FR3132662A1 - Procédé et installation de soudage - Google Patents

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FR3132662A1
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FR
France
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inductor
preheating
preheating means
temperature
radiation
Prior art date
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Pending
Application number
FR2201222A
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre COUARRAZE
Guillaume VINCENT
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Institut de Recherche Technologique Jules Verne
Original Assignee
Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Publication date
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Abstract

Procédé et installation de soudage Procédé de soudage d’une première pièce composite profilée (5) à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices électriquement et/ou ferromagnétiques, telle qu’un raidisseur, sur une deuxième pièce composite à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices électriquement et/ou ferromagnétiques, telle qu’un panneau d’aéronef, comportant les étapes consistant à : Préchauffer une zone d’assemblage de la première pièce et de la deuxième pièce à l’aide d’un moyen de préchauffage (20), notamment sans contact, déplacé le long de la première pièce (5) en regard de celle-ci pour élever la température de la zone d’assemblage, souder les première (5) et deuxième (6) pièces par induction dans la zone d’assemblage ainsi préchauffée à l’aide d’un inducteur (10) déplacé le long de la première pièce (5) du même côté que le moyen de préchauffage (20). Figure pour l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé et installation de soudage
La présente invention concerne le soudage par induction en dynamique de pièces composites à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres, conductrices électriques et/ou ferromagnétiques, notamment pour réaliser des structures de type panneau raidi dans le domaine aéronautique.
Actuellement, la majorité des procédés de soudage par induction en dynamique des composites à fibres de carbone déplacent un inducteur unique au-dessus de l’assemblage. Cet inducteur peut être précédé et/ou suivi par un moyen presseur.
Le panneau de fuselage comporte classiquement une protection conductrice de l’électricité, contre la foudre (LSP ou Lightning Strike Protection), sur sa face extérieure, afin de protéger l’aéronef. Cette protection foudre est généralement en cuivre, qui est meilleur conducteur de l’électricité que les fibres de carbone.
La présence d’une telle protection foudre rend difficile la focalisation de la chauffe par induction dans les fibres de carbone, car l’énergie apportée par induction tend à se concentrer dans la protection foudre, entraînant un risque de surchauffe et de dégradation de la matière au niveau de la protection foudre et/ou un risque de déconsolidation.
La demande EP2801472A1 divulgue un procédé dans lequel un jet d’un fluide de refroidissement est dirigé dans une zone faisant face à l’inducteur de façon à limiter l’élévation de température.
WO2008/133507A2 décrit un procédé de soudage par induction, dans lequel l’inducteur est déplacé par un bras robotisé.
La demande FR3083733A1 divulgue un procédé de soudage dans lequel un insert sensible à l’induction est introduit entre les surfaces à souder.
La demande EP3772406A1 décrit un procédé de soudage d’un assemblage de composites à fibres unidirectionnelles, dans lequel le composite est préchauffé à une température inférieure à la température de fusion de la matrice thermoplastique, puis la pièce ainsi préchauffée est soudée par induction. Le préchauffage peut avoir lieu dans un four, ou par une ou plusieurs passes préalables de l’inducteur, ou au moyen d’un deuxième inducteur. L’assemblage peut comporter un panneau plan et une pièce profilée en forme d’équerre. L’inducteur agit du côté du panneau opposé à la pièce profilée.
Aucun de ces documents ne vise à répondre à la problématique du soudage sans insert d’un raidisseur sur un panneau de fuselage présentant une protection contre la foudre.
La solution proposée dans la demande EP3772406A1 est d’ailleurs incompatible avec la présence d’une protection contre la foudre, étant donné que l’inducteur agit par la face du panneau opposée au raidisseur, et que cette face est précisément celle qui porte à sa surface la protection contre la foudre dans le cas d’un panneau de fuselage. Par conséquent, une telle protection foudre placée entre l’inducteur et la zone d’assemblage ne manquerait pas de faire écran aux courants induits, rendant ainsi impossible sinon très difficile de réaliser la soudure recherchée, malgré le préchauffage préalable de l’ensemble.
