EP4698758A1 - Procédé de fabrication d'un disque aubagé pour turbomachine avec des aubes soudées par friction orbitale - Google Patents

Procédé de fabrication d'un disque aubagé pour turbomachine avec des aubes soudées par friction orbitale

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EP4698758A1
EP4698758A1 EP24720196.5A EP24720196A EP4698758A1 EP 4698758 A1 EP4698758 A1 EP 4698758A1 EP 24720196 A EP24720196 A EP 24720196A EP 4698758 A1 EP4698758 A1 EP 4698758A1
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EP
European Patent Office
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max
weld
junction
disk
section
Prior art date
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Pending
Application number
EP24720196.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Anthony LEMMENS
Loïc Bernard
Alain Derclaye
Sébastien José François Ghislain VACCA
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Safran Aero Boosters SA
Original Assignee
Safran Aero Boosters SA
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F01D5/3061—Fixing blades to rotors; Blade roots ; Blade spacers by welding, brazing
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Abstract

L'invention a trait à un disque aubagé (2) pour turbomachine, comprenant une pluralité d'aubes (4) jointes par soudure par friction orbitale à des moignons (6) sur le disque, à une hauteur radiale de jonction h entre les aubes et les moignons, remarquable en ce que la hauteur radiale de jonction h, mesurée à partir d'une surface inter- aubes (8) du disque, est supérieure ou égale à une hauteur radiale hsc d'un seuil critique (SC), majorée d'une moitié d'une épaisseur maximale de la soudure emax. L'invention concerne un procédé de fabrication d'un disque aubagé dans lequel l'emax est déterminée par un paramètre géométrique z de la section des aubes et des moignons au niveau de la jonction, où z est une moyenne des rayons moyens zi balayant ladite section en tout point i de la périphérie de ladite section.

Description

    PROCÉDÉ DE FABRICATION D’UN DISQUE AUBAGÉ POUR TURBOMACHINE AVEC DES AUBES SOUDÉES PAR FRICTION ORBITALE
  • L’invention a trait à un procédé de fabrication d’un disque aubagé pour turbomachine, et plus particulièrement à un procédé de fabrication d’un disque aubagé par soudage par friction orbitale d’aubes à un disque rotorique de turbomachine. L’invention a également trait à un disque aubagé de turbomachine obtenu au moyen du procédé.
    •  Art antérieur
  • Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s’applique à la fois aux nouveaux types d’avions mais aussi à ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L’aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
  • Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d’améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l’intégration et l’utilisation dans l’aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d’amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
  • Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l’emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
  • Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion, et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
  • A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions.
  • Dans ce contexte, l’invention vise un procédé de soudage par friction orbitale pour la réalisation d’un disque aubagé (communément désigné par : « blisk ») ou un tambour aubagé (communément désigné par « blum ») de compresseur de turbomachine.
  • Le soudage par friction orbitale est un procédé de soudage dans lequel les pièces à assembler sont mises en contact sous effort et soudées par une mise en mouvement circulaire généralement définit par un excentrique, et accompagné d’une vitesse tangentielle uniforme, de manière à générer un frottement et un échauffement homogène au niveau d’une jonction de soudure entre les deux pièces.
  • Il est par ailleurs connu d’avoir recours au soudage par friction linéaire, il s’agit d’un procédé de soudage dans lequel la chaleur nécessaire est créée par un mouvement de va-et-vient des interfaces à souder. Cependant, le soudage par friction orbital présente plusieurs avantages par rapport à la friction linéaire, par exemple, le mouvement relatif entre les deux interfaces est continu grâce au mouvement de friction circulaire, ce qui apporte une meilleure homogénéité thermique. Contrairement au mouvement linéaire pour lequel la vitesse relative des deux pièces devient nulle à chaque demi-période d’oscillation. De plus, le temps de cycle d’un soudage orbital est considérablement inférieur à celui du soudage par friction linéaire (respectivement environ 2 minutes comparé à environ 5 minutes).
  • Le document de brevet publié EP 1 495 829 A1 divulgue un procédé de fabrication d’aubes et disques combinés profilés, dans lequel chacune des aubes présente un moignon à souder au disque par friction linéaire. Le document propose une conception du moignon comprenant un rapport de la partie la plus large sur la partie la plus étroite dudit moignon qui soit inférieure à 2 pour minimiser sa cambrure.
  • Cependant, la conception du moignon proposé par le document présente une marge d’amélioration, car elle ne peut pas être appliquée au soudage orbital. En effet, un tel moignon ne permet pas d’obtenir une jonction soudée par un soudage orbital qui soit saine et excepte de contaminants.
  • Le document de brevet publié EP 2 535 516 A1 divulgue un procédé de soudage par friction orbitale d’aubes à un rotor de turbomachine dans lequel, une fois une consommation matière est atteinte dans une zone de soudage entre l’aube et le disque, le mouvement orbital est stoppé à une position de référence, et un effort de forgeage est exercé sur l’aube contre le rotor afin de former la soudure.
  • Toutefois, le procédé de soudage de type orbital divulgué par le document présente une marge d’amélioration. En effet, celui-ci peut nécessiter une meilleure maîtrise de la position de la zone de soudage de l’aube par rapport au disque rotorique, de manière à éviter des défauts structurels tout en garantissant la santé matière au niveau de ladite zone de soudage.
    •
  • L’invention a pour objectif de résoudre au moins un des problèmes posés par l’art antérieur. Plus précisément, l’invention a pour objectif de proposer une solution permettant de déterminer avec précision la hauteur radiale d’une jonction soudée par friction orbitale d’une aube à un moignon de disque rotorique.
