FR3108553A1 - Procédé de soudage de pièces à base de matériau thermoplastique - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne en premier lieu un procédé de soudage d’au moins deux pièces comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives, comprenant : l’insertion d’un insert entre les surfaces à souder des deux pièces ; la génération de chaleur par ledit insert ; l’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface entre les surfaces à souder ; dans lequel l’insert se déplace par rapport aux pièces à souder lors du soudage, selon une direction de soudage. L’invention concerne également une installation adaptée pour la mise en œuvre de ce procédé. Pas de figure

Description

Procédé de soudage de pièces à base de matériau thermoplastique
La présente invention concerne un procédé de soudage, notamment un procédé de soudage par induction, ainsi qu’une installation pour la mise en œuvre de ce procédé.
Arrière-plan technique
Les matériaux composites comprenant des fibres de renfort dispersées dans une matrice polymère thermoplastique ont de nombreux usages possibles, et notamment, dans le domaine de l’aéronautique, la fabrication du fuselage des avions. La dispersion de fibres dans une matrice polymère thermoplastique confère des propriétés particulières aux pièces composites rigides, notamment en termes de résistance à la fissuration, de tenue en fatigue, de recyclabilité.
Les pièces en matériaux composites sont typiquement composées de plusieurs plis (ou couches) superposées et laminées ensemble, les fibres dans chaque pli ayant une direction principale le plus souvent différente de la direction principale des fibres des couches adjacentes. Ces plis (ou couches) sont également dénommés « semi-produits ». Un semi-produit est caractérisé par une répartition homogène de la résine (appelée alors matrice) autour des fibres de renfort.
Pour certaines applications, il peut être nécessaire d’associer plusieurs pièces composites comme, par exemple, dans le cas du fuselage d’avion, un panneau de peau, des raidisseurs et des cadres.
Ces pièces composites peuvent être assemblées par soudage, par exemple par une technologie de type induction.
La demande internationale WO 2020/016514 A1 déposée le 16 juillet 2019 divulgue un procédé de soudage d’au moins deux pièces rigides comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives comprenant : l’insertion d’un insert entre les surfaces à souder des deux pièces, ledit insert ayant une épaisseur de 5 mm ou moins ; la fourniture de chaleur par ledit insert ; dans lequel l’insert se déplace par rapport aux pièces à souder lors du soudage, selon la direction de soudage. Ce procédé est un procédé d’assemblage efficace, performant et rapide de pièces rigides à base de matériaux thermoplastiques. Ce procédé permet l’assemblage de pièces par chauffage, sans apport de matière, sans déformation, sans délamination et sans décompactage des pièces à souder. Cependant, lorsque les pièces à souder sont très rigides, et bien que l’insert soit mince, la mise en contact des surfaces à souder après le passage de l’insert peut ne pas se faire sur une certaine distance. Cela peut entraîner une baisse sensible de la température des surfaces à souder et avoir un impact négatif sur la performance du soudage. En outre, en cas de jeu entre les pièces à souder, par exemple du fait de la configuration, de la dimension et/ou de la rigidité des pièces à souder, le soudage peut être incomplet sur l’ensemble de la zone de soudage.
Il existe donc un réel besoin de fournir un procédé d’assemblage amélioré, notamment un procédé permettant le soudage complet des pièces sur l’ensemble de la zone à souder, indépendamment de la configuration, de la dimension et/ou de la rigidité des pièces à souder.
Il existe également un réel besoin de fournir un procédé d’assemblage amélioré permettant de compenser les jeux qui pourraient être présents à certains niveaux entre les surfaces à souder, lesquels pouvant être causés par exemple par la grande rigidité et/ou la grande dimension des pièces à souder.
L’invention concerne en premier lieu un procédé de soudage d’au moins deux pièces rigides comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives, comprenant : l’insertion d’un insert entre les surfaces à souder des deux pièces, ledit insert ayant une épaisseur de 5 mm ou moins; la fourniture de chaleur par ledit insert ; l’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface entre les surfaces à souder ; dans lequel l’insert se déplace par rapport aux pièces à souder lors du soudage, selon une direction de soudage.
Dans un mode particulier de réalisation, la chaleur est fournie par ledit insert, celui-ci étant chauffé par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons ou par utilisation d’un laser par un flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur.
Dans un mode particulier de réalisation, l’insert comprend un matériau sensible à l’induction, et la chaleur de l’insert est fournie par la génération d’un champ magnétique par au moins un inducteur.
Dans un mode particulier de réalisation, le matériau thermoplastique d’interface est introduit à l’interface des surfaces à souder en amont de l’insert, au niveau de l’insert et/ou en aval de l’insert, selon la direction de soudage.
Dans un mode particulier de réalisation, le matériau thermoplastique d’interface est introduit à l’état solide ou injecté à l’état liquide.
Dans un mode particulier de réalisation, le matériau thermoplastique d’interface est de composition identique ou différente de celles des matériaux thermoplastiques des pièces à souder.
L’invention concerne en premier lieu une installation de soudage d’au moins deux pièces rigides comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives, comprenant : un support pour porter les deux pièces à souder ; un bras comportant à son extrémité un insert de chauffe ayant une épaisseur de 5 mm ou moins, configuré pour être inséré entre les surfaces à souder des deux pièces ; un dispositif d’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface ; l’insert étant configuré pour se déplacer par rapport aux pièces à souder lors du soudage, selon une direction de soudage.
Dans un mode particulier de réalisation, l’installation comprend en outre un dispositif de génération de chaleur dudit insert par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons, par laser, par flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur.
Dans un mode particulier de réalisation, le dispositif de génération de chaleur est au moins un inducteur, et ledit insert comprend un matériau sensible à l’induction.