De plus, dans l’art antérieur, la chauffe est généralement relativement hétérogène suivant la conception de l’inducteur, avec une montée brutale en température suivie d’une descente tout aussi rapide, du fait que le reste du matériau est globalement resté froid et tend à abaisser la température moyenne globale par conduction. Avec une descente rapide en température, le polymère ne reste pas suffisamment longtemps dans des conditions propices au soudage (température supérieure à la température de fusion Tf). Par ailleurs, une solution qui viserait à préparer la montée en température de l’ensemble de l’assemblage via un moule chauffant serait nécessairement une solution très consommatrice d’énergie et nécessitant de plus des conditions de contact entre les pièces difficiles à assurer.
Ainsi, il demeure un besoin pour disposer d’une solution permettant de souder des pièces en composite, l’une d’elles, telle qu’un panneau de fuselage d’aéronef, pouvant éventuellement présenter un matériau de surface conducteur électrique tel qu’une grille ou une nappe conductrice, l’autre pièce étant une pièce profilée telle qu’un raidisseur, la soudure s’effectuant sans dégrader les matériaux ni générer un risque de déconsolidation.
Il existe également un besoin pour diminuer la puissance de l’inducteur et rendre moins critique la conception de celui-ci, sans pour autant dégrader la qualité de la soudure, afin de faciliter le développement d’installation de soudage par induction de pièces composites.
L’invention répond à tout ou partie de ces besoins en proposant un procédé de soudage d’une première pièce composite, notamment profilée, à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices et/ou ferromagnétiques, telle qu’un raidisseur, sur une deuxième pièce composite à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices et/ou ferromagnétiques, telle qu’une pièce de fuselage d’un aéronef, susceptible de présenter un matériau de surface conducteur électrique, notamment une nappe ou grille conductrice de protection contre la foudre, comportant les étapes consistant à :
  • Préchauffer une zone d’assemblage de la première pièce et de la deuxième pièce à l’aide d’un moyen de préchauffage, notamment sans contact, déplacé le long de la première pièce en regard de celle-ci pour élever la température de la zone d’assemblage, le matériau de surface étant lorsque présent situé sur la deuxième pièce du côté opposé à la première,
  • souder la première et la deuxième pièce par induction dans la zone d’assemblage ainsi préchauffée à l’aide d’un inducteur déplacé le long de la première pièce du même côté que le moyen de préchauffage.
Par « matériau de surface » il faut comprendre un matériau qui s’étend au moins en partie plus près de la surface que du cœur de la pièce ; ce matériau peut s’étendre sous la forme d’une grille ou d’une nappe. Il peut s’agir d’une grille ou d’une nappe en cuivre ou autre métal conducteur de l’électricité. Cet élément est aussi désigné sous le terme de « protection foudre ».
Grâce à l’invention, il est possible d’obtenir une soudure satisfaisante en évitant de dégrader les matériaux malgré la présence éventuelle de la protection foudre, et en limitant le risque de déconsolidation.
Grâce au préchauffage, à l’arrivée de l’inducteur, les deux pièces sont à une température proche de la fusion. L’induction apporte seulement l’énergie manquante permettant d’atteindre la température de fusion à l’interface entre les pièces et de réaliser la soudure.
Le préchauffage permet d’éviter des pics de température excessifs qui peuvent être générés par une montée en température trop rapide. Cela permet également de ralentir la descente en température car l’assemblage pourra être globalement plus chaud qu’en l’absence de préchauffage. Le temps ouvert pour le soudage, pendant lequel soudure est possible, sera plus long, donc la cicatrisation du polymère à l’interface et ainsi la performance mécanique seront meilleures.
Les chaleurs apportées par le moyen de préchauffage et par l’inducteur peuvent se compenser et la dissymétrie de l’efficacité de la chauffe de l’un peut être compensée par l’autre pour homogénéiser la thermique à l’interface de soudage des pièces.
La puissance injectée dans l’assemblage par l’inducteur peut être inférieure au cas sans préchauffe, et ainsi le courant induit est réduit dans les fibres ainsi que dans la protection foudre, lorsque celle-ci est présente.
Le besoin de post-chauffage servant à améliorer la cicatrisation peut également être diminué, même si ce dernier peut encore être présent.
