or the mechanical strength. . Tempering can have the following parameters: rise to 155 ° C to 30 ° C per hour followed by 18 hours of maintenance at 155 ° C.
  • the inventors have found that welding induces a deformation of the spar 10. They also found, more unexpectedly, that the post welding income also induces a significant deformation of the spar 10, resulting in the appearance of a curvature in the main plane P YZ .
  • post-welding tempering two deformation phenomena occur leading to the induced deformation of the assembled part:
  • metallurgical deformation due to metallurgical changes, such as the introduction and relaxation of stress, recrystallization or dissolution or precipitation of elements of alloys. Unlike thermal expansion, metallurgical deformation continues when it returns to room temperature. Metallurgical deformation can lead to expansion or retraction, depending on the metallurgical phenomena used. For example, the precipitation of hardening phases induces a deformation essentially attributed to the change in volume linked to the passage of the alloying elements from the solid solution to the hardening precipitates. If such a deformation is hardly noticeable when the workpiece is short, for example of the order of a meter, the change dimensional correspond can become significant when the length increases, and exceeds for example 5 or 10 meters.
  • the induced deformation of the latter is due in particular to the metallurgical deformation, as previously described, affecting each component.
  • the constraints linked to the fact that the two components are connected to each other must also be taken into account. Due to the assembly, the deformation of the first component is influenced by the elasticity of the second component, and vice versa.
  • FIG. 1D shows schematically a test piece 20, appearing, before tempering, in a rectilinear shape as shown in Figure IA.
  • FIG. 1E the test piece 20 is shown from the deformation, in the main plane P YZ , due to the income.
  • the arrow F corresponds to a maximum distance between the piece considered, in this case the test piece 20 d , and a straight line D connecting the ends of the latter.
  • the modeling proposed by the inventors consists in assigning a first virtual thermal expansion coefficient ai to the first alloy M1, and a second virtual thermal expansion coefficient a2 of the second alloy M2.
  • the second virtual thermal expansion coefficient a2 is considered to be zero.
  • the induced deformation of the assembled part 10 a is attributed, under the effect of tempering, to the difference in metallurgical deformation between the component 11 of alloy Ml and the component 12 of alloy M2 and elastic deformations caused by the fact that the components are not free to expand freely as they are assembled.
  • the income is assimilated to a simple change in temperature G ( ⁇ ) as a function of time t. It may in particular be a continuous evolution of the temperature, for example linear.
  • the temperature change T (t) is defined virtually, for modeling purposes, and does not correspond to the real change in temperature during tempering. It is designated by the term "virtual temperature evolution”.
  • the mod model aims to simulate the deformation of the assembled part 10 a by taking into account a simple expansion model and solely based on an isotropic thermal expansion of an alloy forming one of the components of the part.
  • the mod model proposed by the inventors takes into account the mechanical properties of the alloys Ml and M2, for example the Young's moduli as well as the Poisson's ratio.
  • the modeling can be carried out by a finite element calculation software, for example the MARC simulation software marketed by the MSC editor. This allows to estimate a thermomechanical deformation of each component under the effect of the virtual temperature evolution
  • An objective of the mod model is to predict, simply, the deformation undergone by the assembled part 10 a during the income. From the shape of the assembled part 10 a , the income-induced deformation is modeled, so as to obtain a modeling of the deformed part 10 d .
  • the objective of the modeling is to be able to define a shape of the assembled part 10 a , before the tempering, so that after the tempering, the part extends according to a reference shape lO ref .
  • the reference shape corresponds to the shape that one wishes to give to the piece 10 after the income.
  • An important aspect is the configuration of the mod model, and in particular the determination of the virtual thermal expansion coefficients oti and ot 2 of the aluminum alloys Ml and M2, as well as the definition of the evolution of virtual temperature T (t). These parameters are determined experimentally, based on tests carried out on a test piece 20 or on a measurement of the expansion observed for each of the alloys between two measurements at the same temperature.
  • the test piece 20 is preferably of identical size and / or composition to the assembled piece 10 a . It is not essential that the test piece 20 is strictly identical to the assembled piece 10 a . However, the composition of the test piece 20 must be sufficiently representative of that of the piece assembly 10 a , so as to allow a sufficiently precise modeling of the deformation resulting from the income.
  • the test carried out on the test piece 20 makes it possible to obtain a deformation 20 d determined experimentally, as shown diagrammatically in FIGS. 1D and 1E. From the observed deformation, it is possible to define the parameters of the mod model, in this case ai, ai and T (t).
  • a feature of the invention is that the change in virtual temperature T (t) taken into account by the model does not necessarily correspond to the change in temperature governing the income.
  • the virtual temperature evolution T (t) is defined arbitrarily, on the basis of the deformation observed experimentally, so as to allow correct modeling of the deformation.
  • the virtual temperature change T (t) is an increasing linear function.
  • the virtual thermal expansion coefficients ai a respectively assigned to the first alloy Ml and to the second alloy M2, they are determined so as to allow a correct estimate of the experimental deformation, taking into account the evolution of virtual temperature T (t) taken into account in the model.
  • a priori a virtual temperature evolution T (t) is defined, then virtual thermal expansion coefficients ai, a, respectively, are assigned to the first and to the second alloy, making it possible to correctly model the experimental deformation observed on the part. test 20.
  • the parameters of the mod model can be determined on the basis of dilatometric measurements carried out on test pieces.
  • the first virtual thermal expansion coefficient and the second virtual thermal expansion coefficient are determined as a function of a difference between the measured expansions.
  • Each test piece is representative of either the first alloy or the second alloy.
  • the second alloy in this case alloy 7140, has been assigned a zero thermal expansion coefficient ot2.
  • T (t) virtual temperature
  • the ordinate axis represents the temperature variation, in degrees Celsius, from an initial temperature.
  • the evolution of virtual temperature T (t) taken into account in the model extends between a minimum temperature T m m and a maximum temperature T ma x.
  • the temperature difference T ma xT mi n is 1 ° C. It is therefore different from the temperature variation DT induced during tempering.
  • the virtual temperature evolution T (t) taken into account in the model is not intended to represent the real temperature variations during income. It only makes it possible to model the deformation due to the income, according to the assumption that the deformation is only due to a thermal expansion effect.
  • the mod model thus developed is applied to a modeled part 10 a , shown in dotted lines in FIG. 2B.
  • a modeling of a deformed part 10 d shown diagrammatically in gray levels in FIG. 2B.
  • the grayscale scale corresponds to the deformation measured along the lateral axis Z.
  • an arrow with a height of 56 mm is obtained, the value measured experimentally amounting to 59 mm.
  • FIG. 3A summarizes the main steps of a method for manufacturing a part according to the invention:
  • Step 100 Determination of a reference shape 10 ref which one wishes to obtain at the end of the assembly of the two components 11 and 12 and of the heat treatment applied to the assembled part 10 a ;
  • Step 110 Application of a deformation model mod, so as to estimate by iteration the deformation of the part 10 a formed by the assembly of the first component 11 and the second component 12 which will give the part 10 ref after tempering.
  • the deformation model mod is in particular a digital deformation model, as previously mentioned and described in the examples which follow. It can in particular be implemented using a computer.