La présente invention permet de surmonter les inconvénients de l’état de la technique. Elle fournit plus particulièrement un procédé d’assemblage efficace, performant et rapide de pièces rigides à base de matériaux thermoplastiques par soudage complet des pièces sur l’ensemble de la zone à souder, indépendamment de leur configuration, de leur dimension et/ou de leur rigidité. Elle fournit également un procédé d’assemblage amélioré permettant de compenser les jeux qui pourraient être présents entre les surfaces à souder, tout en assurant le soudage complet des pièces sur l’ensemble de la zone à souder.
Brève description des figures
représente une vue en perspective schématique d’une installation de soudage par induction selon le document WO 2020/016514 A1.
représente une vue en coupe d’un insert et des plaques à souder selon un mode de réalisation du procédé selon le document WO 2020/016514 A1.
Description détaillée
L’invention est maintenant décrite plus en détail et de façon non limitative dans la description qui suit.
On entend par « pièce rigide » une pièce qui ne se déforme pas ou se déforme peu sous son propre poids. La rigidité de la pièce peut être caractérisée par un test de déformation d’une éprouvette de la pièce à souder. Le test de déformation consiste en la préparation d’une éprouvette découpée dans la portion de la pièce à tester ayant l’épaisseur la plus faible (si épaisseur variable), ladite éprouvette ayant une longueur de 12 cm, une largeur de 1 cm. La rigidité est appréciée en posant et en centrant l’éprouvette sur deux appuis distants de 10 cm. Dans les conditions standards de température et de pression, l’éprouvette présente une flèche maximale en son centre de 1 cm, correspondant à une déformation relative par rapport à la longueur de 10 % maximum.
On entend par « pièce à souder » une pièce comprenant un matériau thermoplastique. La pièce peut être une pièce ayant une structure d’un seul bloc (pièce monocouche) ou une pièce ayant une structure multicouche (pièce multicouche).
On entend par « matériau composite », un matériau comprenant des fibres de renfort dans une matrice de matériau thermoplastique. On entend par « matériau non-composite », un matériau dépourvu de fibres de renfort.
Les expressions « matériau composite » « couche composite », « pli » et « semi-produit » sont utilisées de manière interchangeable. Les semi-produits peuvent être des imprégnés (ou « tapes ») sous forme d’une nappe de fibres dans une matrice de résine. Les fibres de renfort ont de préférence une orientation essentiellement unidirectionnelle dans les semi-produits. Les semi-produits peuvent également être des tissus fibreux ou des nappes de fils de renforts unidirectionnelles cousues appelées aussi NCF (« Non-Crimp Fabrics ») imprégnées de polymères. Les semi-produits peuvent également être des produits comprenant du polymère thermoplastique non renforcé de fibres de renfort continues, formulé ou non avec des charges diverses.
On entend par « pièce compactée » une pièce composée d’au moins deux couches superposées, laminées ensemble et compactées.
On entend par « pièce déposée » une pièce composée d’au moins deux couches superposées et laminées ensemble, sans compaction au moyen d’un équipement d’application de pression type autoclave ou presse.
On entend par « produit de soudage » un produit comprenant au moins deux pièces, telles que définies ci-dessus, soudées ensemble selon le procédé de la présente invention.
Sauf indication contraire, tous les pourcentages concernant des quantités indiquées sont des pourcentages volumiques.
L’invention concerne les procédés de soudage comprenant l’insertion d’un insert fournissant de la chaleur. La chaleur peut être générée par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons, par utilisation d’un laser, par un flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur ; préférentiellement par induction ou par effet résistif ; très préférentiellement par induction ou alternativement par effet résistif.
En référence à la figure 1, l’installation 1 selon le document WO 2020/016514 A1 est destinée à la mise en œuvre d’un procédé de soudage par induction de deux pièces rigides 2, 3, chacune comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives et des surfaces libres respectives. L’invention peut être appliquée au soudage de plus de deux pièces.
En particulier, les pièces 2,3 peuvent être rigides en ce qu’elles ne se déforment pas ou se déforment peu sous leur propre poids. Leur rigidité peut être caractérisée par un test de déformation d’une éprouvette de la pièce à souder tel que décrit ci-dessus.
Plus particulièrement, les pièces 2,3 sont aussi rigides dans les conditions thermiques de l’opération de soudage, c’est-à-dire qu’ils sont rigides avant, pendant et après le soudage.
Les pièces 2, 3 peuvent comprendre, l’une par rapport à l’autre, des matériaux thermoplastiques différents compatibles, ou bien un même matériau thermoplastique. On entend par « matériaux thermoplastiques compatibles » des matériaux thermoplastiques miscibles, c’est-à-dire des polymères dont le mélange présente une température de transition vitreuse intermédiaire à celles de ces polymères. Des exemples de matériaux thermoplastiques appropriés pour l’invention sont les polyamides, les polysulfones, le polysulfure de phénylène (PPS), les polyimides, en particulier les polyétherimides (PEI), les polyaryléthercétones (PAEK), en particulier les polyéthercétonecétones (PEKK) et polyétheréthercétones (PEEK), le polytéréphtalate d'éthylène, les polyoléfines telles que le polypropylène, les polymères chlorés tels que le polychlorure de vinyle (PVC) et le polyfluorure de vinylidène (PVDF), les polymères acryliques ou méthacryliques. Le matériau thermoplastique peut être un matériau thermoplastique amorphe, cristallin ou semi-cristallin. Il peut également s’agir d’une combinaison de plusieurs des matériaux ci-dessus.
Les pièces 2, 3 peuvent comprendre des charges (dont des fibres de renfort) et/ou des additifs fonctionnels. Parmi les additifs fonctionnels, on peut notamment inclure un ou des tensioactifs, stabilisants UV, stabilisants thermiques, agents biocides, modifiants chocs, et/ou agents expansifs. Les charges peuvent comprendre des fibres ou des charges non fibreuses. Les charges non fibreuses peuvent notamment être des charges minérales telles que l’alumine, la silice, le carbonate de calcium, le dioxyde de titane, les billes de verre, le noir de carbone, le graphite le graphène et les nanotubes de carbone. Les charges fibreuses peuvent être des fibres dites coupées ou des fibres de renforts continues.