De préférence, le préchauffage s’effectue avant d’appliquer une pression sur l’assemblage à l’aide d’un moyen presseur avant, tel qu’un galet presseur.
L’invention peut permettre d’éviter l’utilisation d’un insert sensible à l’induction, disposé entre les deux pièces, contrairement à l’enseignement de la demande FR3083733A1.
Moyen de préchauffage
Le moyen de préchauffage peut être conçu et dimensionné pour compenser les déséquilibres thermiques générés par l’inducteur, afin que la température soit homogène à l’interface des première et deuxième pièces.
Le moyen de préchauffage sans contact peut avantageusement comporter une source de rayonnement IR.
Cette source de rayonnement IR peut comporter au moins un écran placé entre au moins une lampe émettrice de rayonnement IR et la première pièce pour délimiter au moins partiellement une fenêtre de sortie du rayonnement IR. La lampe émettrice peut être une lampe à incandescence ou un tube flash. Le rayonnement est de préférence émis de manière continue dans le temps, mais en variante il est émis de manière pulsée, notamment si une lampe flash ou un laser est utilisé.
On peut utiliser deux lampes à incandescence ou plus, sous forme de tubes disposés côte à côte, par exemple.
Un avantage lié à l’utilisation d’une source de rayonnement IR est la facilité avec laquelle la puissance peut être modulée, comparativement à d’autres moyens de chauffage tels que le soufflage d’air chaud. De plus, le chauffage s’effectue sans apport d’air, donc avec un risque d’oxydation plus limité. L’énergie apportée est également moins dépendante de la distance séparant le moyen de préchauffage de la zone à chauffer que dans le cas d’un inducteur, très sensible à l’épaisseur de l’entrefer.
La fenêtre de sortie peut présenter une forme allongée dans la direction de déplacement de la source de rayonnement. On peut donner à cette fente une largeur constante ou non, en fonction du profil de montée en température recherché.
Dans le cas où la première pièce est profilée et comporte une semelle qui est soudée à la deuxième pièce et une âme qui se raccorde à la semelle par un rayon, la fenêtre peut être située plus près du rayon par lequel la semelle se raccorde à l’âme de la première pièce que de son bord libre.
Le moyen de préchauffage sans contact peut aussi comporter au moins un élément de soufflage d’air chaud, en remplacement de la source de rayonnement IR ou en complément.
Le moyen de préchauffage sans contact peut encore comporter un deuxième inducteur, en remplacement de la source de rayonnement IR ou en complément.
Le moyen de préchauffage peut être configuré pour exposer la première pièce à un flux énergétique ayant une répartition spatiale non homogène selon la direction de déplacement du moyen de préchauffage relativement à la première pièce, avec un flux énergétique plus important du côté amont que du côté aval. On peut ainsi jouer sur la cinétique de diffusion de la chaleur dans l’assemblage, en laissant à la chaleur apportée de manière plus intense par le côté amont plus de temps pour diffuser dans l’assemblage jusqu’à l’arrivée de l’inducteur.
Le moyen de préchauffage et l’inducteur peuvent être déplacés simultanément, notamment à l’aide d’un même robot. En variante, le moyen de préchauffage et l’inducteur sont déplacés simultanément, mais à l’aide de moyens d’entraînement distincts, tels que des robots respectifs par exemple.
Le cas échéant, notamment lorsque le moyen de préchauffage est une source de rayonnement IR, un isolant thermique ou un système de refroidissement par air froid ou autre fluide, peut être ajouté entre le carter du moyen de préchauffage et l’âme de la pièce profilée, pour éviter de chauffer excessivement celle-ci en cas de proximité trop forte avec le carter.
Préchauffage
Le préchauffage peut porter la température maximale de la deuxième pièce à une température supérieure ou égale à 0,5 Td, où Td désigne la température de déconsolidation de la pièce, mieux supérieure ou égale à 0,7 Td, tout en veillant à rester en deçà de la température de fusion et de la température de déconsolidation.
