FR3124101A1 - Procédés de production d’un panneau structural raidi d’aéronef par soudage FSW - Google Patents

Procédés de production d’un panneau structural raidi d’aéronef par soudage FSW Download PDF

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Abstract

Procédé de production d’un panneau structural raidi d’aéronef, comportant les étapes suivantes : – fabrication d’un voile (2) par mise en forme d’une tôle métallique ; – fabrication d’un raidisseur (3) comportant un bord de fixation (7) et un bord de renfort (5) ; – mise en position du voile (2) et du raidisseur (3) dans un montage (13) de prise de pièce comportant une surface convexe de moulage (17) en vis-à-vis de lignes de jonction ; – soudage par friction malaxage du voile (2) et du raidisseur (3), l’outil de soudage rotatif (11) pressant la matière malaxée contre les surfaces convexes de moulage (17) en formant deux joints congés reliant le voile (2) et le raidisseur (3). Figure pour l’abrégé : Fig.10

Description

Procédés de production d’un panneau structural raidi d’aéronef par soudage FSW
L’invention concerne le domaine de l’aéronautique et concerne plus particulièrement les procédés de fabrication des panneaux structuraux raidis intervenant dans la construction d’un aéronef.
Les panneaux structuraux raidis sont généralement constitués d’une feuille de matériau dénommée voile, qui est rendue rigide par des raidisseurs. Les panneaux structuraux raidis sont couramment employés dans l’architecture d’un aéronef pour des éléments tels que : planchers, parois délimitant une case de train d’atterrissage, un fond étanche de fuselage, un revêtement de fuselage, un revêtement de porte, etc., ces éléments pouvant être pressurisés ou non.
ART ANTÉRIEUR
Le procédé le plus fréquemment employé pour la réalisation des panneaux structuraux raidis est l’assemblage par rivetage. Cet assemblage est bien maitrisé dans le domaine de l’aéronautique, mais il implique de nombreuses opérations difficilement optimisables tels que perçages, application de mastic, pose de rivets de fixation, etc. De plus, la création d’accidents de forme tels des trous pénalise la résistance à la fatigue du panneau. La masse des panneaux obtenus par assemblage riveté est également peu optimale, dû à la superposition d’épaisseurs de matériau et à la masse des fixations.
Les panneaux structuraux raidis peuvent également être obtenus par usinage d’une ébauche dont l’épaisseur correspond à l’épaisseur totale du panneau (voile et raidisseurs) que l’on souhaite obtenir. Les procédés à base d’usinage permettent d’obtenir un panneau structural raidi fini qui résout un certain nombre des inconvénients de l’assemblage riveté. Cependant, ces opérations d’usinage nécessitent un enlèvement de matière en très grande quantité. La matière perdue est de l’ordre de 95 à 98 % de la masse de l’ébauche. Ces procédés sont donc d’un cout prohibitif aussi bien en matière première qu’en cout d’usinage. Ils impliquent également des temps d’usinage importants, et nécessitent du matériel spécifique et onéreux (fraiseuses de grande dimension).
Par ailleurs, les procédés de soudage par friction malaxage (FSW, pour « Friction Stir Welding », en anglais) présentent des avantages intéressants pour la fabrication des panneaux structuraux raidis d’aéronef, au moins du point de vue théorique. En effet, de nombreuses solutions utilisant cette technologie de soudage ont été explorées et brevetées (voir par exemple les demandes de brevet FR3049929 et EP2862795).
Certaines de ces solutions nécessitent l’usinage de formes complémentaires d’assemblage entre les raidisseurs et le voile. Des rainures, par exemple, peuvent être nécessaires à l’assemblage. Ces éléments représentent un cout de réalisation et entrainent des phases préliminaires d’assemblage délicat pouvant conduire à des défauts.
D’autres solutions explorées pour l’application du soudage par friction malaxage nécessitent le positionnement des raidisseurs sur des jonctions de plaques formant le voile, afin de permettre la soudure par friction malaxage.
Il est également connu d’utiliser le soudage par friction malaxage pour souder entre eux des profilés extrudés qui forment chacun un raidisseur rattaché à une portion du voile. Bien que ce type de solution soit mieux maitrisé que les solutions décrites précédemment, elle est réservée à des nuances d’aluminium permettant l’extrusion de profilés, par exemple les alliages d’aluminium extrudables de la série 7000. Ces alliages ne sont pas les meilleurs en matière de résistance à la corrosion et ne peuvent être employés pour certaines applications aéronautiques. Ces solutions sont également très onéreuses de par le prix des profilés extrudés.
