FR2996154A1 - Assembling two coaxial annular pieces to form a casing of a turbomachine of an aircraft, comprises a unit for radial displacement of a friction welding head compared to worpieces, and a unit for rotating workpieces relative to welding head - Google Patents

Assembling two coaxial annular pieces to form a casing of a turbomachine of an aircraft, comprises a unit for radial displacement of a friction welding head compared to worpieces, and a unit for rotating workpieces relative to welding head Download PDF

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Abstract

The tool comprises: units for supporting and positioning workpieces (1a, 1b) so that the units are present in contact with an annular zone to be welded; a friction welding head that is movable in rotation around an axis perpendicular to an axis (A) of the workpieces and comprises a body and a mixing pin; a unit for radial displacement of the welding head compared to the worpieces so as to penetrate the mixing pin on the annular zone or to withdraw the mixing pin from the zone; and a unit for rotating the workpieces relative to the welding head so as to move the mixing pin along the weld zone. The tool comprises: units for supporting and positioning workpieces (1a, 1b) so that the units are present in contact with an annular zone to be welded; a friction welding head that is movable in rotation around an axis perpendicular to an axis (A) of the workpieces and comprises a body and a mixing pin projecting relative to the welding head; a unit for radial displacement of the welding head compared to the worpieces to be assembled so as to penetrate the mixing pin on the annular zone to be welded or to withdraw the mixing pin from the zone to be welded; and a unit for rotating the workpieces relative to the welding head so as to move the mixing pin along the annular weld zone. The mixing pin is movably rotated compared to the body between a retracted position in which it is placed in the body and a deployed position in which it is covered out of the body. The supporting and positioning units comprise a first flange comprising a unit for centering one of the workpieces and a second flange comprising a unit for centering the other workpiece. The two flanges are mounted on a rotatable shaft so as to rotate the flanges and the workpieces relative to the welding head. The tool further comprises: a pressure member intended to bear on one of the workpieces to be assembled at or near the weld zone; a spacer for forcing the two flanges one towards the other so as to ensure the contact of the workpieces on the weld zone; and a brake (32) ready to slow down the rotation of the workpieces and to take support on an element of one of the workpieces. The pressure member is a turning roller resting against each of the workpieces to be assembled on the weld zone. Independent claims are included for: (1) a method for assembling two coaxial annular pieces to form a casing of a turbomachine by friction welding; and (2) a method for repairing a casing of a turbomachine.

Description

Outillage pour l'assemblage de deux pièces annulaires de carter La présente invention concerne un outillage pour l'assemblage de deux pièces annulaires coaxiales, destinées à former un carter de turbomachine, ainsi qu'un procédé d'assemblage correspondant. L'invention concerne en particulier le domaine du soudage par friction-malaxage ou « Friction Stir Welding » (FSW). Un tel procédé de soudage, connu notamment du document EP 0 752 926, implique l'utilisation d'une tête de soudage mobile en rotation, comportant un corps ainsi qu'un pion de malaxage en saillie par rapport au corps. Ce procédé consiste à faire tourner la tête de soudage et le pion de malaxage à vitesse contrôlée et à faire pénétrer le pion au niveau d'une zone d'interface entre deux pièces à assembler. La friction ainsi engendrée provoque, par échauffement, un amollissement de la matière des pièces qui entre en phase pâteuse. Les bords correspondants des pièces se déforment alors plastiquement et la matière pâteuse de ces pièces est mélangée. Le corps forme généralement avec le pion un épaulement qui empêche le métal brassé de s'écarter de la zone de soudage. On déplace également la tête de soudage le long de la zone à souder de façon à former un cordon de soudure par refroidissement et cristallisation de la matière pâteuse ainsi mélangée. Ce soudage à l'état pâteux de la matière est privilégié pour des applications où il est important de conserver les caractéristiques d'origine des pièces assemblées. En effet, parce que le matériau est dans un état pâteux et non liquide (il n'y a pas de fusion lors d'un tel procédé de soudage), les propriétés mécaniques desdites pièces sont peu dégradées. A titre d'exemple, on observe une diminution d'environ 30 % de l'allongement et de la limite élastique pour un alliage d'aluminium, ce qui est relativement limité par comparaison avec d'autres procédés de soudage.The present invention relates to a tool for assembling two coaxial annular parts, intended to form a turbomachine casing, and a corresponding assembly method. The invention relates in particular to the field of Friction Stir Welding (FSW). Such a welding method, known in particular from EP 0 752 926, involves the use of a rotating mobile welding head, comprising a body and a kneading pin protruding from the body. This method consists of rotating the welding head and the kneading pin at a controlled speed and to penetrate the pin at an interface zone between two parts to be assembled. The friction thus generated causes, by heating, a softening of the material of the parts that enters the pasty phase. The corresponding edges of the pieces are then deformed plastically and the pasty material of these parts is mixed. The body generally forms with the pin a shoulder that prevents the brewed metal from moving away from the welding zone. The welding head is also moved along the area to be welded so as to form a weld bead by cooling and crystallization of the pasty material thus mixed. This pasty welding of the material is preferred for applications where it is important to maintain the original characteristics of the assembled parts. Indeed, because the material is in a pasty and non-liquid state (there is no fusion during such a welding process), the mechanical properties of said parts are slightly degraded. For example, there is a decrease of about 30% in elongation and yield strength for an aluminum alloy, which is relatively small compared to other welding processes.