La température de préchauffage est choisie en fonction de la nature du ou des polymères des composites utilisés. Par exemple, pour certains composites à base de PEKK, le préchauffage amène la température en surface de la première pièce, en regard du moyen de préchauffage, à 250°C ou plus, par exemple à 300°C environ.
La puissance du moyen de préchauffage pour assurer le préchauffage de la zone d’assemblage est par exemple supérieure ou égale à 0.2 kW .
Post-chauffage
Le procédé peut comporter l’étape consistant à post-chauffer la zone d’assemblage après passage de l’inducteur.
On peut utiliser comme moyen de post-chauffage les mêmes moyens que pour le préchauffage, tels que mentionnés ci-dessus, notamment une source de rayonnement IR ou au moins un élément de soufflage d’air chaud.
Le moyen de post-chauffage peut être entraîné en déplacement avec l’inducteur, par le même robot par exemple, ou en variante de manière indépendante par un robot distinct.
Autres dispositions
Lorsque le moyen de préchauffage comporte une source de rayonnement IR, on peut jouer sur la forme de la ou des lampes utilisées, sur leur puissance et/ou sur la forme du carter contenant la ou les lampes pour obtenir la rampe de montée en température souhaitée. On peut également jouer sur la vitesse d’avancement du moyen de préchauffage et de l’inducteur, ainsi que sur la fréquence de l’inducteur.
Le procédé peut avantageusement comporter la mesure de la température de surface en au moins un point de la première pièce ou de la deuxième, et le pilotage de la puissance du moyen de préchauffage en fonction de la température ainsi mesurée, de manière à la maintenir dans une plage de températures prédéfinie.
La vitesse d’avancement de l’inducteur le long des pièces à assembler est par exemple comprise entre 1 et 30mm/s, de préférence entre 1 et 10 mm/s. Le moyen de préchauffage se déplace de préférence à la même vitesse que l’inducteur, étant par exemple porté par un même support que celui-ci.
Le procédé peut comporter le refroidissement de l’inducteur et/ou la projection d’un fluide de refroidissement, notamment de l’air froid, sur une face extérieure de l’assemblage, pour contenir la température. L’installation peut ainsi comporter une ou plusieurs buses de soufflage d’air froid, notamment pulsé, à proximité de l’inducteur.
Assemblage
Par « pièce profilée » il faut comprendre une pièce non plane, ayant au moins une partie appelée « semelle » destinée à être plaquée contre l’autre pièce pour y être soudée et une partie appelée « âme » qui reste distante de cette autre pièce.
La première pièce profilée peut être de forme allongée, rectiligne ou courbe. Elle peut avoir une section transversale en forme de L, de Omega, de C, de Z ou de T inversé, entre autres possibilités. Elle peut servir de raidisseur, pour former avec la deuxième un panneau raidi. L’épaisseur de la semelle qui est appliquée contre la deuxième pièce pour être soudée à celle-ci va par exemple de 0,5 à 10 mm, préférentiellement de 1 à 4mm.
La semelle et l’âme peuvent être reliées par un rayon, et faire entre elles un angle de 90° ou différent de 90°, par exemple un angle compris entre 60° et 120°.
La deuxième pièce peut avoir une forme plane ou non, voire être tubulaire. Son épaisseur va par exemple de 0,5 à 10 mm, préférentiellement de 1 à 6mm.
La deuxième pièce peut être un panneau, plan, à simple ou double courbure, notamment de fuselage d’aéronef, comportant une protection contre la foudre.
Les composites peuvent comporter des fibres de renfort comportant des fibres de carbone. L’une au moins des pièces composites peut comporter en variante des particules conductrices ou ferromagnétiques susceptibles de s’échauffer sous l’effet du champ généré par l’inducteur, telles que des particules de nickel.
Le polymère thermoplastique de la première ou deuxième pièce peut être choisi parmi les polyaryléthercétones (PAEK), notamment le polyéthercétone (PEEK) et le polyéthercétonecétone (PEKK), le polysulfure de phénylène (PPS) et/ou le polyétherimide (PEI), le PA6, entre autres polymères.