En particulier, les pièces 2, 3 peuvent indépendamment être en matériau composite, ledit matériau composite comprenant des fibres de renfort dans une matrice du matériau thermoplastique. Les fibres de renfort peuvent être notamment des fibres de verre, des fibres de quartz, des fibres de carbone, des fibres de graphite, des fibres de basalte, des fibres de silice, des fibres métalliques comme des fibres d'acier, des fibres d'aluminium ou des fibres de bore, des fibres céramiques comme des fibres de carbure de silicium ou de carbure de bore, des fibres naturelles végétales, des fibres organiques de synthèse comme des fibres d'aramide ou des fibres de poly(p-phénylène benzobisoxazole), plus connues sous le sigle PBO, ou encore des fibres de PAEK, ou encore de mélanges de telles fibres.
Les pièces 2, 3 peuvent indépendamment comprendre de 25 à 80 % en volume, de préférence de 45 à 70 % en volume, de fibres de renfort, par rapport au volume total de la pièce.
Les pièces 2, 3 peuvent comprendre une quantité de matrice du matériau thermoplastique allant de 20 % à 75 % en volume, de préférence de 30 % à 55 % en volume, par rapport au volume total de la pièce.
Dans certains modes de réalisation, les pièces 2, 3 peuvent indépendamment être constituées essentiellement, ou constituées, du matériau thermoplastique. Les pièces 2, 3 peuvent indépendamment être constituées d’un matériau dépourvu de tout élément renforçant, par exemple de fibres de renfort.
Par « constituée essentiellement du matériau thermoplastique », on entend que la pièce contient uniquement le matériau thermoplastique et éventuellement un ou des additifs fonctionnels ; la pièce peut notamment comprendre au moins 90 % en volume du matériau thermoplastique, de préférence au moins 95 %, ou au moins 98 %, ou au moins 99 %, par exemple approximativement 100 %.
Les pièces 2, 3 peuvent indépendamment être dépourvues de tout matériau conducteur électrique.
Les pièces 2, 3 peuvent également indépendamment comprendre de 0 à 30 % en volume de charges et/ou d’additifs fonctionnels.
Les pièces 2, 3 peuvent indépendamment être des structures d’un seul bloc, ou alternativement, des structures multicouches. Lorsque au moins l’une des pièces 2, 3 est une structure multicouche, les couches peuvent être différentes les unes des autres ou identiques.
Les caractéristiques mentionnées ci-dessus en rapport avec les pièces s’appliquent également aux couches de manière individuelle.
De préférence, la pièce 2, 3 comprend (ou consiste en) plusieurs couches composites (ou « semi-produits ») telles que décrites ci-dessus. La pièce 2, 3 peut être une pièce compactée ou une pièce déposée.
Le nombre de couches composites dans la pièce 2, 3 peut ainsi varier de 2 à 150, de préférence de 4 à 40, de préférence encore de 6 à 30, idéalement de 7 à 25.
Le procédé comprend en outre l’introduction (l’apport) d’un matériau thermoplastique d’interface (ou matériau d’apport) entre les surfaces à souder. Le matériau thermoplastique d’interface peut être introduit à l’interface des surfaces à souder, en amont de l’insert 4, au niveau de l’insert 4 et/ou en aval de l’insert 4, selon la direction de l’insert. Le matériau thermoplastique d’interface forme donc le joint de soudure avec les matrices des matériaux thermoplastiques des pièces 2,3 soudées, notamment par interpénétration, contribuant ainsi à combler tout jeu éventuel entre les pièces à souder 2,3 et à améliorer le joint de soudure entre les deux pièces soudées. L’introduction du matériau thermoplastique d’interface concomitamment au déplacement de l’insert et à la fourniture de chaleur permettant de réaliser un calage in situ.
Le matériau thermoplastique d’interface peut être introduit à l’état solide ou injecté à l’état liquide. Dans un mode particulier de réalisation, le matériau thermoplastique est introduit à l’état solide en amont de l’insert, par exemple parallèlement ou perpendiculairement à l’axe de l’insert. Le matériau thermoplastique d’interface peut être introduit sous forme de jonc ou sous forme de filament extrudé. Dans un mode alternatif de réalisation, le matériau thermoplastique est injecté à l’état liquide en amont ou en aval de l’insert. Dans un mode alternatif de réalisation, le matériau thermoplastique d’interface peut être introduit au niveau de l’insert, par exemple en utilisant des moyens d’introduction du matériau thermoplastique d’interface intégrés à l’insert ou jumelés à celui-ci.
Le matériau thermoplastique d’interface est introduit dans une quantité suffisante pour permettre de combler tout jeu éventuel entre les surfaces à souder et pour permettre le soudage des pièces à souder 2,3.
Le matériau thermoplastique d’interface peut être introduit à une pression d’introduction déterminée et/ou concomitamment à l’application d’une pression de compactage déterminée, afin de permettre une répartition satisfaisante du matériau thermoplastique d’interface au niveau de la zone de soudage, notamment aux niveaux des jeux éventuels entre les surfaces à souder.
La fourniture de la chaleur par ledit insert est suffisante pour assurer la fusion du matériau thermoplastique d’interface s’il est introduit à l’état solide, ou alternativement pour le maintenir en fusion s’il est injecté à l’état liquide, ainsi que pour assurer la fusion des couches superficielles des surfaces à souder.
Le matériau thermoplastique d’interface peut avoir une composition identique ou différente de celles des matériaux thermoplastiques des pièces à souder 2,3.