    •
  • L'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l’impact environnemental des avions. Pour cela, la présente invention a pour objet un procédé de fabrication d’un disque aubagé comprenant des aubes jointes par soudure à friction orbitale à des moignons sur le disque et s’étendant radialement extérieurement, ledit procédé comprenant une étape de détermination de hauteur radiale de jonction h entre les aubes et les moignons, remarquable en ce que la hauteur radiale de jonction h est déterminée en fonction d’une épaisseur maximale de la soudure e max , ladite hauteur radiale de jonction h étant d’autant plus grande que l’épaisseur maximale de la soudure e max est grande, ladite épaisseur maximale de la soudure e max étant déterminée par un paramètre géométrique z de la section des aubes et des moignons au niveau de la jonction, où z est une moyenne des rayons moyens z i balayant ladite section en tout point i de la périphérie de ladite section, l’épaisseur maximale de la soudure e max déterminée étant d’autant plus petit que le paramètre géométrique z est petit.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, l’épaisseur maximale de la soudure e max est déterminée également par au moins un des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants : excentricité ; fréquence ; et pression de forgeage.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, l’épaisseur maximale de la soudure e max est déterminée également par au moins un des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants : excentricité ; fréquence ; et pression de forgeage.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, la vitesse de consommation de matière est mesurée lors d’une soudure à friction orbitale de paramétrage réalisée avec les mêmes paramètres que la soudure à friction orbitale des aubes.
  • Préférentiellement, la mesure de la vitesse de consommation de matière est mesurée au moyen d’une acquisition de données sur une machine réalisant la soudure à friction orbitale.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, la vitesse de consommation de matière est déterminée sur base des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants : excentricité ; fréquence ; et pression de forgeage.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, la hauteur radiale de jonction h, mesurée à partir d’une surface inter-aubes du disque, est supérieure ou égale à une hauteur radiale h SC d’un seuil critique, majorée de la moitié d’un intervalle de tolérance IT déterminé en fonction de l’épaisseur maximale de la soudure e max .
  • Avantageusement, le seuil critique correspond à une limite de non-propagation vers le disque d’une fissure initiée dans l’aube. La hauteur radiale h SC du seuil critique est déterminée soit au moyen de calculs de propagation de fissures, soit en considérant que ladite hauteur radiale h SC est supérieure ou égale à deux fois un rayon de congé de raccordement des moignons avec ladite surface inter-aubes.
  • L’intervalle de tolérance IT déterminé correspond à une zone dans laquelle la jonction est incluse, il s’agit d’une zone autorisant la présence de la jonction, notamment dans le cas où l’aube et le disque comprennent chacun un alliage différent à partir d’un matériau de base.
  • Selon un mode avantageux de l’invention, l’intervalle de tolérance IT est supérieur ou égal à l’épaisseur maximale de la soudure e max .
  • Selon un mode avantageux de l’invention, l’intervalle de tolérance IT est déterminé en fonction d’une tolérance d’oblicité de la jonction par rapport à la surface inter-aubes du disque.
  • L’invention a également trait à un disque aubagé pour turbomachine, comprenant une pluralité d’aubes jointes par soudure par friction orbitale à des moignons sur le disque, à une hauteur radiale de jonction h entre les aubes et les moignons, remarquable en ce que la hauteur radiale de jonction h, mesurée à partir d’une surface inter-aubes du disque, est supérieure ou égale à une hauteur radiale h SC d’un seuil critique, majorée d’une moitié d’une épaisseur maximale de la soudure e max .
  • Selon un mode avantageux de l’invention, le disque aubagé correspond à une roue mobile destinée à être disposée en amont d’un bec de séparation de flux dans une turbomachine axiale.
  • Avantageusement, le disque aubagé est fabriqué selon le procédé de fabrication d’un disque aubagé selon l’invention.
  • Les mesures de l’invention sont particulièrement avantageuses en ce que la hauteur radiale du plan de soudure déterminée par le procédé dès la conception du disque aubagé permet de dimensionner l’aube et le moignon de manière à assurer une position radiale optimale de la jonction soudée. Ainsi, des contraintes d’efforts exercés sur la jonction peuvent être anticipées préalablement à la fabrication du disque aubagé, de manière à améliorer la qualité structurelle et dimensionnelle de la jonction et du disque fabriqué.
  • Le procédé de fabrication du disque aubagé de la présente invention permet d’assurer un gain de temps et de coûts considérables, car ledit procédé permet d’éviter les techniques de l’art antérieurs dans lesquelles il est nécessaire d’attendre les premiers essais de soudure pour réaliser des découpes sur des éprouvettes visant à valider de manière approximative la position radiale de la jonction soudée. En effet, le procédé selon l’invention correspond à une méthode prédictive permettant d’optimiser la hauteur de la jonction pendant la phase de conception de l’aube, et permet donc intégrer cette contrainte directement dans l’optimisation de la forme de l’aube.
  • Il est entendu que chaque détail d’un mode de réalisation ci-dessous peut être combiné à chaque autre détail des autres modes de réalisation.
    •
  • La représente une vue en perspective d’un disque aubagé selon l’invention ;
  • La illustre schématiquement une vue latérale d’une aube du disque aubagé de la qui est jointe par soudure à friction orbitale à un moignon s’étendant radialement extérieurement depuis une surface inter-aubes dudit disque ;
  • La illustre une vue latérale de l’aube de la avec une jonction désalignée présentant une oblicité avec une jonction de soudure nominale ;
  • La illustre de manière schématique une section de l’aube et/ou du moignon au niveau de la jonction de soudure visible à la  ;
  • La illustre la section de jonction de la lors d’une détermination d’un rayon moyen z A balayant ladite section à partir d’un point A de la périphérie de ladite section ;
  • La illustre la section de jonction de la lors d’une détermination d’un rayon moyen z B balayant ladite section à partir d’un point B de la périphérie de ladite section ;
  • La représente de manière schématique une vue en perspective, lors de la soudure à friction orbitale, de l’aube au moignon du disque, au moyen de la section de jonction illustrée aux figures 4 à 6 ;
  • La illustre une cartographie de l’amplitude des rayons moyens z i balayant la section de jonction en tout point i de sa périphérie ;
  • La illustre la section de jonction de la montrant trois repères de prise de mesures de l’épaisseur maximale de la jonction soudée, avec deux de ces sections de jonction identiques ;
  • La est un premier graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée comparée à des points de mesures réelles de ladite épaisseur, suivant une largeur locale de la section de jonction de la , et à un premier repère positionné à 1/4 d’une étendue totale de ladite section ;
  • La est un deuxième graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée comparée à des points de mesures réelles, suivant une largeur locale de la section de jonction de la , et à un deuxième repère positionné à une moitié de l’étendue totale de ladite section ;
  • La est un troisième graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée comparée à des points de mesures réelles, suivant une largeur locale de la section de jonction de la , et à un troisième repère positionné à 3/4 de l’étendue totale de ladite section.