  • Step 120 Depending on the deformation estimated during step 110, definition of a first initial shape 11, of the first component 11 and of a second initial shape 12, of the second component 12.
  • Step 130 Obtaining the first component 11 according to the first initial form 11, and obtaining the second component 12 according to the second initial form 12,.
  • Step 140 Assembly of the first component against the second component, so as to obtain an assembled part 10 a .
  • the assembly can be obtained by welding, or by gluing or clamping the first component 11 and the second component 12.
  • Step 150 Application of the tempering to the assembled part 10 a , so that at the end of the tempering, the manufactured part 10 deforms to obtain the reference shape 10 ref .
  • Step 110 requires the use of a modeling of the part deformed during tempering.
  • a modeling supposes the prior establishment of the deformation model mod, which is the subject of a step 90.
  • Step 90 comprises two sub-steps:
  • Sub-step 92 carrying out measurements by dilatometry on test pieces, each test piece being representative of the first alloy or of the second alloy.
  • sub-step 92 may include an observation of an experimental deformation of a test piece, as previously described.
  • Sub-step 94 from the measurements resulting from sub-step 92, definition of the parameters of a thermomechanical deformation model.
  • the parameters are the virtual thermal expansion coefficients oti and ot 2 as well as the virtual temperature change T (t).
  • the assembly itself causes deformation of the first component 11 and / or of the second component 12, for example by expansion. The process can then take into account the deformation during assembly. This is particularly the case when the assembly is welding.
  • step 110 also includes an estimate of the deformation of the first component 11 and the second component 12 during assembly.
  • step 120 we then define:
  • step 110 requires the use of a modeling of the part deformed during welding.
  • a modeling supposes the prior establishment of the auxiliary deformation model mod aux , which is the subject of step 80.
  • the establishment of the auxiliary deformation model comprises two sub-steps: Sub-step 82: application of welding to a test piece, representative of the piece to be manufactured 10, and obtaining an experimental deformation.
  • Sub-step 84 from the experimental deformation, definition of the parameters of the auxiliary deformation model.
  • the parameters are the auxiliary virtual thermal expansion coefficients a'i and a as well as an auxiliary virtual temperature change T '(t).
  • the establishment of an auxiliary deformation model mod aux is described below, in connection with Figure 4.
  • the auxiliary deformation model mod aux is similar to the deformation model corresponding to income: it takes into account:
  • the parameters of the auxiliary model mod aux i.e. the auxiliary virtual thermal expansion coefficients a'i and a'2 and the auxiliary virtual temperature change T '(i), are adjusted as a function of experimental test representative of a welding operation. As indicated in connection with step 80, the experimental test is carried out using a test piece. During welding, the components forming the test piece deform and their deformation is characterized. One then determines the parameters of the auxiliary deformation model mod aux allowing a correct modeling of the experimental deformation obtained.
  • the first alloy has been assigned, in this case alloy 2050 with a coefficient of virtual auxiliary thermal expansion a'i zero.
  • T '(t) similar to that shown in FIG. 2A, the coordinate 1 of the abscissa axis corresponding to the end of the welding.
  • the ordinate axis represents the temperature variation, in degrees Celsius, from an initial temperature.
  • FIGS. 4A and 4B show an example of the application of an auxiliary deformation model mod aux to a first component 11 and to a second component 12.
  • each component extends according to an initial reference shape 11, 12, (cf. FIG. 4A).
  • a deformed part 10 d is obtained (cf. FIG. 4B).
  • an arrow with a height of 13 mm is obtained, the value measured experimentally amounting to 12 mm. This shows that the auxiliary deformation model succeeds in correctly simulating the deformation undergone by the part during welding.
  • the deformation model mod corresponding to income, described in connection with FIGS. 3A and 3B.
  • FIG. 5 represents an example of successive application of the two deformation models to a part 10, as previously described.
  • the shape represented in gray levels corresponds to a modeling of the deformation 10 d following the successive application of the two deformation models mod and mod aux .
  • the grayscale scale corresponds to the deformation measured along the lateral axis Z. According to the model, an arrow with a height of 42 mm is obtained, the value measured experimentally amounting to 47 mm.
  • the combination of the two models is therefore considered to represent faithfully the deformations successively undergone by the part respectively during welding and tempering.
  • the deformation model mod it is possible to apply the deformation model mod, so as to obtain an intermediate form lO mter .
  • the latter corresponds to the shape of the assembled part which, after tempering, makes it possible to obtain the reference shape 10 ref .
  • the auxiliary deformation model is then applied so as to define an initial form 10mi t .
  • FIGS. 6A and 6B represent an example of successive applications of the two deformation models.
  • the part 10 Before the application of the model, the part 10 extends in an initial shape 10, so that after welding and tempering, the part 10 is presented in the reference form lOre f .
  • the shape represented in gray levels corresponds to the intermediate shape lO mt following the application of the auxiliary deformation model mod aux .
  • FIG. 6B represents the form resulting from the application of the deformation model mod, representing the deformation of the income, from the intermediate form 10m t represented in FIG. 6A.
  • the gray level scale corresponds to the deformation measured along the Z axis. The deformation generated by the income makes it possible to obtain a part 10 which, after the heat treatment, extends according to the reference shape 10 ref .
  • FIG. 7A shows the reference form 10 ref to be obtained.
  • FIG. 7B is obtained by applying the deformation model mod to the reference shape 10 ref , to define a shape of the assembled part 10 a .
  • the assembled part is obtained by bonding the first component 11 and the second component 12, the initial shapes 11 and 12 of which are illustrated in FIG. 7C.
  • FIGS. 8A and 8B illustrate an example of application of the invention when the assembly of the first component 11 to the second component 12 is accompanied by deformation. This is typically a weld.
  • FIG. 8A represents the reference form 10 ref to be obtained.
  • the application of the auxiliary deformation model mod aux to the reference shape 10 ref makes it possible to define a shape of the assembled part 10 a , called intermediate shape. From the intermediate shape of the assembled part, the application of the auxiliary deformation model makes it possible to obtain an initial shape 11, of the first component and an initial shape 12, of the second component.
  • the initial shapes 11, and 12 are illustrated in Figure 8B.
  • the invention may be implemented in the manufacture of parts intended to form structural elements, extending in particular over long lengths, typically greater than 5 meters or even 10 meters.

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Abstract

Un objet de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce bimétallique, à l'aide d'un premier composant formé d'un premier alliage d'aluminium et d'un deuxième composant formé d'un deuxième alliage d'aluminium, le procédé comportant les étapes suivantes : - assemblage du premier composant contre le deuxième composant de manière à obtenir une pièce assemblée; - application d'un traitement thermique à la pièce assemblée, selon une température comprise entre 100°C et 250°C, le traitement thermique induisant une déformation de la pièce assemblée, notamment due à une déformation métallurgique par une précipitation de phases durcissantes du premier composant et/ou du deuxième composant; - refroidissement à température ambiante, après lequel la déformation induite subsiste. le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'assemblage une estimation de la déformation de la pièce assemblée sous l'effet du traitement thermique.

Description

Procédé de fabrication d'une pièce bi-métallique, mettant en œuvre un traitement thermique induisant une dilatation
Description
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine technique de l'invention est un procédé de fabrication d'une pièce, notamment un élément de structure, comportant deux composants assemblés l'un à l'autre. La fabrication met en œuvre un traitement thermique induisant une déformation d'un composant ou des deux composants. Le procédé permet de prendre en compte cette déformation induite de façon à obtenir une pièce dont la géométrie correspond à une forme de référence.