Le matériau thermoplastique d’interface peut notamment présenter une composition sélectionnée. En particulier, le matériau thermoplastique d’interface peut comprendre des charges de renfort, par exemple les fibres de verre et les fibres de carbone, afin d’améliorer la tenue mécanique de la zone assemblée. Le matériau thermoplastique d’interface peut comprendre en outre des charges minérales (ferromagnétiques), afin d’assurer une bonne conduction thermique.
Le matériau thermoplastique d’interface peut notamment présenter des propriétés sélectionnées.
Le matériau thermoplastique d’interface peut avoir une viscosité déterminée, afin de permettre un écoulement suffisant pour combler l’espace entre les deux surfaces à souder.
Le matériau thermoplastique d’interface peut avoir une température de transition vitreuse Tg déterminée, afin de permettre un soudage satisfaisant des pièces à souder 2,3.
Le matériau thermoplastique d’interface peut également avoir une miscibilité thermodynamique satisfaisante par rapport aux matériaux thermoplastiques des surfaces à souder, afin de garantir l’adhésion du matériau thermoplastique d’interface aux matériaux thermoplastiques des pièces à souder 2,3. La miscibilité thermodynamique du matériau thermoplastique d’interface peut être déterminée par le calcul de l’enthalpie libre de mélange ΔG, ladite enthalpie libre de mélange correspondant à ΔH-TΔS. L’enthalpie libre de mélange ΔG est calculée à partir de la théorie de Flory-Huggins Dans un mode particulier de réalisation, le matériau thermoplastique d’interface à une enthalpie libre de mélange de ΔG<0.
Le produit de soudure présente une performance mécanique à l’assemblage satisfaisante. Cette performance mécanique à l’assemblage peut être évaluée par exemple par la mesure d’une contrainte de cisaillement à la rupture. Une contrainte de cisaillement à la rupture est une contrainte mécanique appliquée de manière parallèle à la surface du produit de soudure entrainant la ruine du matériau au niveau de l’interface soudée. Par exemple, selon une technique connue conformément aux normes prEN 6060 ou ISO4587, des rainures perpendiculaires à la direction de soudure peuvent être aménagées sur chacune des deux surfaces du produit de soudure, et localisent l’effort de cisaillement ainsi généré au niveau de l’interface soudée. La contrainte de cisaillement correspond à la force nécessaire à la rupture du produit de soudure ramenée à la surface travaillante.
De préférence, les fibres de renfort ont une orientation essentiellement unidirectionnelle dans chaque couche composite. De préférence encore, l’orientation unidirectionnelle des fibres de renfort diffère d’une couche à l’autre. De préférence encore, deux couches adjacentes présentent des orientations unidirectionnelles de fibres de renfort qui présentent essentiellement un angle d’environ 90° l’une par rapport à l’autre ; ou qui présentent essentiellement un angle d’environ 45° l’une par rapport à l’autre.
Alternativement, les fibres de renfort dans au moins une des couches composites, et notamment dans chacune des couches composites, peuvent avoir plusieurs directions.
Le matériau thermoplastique peut être identique ou différent d’une couche à l’autre d’une pièce 2, 3 multicouche. De préférence, le matériau thermoplastique est de même nature dans l’ensemble des couches de la pièce 2, 3. Il peut éventuellement comporter un grade différent d’une couche à l’autre, par exemple une viscosité différente, un poids moléculaire différent ou une température de fusion différente. Alternativement, le grade du matériau thermoplastique est le même dans l’ensemble des couches.
Dans certains modes de réalisation, lorsqu’au moins l’une des pièces 2, 3 est une structure multicouche, la couche comportant la surface à souder (appelée aussi dans la présente description « première couche ») comprend un matériau thermoplastique ayant une température de fusion inférieure à la température de fusion du ou des matériaux thermoplastiques des autres couches de la pièce 2, 3. La température de fusion du matériau thermoplastique de la première couche peut être inférieure de 10 à 100°C, de préférence de 20 à 60°C, de préférence encore de 35 à 50°C, par rapport à la température de fusion du ou des matériaux thermoplastiques des autres couches de la pièce 2, 3.
La couche comportant la surface à souder peut également comprendre un matériau thermoplastique ayant une viscosité inférieure à celle du ou des matériaux thermoplastiques des autres couches de la pièce 2, 3. La viscosité peut être la valeur de viscosité à l’état fondu MVI (« Melt Volume Index ») ou MVR (« Melt Volume Rate ») mesurée selon la norme ISO/FDIS/1133_1 et ISO/FDIS/1133_2. La mesure est réalisée à 380°C, sous une masse de 1kg, les produits étant séchés avant la mesure du MVI.
La couche comportant la surface à souder peut également comprendre une quantité volumique en matériau thermoplastique supérieure à celle des autres couches de la pièce 2, 3 ou une quantité volumique en fibres de renfort inférieure à celles des autres couches de la pièce 2, 3. La quantité volumique en matériau thermoplastique de la première couche peut varier de 30 à 100%, de préférence de 45 à 80 %, de préférence encore de 55 à 70 %, par rapport à la quantité volumique totale de ladite couche de la pièce 2, 3. La couche comportant la surface à souder, enrichie en résine par rapport aux autres couches de la pièce 2,3, est préférentiellement orientée à 0° par rapport à la direction de soudure.
Ainsi, les pièces 2, 3 peuvent par exemple présenter, dans leurs parties externes, un fort renforcement par des fibres, tout en conservant, au niveau des surfaces à souder, le taux de matériau thermoplastique nécessaire à un bon soudage.
La présence d’une couche comportant la surface à souder avec une viscosité plus faible et/ou une quantité volumique en matériau thermoplastique supérieure permet de faciliter le soudage et/ou de le rendre plus performant, et peut notamment permettre la formation d’un bourrelet (ou ménisque) de matériau thermoplastique à l’interface de soudage.