    • Description détaillée des modes de réalisation
  • Dans la description qui va suivre, les termes « interne » et « externe » renvoient à un positionnement par rapport à l’axe de rotation d’une turbomachine axiale et/ou à un axe central d’un disque rotorique aubagé. La direction axiale correspond à la direction le long de l’axe de rotation de la turbomachine, les longueurs étant mesurées axialement. Les largeurs sont mesurées selon la circonférence. La direction radiale est perpendiculaire à l’axe de rotation. L’amont et l’aval sont en référence au sens d’écoulement principal du flux dans la turbomachine.
  • Les dimensions des figures ne sont pas à l’échelle et en particulier les épaisseurs ou les dimensions radiales sont exagérées pour faciliter la lecture des figures.
  • La représente une vue en perspective d’un disque aubagé 2 selon l’invention.
  • Le disque aubagé 2 comprend une pluralité d’aubes 4 jointes par soudure à friction orbitale à des moignons 6 s’étendant radialement extérieurement depuis une surface inter-aubes 8 dudit disque 2. La soudure est expliquée plus loin dans la présente description.
  • Avantageusement, la soudure forme une jonction 10 (représentée en pointillés) entre chaque aube 4 et le moignon 6 correspondant, ladite jonction 10 étant disposée à une hauteur radiale de jonction h mesurée depuis la surface inter-aubes 8 du disque aubagé 2.
  • Préférentiellement, le disque aubagé 2 est une roue mobile destinée à être disposée en amont d’un bec de séparation de flux d’air dans une turbomachine. A cet effet, la surface inter-aubes 8 correspond à une surface de guidage d’air d’une veine de fluide le long et au travers d’un rotor. Alternativement, le disque aubagé 2 peut correspondre à un rotor de type tambour appartenant à un compresseur haute-pression ou basse-pression.
  • De préférence, le disque 2 est un disque dit : « bi-matériaux » comprenant deux alliages de titane différents. Par exemple, les aubes 4 peuvent être fabriquées à partir d’un alliage Ta6v, et le disque à partir d’un des alliages suivants : Ti17, Ti575, Ti1023.
  • De manière avantageuse, le mélange des deux alliages de titane différents (Ta6v et Ti17) présente une usinabilité plus aisée, et permet d’atteindre un gain en masse par rapport à une solution basée, par exemple, uniquement sur un alliage en Ti17, cela est notamment dû à une densité du Ta6v qui est légèrement plus faible que celle du Ti17.
  • En effet, l’alliage Ti17 a été préférentiellement choisi pour la partie disque pour ces bonnes caractéristiques en fatigue HCF (acronyme anglais de : « High Cycle Fatigue ») et LFC (« Low Cycle Fatigue »). Un disque en Ti17 affichera également une plus grande marge en vitesse d’éclatement qu’un disque en Ta6v. Pour les aubes, l’alliage Ta6v a été choisi car permet de procurer aux aubes une élongation à rupture plus élevée (meilleure tenue aux impacts), et un meilleur comportement en propagation de fissures qui se traduit par une meilleure durabilité aux impacts basse énergie.
  • La jonction 10 correspond ainsi à la limite séparant les deux différents alliages de titane. A cet effet, plus la hauteur radiale h de la jonction 10 est faible et plus l’étendue radiale de l’aube 4 sera grande, ce qui permettra à l’aube 4 de résister davantage aux impacts avec des débris, étant donné que les caractéristiques de l’alliage de titane formant l’aube 4 sont choisies pour résister d’avantage aux impacts (basse et haute énergie) que celle de l’alliage formant le disque. Toutefois, la jonction 10 doit être disposée au-dessus d’un seuil critique délimitant une zone critique (cela sera expliqué plus loin dans cette description). A cet égard, l’invention cherche à positionner la jonction 10 de manière optimisée et au plus proche du seuil critique. Une autre alternative serait d’augmenter la hauteur radiale h de la jonction 10, mais cela implique une étendue radiale du moignon 6 qui sera élevée, cela signifie une raideur plus faible des moignons côté disque pendant la soudure. Or, la rigidité des moignons à souder est cruciale pour garantir une soudure robuste. Un moignon trop flexible va disperser une partie de l’énergie apportée par la machine dans la déformation de ce dernier au lieu de la garder en énergie de friction pure. L’excentrique réellement vu au niveau des moignons sera d’autant réduit que les moignons sont flexibles.
  • L’invention propose un moyen de détermination de la hauteur radiale optimale de la jonction 10 de manière à garantir la qualité structurelle et dimensionnelle de la soudure 10 et du disque aubagé 2.
  • A cet égard, la hauteur radiale de jonction h est déterminée lors du procédé de fabrication selon l’invention. Ce dernier comprend une étape de détermination de la hauteur radiale de jonction h en fonction d’une épaisseur maximale de la soudure e max . L’étape de détermination de la position de la jonction 10 est réalisée dès la conception du disque aubagé 2, préalablement à sa fabrication, et sera expliquée plus loin dans cette description.
  • La illustre schématiquement une vue latérale d’une des aubes 4 du disque aubagé 2 de la .
  • Il peut être observé que la jonction 10 présente une forme en diabolo ou en papillon, avec une extrémité périphérique plus large (suivant la direction radiale) que sa partie centrale intérieure, cela est dû à une concentration de l’excédent de la matière déplacée lors du soudage orbital. A cet effet, l’épaisseur maximale e max se mesure à l’extrémité périphérique de la jonction 10.