Un tel procédé permet notamment d'assembler des pièces en alliages d'aluminium réputés difficiles à souder ou très sensibles à la fissuration, de souder des fortes épaisseurs en une seule passe et avec un minimum de déformation des pièces, d'obtenir une microstructure à grains fins dans la zone soudée et de minimiser les contraintes et déformations thermomécaniques lors du soudage. Il n'est alors généralement pas nécessaire de réaliser un traitement thermique et/ou un usinage ultérieurs. A titre de comparaison, l'assemblage de deux pièces par soudage TIG (Tungsten Inert Gas) génère une diminution d'environ 50 % 10 des caractéristiques mécaniques après un usinage et un traitement thermique ultérieurs. De même, l'assemblage de deux pièces par soudage par faisceau d'électrons génère une diminution d'environ 40 % des caractéristiques mécaniques après un usinage et un traitement thermique ultérieurs. 15 Le soudage par friction-malaxage est utilisé pour l'assemblage de pièces planes, se présentant sous la forme de tôles ou de plaques métalliques. Les outillages existants permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé de soudage ne sont pas adaptés à l'assemblage de pièces annulaires. 20 Les carters d'aéronefs sont des pièces annulaires coûteuses nécessitant de nombreux usinages. Afin de réduire la masse des turbomachines, des alliages d'aluminium ont été choisis pour la réalisation de certains carters. Dans ce cas, lors du démontage ou du remontage de ces carters pendant des opérations de maintenance, il peut arriver que des 25 brides des carters soient endommagées. Il n'existe actuellement pas de solution technologique permettant de réparer ces carters, ce qui oblige à les remplacer par des carters neufs, ce qui est très coûteux. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.Such a method makes it possible in particular to assemble parts of aluminum alloys known to be difficult to weld or very sensitive to cracking, to weld large thicknesses in a single pass and with a minimum of deformation of the parts, to obtain a microstructure to fine grains in the weld zone and minimize thermomechanical stresses and deformations during welding. It is then generally not necessary to perform a heat treatment and / or subsequent machining. For comparison, the two-piece TIG (Tungsten Inert Gas) welding generates a 50% reduction in mechanical characteristics after subsequent machining and heat treatment. Similarly, the assembly of two pieces by electron beam welding generates a reduction of about 40% in mechanical characteristics after subsequent machining and heat treatment. Friction stir welding is used for assembling flat parts in the form of metal sheets or plates. Existing tools allowing the implementation of such a welding process are not suitable for assembling annular parts. Aircraft housings are expensive annular parts requiring many machining. In order to reduce the weight of the turbomachines, aluminum alloys have been chosen for the production of certain casings. In this case, when disassembling or reassembling these housings during maintenance operations, it may happen that flanges of the housings are damaged. There is currently no technological solution for repairing these casings, which requires replacing them with new casings, which is very expensive. The invention aims in particular to provide a simple, effective and economical solution to this problem.

A cet effet, elle propose un outillage pour l'assemblage par soudage par friction de deux pièces annulaires coaxiales destinées à former un carter de turbomachine, comportant : - des moyens de support et de positionnement de chacune des pièces à assembler de façon à ce qu'elles soient en contact au niveau d'une zone à souder annulaire (un jeu local étant toutefois acceptable), - une tête de soudage par friction, mobile en rotation autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe desdites pièces, comportant un corps et un pion de malaxage en saillie par rapport au corps, - des moyens de déplacement radial de la tête de soudage par rapport aux pièces à assembler permettant de faire pénétrer le pion de malaxage au niveau de la zone à souder ou de retirer ledit pion de malaxage de ladite zone à souder, - des moyens de mise en rotation des pièces à assembler par rapport à la tête de soudage, de façon à déplacer le pion de malaxage le long de la zone à souder annulaire. De cette manière, il est possible de réparer un carter endommagé en supprimant par usinage une partie annulaire endommagée (comportant par exemple une bride endommagée) et en la remplaçant par une partie annulaire de substitution qui est fixée au reste du carter par soudage par friction-malaxage à l'aide de l'outillage précité. Selon une caractéristique de l'invention, l'outillage comporte au moins un organe presseur, destiné à venir en appui sur l'une au moins desdites pièces à assembler, à proximité ou au niveau de la zone à souder.For this purpose, it proposes a tool for assembly by friction welding of two coaxial annular parts intended to form a turbomachine casing, comprising: - means for supporting and positioning each of the parts to be assembled so that they are in contact at the level of an annular weld zone (local clearance being however acceptable), - a friction welding head, rotatable about an axis substantially perpendicular to the axis of said parts, comprising a body and a kneading peg projecting from the body, means for moving the welding head radially relative to the parts to be assembled making it possible to penetrate the kneading peg at the area to be welded or to remove said peg. for mixing the said zone to be welded, means for rotating the parts to be assembled with respect to the welding head, so as to move the kneading pin along the zone to be welded annular. In this way, it is possible to repair a damaged casing by machining away a damaged annular portion (for example having a damaged flange) and replacing it with a replacement annular portion which is secured to the remainder of the casing by friction welding. kneading using the aforementioned tooling. According to one characteristic of the invention, the tooling comprises at least one pressing member intended to bear on at least one of said parts to be assembled, close to or at the level of the zone to be welded.