ART ANTERIEUR
L'aluminium est un matériau couramment utilisé dans la construction aéronautique, en particulier dans des éléments de fuselage ou de voilure, par exemple sous la forme de panneaux ou de longerons. La fabrication d'une aile d'avion suppose l'utilisation de panneaux disposés au niveau de la partie supérieure de l'aile (extrados), ainsi que des panneaux disposés au niveau de la partie inférieure de l'aile (intrados). Les panneaux supérieurs et inférieurs sont respectivement exposés à des contraintes différentes : les panneaux supérieurs doivent présenter une bonne résistance mécanique statique, de façon à pouvoir subir une contrainte en compression élevée. Les panneaux inférieurs doivent présenter une tolérance aux dommages élevée, de façon à pouvoir être exposés à des contraintes en traction. Dans une aile, les panneaux inférieurs et les panneaux supérieurs sont reliés, entre autres, par des longerons. Ces derniers doivent être optimisés de telle sorte qu'une partie supérieure du longeron, reliée à l'extrados, présente une résistance mécanique élevée en compression, tandis qu'une partie inférieure du longeron, reliée à l'intrados, présente une tolérance aux dommages élevée.
Le document W02007068943 décrit un procédé de fabrication d'un élément de structure. Le document W09858759 décrit un procédé de fabrication par soudage par friction malaxage.
Le document EP1799391 décrit un procédé de fabrication permettant d'obtenir un élément de structure, par exemple un longeron, obtenu par soudage de deux alliages d'aluminium différents, et présentant respectivement une résistance mécanique en compression élevée et une tolérance aux dommages élevée. Le soudage des deux alliages peut notamment être réalisé par soudage par friction malaxage, désigné par le terme anglais friction stir welding. Le soudage par friction malaxage permet en effet d'effectuer un assemblage d'alliages non soudables par des procédés de soudage par fusion, durant lesquels les pièces à souder sont en phase liquide. Ainsi, lors du soudage par friction malaxage, les pièces à souder se trouvent en phase solide. Il permet par exemple l'assemblage d'alliages de type 2XXX et 7XXX. On sait que les alliages de type 2XXX sont adaptés aux cahiers des charges des intrados, tandis que les alliages de type 7XXX sont adaptés aux cahiers des charges des extrados. Leur soudage permet d'obtenir un élément de structure présentant des caractéristiques optimales pour relier un intrados et un extrados.
Selon le document précédemment cité, un revenu post soudage est réalisé, de façon à améliorer certaines propriétés mécaniques, par exemple la résistance à la corrosion.
Les inventeurs de l'invention décrite ci-après proposent une amélioration du procédé précédemment décrit, en particulier pour réaliser des pièces de grande longueur, dépassant 5 mètres ou même 10 ou 15 mètres.
EXPOSE DE L'INVENTION
Un premier objet de l’invention est un procédé de fabrication d’une pièce bimétallique, à l’aide d’un premier composant formé d’un premier alliage d’aluminium et d’un deuxième composant formé d’un deuxième alliage d’aluminium, les premier et deuxième alliages d’aluminium étant différents l’un de l’autre, le premier composant et le deuxième composant s'étendant:
selon un axe longitudinal, selon une longueur supérieure à 5 mètres ;
et, selon un axe latéral perpendiculaire à l'axe longitudinal, selon une largeur inférieure au dixième de la longueur ;
le procédé comportant les étapes suivantes :
assemblage du premier composant contre le deuxième composant le long de l'axe longitudinal, de manière à obtenir une pièce assemblée ;
application d'un traitement thermique à la pièce assemblée, selon une température comprise entre 100°C et 250°C, le traitement thermique induisant une déformation de la pièce assemblée, dite déformation induite, sous l'effet d'un changement de nature métallurgique dans le premier alliage d'aluminium et/ou dans le deuxième alliage d'aluminium ;
refroidissement à température ambiante, après lequel ladite déformation induite subsiste ;
le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte, préalablement à l'assemblage, a) une détermination d'une forme de référence, correspondant à une forme que Ton veut obtenir à la fin de la fabrication;
b) une estimation de la déformation induite de la pièce assemblée par le traitement thermique ;
c) une définition d'une forme initiale du premier composant et d'une forme initiale du deuxième composant, en prenant en compte la forme de référence déterminée lors de l'étape a) et la déformation estimée lors de l'étape b), de telle sorte qu'à l'issue du traitement thermique, la pièce s'étend selon la forme de référence ;
d) une obtention du premier composant et du deuxième composant selon leurs formes initiales respectives définies lors de l'étape c).
Le traitement thermique peut notamment être un revenu. L'assemblage peut être réalisé par soudage.
Par changement de nature métallurgique d'un alliage, on entend par exemple une recristallisation ou une mise en solution ou une précipitation d'éléments d'alliage, qui perdure à l'issue du traitement thermique, notamment lors du retour de l'alliage à une température ambiante. Il peut en particulier s'agir d'une précipitation de phases durcissantes, cette dernière entraînant une déformation du composant, formé par l'alliage, liée au passage des éléments d'alliage de la solution solide vers les précipités durcissants.
Lors de l'étape b), l'estimation de la déformation de la pièce assemblée, peut notamment être effectuée par modélisation numérique. L'étape b) peut alors comporter les sous-étapes suivantes :
bi) affectation d'un premier coefficient de dilatation thermique virtuel au premier alliage et d'un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel au deuxième alliage et définition d'une évolution temporelle de température virtuelle;
bii) prise en compte des premier et deuxième coefficients de dilatation thermique virtuels et de l'évolution temporelle de température virtuelle, et modélisation de la déformation de la pièce assemblée sous l'effet du traitement thermique.
L'évolution temporelle de température virtuelle définie lors de la sous-étape bi) peut notamment être différente d'une variation de température à laquelle est soumise la pièce assemblée lors du traitement thermique. L'évolution de température virtuelle peut s'étendre entre une température minimale et une température maximale, l'amplitude entre la température minimale et la température maximale étant différente d'une variation de température à laquelle est soumise la pièce assemblée lors du traitement thermique.
Lors de la sous-étape bi), le premier coefficient de dilatation thermique virtuel et le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, ainsi que l'évolution de température virtuelle peuvent être définis expérimentalement. Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième coefficients de dilatation thermique virtuels et l'évolution de température virtuelle peuvent être définis par :
une application du traitement thermique à une pièce de test, représentative de la pièce assemblée, pour obtenir une déformation induite expérimentale ;
une modélisation numérique de la pièce de test, pour obtenir une déformation modélisée, la modélisation prenant en compte le premier coefficient de dilatation thermique virtuel, le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, ainsi que l'évolution de température virtuelle;
un ajustement du premier coefficient de dilatation thermique virtuel, du deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, et de l'évolution de température virtuelle, de telle sorte que la déformation modélisée corresponde à la déformation de la pièce de test.