Il est également connu d’utiliser le soudage par friction malaxage en plusieurs passes parallèles pour souder des blocs métalliques sur un voile. Ce type de procédé est tout d’abord couteux dû aux diverses passes nécessaires de soudage de chaque bloc métallique, et à la nécessité d’un usinage final de chaque bloc métallique pour lui donner la forme d’un raidisseur. Le domaine de faisabilité est réduit et la déformation résiduelle est plus importante. Des risques de corrosion apparaissent également avec des interstices non soudés formant des zones d’infiltration d’humidité. Ces procédés nécessitent de plus l’usinage final du bloc métallique pour lui donner la forme d’un raidisseur, ce qui augmente encore le cout.
Aucune de ces solutions pour l’application du soudage par friction malaxage ne donne pleine satisfaction et cette technique de soudage est ainsi actuellement peu répandue pour la fabrication de panneaux structuraux raidis, car la maitrise des formes finales de la soudure obtenue est peu garantie, et peu reproductible, et ne correspond pas aux standards de sécurité requis pour l’aéronautique.
L’invention a pour but d’améliorer les procédés de production de panneaux structuraux raidis d’aéronef de l’art antérieur, en permettant l’utilisation sure du soudage par friction malaxage.
À cet effet, l’invention vise un procédé de production d’un panneau structural raidi d’aéronef, ce panneau comportant un voile sur lequel est fixé au moins un raidisseur, ce procédé comportant les étapes suivantes :
– fabrication d’un voile par mise en forme d’une tôle métallique, ce voile comportant une première face et une deuxième face ;
– fabrication d’un raidisseur s’étendant selon une direction longitudinale, ce raidisseur comportant un bord de fixation s’étendant sensiblement parallèlement à la direction longitudinale, et un bord de renfort qui est opposé au bord de fixation et qui s’étend parallèlement à la direction longitudinale ;
– mise en position du voile et du raidisseur dans un montage de prise de pièce, le bord de fixation du raidisseur étant disposé contre la première face du voile suivant deux lignes de jonction entre le voile et le raidisseur, de part et d’autre du bord de fixation, le montage de prise de pièce comportant une surface convexe de moulage en vis-à-vis de chacune des deux lignes de jonction ;
– soudage par friction malaxage du voile et du raidisseur, par application d’un outil de soudage rotatif sur la deuxième face du voile, en vis-à-vis du bord de fixation du raidisseur, et déplacement de l’outil de soudage rotatif le long de la direction longitudinale, l’outil de soudage rotatif pressant la matière malaxée contre les surfaces convexes de moulage en formant deux joints congés reliant le voile et le raidisseur.
L’invention permet la réalisation de panneaux structuraux raidis d’aéronef grâce à un procédé rapide à mettre en œuvre et peu onéreux, en évitant la plupart des inconvénients de l’art antérieur.
L’invention permet de s’affranchir, par rapport à certains procédés de l’art antérieur, de l’approvisionnement en profilés. L’utilisation de tôles est avantageuse du point de vue du cout en matière première ainsi que dans le large choix de nuances d’alliage métallique qu’il est possible de mettre en œuvre.
L’invention permet ainsi d’améliorer le cout, la qualité, et la vitesse de réalisation des procédés.
L’invention permet également de rationaliser et de flexibiliser la production des panneaux structuraux raidis et d’obtenir des gains de productivité.
Le procédé selon l’invention peut comporter les caractéristiques additionnelles suivantes, seules ou en combinaison :
– dans l’étape de mise en position du voile et du raidisseur, le bord de fixation est en contact plan sur plan avec la première face du voile ;
– le montage de prise de pièce comporte deux enclumes serrant le bord de fixation du raidisseur, ces enclumes comportant chacune un arrondi définissant la surface convexe de moulage ;
– la surface convexe de moulage est une surface semi-circulaire ;
– la surface convexe de moulage présente un rayon supérieur ou égal à deux millimètres ;