L'organe presseur permet d'assurer le bon positionnement des bords des pièces à assembler au niveau de la zone à souder. Cet organe presseur peut également rattraper une légère déformation des pièces avant assemblage. L'organe presseur peut être un galet, par exemple un galet 30 tournant, en appui sur chacune des deux pièces à assembler au niveau de la zone à souder.The pressing member ensures the proper positioning of the edges of the parts to be assembled at the area to be welded. This pressure member can also catch a slight deformation of the parts before assembly. The pressure member may be a roller, for example a rotating roller 30, bearing on each of the two parts to be assembled at the area to be welded.

Selon une autre caractéristique de l'invention, le pion de malaxage est mobile en translation par rapport au corps entre une position rétractée dans laquelle il est logé dans le corps et une position déployée dans laquelle il fait saillie hors du corps.According to another characteristic of the invention, the kneading pin is movable in translation relative to the body between a retracted position in which it is housed in the body and an extended position in which it projects out of the body.

De préférence, les moyens de support et de positionnement comportent un premier flasque comportant des moyens de centrage de l'une des pièces à assembler et un second flasque comportant des moyens de centrage de l'autre pièce à assembler, les deux flasques étant montés sur un arbre mobile en rotation de façon à entraîner en rotation lesdits flasques et lesdites pièces à assembler par rapport à la tête de soudage. Les moyens de centrage peuvent être formés par exemple par une gorge annulaire dans laquelle vient s'engager l'extrémité correspondante de la pièce concernée, ou par un élément annulaire (sectorisé ou non) en saillie du flasque, autour duquel est montée l'extrémité correspondante de la pièce concernée. L'outillage peut également comporter au moins une entretoise permettant de contraindre les deux flasques l'un vers l'autre de manière à assurer le contact des deux pièces à assembler au niveau de la zone à souder.Preferably, the support and positioning means comprise a first flange comprising centering means of one of the parts to be assembled and a second flange comprising centering means of the other part to be assembled, the two flanges being mounted on a shaft movable in rotation to rotate said flanges and said parts to be assembled relative to the welding head. The centering means may be formed for example by an annular groove in which is engaged the corresponding end of the part concerned, or by an annular element (sectored or not) projecting from the flange, around which is mounted the end corresponding part of the relevant part. The tool may also include at least one spacer to constrain the two flanges towards each other so as to ensure the contact of the two parts to be assembled at the area to be welded.

En outre, l'outillage peut comporter un frein apte à freiner la rotation desdites pièces à assembler. Le frein permet notamment de mieux contrôler la vitesse de rotation des pièces par rapport à la tête de soudage. En particulier, le frein peut être apte à prendre appui sur un élément de l'une des pièces à assembler, par exemple sur une bride de ladite pièce. L'invention concerne également un procédé d'assemblage de deux pièces annulaires coaxiales, destinées à former un carter de turbomachine après assemblage, par soudage par friction à l'aide d'un outillage du type précité, comportant les étapes consistant à: - positionner les deux pièces à assembler de façon à ce qu'elles viennent en contact au niveau d'une zone à souder annulaire, - entraîner en rotation la tête de soudage et la déplacer radialement de façon à ce que le pion de malaxage pénètre dans les pièces à assembler, au niveau de la zone à souder, et provoque un échauffement par friction de ladite zone à souder et un mélange de la matière ainsi échauffée en vue de former une soudure par refroidissement de ladite zone échauffée, - entraîner en rotation les deux pièces à assembler autour de leur 10 axe, de façon à former un cordon de soudure sur au moins une partie de la zone à souder annulaire, - retirer le pion de malaxage hors de la zone à souder. L'invention concerne enfin un procédé de réparation d'un carter de turbomachine, consistant à supprimer par usinage une partie annulaire 15 détériorée du carter et à fixer un élément annulaire de substitution au reste du carter par soudage par friction, conformément au procédé précité. On notera que l'invention peut également s'appliquer à la réalisation de carters neufs, formés de l'assemblage d'au moins deux pièces annulaires. 20 L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une demi-vue en coupe d'un carter de 25 turbomachine, - la figure 2 est une vue en perspective d'un outillage selon l'invention, - la figure 3 est une vue de détail d'une partie de l'outillage de la figure 2, montrant notamment le frein, 30 - la figure 4 est une vue en coupe, selon l'axe B, d'une partie de la tête de soudage, - la figure 5 est une vue de détail illustrant notamment la position des galets presseurs et de la tête de soudage par rapport à la zone à souder, - la figure 6 est une vue en coupe, selon l'axe A, d'une partie de l'outillage selon l'invention, - les figures 7 à 9 sont des vues schématiques représentant différentes étapes du procédé d'assemblage par friction-malaxage, - la figure 10 est un diagramme représentant la variation de différents paramètres de l'outillage dans le temps, lors de l'assemblage des deux pièces. Un carter de turbomachine 1 en alliage d'aluminium est représenté à la figure 1. Ce carter 1 est une pièce de révolution comportant une bride amont 2, s'étendant radialement vers l'extérieur depuis une extrémité amont du carter 1, et une bride aval 3 s'étendant radialement vers l'extérieur depuis une extrémité aval du carter 1. Les autres éléments structurels du carter 1 ne seront pas détaillés ici et sont bien connus de l'homme du métier. Lors d'opérations de maintenance notamment, il arrive que la bride amont 2 du carter 1 soit détériorée lors d'une étape de démontage et/ou de remontage du carter 1. L'invention propose de réparer un tel carter endommagé en supprimant par usinage la partie référencée la et comportant la bride amont 2, et en remplaçant cette partie usinée par une pièce de substitution qui est fixée au reste lb du carter 1 par soudage par friction-malaxage.In addition, the tool may include a brake capable of braking the rotation of said parts to be assembled. The brake makes it possible to better control the speed of rotation of the parts relative to the welding head. In particular, the brake may be able to bear on an element of one of the parts to be assembled, for example on a flange of said part. The invention also relates to a method of assembling two coaxial annular parts, intended to form a turbomachine casing after assembly, by friction welding using a tool of the aforementioned type, comprising the steps of: - positioning the two parts to be assembled so that they come into contact at an annular weld zone, - rotate the welding head and move it radially so that the kneading pin enters the parts to assemble, at the level of the zone to be welded, and causes a heating by friction of said zone to be welded and a mixture of the material thus heated in order to form a weld by cooling said heated zone, - to drive in rotation the two parts to join around their axis, so as to form a weld bead on at least a portion of the annular weld zone, - remove the knurling pin from the zone welded. Finally, the invention relates to a method for repairing a turbomachine casing, consisting in eliminating by machining a deteriorated annular portion 15 of the casing and fixing a replacement annular element to the remainder of the casing by friction welding, in accordance with the aforementioned method. It will be noted that the invention can also be applied to the production of new casings, formed by assembling at least two annular pieces. The invention will be better understood and other details, characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the following description given by way of nonlimiting example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. half-view in section of a turbomachine casing, - Figure 2 is a perspective view of a tool according to the invention, - Figure 3 is a detailed view of part of the tooling of the machine. FIG. 2, showing in particular the brake, FIG. 4 is a sectional view, along axis B, of part of the welding head, FIG. 5 is a detail view illustrating in particular the position of the rollers. the pressure and the welding head with respect to the zone to be welded, - Figure 6 is a sectional view, along the axis A, of a portion of the tool according to the invention, - Figures 7 to 9 are diagrammatic views showing different steps of the friction stir assembly process; FIG. diagram showing the variation of different parameters of the tool over time, during the assembly of the two parts. An aluminum alloy turbomachine casing 1 is shown in FIG. 1. This casing 1 is a part of revolution comprising an upstream flange 2, extending radially outwardly from an upstream end of the casing 1, and a flange downstream 3 extending radially outwardly from a downstream end of the housing 1. The other structural elements of the housing 1 will not be detailed here and are well known to those skilled in the art. During maintenance operations in particular, the upstream flange 2 of the casing 1 may be damaged during a disassembly and / or reassembly of the casing 1. The invention proposes to repair such a damaged casing by eliminating it by machining. the part referenced la and having the upstream flange 2, and replacing this machined part by a substitution part which is fixed to the rest lb of the housing 1 by friction stir welding.