Selon un autre mode de réalisation, le premier coefficient de dilatation thermique virtuel, le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, ainsi que l'évolution de température virtuelle peuvent être définis à partir d'une mesure, par dilatométrie, de la déformation métallurgique, correspondant à la différence dimensionnelle de chaque composante entre début et fin du traitement thermique. Les mesures sont alors effectuées sur des éprouvettes, chaque éprouvette étant respectivement représentative du premier composant et du deuxième composant. La différence des coefficients de dilatation thermiques virtuels entre les alliages peut alors être ajustée aux mesures effectuées par dilatométrie, moyennant une prise en compte d'une évolution de température virtuelle.
Lors de l'étape b), la modélisation prend en compte le comportement élastique des deux alliages. Elle peut prendre en compte des modules d'Young différents pour chaque alliage.
Selon un mode de réalisation, le premier alliage est un alliage d'aluminium de type 2XXX et le deuxième alliage est un alliage d'aluminium de type 7XXX. Lorsque le traitement thermique est un revenu, le premier coefficient de dilatation thermique virtuel peut être strictement supérieur au deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel. Selon un mode de réalisation, l'assemblage est effectué par soudage et le traitement thermique est un revenu. Le procédé peut alors comporter une étape b') d'estimation d'une déformation de la pièce assemblée due au soudage, pour définir une forme intermédiaire de la pièce assemblée, entre le soudage et le revenu, de telle sorte que lors de l'étape c), la forme initiale du premier composant et du deuxième composant sont définies en prenant en compte la forme de référence et la forme intermédiaire de la pièce assemblée. L'étape b') peut notamment être réalisée par modélisation numérique. Elle peut alors comporter les sous-étapes suivantes : b'i) affectation d'un premier coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire au premier alliage et d'un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire au deuxième alliage et définition d'une évolution temporelle de température virtuelle auxiliaire;
b'ii) prise en compte des premier et deuxième coefficients de dilatation thermiques virtuels auxiliaires et de l'évolution temporelle de température virtuelle auxiliaire, et modélisation de la déformation de la pièce au cours du soudage.
Un deuxième objet de l'invention est une pièce réalisée selon le premier objet de l'invention s'étendant sur une longueur supérieure à 5 mètres et de préférence supérieure à 10 mètres.
Un troisième objet de l'invention est l'utilisation d'une pièce selon l'invention pour la fabrication d’un composant d’un véhicule de transport, par exemple un composant d’un aéronef, par exemple un longeron d’une aile d’avion ou d’un empennage.
D’autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l’invention, donnés à titre d’exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous.
FIGURES
La figure IA représente une pièce bimétallique, en l’occurrence un longeron, à fabriquer.
Les figures IB et IC représentent des détails de deux extrémités opposées de la pièce bimétallique.
La figure 1D représente une pièce de test. La figure 1E schématise une déformation obtenue expérimentalement à l’aide d’une pièce dite de test. Sur cette figure, la déformation est exagérée.
La figure 2A montre une évolution de température virtuelle considérée pour effectuer une modélisation d’une déformation d’une pièce sous l’effet d’un revenu. L’axe des abscisses et des ordonnées représentent respectivement la température et le temps. La figure 2B représente une modélisation d'une déformation d'une pièce sous l'effet d'un revenu.
Les figures 3A et 3B montrent les principales étapes d'un procédé respectivement selon un premier mode de réalisation et selon un deuxième mode de réalisation.
Les figures 4A et 4B représentent une modélisation d'une déformation due à un soudage.
La figure 5 représente une modélisation d'une déformation d'une pièce due à un soudage puis à un revenu, dit revenu post-soudage.
La figure 6A représente une modélisation d'une forme dite intermédiaire, correspondant à une forme d'une pièce assemblée par soudage. La figure 6B représente une modélisation d'une déformation due à un revenu, à partir de la forme intermédiaire illustrée sur la figure 6A.
La figure 7A montre une pièce s'étendant selon une forme de référence. La figure 7B montre une forme d'une pièce assemblée, dont la déformation, suite au revenu, permet d'obtenir la forme de référence représentée sur la figure 7A. La figure 7C montre les deux composants dont l'assemblage permet d'obtenir la pièce assemblée représentée sur la figure 7B.
La figure 8A montre une pièce s'étendant selon une forme de référence, similaire à celle représentée sur la figure 7A. La figure 8B montre les deux composants qui, après soudage et revenu, permettent d'obtenir la pièce représentée sur la figure 8A.
Sur les figures 3A, 4, 5, 6A et 6B,7A à 7C, 8A à 8B, la déformation selon l'axe Z est multipliée par un facteur 10 par rapport à l'échelle appliquée à l'axe Y.
EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
Sauf s'il en est disposé autrement, les désignations des alliages correspondent aux désignations établies par The Aluminum Association.
Par élément de structure, on entend un élément constitutif de la structure d'un équipement. Dans cette demande, un élément de structure désigne particulièrement une armature destinée par exemple à une aile d'avion, à un fuselage ou autre élément d'une construction notamment aéronautique.
La figure IA schématise un longeron 10 comportant un premier composant 11, réalisé selon un premier alliage d'aluminium Ml et un deuxième composant 12, réalisé selon un deuxième alliage d'aluminium M2. Le premier alliage d'aluminium Ml peut par exemple être un alliage de type 2XXX, tandis que le deuxième alliage d'aluminium M2 peut être un alliage de type 7XXX. Le premier composant 11 et le deuxième composant 12 sont disposés l'un contre l'autre le long d'une interface 13 de longueur b, selon un axe longitudinal Y. L'invention concerne principalement une pièce fabriquée par un assemblage de deux composants, de matériaux différents, assemblés l'un à l'autre selon une grande longueur. La longueur de l'interface 13 est typiquement supérieure à 5 m ou à 10m. Elle est par exemple comprise entre 5m et 20m. Le longeron 10 s'étend, selon l'axe longitudinal Y, entre deux extrémités A et B, dont les détails respectifs sont illustrés sur les figures IB et IC. La largeur de la pièce 10, selon l'axe latéral Z, varie, entre l'extrémité A et l'extrémité B, respectivement entre environ 500 mm à 800 mm et entre 150 mm à 400 mm. L'épaisseur de la pièce, selon l'axe transversal X, est par exemple comprise entre 50 mm et 150 mm. Le plan défini par les axes Y et Z est un plan principal PYZ.
Selon les procédés de fabrication de l'art antérieur, le premier composant 11 est assemblé au deuxième composant 12 par soudage. Comme indiqué en lien avec l'art antérieur, un soudage par friction malaxage est particulièrement adapté à la réalisation de soudages d'alliages d'aluminium n'étant pas soudables par les procédés de soudage par fusion. Le soudage par friction malaxage est opéré le long de l'interface 13. Après soudage, le longeron 10 subit un revenu, dit revenu post soudage, de façon à améliorer certaines propriétés, en particulier la résistance à la corrosion et/ou la résistance mécanique. Le revenu peut présenter les paramètres suivants : montée à 155°C à 30°C par heure suivi d'un maintien de 18 heures à 155°C.