  • On peut également voir que la jonction de soudure 10 comprend un plan de soudure 10.1 illustré dans une position centrale par rapport à l’épaisseur maximale e max de ladite jonction 10. Avantageusement, le plan de soudure 10.1 correspond à la position radiale optimale de jonction h. Ce dernier étant disposé radialement supérieurement au seuil critique SC déterminé.
  • En effet, le positionnement de la jonction de soudure 10 doit garantir l’absence d’une casse du disque aubagé 2 en cas de déviation d’une caractéristique matériau, i.e. propagation d’une fissure depuis l’aube 4 par exemple, dans ladite jonction 10.
  • A cet égard, le seuil critique SC correspond à une limite de non-propagation vers le disque 2 d’une fissure initiée dans l’aube 4, ledit seuil critique SC comprenant une hauteur radiale h SC depuis la surface externe 8.
  • Avantageusement, la hauteur radiale h SC du seuil critique SC permet de distinguer une première zone classée « N1 » dans laquelle une fissure initiée, par exemple en cas d’impact avec un débris, peut conduire à une propagation de la fissure dans le moyeu du rotor par la combinaison de contraintes statiques et vibratoires amenant à une croissance de la fissure dans le corps du rotor conduisant à l'éclatement, cela correspond à un « Effet Moteur Dangereux » définit selon la certification : « CS-E 510 » de l’EASA (Agence Européenne de la Sécurité Aérienne). Le seuil critique SC distingue, en outre, une deuxième zone « N2 » dans laquelle la déviation d’une des caractéristiques matériaux et/ou procédés non-contrôlables peut produire un « Effet Moteur Majeur ». A cet effet, le seuil critique SC est communément désigné par : seuil N1/N2.
  • Le retour d’expérience en flotte a historiquement démontré que la zone de l’aube 4 au-dessus d’une certaine hauteur dans l’aube (hauteur par rapport au congé de raccordement aube/disque) peut être considérée comme non-dangereuse ou non-critique. La rupture d’une pale est alors contenue et n’entraîne pas l’éclatement du rotor, répondant ainsi aux spécifications de certification « CS-E 515 ».
  • La hauteur radiale h SC du seuil critique peut être déterminée au moyen de calculs de propagation de fissures à partir de méthodologies de tolérance aux dommages appropriées (e.g. simulation de propagation de fissures en 3D), de tests ou à partir de l’expérience accumulée sur des Blisks similaires.
  • Préférentiellement, la hauteur radiale h SC du seuil critique est calculée sur base de la valeur du rayon de aube/disque. Plus préférentiellement, la hauteur radiale h SC est supérieure ou égale à deux fois un rayon de congé de raccordement entre l’aube et la veine.
  • Dans la configuration des aubes 4 du disque aubagé 2, la hauteur radiale h SC est de préférence égale à deux fois un rayon R de congé de raccordement 7 des moignons 6.
  • De manière avantageuse, le plan de soudure 10.1 étant disposé radialement au-dessus du seuil critique SC, la jonction de soudure 10 permet d’éviter le risque d’apparition de « l’Effet Moteur Dangereux » dans la turbomachine.
  • Afin de positionner de façon optimale le plan de soudure 10.1 dès la conception du disque aubagé 2, le procédé de fabrication selon l’invention comprend une étape d’estimation d’un intervalle de tolérance IT de la jonction 10 comprenant l’e max . Préférentiellement, le seuil critique SC déterminé correspond à la limite inférieure de l’intervalle de tolérance IT.
  • A cet effet, la hauteur radiale de jonction h est supérieure ou égale à deux fois le rayon R du congé de raccordement 7, majoré d’une moitié de l’épaisseur maximale e max et/ou majoré d’une moitié de l’intervalle de tolérance IT.
  • Dans cette configuration, la hauteur radiale de jonction h est comprise entre deux fois le rayon R et 4 R, et est plus précisément comprise entre 2,2 et 3 R.
  • L’intervalle de tolérance IT est préférentiellement en fonction de l’épaisseur maximale e max de la jonction 10. L’intervalle de tolérance IT peut également, ou alternativement, être déterminé en fonction d’au moins un des facteurs suivants :
    • la variabilité paramétrique lors de la soudure, qui implique une épaisseur totale de jonction plus ou moins épaisse par rapport à une jonction nominale (la variabilité paramétrique dépend des fréquences des oscillations, des pressions de soudage, etc.) ;
    • la précision de la position radiale de la jonction 10 (dépendant des tolérances des hauteurs côté aube et/ou moignon, et de la variabilité des mouvements des outillage réalisation la soudure ;
    • l’oblicité de la jonction 10 par rapport à la surface externe 8, qui correspond à une variabilité d’inclinaison (l’oblicité dépend de l’alignement de l’aube au moignon avant la soudure).
  • La illustre un exemple montrant l’oblicité ob présentée entre deux pics appartenant respectivement à une jonction désalignée 10’ et à la jonction 10 (correspondant ici à une jonction de soudure nominale exempte de défauts géométriques), l’apparition de l’oblicité à la jonction soudée correspond à une variabilité d’inclinaison qui peut dépendre d’au moins une des causes suivantes : l’effet du désalignement plan et hors plan des deux faces à souder ; le désalignement entre les deux moignons (la concentricité) ; la section à souder et le couple des matériaux soudés.
  • En référence aux figures 2 et 3, l’intervalle de tolérance IT est supérieur ou égal à l’épaisseur maximale de la soudure e max. . L’intervalle de tolérance IT peut s’étendre radialement d’environ 5% à 70% de plus que l’épaisseur maximale e max et s’étend préférentiellement d’environ 10 à 50%.
  • Préférentiellement, la jonction 10 est radialement distante du seuil critique SC par une distance d correspondant à une étendue radiale d’une zone affectée thermiquement (ZAT) du moignon 6.