L'invention s'applique également à la réalisation de carters neufs par assemblage de deux pièces annulaires par soudage par friction-malaxage. D'une manière générale, on désignera dans ce qui suit la partie amont du carter 1 (dans le cas d'un carter neuf) ou la partie de substitution (dans le cas d'un carter à réparer) par première pièce la et la partie aval (dans le cas d'un carter neuf) ou le reste du carter 1 après usinage (dans le cas d'un carter à réparer) par seconde pièce lb. Un tel assemblage est réalisé à l'aide d'un outillage 4 représenté aux figures 2 à 6.The invention also applies to the production of new casings by assembling two annular parts by friction stir welding. In a general manner, the following will be referred to in the following as the upstream part of the casing 1 (in the case of a new casing) or the substitution part (in the case of a casing to be repaired) per first piece la and the downstream part (in the case of a new casing) or the rest of the casing 1 after machining (in the case of a casing to be repaired) per second piece lb. Such an assembly is performed using a tool 4 shown in Figures 2 to 6.

Cet outillage 4 comporte une embase plane 5 sur laquelle est fixé un portique comportant deux pieds 6, 7 comprenant chacun un palier 8 servant au support d'une extrémité 9 d'un arbre tournant 10. Une extrémité de l'arbre 10 est couplée en rotation à un moto-réducteur 11. Les extrémités supérieures des pieds 6, 7 sont reliées par des traverses 12 formant ainsi un pylône ou support. Un premier flasque 13 est monté sur l'arbre 10 et couplé en rotation à celui-ci par l'intermédiaire d'une clavette 14. Le premier flasque 13 est situé à proximité du pied 6. Des moyens de centrage annulaires 15 s'étendant selon l'axe A sont fixés au premier flasque 13. Ceux-ci peuvent être sectorisés ou non. L'extrémité amont de la première pièce la est montée autour de ces moyens de centrage 15. Un second flasque 16 est monté sur l'arbre 10 et couplé en rotation à celui-ci par l'intermédiaire d'une clavette 17. Le second flasque 16 est situé à proximité du pied 7 et comporte une gorge annulaire 18 dans laquelle est engagée l'extrémité aval de la seconde pièce 1 b. Les flasques 13, 16 et/ou les pièces 1 a, lb peuvent également comporter des éléments d'indexation permettant de s'assurer du bon positionnement angulaire d'une pièce par rapport à l'autre. Des entretoises 19 s'étendant selon l'axe A sont montées entre les flasques 13, 16 et permettent de les rapprocher l'un de l'autre de manière à contraindre l'extrémité aval de la première pièce la en appui sur l'extrémité amont de la seconde pièce 1 b. Plus particulièrement, chaque entretoise 19 comporte deux extrémités filetées 20, traversant des trous ménagés dans les flasques correspondants 13, 16. Des écrous 21 vissés sur les extrémités filetées 20 permettent de rapprocher les flasques 13, 16 et de contraindre progressivement les deux pièces 1 a, lb en appui l'une sur l'autre. La zone annulaire d'appui 22 est la zone à souder. Pour souder cette zone 22, l'outillage comporte une tête de soudage 23 s'étendant suivant un axe B perpendiculaire à l'axe A. La tête 5 de soudage 23 s'étend en regard de la zone à souder 22, entre les traverses 12. Comme cela est mieux visible à la figure 4, la tête de soudage 23 comporte un corps creux 24 dans lequel une tige centrale 25 est montée déplaçable en translation. L'extrémité de cette tige 25 comporte un pion 26 10 de plus faible diamètre, formant un pion de malaxage 26 en saillie du corps 24. Un organe 27 de guidage du pion 26 est fixé à l'extrémité du corps 24, entre ce dernier et le pion 26. La tige 25 est déplaçable selon l'axe B par rapport au corps 24, entre une position déployée dans laquelle le pion 26 fait saillie hors du corps 24 et de l'organe de guidage 27, et une position 15 rétractée dans laquelle le pion 26 ne fait pas saillie hors du corps 24 et de l'organe de guidage 27. Le corps 24 ou l'organe de guidage 27 (qui forment un même ensemble) forment un épaulement 35 avec le pion 26. L'outillage 4 comporte en outre des moyens de déplacement de la tête de soudage 23 selon l'axe B, des moyens de déplacement de la tige 20 25 et du pion de malaxage 26 par rapport au corps 24, et des moyens d'entraînement en rotation du corps 24 et de la tige 25. L'outillage comporte en outre deux galets presseurs 28, montés sur des supports 29, eux-mêmes montés sur les traverses 12. Chaque galet 28 est monté pivotant autour d'un axe 30 et sa position par rapport au 25 support 29 peut être ajustée à l'aide de moyens de réglage appropriés 31, de façon à régler l'effort presseur. Chaque galet 28 est destiné à venir en appui à cheval sur les deux pièces 1a, 1 b, au niveau de la zone à souder 22, de façon à positionner correctement les extrémités correspondantes des pièces 1 a, lb lors du 30 soudage de cette zone 22. Comme indiqué précédemment, ces galets 28 peuvent permettre de rattraper une éventuelle déformation des extrémités correspondantes des pièces la, lb, dues par exemple à l'usinage préalable de la partie endommagée du carter 1. L'outillage 4 comporte en outre un frein 32 monté sur les traverses 12 et comportant une plaquette de friction 33 destinée à venir frotter sur une surface de la bride aval 3 de la seconde pièce lb. L'effort appliqué par la plaquette de friction 33 peut être réglé à l'aide d'une molette ou d'une vis de réglage 34. L'utilisation d'un frein 32 permet de mieux contrôler la vitesse de rotation des pièces la, lb lors du soudage. On va maintenant décrire le procédé d'assemblage des pièces la, lb par friction-malaxage, en référence aux figures 7 à 10. La figure 10 est un diagramme représentant plusieurs courbes, dans lequel - - la courbe Cl représente l'évolution dans le temps du déplacement relatif de l'arbre 10 et