– l’outil de soudage rotatif comporte un pion de malaxage, ainsi qu’un épaulement de contention, et lors de l’étape de soudage, la matière malaxée est pressée contre les surfaces convexes de moulage par l’épaulement de contention ;
– lors de l’étape de soudage, le pion de malaxage est enfoncé dans la matière au-delà de la première face du voile ;
– le pion de malaxage présente une longueur supérieure à l’épaisseur du voile ;
– le pion de malaxage présente un diamètre sensiblement égal à l’épaisseur du bord de fixation du raidisseur ;
– le raidisseur et le voile sont fabriqués dans le même alliage d’aluminium ;
– le raidisseur est fabriqué à partir d’une tôle métallique ;
– le raidisseur est fabriqué à partir d’une tôle métallique d’épaisseur constante ;
– le raidisseur est fabriqué en recourbant ladite tôle métallique pour former le bord de renfort ;
– le raidisseur est fabriqué par découpe dans ladite tôle métallique ;
– le raidisseur est fabriqué à partir d’une bande de tôle ;
– le montage de prise de pièce comporte une enclume de maintien du bord de renfort du raidisseur ;
– le montage de prise de pièce comporte un socle de maintien du voile ;
– le bord de fixation du raidisseur est constitué d’un pied rattaché à une âme du raidisseur, le pied présentant une épaisseur supérieure à l’âme ;
– le pied comporte un congé de raccordement avec l’âme du raidisseur ;
– le voile est agencé en deux portions disposées de part et d’autre du bord de fixation du raidisseur ;
– les étapes de fabrication d’un raidisseur, de mise en position du voile et de ce raidisseur, et de soudage sont répétées pour une pluralité de raidisseurs soudés au même voile ;
– le procédé comporte des étapes intermédiaires de réalisation d’une pluralité de structures élémentaires comportant chacune un voile et au moins un raidisseur, le panneau structural raidi étant obtenu par une étape finale de soudage bord à bord des voiles des structures élémentaires ;
– le soudage bord à bord des voiles des structures élémentaires est réalisé en intégrant un raidisseur à la jonction des voiles ;
– le voile est réalisé à partir d’une tôle d’un alliage d’aluminium de la série 2000, et en ce que le raidisseur est réalisé à partir d’une tôle d’un autre alliage d’aluminium de la série 2000.
PRÉSENTATION DES FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
– la représente en perspective un panneau structural raidi ;
– la représente une tôle pour la fabrication des raidisseurs du panneau structural raidi de la ;
– la représente la tôle de la après découpe en barres ;
– la représente l’une des barres découpée de la ;
– la représente un raidisseur pour le panneau structural raidi ;
– la est une vue générale de l’étape de soudage du raidisseur de la sur un voile ;
– la représente en perspective l’assemblage du voile et du raidisseur ;
– la illustre le montage de prise de pièce permettant l’assemblage de la ;
– la illustre l’étape de soudage du raidisseur et du voile ;
– la est une autre illustration de l’étape de soudage du raidisseur et du voile ;
– la illustre le résultat de l’étape de soudage ;
– la illustre un panneau structural raidi comportant plusieurs raidisseurs ;
– la illustre une première étape de la réalisation d’une structure élémentaire de panneau structural raidi ;
– la illustre une deuxième étape de la réalisation d’une structure élémentaire de panneau structural raidi ;
– la illustre une troisième étape de la réalisation d’une structure élémentaire de panneau structural raidi ;
– la illustre une étape alternative pour la réalisation d’une structure élémentaire de panneau structural raidi ;
– la illustre une structure élémentaire de panneaux structural raidi ;
– la représente une étape de la construction d’un panneau structural raidi à partir de structures élémentaires ;
– la représente une autre étape de la construction d’un panneau structural raidi à partir de structures élémentaires ;
– la représente schématiquement un assemblage d’un raidisseur et d’un voile ;
– la représente schématiquement une alternative d’assemblage d’un raidisseur et d’un voile ;
– la représente schématiquement une autre alternative d’assemblage d’un raidisseur et d’un voile ;
– la représente schématiquement une autre alternative d’assemblage d’un raidisseur et d’un voile.
Les éléments similaires et communs aux divers modes de réalisation portent les mêmes numéros de renvoi aux figures.