  • La hauteur radiale de jonction h peut être définie à l’aide de l’équation suivante :
  • h = h SC + IT/2
  • Plus préférentiellement, l’intervalle de tolérance IT peut être estimé, avant la fabrication du disque aubagé 2, au moyen d’une estimation de l’épaisseur maximale e max . Avantageusement, l’e max est déterminée en fonction d’un paramètre géométrique z de la section des aubes 4 et des moignons 6 au niveau de la jonction 10. Ladite section correspond préférentiellement à une section plane. Le moignon 6 du disque et l’aube 4 correspondante, qui sont destinés à être soudés par friction orbitale, possèdent une section de jonction identique.
  • La détermination de l’e max en fonction du paramètre géométrique z sera expliquée suivant les figures 3 à 5.
  • De manière avantageuse, l’estimation de l’intervalle de tolérance IT préalablement à la fabrication permet de pallier aux méthodes de vérification de l’IT de l’art antérieur, par exemple, en évitant la réalisation d’une série de prélèvements par échantillonnage lors de la fabrication et la réalisation de découpes afin de vérifier par mesure la position de la jonction soudée. L’invention permet alors d’assurer une efficacité et des économies considérables lors de la fabrication du disque aubagé 2.
  • La illustre de manière schématique la section 11 de l’aube 4 et/ou du moignon 6 au niveau de la jonction de soudure 10 visible à la . Préférentiellement, la section 11 est identique pour l’aube 4 et pour le moignon 6 du disque 2.
  • La section 11 est modélisée à partir d’un profil aérodynamique 4.1 de l’aube 4, ce dernier comprend un élargissement de section au moyen d’une surépaisseur e correspondant, de préférence, au minimum à l’excentrique e du mouvement d’oscillation orbital lors de la soudure. L’excentrique e correspond à la valeur de décalage de l’outil (de maintien de l’aube) et le disque par rapport à un centre de référence, permettant de créer le mouvement d’oscillation orbital. En d'autres termes, l’excentrique correspond à la distance entre l’axe de rotation de l’outil et le point central autour duquel il effectue son mouvement orbital.
  • La surépaisseur e n’est pas forcément constante autour du profil 4.1, celle-ci peut présenter des variations autour dudit profil 4.1.
  • Il est à noter que préalablement à la soudure par friction orbitale, un volume de matière sacrificiel (s’étendant essentiellement radialement) est prévu sur chacun des aubes 4 et des moignons 6 à assembler. Ce volume sacrificiel est amené à être expulsé en dehors de l’interface de contact entre les sections 11, formant ainsi une bavure, communément désignée par : « flash », qui sera ensuite éliminée, par exemple par usinage, afin de former le disque aubagé 2 illustré à la . Toutefois, le flash risque d’entraîner la recirculation de matière à l’intérieur des régions de la section de contact les plus étroites et risque de créer des évidements dans la jonction soudée, ce qui nuit à la qualité de la soudure.
  • De manière avantageuse, l’élargissement par l’excentrique e de de la section 11 permet d’agrandir la surface de contact lors de la soudure par friction orbitale de manière à assurer une homogénéité thermique pendant la soudure, précisément dans la section finale 4.1 de l’aube 4. En effet, si on ajoute une surépaisseur e à minima égale à la valeur de l’excentrique, cela signifie que les points de la surface aérodynamique finale 4.1 sont toujours en contact pendant la soudure (entre les deux moignons). Contrairement aux points dans cette surépaisseur e qui, par le mouvement orbital, ne sont en contact avec la surface opposée que pendant une partie du mouvement d’oscillation orbital.
  • Ainsi, pendant la soudure, une vitesse de consommation de matière demeure constante au droit de la section 11, ce qui permet d’éviter la recirculation de la matière (potentiellement nocive car elle empêche l’évacuation des impuretés) au niveau de la section du profil final aérodynamique 4.1 de l’aube et ainsi permettre une homogénéité et une continuité du malaxage de la matière du moignon avec celle de l’aube permettant de préserver davantage le profil aérodynamique de l’aube et d’obtenir une jonction résistante.
  • La section modélisée 11 permet d’établir le paramètre géométrique z. En effet, z est une moyenne des rayons moyens z i balayant la section 11 en tout point i de la périphérie 11.1 de ladite section 11.
  • Chacun des rayons moyens z i correspond à une longueur moyenne z i de rayons z i,α s’étendant totalement dans la section 11 depuis un point i à la périphérie 11.1 de ladite section 11 et balayant ladite section 11. Préférentiellement, les rayons z i,α correspondent à des projections du point i sur toute une portion de la périphérie 11.1 qui est en regard avec ledit point i.
  • Avantageusement, l’évolution des rayons moyens z i sur le pourtour de la section 11 à souder représente physiquement l’homogénéité de la longueur à cisailler durant la rotation (mouvement orbital lors du soudage) et donc l’homogénéité du débit matière expulsée dans le flash le long du contour de l’aube. Il est représentatif de l’homogénéité d’éjection de contaminants de la soudure.
  • A cet égard, la détermination du paramètre géométrique z comprend la détermination du rayon moyen z i pour la pluralité des points i sur la totalité de la périphérie 11.1.
  • Préférentiellement, la détermination du paramètre géométrique z est une démarche automatisée au moyen d’un algorithme informatique. A cet égard, un algorithme appliquant une méthode de type : « lancer de rayon » peut être adapté, ce dernier étant également connu sous le nom anglais « ray tracing ».
  • Avantageusement, les inventeurs ont judicieusement adopté une approche novatrice en introduisant la technique du lancer de rayons (ray tracing), qui est jusqu’à présent inconnue dans le domaine de la mécanique. Ils ont réalisé que c’est le moyen optimal de caractériser la section de jonction destinée à la friction orbitale, afin d’arriver à une estimation plus précise de la position radiale (hauteur) de la soudure, et cela préalablement à l’opération de soudage orbital.