des pièces 1 a, lb à assembler par rapport à la tête de soudage 23, - la courbe C2 représente l'évolution dans le temps de la vitesse de rotation de la tête de soudage 23, et en particulier du pion de malaxage 26, - la courbe C3 représente l'évolution dans le temps de l'effort exercé par la tête de soudage 23, et en particulier par l'épaulement 35, sur les pièces la, lb à assembler, - la courbe C4 représente l'évolution dans le temps de la position de la tête de soudage 23 suivant l'axe B, - la courbe C5 représente l'évolution dans le temps de la position du pion de malaxage 26 par rapport au corps 24 de la tête de soudage 23. Après montage des pièces 1 a, lb entre les flasques 13, 16 et serrage des écrous 21, on entraîne la rotation de la tête de soudage 23, par exemple à une vitesse de l'ordre de 1000 tours par minute (Figure 7).This tool 4 comprises a flat base 5 on which is fixed a gantry having two feet 6, 7 each comprising a bearing 8 serving to support an end 9 of a rotating shaft 10. An end of the shaft 10 is coupled in rotation to a geared motor 11. The upper ends of the feet 6, 7 are connected by cross members 12 thus forming a pylon or support. A first flange 13 is mounted on the shaft 10 and rotatably coupled thereto via a key 14. The first flange 13 is located near the foot 6. Annular centering means 15 extending along the axis A are fixed to the first flange 13. These may be sectored or not. The upstream end of the first piece is mounted around these centering means 15. A second flange 16 is mounted on the shaft 10 and rotatably coupled thereto via a key 17. The second flange 16 is located near the foot 7 and has an annular groove 18 in which is engaged the downstream end of the second part 1b. The flanges 13, 16 and / or the parts 1a, 1b may also include indexing elements to ensure the correct angular positioning of one part relative to the other. Spacers 19 extending along the axis A are mounted between the flanges 13, 16 and allow them to be brought closer to one another so as to constrain the downstream end of the first piece to bear on the end. upstream of the second piece 1 b. More particularly, each spacer 19 comprises two threaded ends 20, passing through holes formed in the corresponding flanges 13, 16. Nuts 21 screwed onto the threaded ends 20 allow the flanges 13, 16 to be brought closer together and to progressively constrain the two parts 1a. , lb resting on each other. The annular support zone 22 is the zone to be welded. To weld this zone 22, the tooling comprises a welding head 23 extending along an axis B perpendicular to the axis A. The welding head 5 extends opposite the zone to be welded 22, between the sleepers 12. As best seen in Figure 4, the welding head 23 comprises a hollow body 24 in which a central rod 25 is mounted displaceable in translation. The end of this rod 25 comprises a pin 26 10 of smaller diameter, forming a kneading pin 26 projecting from the body 24. A member 27 for guiding the pin 26 is fixed to the end of the body 24, between the latter and the pin 26. The rod 25 is movable along the axis B relative to the body 24, between an extended position in which the pin 26 projects out of the body 24 and the guide member 27, and a retracted position wherein the pin 26 does not protrude from the body 24 and the guide member 27. The body 24 or the guide member 27 (which form the same assembly) form a shoulder 35 with the pin 26. The 4 further comprises means for moving the welding head 23 along the axis B, means for moving the rod 20 and the mixing pin 26 relative to the body 24, and rotating drive means. of the body 24 and the rod 25. The tooling further comprises two pressure rollers 28, mounted on s upports 29, themselves mounted on the crosspieces 12. Each roller 28 is pivotally mounted about an axis 30 and its position relative to the support 29 can be adjusted by means of appropriate adjustment means 31, so as to adjust the pressure. Each roller 28 is intended to support the two parts 1a, 1b at the level of the zone to be welded 22 in order to correctly position the corresponding ends of the parts 1a, 1b during the welding of this zone. 22. As indicated above, these rollers 28 can make it possible to make up for any deformation of the corresponding ends of the parts 1a, 1b, for example due to the prior machining of the damaged part of the casing 1. The tooling 4 also comprises a brake 32 mounted on the crosspieces 12 and having a friction pad 33 for rubbing on a surface of the downstream flange 3 of the second piece 1b. The force applied by the friction pad 33 may be adjusted using a wheel or an adjustment screw 34. The use of a brake 32 makes it possible to better control the speed of rotation of the parts 1a, lb when welding. We will now describe the method of assembling parts 1a, 1b by friction-stirring, with reference to FIGS. 7 to 10. FIG. 10 is a diagram representing several curves, in which - - curve C1 represents the evolution in the time of the relative displacement of the shaft 10 and the parts 1a, 1b to be assembled with respect to the welding head 23, the curve C2 represents the evolution over time of the speed of rotation of the welding head 23, and in particular the kneading pin 26, the curve C3 represents the evolution over time of the force exerted by the welding head 23, and in particular by the shoulder 35, on the parts 1a, 1b to be assembled, the curve C4 represents the evolution over time of the position of the welding head 23 along the axis B, the curve C5 represents the evolution over time of the position of the kneading pin 26 relative to the body 24; 23. After assembly of parts 1a, 1b between With flanges 13, 16 and tightening nuts 21, the welding head 23 is rotated, for example at a speed of the order of 1000 revolutions per minute (FIG. 7).