La couche comportant la surface à souder peut également comprendre un matériau de renfort à forte densité de croisement, tel qu’un tissé de carbone.
La couche comportant la surface à souder peut également comprendre, en tant que matériau thermoplastique, un mélange de deux ou plusieurs espèces thermoplastiques, les autres couches de la pièce 2, 3 ne comprenant en tant que matériau thermoplastique qu’une seule espèce thermoplastique.
Les pièces 2, 3 peuvent indépendamment avoir une épaisseur constante ou peuvent avoir une épaisseur qui varie, par exemple qui varie selon la direction de soudage D.
L’installation 1 comprend un support pour porter les pièces 2, 3 à souder (non montré sur la figure 1). Le support peut également maintenir les pièces 2, 3 pendant les opérations de soudage, par exemple par bridage. Ce support comporte de préférence une face plane destinée à porter les pièces 2, 3 mais peut également être de toute forme possible.
Avantageusement, particulièrement dans le cas de matériaux conducteurs thermiques comme un composite à renfort carbone, il peut être utile de préchauffer la zone à souder à une température qui doit rester inférieure à la température de fusion de tous les matériaux constitutifs des structures à souder, à l’aide de tout moyen approprié, il est aussi possible de chauffer le support.
Avantageusement, particulièrement dans le cas de matériaux conducteurs thermiques comme un composite à renfort carbone, il peut être également utile de maintenir le chauffage de la zone soudée à une température qui doit rester inférieure à la température de fusion de tous les matériaux constitutifs des structures à souder, à l’aide de tout moyen approprié, comme par exemple des lampes infrarouges ou un jet d’air chaud. La chauffe peut être locale, à proximité et au droit de la zone soudée.
L’installation 1 comprend un insert 4. L’insert 4 est un insert de chauffe, en ce qu’il est susceptible de fournir de la chaleur. La chaleur peut être fournie par tout moyen approprié, notamment par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons, par utilisation d’un laser, par un flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur.
Pour le soudage par induction, l’insert comprend un matériau comprenant un matériau sensible à l’induction, et la chaleur de l’insert est générée par la génération d’un champ magnétique par au moins un inducteur 5. Par « matériau sensible à l’induction », on entend un matériau capable de chauffer lorsqu’il est soumis à un champ magnétique, au moins dans certaines conditions. Il peut s’agir en particulier d’un matériau suscepteur ou absorbeur de champ magnétique. De préférence, l’insert 4 comprend un matériau plus sensible à l’induction que les matériaux constituant les pièces 2, 3. De préférence, le matériau sensible à l’induction est un matériau métallique sensible à l’induction. Le matériau métallique peut être choisi par exemple parmi le groupe consistant en le fer, un acier, l’aluminium, le nickel-chrome, le titane, ou une combinaison de ceux-ci.
L’insert 4 peut comprendre, en tant que matériau sensible à l’induction, ou être constitué de, un matériau ferromagnétique ayant une température de Curie Tc. Lorsque la température du matériau ferromagnétique est inférieure à Tc, ce matériau a un comportement ferromagnétique et sera sensible à l’induction. Lorsque la température du matériau atteint la température de Curie Tc, le matériau devient paramagnétique et sa sensibilité à l’induction est modifiée, de sorte que la température dudit matériau peut être maintenue à la température Tc.
L’insert 4, notamment lorsqu’il comprend un matériau ferromagnétique en tant que matériau sensible à l’induction, peut être recouvert, en totalité ou en partie, d’un revêtement fonctionnel apportant par exemple la propriété d’anti-corrosion ou facilitant le glissement de l’insert entre les deux pièces.
Pour le soudage par effet résistif, l’insert comprend un matériau conducteur électrique, et la chaleur de l’insert est générée par effet résistif. L’effet résistif est généré par application d’un courant électrique. L’insert peut être recouvert éventuellement, en totalité ou en partie, d’un matériau isolant.
Pour le soudage par utilisation de laser, l’insert peut être chauffé directement par au moins un laser. Alternativement, l’insert peut comprendre un réseau de fibres optiques permettant de diriger l’énergie de chauffage laser vers les surfaces à souder.
Pour le soudage par un flux de gaz chaud, l’insert 4 peut être chauffé directement par le flux de gaz chaud, par exemple par contact. Alternativement, l’insert peut comprendre au moins une canalisation permettant la circulation du flux de gaz chaud dans l’insert.
Pour le soudage par conduction, l’insert 4 peut être chauffé par toute source externe de chaleur adaptée.
L’insert 4 est avantageusement une plaque. L’insert 4 a une épaisseur de 5 mm ou moins, préférentiellement de 0,3 à 5 mm ; très préférentiellement de 0,3 à 3 mm, plus préférentiellement de 0,5 à 1,5 mm, encore plus préférentiellement de 0,5 à 1 mm. Par « épaisseur », on entend la dimension entre les surfaces de l’insert 4 en contact avec les surfaces à souder. Si les surfaces de l’insert 4 ne sont pas planes et parallèles entre elles, l’épaisseur correspond à la dimension maximale entre ces deux surfaces. Comme illustré sur la figure 2, il est préférable de limiter la distance « d » entre l’extrémité de l’insert 4 et le point de contact des surfaces à souder des pièces 2, 3. Cela implique de limiter l’épaisseur de l’insert 4 de manière à ne pas contraindre une ou les pièces à souder 2, 3 au-delà de leur limite élastique. Ainsi, l’épaisseur de l’insert 4 doit être miniaturisée, adaptée et optimisée en fonction en prenant en compte la rigidité des pièces à souder 2, 3, et avoir typiquement une épaisseur de 5 mm ou moins.
L’insert 4 peut avoir des dimensions (par exemple une longueur, une largeur, une épaisseur), une forme et/ou des propriétés (par exemple effet ressort) adaptées aux pièces à souder et au procédé de soudage (par exemple la vitesse de déplacement).