Les inventeurs ont constaté que le soudage induit une déformation du longeron 10. Ils ont également constaté, de façon plus inattendue, que le revenu post soudage induit également une déformation significative du longeron 10, se traduisant par l’apparition d’une courbure dans le plan principal PYZ. Lors du revenu post soudage, deux phénomènes de déformation se produisent conduisant à la déformation induite de la pièce assemblée:
une dilatation thermique qui est réversible, au sens où elle n’est plus observée lors du retour à la température ambiante, à l’issue du revenu ;
une déformation métallurgique due à des changements de nature métallurgique, tels que l’introduction et la relaxation de contrainte, la recristallisation ou la mise en solution ou la précipitation d’éléments d’alliages. Contrairement à la dilatation thermique, la déformation métallurgique perdure lors du retour à température ambiante. Une déformation métallurgique peut entraîner une expansion ou une rétractation, en fonction des phénomènes métallurgiques mis en oeuvre. Par exemple, la précipitation de phases durcissantes induit une déformation essentiellement attribuée au changement de volume lié au passage des éléments d’alliages de la solution solide vers les précipités durcissants. Si une telle déformation est peu perceptible lorsque la pièce à fabriquer est de faible longueur, par exemple de l’ordre du mètre, le changement dimensionnel correspond peut devenir significatif lorsque la longueur augmente, et dépasse par exemple 5 ou 10 mètres.
Après le traitement thermique, appliqué sur la pièce assemblée, la déformation induite de cette dernière est due notamment à la déformation métallurgique, telle que précédemment décrite, affectant chaque composant. Il faut également prendre en compte les contraintes liées au fait que les deux composants sont reliés l'un à l'autre. Du fait de l'assemblage, la déformation du premier composant est influencée par l'élasticité du deuxième composant, et réciproquement.
Des essais expérimentaux ont montré que lorsque le premier alliage Ml est un alliage de type 2050 et que le deuxième alliage M2 est un alliage de type 7140, la longueur d'interface étant égale à 16m, la déformation de la pièce, du fait du revenu, entraîne une courbure définissant une flèche F de 59 mm. La figure 1D schématise une pièce de test 20, se présentant, avant le revenu, selon une forme rectiligne telle que représentée sur la figure IA. Sur la figure 1E, on a représenté la pièce de test 20d après la déformation, dans le plan principal PYZ, due au revenu.
Comme illustré sur la figure 1E, la flèche F correspond à une distance maximale entre la pièce considérée, en l'occurrence la pièce de test 20d, et une droite D reliant les extrémités de cette dernière.
Ainsi, lorsqu'on effectue un soudage de deux composants s'étendant selon une longueur élevée, typiquement supérieure à 5 ou 10 mètres, et que l'on effectue un revenu sur la pièce 10a ainsi assemblée, on obtient une pièce dont la forme est sensiblement différente de la forme de la pièce assemblée 10a, avant le revenu.
Il n'existe pas, à l'heure actuelle, de code de calcul permettant de simuler une telle déformation. Cela provient du fait qu'il est difficile de simuler précisément une dilatation d'un composant due à la précipitation dans un alliage au cours d'un revenu. Les inventeurs ont cherché à modéliser la déformation engendrée par le revenu en établissant un modèle de déformation mod.
La modélisation proposée par les inventeurs consiste à attribuer un premier coefficient de dilatation thermique virtuel ai au premier alliage Ml, et un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel a2 du deuxième alliage M2. Dans l'exemple considéré, le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel a2 est considéré comme nul. De cette façon, on attribue la déformation induite de la pièce assemblée 10a, sous l'effet du revenu, à la différence de déformation métallurgique entre le composant 11 d'alliage Ml et le composant 12 d'alliage M2 et aux déformations élastiques causées par le fait que les composants ne sont pas libres de se dilater librement car ils sont assemblés.
Selon le modèle mod proposé par les inventeurs, le revenu est assimilé à une simple évolution de température G(ί) en fonction du temps t. Il peut s'agir notamment d'une évolution continue de la température, par exemple linéaire. L'évolution de température T(t ) est définie de façon virtuelle, à des fins de modélisation, et ne correspond pas à la variation réelle de la température au cours du revenu. On la désigne par le terme "évolution de température virtuelle". Le modèle mod vise à simuler la déformation de la pièce assemblée 10a en prenant en compte un modèle de dilatation simple et uniquement basé sur une dilatation thermique isotrope d'un alliage formant un des composants de la pièce.
Le modèle mod proposé par les inventeurs prend en compte des propriétés mécaniques des alliages Ml et M2, par exemple les modules d'Young ainsi que les coefficients de Poisson. La modélisation peut être réalisée par un logiciel de calcul par éléments finis, par exemple le logiciel de simulation MARC commercialisé par l'éditeur MSC. Cela permet d'estimer une déformation thermomécanique de chaque composant sous l'effet de l'évolution de température virtuelle
7X0·
Un objectif du modèle mod est de prévoir, simplement, la déformation subie par la pièce assemblée 10a au cours du revenu. A partir de la forme de la pièce assemblée 10a, on modélise la déformation induite par le revenu, de façon à obtenir une modélisation de la pièce déformée 10d. L'objectif de la modélisation est de pouvoir définir une forme de la pièce assemblée 10a, avant le revenu, de telle sorte qu'après le revenu, la pièce s'étende selon une forme de référence lOref. La forme de référence correspond à la forme que l'on souhaite donner à la pièce 10 après le revenu.
Un aspect important est le paramétrage du modèle mod, et en particulier la détermination des coefficients de dilatation thermique virtuels oti et ot2 des alliages d'aluminium Ml et M2, ainsi que la définition de l'évolution de température virtuelle T(t). Ces paramètres sont déterminés de façon expérimentale, en se basant sur des essais réalisés sur une pièce de test 20 ou sur une mesure de la dilatation observée pour chacun des alliages entre deux mesures à la même température. Lorsqu'on utilise une pièce de test 20, cette dernière est de préférence de dimension et/ou de composition identique à la pièce assemblée 10a. Il n'est pas indispensable que la pièce de test 20 soit rigoureusement identique à la pièce assemblée 10a. Toutefois, la composition de la pièce de test 20 doit être suffisamment représentative de celle de la pièce assemblée 10a, de façon à pouvoir permettre une modélisation suffisamment précise de la déformation résultant du revenu. L'essai pratiqué sur la pièce de test 20 permet d'obtenir une déformation 20d déterminée expérimentalement, comme schématisé sur les figures 1D et 1E. A partir de la déformation observée, il est possible de définir les paramètres du modèle mod, en l'occurrence ai, ai et T(t).
Certains paramètres du modèle mod peuvent être fixés a priori, en fonction de la connaissance dont on dispose sur le comportement des alliages métalliques. Par exemple, lorsque le premier alliage Ml est de type 2050 et le deuxième alliage M2 est de type 7140, on a constaté qu'on pouvait a priori considérer que ai = 0.
Une particularité de l'invention est que l'évolution de température virtuelle T(t) prise en compte par le modèle ne correspond pas forcément à la variation de température régissant le revenu. L'évolution de température virtuelle T(t) est définie de façon arbitraire, sur la base de la déformation observée expérimentalement, de façon à permettre une modélisation correcte de la déformation. Dans les exemples qui suivent, l'évolution de température T(t ) virtuelle est une fonction linéaire croissante. Le fait de se baser sur une évolution de température virtuelle, c'est-à-dire sans corrélation avec le revenu pratiqué sur la pièce, permet d'obtenir une modélisation simple, basée uniquement sur un modèle de dilatation thermique, permettant d'obtenir une simulation réaliste de la déformation thermomécanique de la pièce assemblée.