Parallèlement, celle-ci est déplacée suivant l'axe B jusqu'à ce que le pion de malaxage 26 (qui en position déployée) pénètre dans la matière des pièces 1 a, 1 b, au niveau de la zone à souder 22, et que l'épaulement 35 vient en appui sur les surfaces externes des extrémités correspondantes des pièces 1 a, lb (Figure 8). A cet instant, un effort est appliqué par la tête de soudage 23, de manière à ce que l'épaulement 35 appuie sur les surfaces précitées. On rappelle que les galets presseurs 28 exercent également leur rôle en appliquant un effort sur ces surfaces, de part et d'autre de la tête de soudage 23. La pénétration du pion de malaxage26 dans la matière au niveau de la zone à souder 22 et sa rotation contrôlée au sein de la matière provoquent, par échauffement par friction, un amollissement de la matière des pièces 1 a, lb qui entre en phase pâteuse. Les extrémités correspondantes des pièces 1 a, lb se déforment alors plastiquement et la matière pâteuse de ces pièces 1 a, lb est mélangée. L'épaulement 35 empêche le métal brassé de s'écarter de la zone de soudage 22.Meanwhile, it is moved along the axis B until the kneading pin 26 (which in the deployed position) enters the material parts 1 a, 1 b, at the region to be welded 22, and that the shoulder 35 bears on the outer surfaces of the corresponding ends of the parts 1a, 1b (Figure 8). At this moment, a force is applied by the welding head 23, so that the shoulder 35 rests on the aforementioned surfaces. It will be recalled that the pressure rollers 28 also exert their effect by applying a force on these surfaces, on either side of the welding head 23. The penetration of the kneading pin 26 into the material at the level of the zone to be welded 22 and its controlled rotation within the material causes, by frictional heating, a softening of the material parts 1 a, lb which enters the pasty phase. The corresponding ends of the parts 1a, 1b are then deformed plastically and the pasty material of these parts 1a, 1b is mixed. The shoulder 35 prevents the stirred metal from moving away from the welding zone 22.