Installation
L’invention a encore pour objet une installation de soudage par induction, pour souder une première pièce composite, notamment profilée, à matrice thermoplastique contre une deuxième pièce composite à matrice thermoplastique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention tel que défini ci-dessus, comportant :
  • Un support configuré pour être déplacé dans une direction d’avancement le long de la première pièce disposée au contact de la deuxième dans la position où elle doit être soudée à celle-ci,
  • un inducteur porté par le support, pour souder la première pièce contre la deuxième dans une zone d’assemblage,
  • un moyen de préchauffage mobile sans contact pour préchauffer dynamiquement la zone d’assemblage en amont de l’inducteur, au cours du déplacement de celui-ci, notamment un moyen de préchauffage porté par le même support ou par un support différent,
  • au moins un moyen presseur mobile pour exercer une pression sur l’assemblage en avant et/ou en arrière de l’inducteur.
L’installation peut comporter un moyen de post-chauffage, notamment porté par le support, pour post-chauffer la zone d’assemblage en aval de l’inducteur.
L’installation peut comporter un moyen presseur entre le moyen de préchauffage et l’inducteur et/ou un moyen presseur entre l’inducteur et le moyen de post-chauffage.
L’installation peut comporter un robot, par exemple à 6 axes, pour déplacer le support le long de la première pièce à assembler à la deuxième.
Le moyen de préchauffage peut être choisi parmi une source de rayonnement IR, un deuxième inducteur et une source d’air chaud, de préférence une source de rayonnement IR ou un deuxième inducteur.
L’installation peut comporter toutes autres caractéristiques déjà décrites ci-dessus en relation avec le procédé.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel :
la représente de manière partielle et schématique un exemple d’installation de soudage pour la mise en œuvre du procédé selon l’invention,
la représente un détail de la ,
la est une coupe transversale, schématique et partielle, d’un exemple de moyen de préchauffage et d’assemblage,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation du moyen de préchauffage,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation de l’installation, avec post-chauffage,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation de l’installation, avec préchauffage par soufflage d’air chaud,
la est une vue analogue à la d’une variante de réalisation à deux inducteurs,
la illustre une autre variante à deux inducteurs,
la est une coupe transversale d’un exemple d’assemblage avec un raidisseur en Omega,
la est une vue analogue à la avec un raidisseur en C,
la est une vue analogue à la avec un raidisseur en Z,
la est une vue analogue à la avec un raidisseur en forme de T inversé,
la représente un exemple d’installation avec deux robots pour déplacer l’inducteur et le moyen de préchauffage respectivement,
la est un exemple de profil de montée en température schématique avec une installation selon l’art antérieur, sans moyen de préchauffage pour réaliser une préchauffe,
la est une vue analogue à la avec un moyen de préchauffage selon l’invention en amont de l’inducteur pour préchauffer la zone d’assemblage, et
la représente des courbes de montée en température au niveau de la face munie de la protection contre la foudre, dans le cas d’un exemple selon l’art antérieur sans préchauffe et dans le cas d’un exemple selon l’invention avec préchauffe.
 Description détaillée
On a illustré à la une installation de soudage 1 comportant un robot 2 portant une tête de soudage 3 (encore appelée effecteur de soudage), et une structure de support 4 sur laquelle sont placées les pièces à assembler. Cette structure de support 4 peut ne comporter aucun moyen de refroidissement actif.
Les pièces à assembler peuvent comporter une première pièce profilée 5 (encore appelée raidisseur) et une deuxième pièce telle qu’un panneau de fuselage d’aéronef, comme visible sur la .
La première pièce 5 comporte une matrice thermoplastique et des fibres de renfort conductrices de l’électricité, telles que des fibres de carbone, et présente par exemple comme illustré une forme de cornière avec une section transversale en L, avec une semelle 5a qui est fixée sur la pièce 6 et une âme 5b qui lui est sensiblement perpendiculaire.
La deuxième pièce 6 comporte également une matrice thermoplastique et des fibres de renfort conductrices de l’électricité, telles que des fibres de carbone, ainsi que dans cet exemple une protection contre la foudre 7, métallique, située du côté de la deuxième pièce opposé à la première.