  • La méthode de lancer de rayons sur la section 11 peut être réalisée suivant les étapes suivantes :
  • - modéliser une première section 11 (visible à la ) basée sur le profil aérodynamique 4.1 final de l’aube avec l’ajout de la surépaisseur e (qui partage la même valeur que celle de l’excentrique qui est prévu d’être appliqué à l’outil lors du soudage orbital) ; et
  • - fractionner de façon homogène la périphérie 11.1 en plusieurs points i à partir desquels les rayons z i,α seront projetés, préférentiellement à environ 2000 points i répartis de façon homogène (ce nombre pouvant varier selon la précision de calcul désirée) ; et
  • - projeter des rayons z i,α qui balayent toute la section 11 depuis un premier point i de la périphérie 11.1, le nombre de rayons z i,α projetés dépend préférentiellement d’un angle α compris entre 0.001° et 10° ; et
  • - mesurer la longueur moyenne z i de tous les rayons z i,α projetés à partir du premier point i ; et
  • - répéter l’étape de projection des rayons z i,α ainsi que celle de la mesure de la longueur moyenne z i , successivement pour tous points i de la périphérie 11.1 ; et
  • - calculer la longueur moyenne de toutes les longueurs moyennes z i mesurées à partir de chacun de la totalité des points i pour arriver au paramètre géométrique z de la section de jonction.
  • Les figures 5 et 6 illustrent un exemple de projection de rayons z A,α et z B,α , respectivement, à partir des points A et B de la périphérie 11.1. Il s’agit de deux exemples schématiques de détermination de la longueur moyenne z i de tous les rayons z i,α au moyen de la méthode de lancer de rayons décrite ci-avant.
  • Les deux points A et B correspondent aux deux points qu’ont permis respectivement, de mesure une longueur moyenne z A et une longueur moyenne z B . A cet effet, la détermination du paramètre géométrique z pour la section 11 correspond au calcul de la moyenne de toutes les longueurs moyennes z i , par exemple, 2000 longueurs moyennes incluant les longueurs moyennes z A et z B .
  • La illustre la section 11 lors d’une détermination d’un rayon moyen z A balayant ladite section 11 à partir d’un point A de la périphérie 11.1.
  • On peut voir qu’à partir du point A, une pluralité des rayons z A,α sont projetés sur une portion de la périphérie 11.1 visible depuis ledit point A. Dans cette configuration, les rayons z A,α peuvent être compris entre deux rayons extrêmes z A,α tangents à la périphérie 11.1.
  • Le nombre de rayons z A,α projetés peut dépendre de l’angle α choisit, ce dernier permet d’établir la précision de détermination du rayon moyen z A . A cet effet, l’angle α peut être compris entre 0.001° et 10°.
  • Le rayon moyen z A correspond ainsi à la moyenne des toutes les projections z A,α .
  • La illustre la section 11 lors d’une détermination d’un rayon moyen z B balayant ladite section 11 à partir d’un point B de la périphérie 11.1.
  • Préférentiellement, l’angle α est identique pour toutes les projections des rayons z i,α pour la pluralité des points i de la périphérie 11.1. De préférence, le nombre de points i de la périphérie 11.1 à partir des quels les rayons seront projetés, est d’environ 2000 points, ce nombre pouvant varier selon la précision de calcul désirée.
  • Similairement au point A, les rayons z B,α sont projetés depuis le point B sur une portion de la périphérie 11.1 visible audit point B. Le rayon moyen z B correspond à la moyenne des toutes les projections z B,α .
  • Le paramètre géométrique z est donc la moyenne de tous les rayons moyens z i (incluant les rayons moyens z A et z B ,) des points i de la totalité de la périphérie 11.1.
  • Le paramètre géométrique z correspond à une dimension géométrique pouvant être exprimée en mm. De manière avantageuse, ce paramètre z est la dimension optimale qui permet au mieux de distinguer la forme géométrique de la section 11. En effet, les surfaces de la section 11 comprenant les rayons projetés z i,α à partir de chaque point i peuvent être assimilés à la surface de malaxage de la matière pendant la soudure à friction orbitale.
  • Le paramètre géométrique z permet de bien prendre en compte les spécificités du soudage par friction orbitale dans le procédé de fabrication. En effet, l’effort de friction fourni lors du soudage tourne de façon cyclique, ce qui implique qu’un point de soudure à l’extrémité de la section 11 du moignon (e.g. point A ou B) voit une fraction de la section 11 de l’aube entre les deux rayons projetés extrêmes (z A,α ou z B,α ), ces derniers peuvent donc être assimilés à des longueurs équivalentes de matière à cisailler.
  • De plus, le paramètre z est pertinent car permet de prendre en compte davantage la cambrure de la forme spécifique de la périphérie 11.1, de façon meilleure que l’aire de ladite section 11 ou la corde de son profil.
  • La détermination de l’épaisseur maximale e max est en fonction du paramètre géométrique z, l’e max est également en fonction de paramètres supplémentaires, suivant deux modes de réalisations :
  • Le premier mode de réalisation comprenant la détermination de l’e max en fonction du paramètre géométrique z et par au moins un des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants : excentricité (correspondant à l’excentrique e du mouvement d’oscillation orbital lors de la soudure) ; fréquence (vitesse d’oscillation) ; et la pression de forgeage (l’effort appliqué à la section lors d’une phase finale de forge suite à l’arrêt du mouvement d’oscillation). Avantageusement, les paramètres de la soudure peuvent être prédéfinis comme étant des consignes d’entrée sur une machine de soudure préalablement à l’exécution de ladite soudure et/ou peuvent être mesurés en cours de soudure.