En ce qui concerne les coefficients de dilatation thermiques virtuels ai, a respectivement affectés au premier alliage Ml et au deuxième alliage M2, ils sont déterminés de façon permettre une estimation correcte de la déformation expérimentale, compte-tenu de l'évolution de température virtuelle T(t) prise en compte dans le modèle.
Selon un exemple de réalisation, on définit a priori une évolution de température virtuelle T(t), puis on affecte respectivement au premier et au deuxième alliages des coefficients de dilatation thermique virtuels ai, a permettant de modéliser correctement la déformation expérimentale observée sur la pièce de test 20.
Lorsque les paramètres du modèle mod sont fixés, il est possible de modéliser la déformation de façon à définir une forme de la pièce assemblée 10a permettant l'obtention, suite au revenu, de la forme de référence 10ref. Selon un premier exemple, une pièce de test 20, similaire à la pièce représentée sur les figures IA à IC subi un revenu. Une déformation expérimentale 20d de la pièce est observée, sur la base de laquelle on détermine les paramètres du modèle mod.
Selon un autre exemple, les paramètres du modèle mod peuvent être déterminés sur la base de mesures par dilatométrie effectuées sur des éprouvettes. Dans ce cas, on détermine le premier coefficient de dilatation thermique virtuel et le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel en fonction d'une différence entre les dilatations mesurées. Chaque éprouvette est représentative soit du premier alliage, soit du deuxième alliage. Sur la base de telles mesures, on a affecté le deuxième alliage, en l'occurrence l'alliage 7140, d'un coefficient de dilatation thermique virtuel ot2 nul. On a défini une évolution linéaire et croissante de température virtuelle T(t ) telle que représentée sur la figure 2A. Cette évolution traduit une augmentation progressive de 1°C durant la durée du revenu. Sur la figure 2A, l'axe des abscisses représente le temps t, la coordonnée t = 1 correspondant à la fin du revenu. L'axe des ordonnées représente la variation de température, en degrés Celsius, à partir d'une température initiale. Le coefficient de dilatation thermique virtuel oti du premier alliage (Alliage 2050) a été déterminé expérimentalement par dilatométrie. Dans cet exemple, ai = 0.05 %/°C.
On remarque que l'évolution de température virtuelle T(t) prise en compte dans le modèle s'étend entre une température minimale Tmm et une température maximale Tmax. L'écart de température Tmax-Tmin est de 1°C. Il est donc différent de la variation de température DT induite au cours du revenu. L'évolution de température virtuelle T(t ) prise en compte dans le modèle n'a pas pour finalité de représenter les variations réelles de température durant le revenu. Elle permet seulement de modéliser la déformation due au revenu, selon l'hypothèse que la déformation est uniquement due à un effet de dilatation thermique.
On appliqué le modèle mod ainsi élaboré à une pièce modélisée 10a, représentée en pointillés sur la figure 2B. On a obtenu une modélisation d'une pièce déformée 10d, schématisée en niveaux de gris sur la figure 2B. L'échelle des niveaux de gris correspond à la déformation mesurée selon l'axe latéral Z. Selon le modèle, on obtient une flèche de hauteur 56 mm, la valeur mesurée expérimentalement s'élevant à 59 mm. La cohérence entre les valeurs de flèche respectivement obtenues par le modèle et par l'expérience atteste de la qualité de la modélisation conférée par le modèle.
Ayant défini le modèle de déformation mod, il est ensuite possible d'obtenir une forme initiale 11,, 12, des premier et deuxième composants permettant, après assemblage, d'obtenir une pièce assemblée 10a, dont la forme, après revenu, correspond à la forme de référence 10ref déterminée a priori.
La figure 3A résume les principales étapes d'un procédé de fabrication d'une pièce selon l'invention:
Etape 100 : Détermination d'une forme de référence 10ref que l'on souhaite obtenir à l'issue de l'assemblage des deux composants 11 et 12 et du traitement thermique appliquée à la pièce assemblée 10a;
Etape 110 : Application d'un modèle de déformation mod, de façon à estimer par itération la déformation de la pièce 10a formée par l'assemblage du premier composant 11 et du deuxième composant 12 qui donnera la pièce 10ref après revenu. Le modèle de déformation mod est notamment un modèle de déformation numérique, tel que précédemment évoqué et décrit dans les exemples qui suivent. Il peut notamment être mis en oeuvre à l'aide d'un ordinateur.
Etape 120 : En fonction de la déformation estimée lors de l’étape 110, définition d’une première forme initiale 11, du premier composant 11 et d’une deuxième forme initiale 12, du deuxième composant 12.
Etape 130 : Obtention du premier composant 11 selon la première forme initiale 11, et obtention du deuxième composant 12 selon la deuxième forme initiale 12,.
Etape 140 : Assemblage du premier composant contre le deuxième composant, de façon à obtenir une pièce assemblée 10a. L’assemblage peut être obtenu par soudure, ou par collage ou bridage du premier composant 11 et du deuxième composant 12.
Etape 150 : Application du revenu à la pièce assemblée 10a, de telle sorte qu’à l’issue du revenu, la pièce fabriquée 10 se déforme pour obtenir la forme de référence 10ref.
L’étape 110 nécessite le recours à une modélisation de la pièce déformée lors du revenu. Une telle modélisation suppose l’établissement préalable du modèle de déformation mod, faisant l’objet d’une étape 90. L’étape 90 comporte deux sous-étapes :
Sous-étape 92 : réalisation de mesures par dilatométrie sur des éprouvettes, chaque éprouvette étant représentative du premier alliage ou du deuxième alliage. De façon alternative, la sous- étape 92 peut comporter une observation d’une déformation expérimentale d’une pièce de test, comme précédemment décrit. Sous-étape 94 : à partir des mesures résultant de la sous-étape 92, définition des paramètres d'un modèle de déformation thermomécanique. Comme précédemment décrit, les paramètres sont les coefficients de dilatation thermique virtuels oti et ot2 ainsi que l'évolution de température virtuelle T(t). Selon un mode de réalisation, décrit en lien avec la figure 3B, l'assemblage entraîne lui-même une déformation du premier composant 11 et/ou du deuxième composant 12, par exemple par dilatation. Le procédé peut alors prendre en compte la déformation lors de l'assemblage. Ceci est notamment le cas lorsque l'assemblage est un soudage. On peut alors modéliser la déformation lors de l'assemblage par un modèle de déformation modaux dit modèle de déformation auxiliaire.
Dans ce cas, l'étape 110 comporte également une estimation de la déformation du premier composant 11 et du deuxième composant 12 lors de l'assemblage. Lors de l'étape 120, on définit alors :
à partir de la forme de référence 10ref, une forme, dite forme intermédiaire, 10mt, de la pièce assemblée 10a, en prenant en compte la déformation due au revenu, par le modèle de déformation mod ;
à partir de la forme intermédiaire 10mt, la forme initiale 11, du premier composant et la forme initiale 12, du deuxième composant, en prenant en compte le modèle de déformation auxiliaire modaux, relatif au soudage, à partir de la forme intermédiaire
10int ;
Dans ce cas, l'étape 110 nécessite le recours à une modélisation de la pièce déformée lors du soudage. Une telle modélisation suppose l'établissement préalable du modèle de déformation auxiliaire modaux, faisant l'objet de l'étape 80. L'établissement du modèle de déformation auxiliaire comporte deux sous-étapes : Sous-étape 82 : application du soudage à une pièce de test, représentative de la pièce à fabriquer 10, et obtention d'une déformation expérimentale.