Claims (24)

  1. Procédé de production d’un panneau structural raidi d’aéronef, ce panneau comportant un voile (2) sur lequel est fixé au moins un raidisseur (3), ce procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes suivantes :
    – fabrication d’un voile (2) par mise en forme d’une tôle métallique, ce voile (2) comportant une première face (9) et une deuxième face (10) ;
    – fabrication d’un raidisseur (3) s’étendant selon une direction longitudinale (8), ce raidisseur (3) comportant un bord de fixation (7) s’étendant sensiblement parallèlement à la direction longitudinale (8), et un bord de renfort (5) qui est opposé au bord de fixation (7) et qui s’étend parallèlement à la direction longitudinale (8) ;
    – mise en position du voile (2) et du raidisseur (3) dans un montage (13) de prise de pièce, le bord de fixation (7) du raidisseur (3) étant disposé contre la première face (9) du voile (2) suivant deux lignes de jonction (12) entre le voile (2) et le raidisseur (3), de part et d’autre du bord de fixation (7), le montage (13) de prise de pièce comportant une surface convexe de moulage (17) en vis-à-vis de chacune des deux lignes de jonction (12) ;
    – soudage par friction malaxage du voile (2) et du raidisseur (3), par application d’un outil de soudage rotatif (11) sur la deuxième face (10) du voile (2), en vis-à-vis du bord de fixation (7) du raidisseur (3), et déplacement de l’outil de soudage rotatif (11) le long de la direction longitudinale (8), l’outil de soudage rotatif (11) pressant la matière malaxée contre les surfaces convexes de moulage (17) en formant deux joints congés (25) reliant le voile (2) et le raidisseur (3).
  2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans l’étape de mise en position du voile (2) et du raidisseur (3), le bord de fixation (7) est en contact plan sur plan avec la première face (9) du voile (2).
  3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le montage (13) de prise de pièce comporte deux enclumes (14) serrant le bord de fixation (7) du raidisseur (3), ces enclumes (14) comportant chacune un arrondi définissant la surface convexe de moulage (17).
  4. Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface convexe de moulage (17) est une surface semi-circulaire.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la surface convexe de moulage (17) présente un rayon supérieur ou égal à deux millimètres.
  6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’outil de soudage rotatif (11) comporte un pion de malaxage (21), ainsi qu’un épaulement de contention (22), et lors de l’étape de soudage, la matière malaxée est pressée contre les surfaces convexes de moulage (17) par l’épaulement de contention (22).
  7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, lors de l’étape de soudage, le pion de malaxage (21) est enfoncé dans la matière au-delà de la première face (9) du voile (2).
  8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le pion de malaxage (21) présente une longueur (24) supérieure à l’épaisseur du voile (2).
  9. Procédé selon l’une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le pion de malaxage (21) présente un diamètre sensiblement égal à l’épaisseur (23) du bord de fixation (7) du raidisseur (3).
  10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le raidisseur (3) et le voile (2) sont fabriqués dans le même alliage d’aluminium.
  11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est fabriqué à partir d’une tôle métallique.
  12. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est fabriqué à partir d’une tôle métallique d’épaisseur constante.
  13. Procédé selon l’une des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est fabriqué en recourbant ladite tôle métallique pour former le bord de renfort (5).
  14. Procédé selon l’une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est fabriqué par découpe dans ladite tôle métallique.
  15. Procédé selon l’une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que le raidisseur (3) est fabriqué à partir d’une bande de tôle.
  16. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le montage (13) de prise de pièce comporte une enclume (16) de maintien du bord de renfort (5) du raidisseur (3).
  17. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le montage (13) de prise de pièce comporte un socle (15) de maintien du voile (2).
  18. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bord de fixation (7) du raidisseur (3) est constitué d’un pied (29) rattaché à une âme (6) du raidisseur (3), le pied (29) présentant une épaisseur supérieure à l’âme (6).
  19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que le pied (29) comporte un congé (30) de raccordement avec l’âme (6) du raidisseur (3).
  20. Procédé selon l'une des revendications 3 à 19, caractérisé en ce que le voile (2) est agencé en deux portions (2A, 2B) disposées de part et d’autre du bord de fixation (7) du raidisseur (3).
  21. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les étapes de fabrication d’un raidisseur (3), de mise en position du voile (2) et de ce raidisseur (3), et de soudage sont répétées pour une pluralité de raidisseurs (3) soudés au même voile (2).
  22. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des étapes intermédiaires de réalisation d’une pluralité de structures élémentaires (27) comportant chacune un voile (2) et au moins un raidisseur (3A, 3B, 3C), le panneau structural raidi étant obtenu par une étape finale de soudage bord à bord des voiles (2) des structures élémentaires (27).
  23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que le soudage bord à bord des voiles (2) des structures élémentaires (27) est réalisé en intégrant un raidisseur à la jonction des voiles (2).
  24. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le voile (2) est réalisé à partir d’une tôle d’un alliage d’aluminium de la série 2000, et en ce que le raidisseur (3) est réalisé à partir d’une tôle d’un autre alliage d’aluminium de la série 2000.
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