  • Le deuxième mode de réalisation comprenant la détermination de l’e max en fonction du paramètre géométrique z et par la vitesse de consommation de matière lors de la soudure à friction orbitale. Ladite vitesse de consommation de matière (pouvant être exprimée en mm/s) est déterminée soit de manière empirique, par exemple, suite à une mesure réelle lors d’une soudure à friction orbitale de paramétrage réalisée avec les mêmes paramètres que la soudure à friction orbitale des aubes du disque aubagé, i.e. utilisation des mêmes sections 11 de jonction modélisées similairement à la section 11 de la par exemple sur des éprouvettes d’essai, soit de manière analytique par une estimation de ladite vitesse de consommation en fonction des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants : excentricité, fréquence, et pression de forgeage.
  • L’estimation de l’e max selon le premier et/ou le deuxième mode de réalisation utilisant les paramètres de la soudure (excentricité, fréquence, et pression de forgeage), peut être réalisée au moyen d’une intelligence artificielle.
  • La détermination de l’épaisseur maximale e max . en fonction du paramètre géométrique z permet d’établir que : plus le paramètre z est grand, et plus l’e max déterminé est grand.
  • La représente de manière schématique une vue en perspective, lors de la soudure à friction orbitale, de l’aube 4 au moignon 6 du disque 2, au moyen de la section de jonction 11 illustrée aux figures 4 à 6.
  • La détermination, dès la conception du disque 2, du plan de soudure 10.1 permet de dimensionner l’aube 4 et le moignon 6 de manière à assurer une position radiale optimale de la jonction 10.
  • Le procédé de fabrication de la présente invention comprend l’application de l’oscillation 12 par une machine de soudure (non représentée) comprenant un outillage de maintien de l’aube 4. Dans cette configuration, une extrémité inférieure 4.2 de l’aube 4 comprend préférentiellement un renfort 4.3 qui sera usiné postérieurement à la soudure conjointement avec un volume 6.1 de renfort du moignon 6 sur le disque 2.
  • De manière avantageuse, l’oscillation orbitale 12 comprend une amplitude pouvant être pilotée par un moteur électrique permettant une mise en oscillation très rapide tout en minimisant les pertes d’énergie, et assurant également un auto-centrage de l’oscillation 12 en fin de soudure.
  • De plus, la soudure orbitale de l’aube 4 permet d’assurer, au droit des sections de jonction, un mouvement relatif permanent de l’aube 4 avec le moignon 6 qui permet d’obtenir une plus grande homogénéité des températures et une meilleure expulsion de la matière. Dans cette configuration, le procédé de soudage par friction orbitale de l’invention générera des gradients de contrainte plus faibles grâce à une meilleure hétérogénéité thermique, et au final une déformée plus faible tout au long de la gamme de fabrication.
  • Préférentiellement, la section de jonction S de chacun des aube 4 et moignon 6, comprend une surface totale supérieure ou égale à 200 mm2 et inférieure ou égale à 7000 mm2, et plus préférentiellement comprise entre 2000 mm2 et 3000 mm2.
  • La illustre une cartographie de l’amplitude des rayons moyens z i balayant la section de jonction 11 en tout point i de sa périphérie 11.1.
  • L’échelle visible à droite de la correspond à la cartographie de l’évolution de la valeur de z i , celle-ci étant normalisée à 1, i.e. la valeur maximale de z i de la section 11 est égale à 1.
  • On peut voir que les points i de la périphérie 11.1 aux extrémités 11.2 et 11.3 de la section 11 présentent les moyennes z i des rayons z i,α lancés depuis lesdits points i qui sont les plus faibles comparés aux moyennes z i de rayons z i,α lancés depuis des points i qui sont positionnés entre les extrémités 11.2, 11.3.
  • Avantageusement, le paramètre géométrique z (la moyenne totale z de toutes les moyennes z i des rayons z i,α lancés depuis les points i ) est capable de prendre en compte des détails spécifiques de la forme de la section, tels que sa cambrure, contrairement à une simple mesure de l’aire ou à d’autres méthodes de l’art antérieur qui ne sont pas capable d’en prendre compte. Ces détails de forme de la section de jonction 11 que le paramètre géométrique z est capable d’intrinsèquement prendre en compte, permettent d’arriver avec une meilleure précision à une détermination de l’épaisseur maximale e max , puis à la détermination de la hauteur radiale de la jonction soudée.
  • Il est à noter que l’art antérieur ne propose aucune solution permettant d’estimer l’e max du joint soudé, et aucun document ne divulgue une corrélation entre l’e max et la forme de la section.
  • En général, il est important de noter qu’une configuration où deux sections à souder ont une forme de cercle parfait permet d’obtenir un soudage orbital optimal. Cette configuration assure un malaxage parfaitement homogène et constant, ce qui garantit une montée en température stable des matériaux. De plus, la forme circulaire des sections permet une uniformité de la friction sur 360°, sans changement de forme.
  • Les inventeurs ont eu la démarche inventive d’introduire la méthode de lancer de rayons (ray tracing) décrite ci-avant, une technique non conventionnelle dans le domaine de la mécanique, pour caractériser la section de jonction afin de prendre en considération toutes les directions de friction. En effet, le balayage de la section avec des rayons z i,α lancés depuis chacun de tous les points i de sa périphérie, s’apparente aux mouvements de malaxage de matière entre les surfaces en contact lors du soudage orbital, lesdits mouvements étant suivant toutes les directions et sur 360°.
  • Cette corrélation entre la physique de malaxage pendant la friction orbitale et le calcul théorique du paramètre z, offre la possibilité de prédire le comportement du malaxage de matière avant même la réalisation du soudage orbital. Ainsi, le paramètre z permet d’estimer de manière considérablement plus précise les paramètres après le soudage (e max et la hauteur radiale) à un stade précoce du processus (lors de la modélisation de la forme de la section de jonction et avant la réalisation du soudage).
  • En effet, les figures 9 et 10A-C illustrent bien la précision de détermination de la hauteur radiale finale du joint soudé, en ce que l’e max (à partir de laquelle dépend la hauteur) estimée pour la section de jonction 11 est très proche de l’e max réelle mesurée après le soudage orbital.