L’invention n’est pas limitée à des formes particulières des pièces à assembler, et d’autres formes sont possibles, comme cela sera détaillé plus loin.
La tête de soudage 3 comporte, comme visible plus particulièrement sur la , un support 9 portant un inducteur 10 relié à un coffret d’adaptation 19, lui-même relié à par des câbles et conduits 14 à une alimentation en énergie électrique et en fluide de refroidissement.
L’inducteur 10 est par exemple alimenté par un courant électrique à une fréquence choisie dans la plage 50 kHz-10000 kHz.
L’installation 1 comporte des moyens presseurs avant 11 et arrière 12 en amont et en aval de l’inducteur 10, pour exercer une pression sur l’assemblage.
Ces moyens presseurs 11 et 12 peuvent être réalisés de diverses façons sans sortir du cadre de la présente invention. Ils peuvent notamment comporter des galets, rouleaux, patins, chenillettes ou tout autre organe adapté à exercer une pression.
Dans l’exemple considéré, ces moyens presseurs 11 et 12 sont montés sur la tête de soudage 3 et sont ainsi mobiles avec celle-ci. En variante, l’un et/ou l’autre sont supportés autrement, par exemple par un ou plusieurs autres robots.
Les moyens presseurs 11 et 12 peuvent être montés sur des vérins 18, comme illustré, qui peuvent être pneumatiques, hydrauliques ou électriques, et permettent de régler la pression appliquée sur l’assemblage.
L’installation peut comporter une ou plusieurs buses 60 pour souffler de l’air froid pulsé sur la surface extérieure de l’assemblage, à proximité de l’inducteur 10, pour contenir la température de surface à des valeurs en deçà d’un seuil donné, et éviter de dégrader le polymère.
Conformément à l’invention, l’installation 1 comporte un moyen de préchauffage 20 qui permet d’élever localement la température des pièces 5 et 6 avant le passage de l’inducteur 10.
Ce moyen de préchauffage peut être réalisé de diverses manières.
Dans l’exemple des figures 2 et 3, le moyen de préchauffage 20 comporte au moins une lampe à infrarouge 22 disposée dans un carter 25.
Une ouverture 24 est formée dans le carter 25 pour la sortie du rayonnement infrarouge (IR) en direction de la semelle 5a de la première pièce 5.
Le carter 25 peut être supporté fixement, comme illustré, par une structure de support 21 reliée au support 9 et comportant un ou plusieurs bras.
L’ouverture 24 peut être en forme générale de fente orientée longitudinalement dans la direction de déplacement de la tête de soudage 3, de largeurw. L’ouverture 24 peut être délimitée sur au moins un côté par au moins un écran 23, qui peut être formé par une paroi du carter 25 ou par un élément rapporté. La largeur de la fente peut être différente à l’extrémité avant (ou amont) qu’à l’extrémité arrière (ou aval), c’est-à-dire la plus proche de l’inducteur 10. Ainsi, la puissance apportée par la source de rayonnement peut varier au long de l’avancée du moyen de préchauffage, laissant plus de temps à la chaleur apportée pour diffuser jusqu’à l’interface entre les pièces. Par exemple, à l’arrière, la largeur est plus faible et la chaleur apportée est moindre, limitant le risque d’exposer la surface à une température excessive.
Dans l’exemple illustré, l’ouverture 24 s’étend sur moins de la largeur totale de la semelle 5a, étant plus proche du rayon 5f la reliant à l’âme 5b que du bord libre de la semelle 5a. On limite de cette manière le risque de surchauffe de la première pièce sur son bord libre avec l’induction et l’on obtient ainsi une meilleure homogénéité de la température de préchauffe à l’interface entre les pièces. L’ouverture 24 permet de compenser la dissymétrie générée par l’induction, qui chauffe préférentiellement le bord libre.
Le fonctionnement de l’installation 1 est le suivant.
Les pièces 5 et 6 sont prépositionnées dans la configuration où l’assemblage doit avoir lieu. Un outillage de maintien, non apparent, peut être présent par exemple à l’arrière de la pièce 5 afin de la maintenir en position lors de l’opération de soudage.