L’insert 4 peut avoir une largeur (perpendiculairement à la direction de soudure) au moins égale à la largeur de la zone de recouvrement des pièces à souder 2, 3. Alternativement, l’insert 4 peut avoir une largeur inférieure à la largeur de la zone de recouvrement des pièces à souder 2, 3, formant ainsi une soudure uniquement sur une partie de la largeur de la zone de recouvrement.
L’insert 4 peut être de forme plane, c’est-à-dire que chacune de ses deux surfaces sont planes. Les surfaces planes peuvent être parallèles entre elles (angle nul). Afin d’optimiser la chauffe des surfaces à souder au contact de l’insert 4, les surfaces de l’insert 4 peuvent former un angle non nul, présentant une forme de biseau, par exemple un insert ayant un biseau plan ou un insert ayant un biseau non-plan. Les surfaces de l’insert peuvent présenter des géométries spécifiques et adaptées au profil des pièces 2, 3 à souder. Dans d’autres modes de réalisation, l’insert 4 peut avoir toute autre forme adaptée, en particulier une forme non plane. L’utilisation d’un tel insert, avec une géométrie particulière, permet de souder des pièces ayant des surfaces à souder non planes.
L’insert 4 est situé à l’extrémité d’un bras 8, et est de préférence fixé de manière solidaire au bras 8.
Le procédé de soudage par induction selon l’invention comprend l’insertion de l’insert 4 entre les surfaces à souder des deux pièces 2, 3. Lors du soudage, l’insert 4 se déplace par rapport aux pièces à souder 2, 3, selon une direction de soudage D.
Ce déplacement relatif peut être effectué en déplaçant les pièces à souder 2, 3, l’insert 4 restant fixe par rapport au support. Alternativement et de préférence, il peut être effectué en déplaçant l’insert 4 par rapport au support, les pièces à souder 2, 3 restant fixes par rapport au support.
L’insert 4 peut par exemple se déplacer par rapport aux pièces à souder 2, 3, selon une direction de soudage D, à une vitesse de 50 à 1000 mm/min, de préférence de 100 à 500 mm/min.
Lors du déplacement relatif de l’insert 4 par rapport aux pièces à souder 2, 3, selon une direction de soudage D, la trajectoire de l’insert (et des pièces à souder) peut être rectiligne. Alternativement, la trajectoire de l’insert peut ne pas être rectiligne. Par exemple, l’insert peut se déplacer également de manière transversale, de manière sinusoïdale ou incrémentale ou autre.
Pour le soudage par induction, l’installation 1 comprend également au moins un inducteur 5. Lors de la mise en œuvre du procédé de soudage par induction selon l’invention, l’inducteur 5 génère un champ magnétique.
Dans un mode de réalisation, comme illustré à la figure 1, l’installation peut comprendre un seul inducteur 5. Dans un autre mode de réalisation, , l’installation peut comprendre au moins deux inducteurs (non représentés).
L’inducteur 5 peut être fixe par rapport aux pièces 2, 3. Mais de préférence, l’inducteur est mobile par rapport aux pièces 2, 3.
Lors du déplacement relatif de l’insert 4 par rapport aux pièces à souder 2,3 selon une direction de soudage D, la trajectoire de l’inducteur peut être rectiligne ou peut ne pas être rectiligne.
De manière avantageuse, lors de la mise en œuvre du procédé de soudage selon l’invention, l’insert 4 et l’inducteur 5 se déplacent conjointement par rapport aux pièces à souder 2, 3 lors du soudage, selon la direction de soudage D. Par l’expression « se déplacer conjointement », on entend se déplacer en même temps, dans la même direction (ici la direction de soudage D) et à la même vitesse.
De préférence, le bras 8 qui comporte à son extrémité l’insert 4 est solidaire de l’inducteur 5.
L’installation comprend un dispositif d’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface. Le dispositif d’introduction est adapté à d’introduction de matériau thermoplastique d’interface à l’état solide ou à son injection à l’état liquide.
Le dispositif d’introduction du matériau thermoplastique d’interface peut être disposé en amont de l’insert, en aval de l’insert et/ou au niveau de l’insert, selon la direction de soudage. Le dispositif d’introduction du matériau thermoplastique d’interface peut être intégré à l’insert ou jumelé à celui-ci.
De manière avantageuse, lors de la mise en œuvre du procédé de soudage, l’insert et le dispositif d’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface se déplacent conjointement par rapport aux pièces à souder 2, 3 lors du soudage, selon la direction de soudage.
Le procédé de soudage selon l’invention peut comprendre une étape de mise en contact des surfaces à souder des deux pièces à souder 2, 3 par application d’une pression sur au moins une des deux pièces 2, 3 en amont de (c’est-à-dire devant) et/ou en aval de (c’est-à-dire derrière) la position de l’insert 4 par rapport à la direction du soudage D.
Ainsi, l’installation 1 peut également comprendre un ou plusieurs éléments d’application de pression. Ces éléments d’application de pression peuvent être positionnés derrière et/ou devant l’insert par rapport à la direction du soudage D.
Il peut par exemple s’agir d’un ou de plusieurs rouleaux de compactage 6, positionnés derrière l’insert par rapport à la direction du soudage D. Il peut aussi s’agir de plusieurs rouleaux de compactage 6 entourés optionnellement d’une chenille. Les éléments d’application de pression peuvent comporter des moyens de refroidissement. Ils peuvent également être indépendamment animés d’une vibration à une fréquence adaptée, par exemple ultrasonique. Les vibrations peuvent être induites par un vibreur 12. Lorsque le dispositif comprend au moins deux rouleaux de compactage, ceux-ci peuvent avoir des diamètres identiques ou différents. Ces rouleaux peuvent comprendre également une chenille d’appui.