  • La illustre la section de jonction 11 de la montrant trois repères de prise de mesures de l’épaisseur de la jonction soudée 11, avec deux de ces sections de jonction 11 identiques. Chaque repère définit la largeur locale totale de la section, suivant la direction correspondante illustrée en pointillés.
  • Les figures 10A à 10C représentes des graphiques montrant l’évolution normalisée de l’épaisseur du joint de la section 11 de la , mesurées sur les soudures réalisées et estimées numériquement grâce au paramètre z.
  • La est un premier graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée (voir tracé S) comparée à des points P de mesures réelles de ladite l’épaisseur, au droit du premier repère positionné à 1/4 d’une étendue totale (suivant la corde de profil) de la section 11 visible à la .
  • La est un deuxième graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée (voir tracé S) comparée à des points P de mesures réelles de ladite épaisseur, au droit du deuxième repère positionné à 1/2 de l’étendue totale de la section 11 visible à la .
  • La est un troisième graphique représentant l’évolution de l’épaisseur estimée de la jonction soudée (voir tracé S) comparée à des points P de mesures réelles de ladite l’épaisseur, au droit du troisième repère positionné à 3/4 de l’étendue totale de la section 11 visible à la .
  • En référence aux figures 10A à 10C, les tracés S sont préférentiellement obtenus par simulation assurée par une intelligence artificielle basant la détermination de l’e max en fonction du paramètre z suivant la présente invention.
  • Les soudures ont été réalisées sur une même machine et avec des paramètres de soudage constants, i.e. excentricité, fréquence d’oscillation, vitesse et pression de forgeage qui demeurent inchangés, seule la forme des sections qui est modifiée.
  • A titre indicatif, l’épaisseur maximale mesurée de la jonction soudée à partir de deux sections 11 est égale à 0.97 mm, pour un paramètre z égal à 25 mm.
  • Il a été déterminé qu’une augmentation de la valeur du paramètre z (par modification du profil de la section de jonction lors de la modélisation) est corrélée à une augmentation de l’e max , et similairement, l’évolution de l’e max est également corrélée à celle de la hauteur radiale h.
  • On peut observer depuis les graphiques que pour chacun des trois repères de mesure, l’écart (la marge d’erreur) entre la simulation (réalisée en amont de la soudure orbitale) et la mesure de l’e max réalisée après l’opération de soudage, est très minime, ce qui prouve que la présente invention permet d’assurer une détermination précise de la hauteur de la soudure, de manière à simuler un soudage orbital qui soit le plus exacte et le plus proche de la réalité.
  • On peut également observer une forme générale en baignoire des tracés S, cela est dû au fait qu’aux extrémités périphériques de la jonction soudée, l’épaisseur est plus large qu’au centre, cela est dû à une concentration de l’excédent de la matière déplacée lors du soudage orbital, donnant une forme généralement en diabolo ou en paillon au joint soudé (comme visible à la ).
    •

Claims (10)

  1. Procédé de fabrication d’un disque aubagé (2) comprenant des aubes (4) jointes par soudure à friction orbitale à des moignons (6) sur le disque (2) et s’étendant radialement extérieurement, ledit procédé comprenant une étape de détermination de hauteur radiale de jonction h entre les aubes (4) et les moignons (6), caractérisé en ce que la hauteur radiale de jonction h est déterminée en fonction d’une épaisseur maximale de la soudure e max , ladite hauteur radiale de jonction h étant d’autant plus grande que l’épaisseur maximale de la soudure e max est grande, ladite épaisseur maximale de la soudure e max étant déterminée par un paramètre géométrique z de la section (11) des aubes (4) et des moignons (6) au niveau de la jonction (10), où z est une moyenne des rayons moyens z i balayant ladite section (11) en tout point i de la périphérie (11.1) de ladite section (11), l’épaisseur maximale de la soudure e max déterminée étant d’autant plus petite que le paramètre géométrique z est petit.
  2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur maximale de la soudure e max est déterminée également par au moins un des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants :
    • excentricité ;
    • fréquence ; et
    • pression de forgeage.
  3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel l’épaisseur maximale de la soudure e max est déterminée également par une vitesse de consommation de matière lors de la soudure à friction orbitale.
  4. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la vitesse de consommation de matière est mesurée lors d’une soudure à friction orbitale de paramétrage réalisée avec les mêmes paramètres que la soudure à friction orbitale des aubes (4).
  5. Procédé de fabrication selon la revendication 3, dans lequel la vitesse de consommation de matière est déterminée sur base des paramètres de la soudure à friction orbitale suivants :
    • excentricité ;
    • fréquence ; et
    • pression de forgeage.
  6. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel la hauteur radiale de jonction h, mesurée à partir d’une surface inter-aubes (8) du disque (2), est supérieure ou égale à une hauteur radiale h SC d’un seuil critique (SC), majorée de la moitié d’un intervalle de tolérance IT déterminé en fonction de l’épaisseur maximale de la soudure e max .
  7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, dans lequel l’intervalle de tolérance IT est supérieur ou égal à l’épaisseur maximale de la soudure e max.
  8. Procédé de fabrication selon l’une des revendications 6 et 7, dans lequel l’intervalle de tolérance IT est déterminé en fonction d’une tolérance d’oblicité de la jonction (10) par rapport à la surface inter-aubes (8) du disque (2).
  9. Disque aubagé (2) pour turbomachine, comprenant une pluralité d’aubes (4) jointes par soudure par friction orbitale à des moignons (6) sur le disque (2), à une hauteur radiale de jonction h entre les aubes (4) et les moignons (6), caractérisé en ce que la hauteur radiale de jonction h, mesurée à partir d’une surface inter-aubes (8) du disque (2), est supérieure ou égale à une hauteur radiale h SC d’un seuil critique (SC), majorée d’une moitié d’une épaisseur maximale de la soudure e max .
  10. Disque aubagé (2) selon la revendication 9, dans lequel ledit disque aubagé (2) correspond à une roue mobile destinée à être disposée en amont d’un bec de séparation de flux dans une turbomachine axiale.
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