Sous-étape 84 : à partir de la déformation expérimentale, définition des paramètres du modèle de déformation auxiliaire. Comme décrit par la suite, les paramètres sont les des coefficients de dilatation thermique virtuels auxiliaires a'i et a ainsi qu'une évolution de température virtuelle auxiliaire T'(t). L'établissement d'un modèle de déformation auxiliaire modaux, est décrit par la suite, en lien avec la figure 4.
Le modèle de déformation auxiliaire modaux est similaire au modèle de déformation correspondant au revenu : il prend en compte :
une évolution virtuelle de température, dite évolution de température virtuelle auxiliaire T'(t);
un premier coefficient de dilatation thermique virtuel a'i auxiliaire attribué au premier composant 11 ;
un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel a'2 auxiliaire attribué au deuxième composant 12.
Les paramètres du modèle auxiliaire modaux, c'est-à-dire les coefficients de dilatation thermique virtuels auxiliaires a'i et a'2 et l'évolution de température virtuelle auxiliaire T'(i), sont ajustés en fonction d'un essai expérimental représentatif d'une opération de soudage. Comme indiqué en lien avec l'étape 80, l'essai expérimental est réalisé en utilisant une pièce de test. Au cours du soudage, les composants formant la pièce de test se déforment et leur déformation est caractérisée. On détermine ensuite les paramètres du modèle de déformation auxiliaire modaux permettant une modélisation correcte de la déformation expérimentale obtenue.
On a défini expérimentalement un tel modèle de déformation auxiliaire modaux. On a affecté le premier alliage, en l'occurrence l'alliage 2050 d'un coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire a'i nul. On a défini une évolution linéaire et croissante de température T'(t) similaire à celle représentée sur la figure 2A, la coordonnée 1 de l'axe des abscisses correspondant à la fin du soudage. L'axe des ordonnées représente la variation de température, en degrés Celsius, à partir d'une température initiale. Le coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire a'2 du deuxième alliage (Alliage 7140) a été déterminé de façon que la modélisation de la déformation de la pièce de test corresponde bien à la déformation expérimentale observée. Dans cet exemple, a'2 = 0.12 %/°C. On remarque que le coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire respectivement attribué à chaque alliage, lors de l'établissement du modèle de déformation auxiliaire modaux, est différent du coefficient de dilatation thermique virtuel respectivement affecté à chaque alliage lors de l'établissement du modèle de déformation mod.
Sur les figures 4A et 4B, on a représenté un exemple d'application d'un modèle de déformation auxiliaire modaux à un premier composant 11 et à un deuxième composant 12. Avant l'application du modèle de déformation auxiliaire, chaque composant s'étend selon une forme de référence initiale 11,, 12, (cf. figure 4A). Après le soudage, on obtient une pièce déformée 10d (cf. figure 4B). Selon le modèle de déformation auxiliaire préalablement décrit, on obtient une flèche de hauteur 13 mm, la valeur mesurée expérimentalement s'élevant à 12 mm. Cela montre que le modèle de déformation auxiliaire parvient à simuler correctement la déformation subie par la pièce au cours du soudage.
L'exemple décrit en lien avec les figures 5, 6A et 6B décrivent l'application successive du modèle de déformation mod, représentatif du revenu, et du modèle de déformation auxiliaire modaux, représentatif du soudage, en l'occurrence un soudage par friction malaxage. Sur ces figures, on a établi, à partir d'une pièce initiale 10,,
tout d'abord le modèle de déformation auxiliaire modaux, correspondant au soudage. Selon ce modèle, le premier alliage et le deuxième alliage sont respectivement affectés de coefficients de dilatation thermique virtuels auxiliaires a'i = 0 %/°C, a = 0.12 %/°C, l'évolution de température virtuelle auxiliaire T'(i) étant telle que décrite sur la figure 2A, l'abscisse t = 1 désignant l'instant auquel s'achève le soudage
puis le modèle de déformation mod, correspondant au revenu, décrit en lien avec les figures 3A et 3B. Selon ce modèle, le premier alliage et le deuxième alliage sont respectivement affectés de coefficients de dilatation thermique virtuels oti = 0.05 %/°C, ai = 0.0 %/°C, l'évolution de température virtuelle T(t ) étant telle que décrite sur la figure 2A, l'abscisse t = 1 désignant l'instant auquel s'achève le revenu.
La figure 5 représente un exemple d'application successive des deux modèles de déformation à une pièce 10, telle que précédemment décrite. La forme représentée en niveaux de gris correspond à une modélisation de la déformation 10d suite à l'application successive des deux modèles de déformation mod et modaux. L'échelle des niveaux de gris correspond à la déformation mesurée selon l'axe latéral Z. Selon le modèle, on obtient une flèche de hauteur 42 mm, la valeur mesurée expérimentalement s'élevant à 47 mm. La combinaison des deux modèles est donc considérée comme représentant fidèlement les déformations successivement subies par la pièce respectivement au cours du soudage et du revenu.
Connaissant la forme de référence 10ref, il est possible d'appliquer le modèle de déformation mod, de façon à obtenir une forme intermédiaire lOmter. Cette dernière correspond à la forme de la pièce assemblée qui, après revenu, permet d'obtenir la forme de référence 10ref. Connaissant la forme intermédiaire lOmter, on applique alors le modèle de déformation auxiliaire de façon à définir une forme initiale 10mit.
Les figures 6A et 6B représentent un exemple d'applications successives des deux modèles de déformation. Avant l'application du modèle, la pièce 10 s'étend selon une forme initiale 10, de telle sorte qu'après le soudage et le revenu, la pièce 10 se présente selon la forme de référence lOref.
Sur la figure 6A, la forme représentée en niveaux de gris correspond à la forme intermédiaire lOmt suite à l'application du modèle de déformation auxiliaire modaux. La figure 6B représente la forme résultant de l'application du modèle de déformation mod, représentant la déformation du revenu, à partir de la forme intermédiaire 10mt représentée sur la figure 6A. L'échelle des niveaux de gris correspond à la déformation mesurée selon l'axe Z. La déformation engendrée par le revenu permet d'obtenir une pièce 10 qui, après le traitement thermique, s'étend selon la forme de référence 10ref.
Les figures 7A, 7B et 7C illustrent un exemple d'application de l'invention lorsque l'assemblage du premier composant 11 au deuxième composant 12 n'entraîne pas de déformation. Il s'agit typiquement d'un assemblage par collage. La figure 7A représente la forme de référence 10ref à obtenir. La figure 7B est obtenue par application du modèle de déformation mod à la forme de référence 10ref, pour définir une forme de la pièce assemblée 10a. La pièce assemblée est obtenue par collage du premier composant 11 et du deuxième composant 12, dont les formes initiales 11, et 12, sont illustrées sur la figure 7C.