Les éléments d’application de pression peuvent également consister en un ou plusieurs rouleaux de plaquage, positionnés devant l’insert par rapport à la direction du soudage D.
De préférence, les éléments d’application de pression peuvent indépendamment se déplacer conjointement au déplacement de l’insert 4, par rapport aux pièces à souder 2, 3, lors du soudage, selon la direction de soudage D. Dans le soudage par induction, ils peuvent indépendamment être solidaires de l’inducteur 5. Ils peuvent indépendamment être solidaires du bras 8 qui comporte l’insert 4.
Le procédé de soudage selon l’invention peut comprendre une étape de refroidissement des pièces soudées par application d’un bloc de régulation thermique (non représenté) sur au moins une des deux pièces 2, 3 derrière la position de l’insert 4 par rapport à la direction du soudage D, et devant le ou les éléments d’application de pression, si présent.
L’installation 1 peut également comprendre une enceinte à température contrôlée 14. Cette enceinte 14 est positionnée de préférence derrière l’insert par rapport à la direction du soudage D. Une enceinte peut également ou alternativement être positionnée devant l’insert par rapport à la direction du soudage D. De manière avantageuse, elle peut se déplacer conjointement au déplacement de l’insert 4, par rapport aux pièces à souder 2, 3, lors du soudage, selon la direction de soudage D. Dans des modes de réalisation, l’enceinte 14 est solidaire du bras 8 qui comporte l’insert 4. Dans le soudage par induction l’enceinte 14 est également ou alternativement être solidaire du bras 8 qui comporte l’inducteur 5.
L’enceinte à température contrôlée 14 peut être amenée à la température désirée par l’insufflation d’un fluide à l’intérieur de l’enceinte 14, de préférence de l’air chaud, à l’aide d’au moins un tuyau de soufflage 15.
La zone située à l’extérieur de l’enceinte à température contrôlée 14 peut être portée à une autre température, et par exemple peut être refroidie, notamment par insufflation d’un fluide, de préférence de l’air froid, à l’aide d’au moins un tuyau de soufflage.
L’enceinte à température contrôlée 14 peut être délimitée au moyen d’une jupe souple, par exemple en matériau élastomère. La jupe souple peut par exemple être fixée à la périphérie d’une plaque supérieure.
L’installation 1 peut également comprendre un deuxième bras 9 comportant à son extrémité un élément écarteur 7, éventuellement solidaire de l’insert 4. L’élément écarteur 7 est inséré entre les surfaces à souder des pièces 2, 3. L’élément écarteur 7 est préférentiellement positionné devant l’insert 4 par rapport à la direction du soudage D. Lors du soudage, il peut avantageusement se déplacer conjointement au déplacement de l’insert 4, par rapport aux pièces à souder 2, 3, entre les surfaces à souder selon la direction de soudage D. Le bras 9 comportant l’élément écarteur 7 peut être solidaire du bras 8 qui comporte l’insert 4. Dans le soudage par induction, le bras 9 comportant l’élément écarteur 7 peut également ou alternativement être solidaire du bras 8 qui comporte l’inducteur 5. L’élément écarteur peut être de forme double convexe, en ce que chacune de ses surfaces sont convexes. L’élément écarteur peut être également de forme mixte, en ce qu’une surface est convexe et l’autre surface est plane.
Lorsque le procédé de soudage selon l’invention est mis en œuvre, l’insert 4 peut être en contact avec chacune des surfaces à souder des deux pièces 2, 3. Alternativement, l’insert peut ne pas être en contact avec au moins une des surfaces à souder des deux pièces 2, 3, en particulier il peut n’être en contact avec aucune des surfaces à souder des deux pièces 2, 3.
Le chauffage des surfaces à souder peut ainsi être effectué par conduction et/ou par convection et/ou par rayonnement à partir de l’insert 4.
L’installation 1 peut également comprendre au moins un pyromètre (non représenté). Le pyromètre est préférentiellement positionné au niveau de l’insert 4 par rapport à la direction de soudage D. Le pyromètre est préférentiellement positionné sur un des bords des pièces à souder 2, 3 ou alternativement un pyromètre est situé sur chacun des bords des pièces à souder 2, 3, notamment lorsque l’insert à une largeur au moins égale à la largeur de la zone de recouvrement des pièces à souder 2, 3. Alternativement, ou additionnellement, un pyromètre peut être positionné au niveau de la surface libre de l’une des deux pièces en tout point de la zone de soudure, notamment si la largeur de l’insert ne représente qu’une portion de la largeur de la zone de recouvrement des pièces à souder 2, 3. Préférentiellement, l’insert 4 et le pyromètre se déplacent conjointement par rapport aux pièces à souder 2, 3, lors du soudage, selon la direction de soudage D. Il peut être solidaire du bras 8 qui comporte l’insert 4.
L’installation peut comprendre un dispositif multi-soudage. Dans un mode de réalisation, un dispositif multi-soudage peut permettre le soudage simultané d’au moins trois pièces à souder. Un tel dispositif peut comprendre notamment au moins deux inserts, positionnés au même niveau ou en décalé par rapport à la direction de soudure. Dans un autre mode de réalisation, un dispositif multi-soudage peut permettre le soudage de deux pièces au niveau de deux parties distinctes et ponctuelles de la zone de recouvrement. Un tel dispositif peut comprendre notamment au moins deux inserts, positionnés au même niveau par rapport à la direction de soudure et avec un certain écartement entre eux.
Le procédé de soudage selon l’invention peut comprendre la formation d’un bourrelet (ménisque) de matériau thermoplastique à l’extrémité de l’interface de soudage.