Le moto-réducteur 11 entraîne alors en rotation l'arbre 10, les flasques 13, 16 et les pièces 1 a, 1 b, de sorte que la tête de soudage 23 se déplace progressivement sur toute la circonférence de la zone à souder 22 et sur une zone de recouvrement additionnelle. On forme ainsi un cordon de soudure continu 36 (figure 9) par refroidissement à l'air ambiant et cristallisation de la matière pâteuse mélangée. Durant cette étape, la vitesse de rotation des pièces 1 a, lb est contrôlée par l'intermédiaire du frein 32. La vitesse d'avance tangentielle de la tête de soudage 23 par rapport aux pièces 1 a, lb est par exemple de l'ordre de 60 cm/min. En fin de course, le pion 26 est déplacé par rapport au corps 24, dans sa position rétractée, l'épaulement 35 continuant d'assurer le maintien de la matière au niveau de la zone soudée 22 pendant le retrait du pion 26 (figure 9). Après réalisation du cordon de soudure 36, la tête de soudage 23 est écartée de la zone à souder 22, la rotation de la tête de soudage 23 est arrêtée, de même que la rotation de l'arbre 10 et des pièces 1 a, 1 b. Il ne reste plus qu'à retirer le carter 1 ainsi réparé de l'outillage 4.The geared motor 11 then rotates the shaft 10, the flanges 13, 16 and the parts 1a, 1b, so that the welding head 23 moves progressively over the entire circumference of the zone to be welded 22 and on an additional recovery area. Thus, a continuous weld bead 36 (FIG. 9) is formed by cooling in ambient air and crystallization of the mixed pasty material. During this step, the speed of rotation of the parts 1a, 1b is controlled by means of the brake 32. The tangential advance speed of the welding head 23 with respect to the parts 1a, 1b is, for example, order of 60 cm / min. At the end of the stroke, the pin 26 is moved relative to the body 24 in its retracted position, the shoulder 35 continuing to maintain the material at the welded zone 22 during the withdrawal of the pin 26 (FIG. 9 ). After completion of the weld bead 36, the welding head 23 is moved away from the weld zone 22, the rotation of the welding head 23 is stopped, as is the rotation of the shaft 10 and the parts 1 a, 1 b. It remains only to remove the casing 1 and repaired the tool 4.

Comme indiqué précédemment, un tel soudage par friction-malaxage est particulièrement avantageux dans le cas de la réparation ou de la réalisation d'un carter en aluminium ou en alliage d'aluminium, puisqu'il n'engendre pas une diminution importante des caractéristiques mécaniques des pièces assemblées 1 a, lb au niveau de la zone soudée 22. En outre, les pièces assemblées 1 a, lb ne nécessitent pas de traitement thermique ou d'usinage ultérieur. Enfin, un tel assemblage respecte l'épaisseur des pièces assemblées 1 a, lb au niveau de la zone soudée 22, la circularité et les diamètres interne et externe desdites pièces 1 a, lb (pas de déformation lors du soudage), ainsi que la concentricité de la zone soudée 22 par rapport aux autres parties annulaires du carter 1.As indicated above, such a friction-stir welding is particularly advantageous in the case of the repair or the production of an aluminum or aluminum alloy casing, since it does not cause a significant reduction in the mechanical characteristics. assembled parts 1a, 1b at the welded zone 22. In addition, the assembled parts 1a, 1b do not require heat treatment or subsequent machining. Finally, such an assembly respects the thickness of the assembled parts 1a, 1b at the welded zone 22, the circularity and the internal and external diameters of said parts 1a, 1b (no deformation during the welding), as well as the concentricity of the welded zone 22 with respect to the other annular parts of the housing 1.

Claims (10)