Les figures 8A, et 8B illustrent un exemple d'application de l'invention lorsque l'assemblage du premier composant 11 au deuxième composant 12 s'accompagne d'une déformation. Il s'agit typiquement d'un soudage. La figure 8A représente la forme de référence 10ref à obtenir. L'application du modèle de déformation auxiliaire modaux à la forme de référence 10ref, permet de définir une forme de la pièce assemblée 10a, dite forme intermédiaire. A partir de la forme intermédiaire de la pièce assemblée, l'application du modèle de déformation auxiliaire permet d'obtenir une forme initiale 11, du premier composant et une forme initiale 12, du deuxième composant. Les formes initiales 11, et 12, sont illustrées sur la figure 8B.
L'invention pourra être mise en oeuvre dans la fabrication de pièces destinées à former des éléments de structure, s'étendant en particulier selon des longueurs importantes, typiquement supérieures à 5 mètres voire à 10 mètres.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une pièce bimétallique (10), à l'aide d'un premier composant (11) formé d'un premier alliage d'aluminium (Ml) et d'un deuxième composant (12) formé d'un deuxième alliage d'aluminium (M2), les premier et deuxième alliages d'aluminium étant différents l'un de l'autre, le premier composant et le deuxième composant s'étendant:
selon un axe longitudinal, selon une longueur supérieure à 5 mètres ;
et, selon un axe latéral perpendiculaire à l'axe longitudinal, selon une largeur inférieure au dixième de la longueur ;
le procédé comportant les étapes suivantes :
assemblage du premier composant (11) contre le deuxième composant (12) le long de l'axe longitudinal, de manière à obtenir une pièce assemblée (10a);
application d'un traitement thermique à la pièce assemblée (10a), selon une température comprise entre 100°C et 250°C, le traitement thermique induisant une déformation de la pièce assemblée, dite déformation induite, sous l'effet d'un changement de nature métallurgique dans le premier alliage d’aluminium et/ou dans le deuxième alliage d’aluminium ;
refroidissement à température ambiante, après lequel ladite déformation induite subsiste ;
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte, préalablement à l’assemblage,
a) une détermination d’une forme de référence (10ref), correspondant à une forme que l’on veut obtenir à la fin de la fabrication ;
b) une estimation d’une déformation induite de la pièce assemblée (10a) par le traitement thermique ;
c) une définition d’une forme initiale du premier composant (11,) et d’une forme initiale d’un deuxième composant (12,), en prenant en compte la forme de référence déterminée lors de l’étape a) et la déformation induite estimée lors de l’étape b) de telle sorte qu’à l’issue du traitement thermique, la pièce (10) s'étend selon la forme de référence (10ref);
d) une obtention du premier composant (11) et du deuxième composant (12) selon leurs formes initiales (11,, 12,) respectives définies lors de l'étape c).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le traitement thermique est un revenu, le changement de nature métallurgique étant une recristallisation ou une mise en solution ou une précipitation d'éléments d'alliage.
3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'assemblage est réalisé par soudage.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lors de l'étape b), l'estimation de la déformation induite de la pièce assemblée (10a) est effectuée par modélisation numérique.
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel l'étape b) comporte les sous-étapes suivantes : bi) affectation d'un premier coefficient de dilatation thermique virtuel (ai) au premier alliage (Ml) et d'un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel (a2) au deuxième alliage (M2) et définition d'une évolution temporelle de température virtuelle sw);
bii) prise en compte des premier et deuxième coefficients de dilatation thermique virtuels et de l'évolution temporelle de température virtuelle (T(t)), et modélisation de la déformation de la pièce assemblée (10) lors du traitement thermique.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'évolution de température virtuelle (T(t)) définie lors de la sous-étape bi) est différente d'une variation de température à laquelle est soumise la pièce assemblée lors du traitement thermique.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'évolution de température virtuelle (T(t)) définie lors de la sous-étape bi) s'étend entre une température minimale et une température maximale, l'amplitude entre la température minimale et la température maximale étant différente de la variation de température à laquelle est soumise la pièce assemblée lors du traitement thermique.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel lors de la sous-étape bi), le premier coefficient de dilatation thermique virtuel (ai), le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel (a2), ainsi que l'évolution de température virtuelle (T(t)) sont définis expérimentalement, par :
une application du traitement thermique à une pièce de test (20), représentative de la pièce assemblée (10a), pour obtenir une pièce de test déformée (20d) ; une modélisation numérique de la pièce de test, pour obtenir une déformation modélisée, la modélisation prenant en compte le premier coefficient de dilatation thermique virtuel, le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, ainsi que l'évolution de température virtuelle ;
un ajustement du premier coefficient de dilatation thermique virtuel, du deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel, et de l'évolution de température virtuelle, de telle sorte que la déformation modélisée corresponde à la déformation de la pièce de test.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel lors de la sous-étape bi), le premier coefficient de dilatation thermique virtuel (ai), le deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel (a2), ainsi que l'évolution de température virtuelle (T(t)) sont définis expérimentalement à partir d'une mesure, par dilatométrie, sur des éprouvettes, chaque éprouvette étant respectivement représentative du premier composant et du deuxième composant.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 4 à 9, dans lequel lors de l'étape b), la modélisation prend en compte les modules d'Young respectifs du premier alliage (Ml) et du deuxième alliage (M2).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, dans lequel le premier alliage (Ml) est un alliage d'aluminium de type 2XXX et le deuxième alliage (M2) est un alliage d'aluminium de type 7XXX.
12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le traitement thermique est un revenu, et dans lequel le premier coefficient de dilatation thermique virtuel (ai) est strictement supérieur au deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel (a2).
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'assemblage est effectué par soudage, le traitement thermique étant un revenu.
14. Procédé selon la revendication 13, comportant également une étape b') d'estimation d'une dilatation du premier composant (11) et/ou du deuxième composant (12) au cours du soudage, pour définir une forme intermédiaire (ÎC ) de la pièce assemblée (10a), entre le soudage et le revenu, de telle sorte que lors de l'étape c), la forme initiale du premier composant (11,) et du deuxième composant (12,) sont définies en prenant en compte la forme de référence (10ref) et la forme intermédiaire (ÎC ) de la pièce assemblée (10a).
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel l'étape b') est réalisée par modélisation numérique.
16. Procédé selon la revendication 15 dans lequel l'étape b') comporte les sous-étapes suivantes: b'i) affectation d'un premier coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire (a'i) au premier alliage (Ml) et d'un deuxième coefficient de dilatation thermique virtuel auxiliaire (a'2) au deuxième alliage (M2) et définition d'une évolution de température virtuelle auxiliaire (G'(ί));
b’ii) prise en compte des premier et deuxième coefficients de dilatation thermique virtuels auxiliaires et de l’évolution temporelle de température virtuelle auxiliaire (G'(ί)), et modélisation de la déformation de la pièce au cours du soudage.
17. Pièce réalisée selon le procédé objet de l’une quelconque des revendications 1 à 16, s'étendant sur une longueur supérieure à 5 mètres et de préférence supérieure à 10 mètres.
18. Utilisation d'une pièce selon la revendication 17 pour la fabrication d’un composant d’un véhicule de transport.
19. Utilisation selon la revendication 18 dans laquelle le composant d’un véhicule de transport est un composant d'aéronef de préférence un longeron d’une aile d’avion ou un empennage.
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