Dans certains modes de réalisation, la pièce 3 la plus éloignée de l’inducteur 5 est une structure multicouche qui présente un élément conducteur en tant que couche externe ou en tant que partie de la couche externe (c’est-à-dire la couche la plus éloignée de la surface 11 à souder). L’élément conducteur peut notamment être une grille métallique, par exemple en cuivre ou en bronze.
Les déplacements de l’insert 4 et/ou de l’inducteur 5 (pour le soudage par induction) et/ou des éléments d’application de pression et/ou de l’enceinte à température contrôlée 14 et/ou de l’élément écarteur 7 peuvent être réalisés de manière automatisée, par un ou plusieurs robots, ou bien manuellement par un opérateur. En particulier, pour le soudage par induction, l’insert 4 et l’inducteur 5 peuvent être déplacés conjointement par un même robot.
La température de soudage est fonction de la température de l’insert 4.
Dans le cas de l’induction, la température de l’insert 4 dépend elle-même de la puissance et de la fréquence du champ magnétique délivrés par l’inducteur 5, de la vitesse de déplacement de l’insert 4 et de la distance entre l’inducteur 5 et l’insert 4. Dans certains modes de réalisation, l’inducteur 5 génère un champ magnétique ayant une fréquence de 10 Hz à 2 MHz, de préférence de 80 Hz à 300 kHz, de préférence de 100 Hz à 200 kHz.
Dans certains modes de réalisation du soudage par induction, la distance entre l’inducteur 5 et l’insert 4 reste constante au cours du soudage. Dans d’autres modes de réalisation, cette distance peut varier, notamment si l’une au moins des pièces 2, 3 à souder est d’épaisseur variable.
Dans certains modes de réalisation, le procédé selon l’invention comprend une étape de contrôle de la température de l’insert 4 (au moyen d’un thermocouple ou de tout autre capteur de température approprié) et une étape de régulation instantanée de cette température, notamment par un ajustement de la vitesse de déplacement de l’insert 4, et/ou de la puissance du champ magnétique délivré par l’inducteur 5 ou la puissance électrique dans le cas d’une chauffe résistive, et/ou de tout autre paramètre pertinent, par exemple par une boucle de rétroaction conventionnelle.
De tels modes de réalisations sont particulièrement avantageux pour l’assemblage de pièces de fuselage dans le domaine de l’aéronautique car le contrôle de la température de soudage est nécessaire pour la qualification d’un procédé aéronautique.
Un autre mode de régulation, pour le procédé de soudage par effet résistif, peut être la mesure de la résistivité de l’insert. La mesure de la résistivité, dépendante de la température, permettra d’asservir la valeur du courant traversant l’insert 4.
Le procédé selon l’invention peut également comprendre une étape d’enregistrement des valeurs de la température de l’insert 4 et/ou de la vitesse de déplacement de l’insert 4, et/ou de la puissance magnétique délivrée par l’inducteur 5, et/ou de la pression appliquée aux pièces 2, 3 à souder, et/ou de tout autre paramètre.
Les pièces 2, 3 soudées selon l’invention peuvent être en particulier des pièces de fuselage d’avion, telles que notamment des pièces de peau de fuselage, de cadres ou de lisses.
Alternativement, ces pièces peuvent être des pièces d’équipements spatiaux, ou automobiles, ou d’équipements sportifs.
Le procédé de l’invention peut également être appliqué au soudage de bâches, structurelles ou non, notamment dans le domaine du génie civil et du nautisme (bâche de mouillage, voile de voilier…).

Claims (9)

  1. Procédé de soudage d’au moins deux pièces rigides (2, 3) comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives, comprenant :
    l’insertion d’un insert (4) entre les surfaces à souder des deux pièces (2, 3), ledit insert (4) ayant une épaisseur de 5 mm ou moins;
    la fourniture de chaleur par ledit insert (4) ;
    l’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface entre les surfaces à souder ;
    dans lequel l’insert se déplace par rapport aux pièces à souder (2, 3) lors du soudage, selon une direction de soudage.
  2. Procédé de soudage selon la revendication 1, dans lequel la chaleur est fournie par ledit insert, celui-ci étant chauffé par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons ou par utilisation d’un laser par un flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur.
  3. Procédé de soudage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’insert comprend un matériau sensible à l’induction, et la chaleur de l’insert est fournie par la génération d’un champ magnétique par au moins un inducteur (5).
  4. Procédé de soudage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau thermoplastique d’interface est introduit à l’interface des surfaces à souder en amont de l’insert (4), au niveau de l’insert (4) et/ou en aval de l’insert (4), selon la direction de soudage.
  5. Procédé de soudage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau thermoplastique d’interface est introduit à l’état solide ou injecté à l’état liquide.
  6. Procédé de soudage selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau thermoplastique d’interface est de composition identique ou différente de celles des matériaux thermoplastiques des pièces à souder (2,3).
  7. Installation de soudage d’au moins deux pièces rigides (2, 3) comprenant un matériau thermoplastique et ayant des surfaces à souder respectives, comprenant :
    un support pour porter les deux pièces à souder (2, 3) ;
    un bras (8) comportant à son extrémité un insert de chauffe (4) ayant une épaisseur de 5 mm ou moins, configuré pour être inséré entre les surfaces à souder des deux pièces (2, 3) ;
    un dispositif d’introduction d’un matériau thermoplastique d’interface ;
    l’insert (4) étant configuré pour se déplacer par rapport aux pièces (2, 3) à souder lors du soudage, selon une direction de soudage.
  8. Installation selon la revendication 7, comprenant en outre un dispositif de génération de chaleur dudit insert par induction, par effet résistif, par vibration, par frottement, par ultrasons, par laser, par flux de gaz chaud ou par conduction à partir d’une source externe de chaleur.
  9. Installation selon l’une quelconque des revendications 7 et 8, dans laquelle le dispositif de génération de chaleur est au moins un inducteur, et ledit insert comprend un matériau sensible à l’induction.
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