REVENDICATIONS1. Outillage (4) pour l'assemblage par soudage par friction de deux pièces annulaires coaxiales (1a, 1 b) destinées à former un carter (1) de turbomachine, comportant : - des moyens de support et de positionnement (5, 6, 7, 13, 15, 16, 18, 19) de chacune des pièces à assembler (la, I b) de façon à ce qu'elles soient en contact au niveau d'une zone à souder annulaire (22), - une tête de soudage par friction (23), mobile en rotation autour d'un axe (B) sensiblement perpendiculaire à l'axe (A) desdites pièces (la, 1b), comportant un corps (24, 27) et un pion de malaxage (26) en saillie par rapport au corps (24, 27), - des moyens de déplacement radial de la tête de soudage (23) par rapport aux pièces à assembler (la, I b) permettant de faire pénétrer le pion de malaxage (26) au niveau de la zone à souder (22) ou de retirer ledit pion de malaxage (26) de ladite zone à souder (22), - des moyens de mise en rotation des pièces à assembler (la, lb) par rapport à la tête de soudage (23), de façon à déplacer le pion de malaxage (26) le long de la zone à souder annulaire (22).REVENDICATIONS1. Tooling (4) for assembling by friction welding two coaxial annular parts (1a, 1b) intended to form a turbomachine casing (1), comprising: - support and positioning means (5, 6, 7) , 13, 15, 16, 18, 19) of each of the parts to be assembled (1a, 1b) so that they are in contact at the level of an annular welding zone (22), a head of friction welding (23), movable in rotation about an axis (B) substantially perpendicular to the axis (A) of said parts (la, 1b), comprising a body (24, 27) and a kneading pin (26). ) projecting from the body (24, 27), means for radially displacing the welding head (23) with respect to the parts to be assembled (la, I b) making it possible to penetrate the kneading pin (26) at the level of the zone to be welded (22) or to remove said kneading pin (26) from said zone to be welded (22), - means for rotating the parts to be assembled (1a, 1b) with respect to the head of oudage (23), so as to move the kneading pin (26) along the annular weld zone (22). 2. Outillage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un organe presseur (28), destiné à venir en appui sur l'une au moins desdites pièces à assembler (1a, lb), à proximité ou au niveau de la zone à souder (22).2. Tooling according to claim 1, characterized in that it comprises at least one pressing member (28), intended to bear on at least one of said parts to be assembled (1a, 1b), near or at the level of the area to be welded (22). 3. Outillage selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe presseur est un galet (28), par exemple un galet tournant, en appui sur chacune des deux pièces à assembler (la, I b) au niveau de la zone à souder (22).3. Tooling according to claim 2, characterized in that the pressing member is a roller (28), for example a rotating roller bearing on each of the two parts to be assembled (la, I b) at the level of the zone to solder (22). 4. Outillage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le pion de malaxage (26) est mobile en translation par rapport au corps (24, 27) entre une position rétractée dans laquelle il est logé dans le corps(24, 27) et une position déployée dans laquelle il fait saillie hors du corps (24, 27).4. Tooling according to one of claims 1 to 3, characterized in that the kneading pin (26) is movable in translation relative to the body (24, 27) between a retracted position in which it is housed in the body ( 24, 27) and an extended position in which it projects out of the body (24, 27). 5. Outillage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de support et de positionnement comportent un premier flasque (13) comportant des moyens de centrage (15) de l'une (1a) des pièces à assembler (1a, 1 b) et un second flasque (16) comportant des moyens de centrage (18) de l'autre pièce à assembler (1 b), les deux flasques (13, 16) étant montés sur un arbre (10) mobile en rotation de façon à entraîner en rotation lesdits flasques (13, 16) et lesdites pièces à assembler (1a, 1 b) par rapport à la tête de soudage (23).5. Tooling according to one of claims 1 to 4, characterized in that the support and positioning means comprise a first flange (13) having centering means (15) of one (1a) parts to assemble (1a, 1b) and a second flange (16) comprising centering means (18) of the other part to be assembled (1b), the two flanges (13, 16) being mounted on a movable shaft (10) in rotation so as to rotate said flanges (13, 16) and said parts to be assembled (1a, 1b) with respect to the welding head (23). 6. Outillage selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une entretoise (19) permettant de contraindre les deux flasques (13, 16) l'un vers l'autre de manière à assurer le contact des deux pièces à assembler (1a, 1b) au niveau de la zone à souder (22).6. Tooling according to claim 5, characterized in that it comprises at least one spacer (19) for constraining the two flanges (13, 16) towards one another so as to ensure the contact of the two parts to assemble (1a, 1b) at the area to be welded (22). 7. Outillage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un frein (32) apte à freiner la rotation desdites pièces à assembler (1a, lb).7. Tooling according to one of claims 1 to 6, characterized in that it comprises a brake (32) capable of braking the rotation of said parts to be assembled (1a, 1b). 8. Outillage selon la revendication 7, caractérisé en ce que le frein (32) est apte à prendre appui sur un élément de l'une des pièces à assembler (1a, 1b), par exemple sur une bride (3) de ladite pièce (1 b).8. Tooling according to claim 7, characterized in that the brake (32) is adapted to bear on an element of one of the parts to be assembled (1a, 1b), for example on a flange (3) of said part (1b). 9. Procédé d'assemblage de deux pièces annulaires coaxiales (1a, lb), destinées à former un carter (1) de turbomachine après assemblage, par soudage par friction à l'aide d'un outillage (4) selon l'une des revendications 1 à 8, comportant les étapes consistant à: - positionner les deux pièces à assembler (1a, 1 b) de façon à ce qu'elles viennent en contact au niveau d'une zone à souder annulaire (22), - entraîner en rotation la tête de soudage (23) et la déplacer radialement de façon à ce que le pion de malaxage (26) pénètre dans les pièces à assembler (1a, lb), au niveau de la zone à souder (22), et provoque un échauffement par friction de ladite zone à souder (22) et unmélange de la matière ainsi échauffée en vue de former une soudure (36) par refroidissement de ladite zone échauffée, - entraîner en rotation les deux pièces à assembler (1a, 1b) autour de leur axe (A), de façon à former un cordon de soudure (36) sur au moins une partie de la zone à souder annulaire (22), - retirer le pion de malaxage (26) hors de la zone à souder (22).9. A method of assembling two coaxial annular pieces (1a, 1b), intended to form a turbomachine casing (1) after assembly, by friction welding using a tool (4) according to one of the Claims 1 to 8, comprising the steps of: - positioning the two parts to be assembled (1a, 1b) so that they come into contact at the level of an annular welding zone (22); rotating the welding head (23) and moving it radially so that the kneading pin (26) penetrates the parts to be joined (1a, 1b) at the region to be welded (22) and causes a frictional heating of said welding zone (22) and a mixture of the material thus heated to form a weld (36) by cooling said heated zone, - rotating the two parts to be assembled (1a, 1b) around their axis (A), so as to form a weld bead (36) on at least a part of the zone annular weld (22), - remove the kneading pin (26) from the weld zone (22). 10. Procédé de réparation d'un carter (1) de turbomachine consistant à supprimer par usinage une partie annulaire détériorée du carter (1) et à fixer un élément annulaire de substitution (1a) au reste (1 b) du carter (1) par soudage par friction, conformément au procédé selon la revendication 9.10. A method of repairing a turbomachine casing (1) consisting in eliminating by machining a deteriorated annular portion of the casing (1) and fixing a replacement annular element (1a) to the remainder (1b) of the casing (1). by friction welding according to the method according to claim 9.
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