La tête de soudage 3 est ensuite amenée par le bras du robot 2 à une extrémité longitudinale du raidisseur 5, de manière à ce que le moyen de préchauffage 20 puisse chauffer cette extrémité.
Puis, la tête de soudage 3 est déplacée continûment le long du raidisseur 5 (vers la droite sur les figures 1 et 2), à une vitesse choisie pour permettre le respect du profil thermique recherché.
Le moyen de préchauffage 20 permet de préchauffer localement, en dynamique, la future zone d’assemblage à une température en deçà de la température de fusion de la matière thermoplastique ; lors du déplacement de la tête 3, le moyen presseur avant 11 arrive sur cette zone et exerce une pression maintenant la pièce 5 plaquée contre la pièce 6. Ensuite, l’inducteur 10 passe au-dessus de la zone, et l’énergie apportée par l’inducteur 10 porte les fibres conductrices des composites à une température supérieure à la température de fusion de la matrice thermoplastique, à l’interface entre les pièces 5 et 6, permettant de réaliser la soudure recherchée. Enfin, le moyen presseur arrière 12 maintient une pression sur l’assemblage durant le refroidissement.
Sur la on a représenté de manière très simplifiée et purement illustrative un exemple profil de montée en température à l’interface de soudage en l’absence de préchauffage, tel que rencontré dans l’art antérieur, et sur la le même profil obtenu avec un préchauffage selon l’invention.
En raison du préchauffage, l’énergie devant être apportée par l’inducteur est réduite et la température induite au niveau de la protection foudre 7 par l’inducteur n’entraîne pas de dégradation du matériau. On voit que la montée en température induite par l’inducteur peut être plus faible dans l’invention, qu’en l’absence de préchauffe.
Sur la on a représenté un exemple comparatif de courbes de température observées au niveau de la face portant la protection foudre dans le cas de l’art antérieur sans préchauffe (courbe pleine) et dans le cas avec préchauffe (courbe en pointillés).
Grâce au préchauffage, la puissance du générateur qui alimente l’inducteur peut être réduite comparativement au cas sans préchauffe (puissance du générateur réduite de P=55% de la puissance maximale en l’absence de préchauffe à P=40% en présence de préchauffe) ; de plus, la température observée au niveau de la face portant la protection foudre ne dépasse pas 130°C en présence de préchauffe, alors que dans le cas contraire on atteint plus de 230°C.
Diverses modifications peuvent être apportées à l’installation sans sortir du cadre de l’invention.
L’installation peut comporter un moyen de préchauffage 20 mobile relativement à l’inducteur 10, de manière à pouvoir suivre des trajectoires courbes et épouser au mieux le relief des pièces à assembler au cours de la séquence de soudage, comme illustré à la .
Sur cette figure, on a illustré la possibilité pour les pièces à assembler de présenter un coude ou une courbure 8, et de monter le moyen de préchauffage 20 avec au moins une articulation 28 sur le support 9 de la tête de soudage 3 de manière à pouvoir modifier l’orientation du carter 25 et ainsi suivre au mieux l’évolution de la forme des pièces au cours du déplacement de la tête 3.
La tête de soudage 3 représentée sur la comporte un moyen de post-chauffage 30 qui permet de ralentir le refroidissement de l’assemblage après le passage de l’inducteur 10.
Ce moyen de post-chauffage est par exemple à infra-rouge et similaire au moyen de préchauffage 20, et peut comporter un carter 35 fixé au support 9 de la tête 3 par une structure de support 31.
Le préchauffage de la zone à souder peut s’effectuer autrement qu’avec un rayonnement infrarouge.
Par exemple, on peut préchauffer la zone à souder avec de l’air chaud soufflé sur la zone, comme illustré sur la . Sur cette dernière, on voit que la tête de soudage 3 peut comporter un ou plusieurs éléments 41 de soufflage d’air chaud, par exemple sous forme d’un ou plusieurs cônes, relié(s) à une source d’air chaud par un ou plusieurs conduits 42, afin de souffler sur la pièce 5 en amont de l’inducteur 10 de l’air chaud et préchauffer la zone d’assemblage.
On peut encore utiliser comme moyen de préchauffage 20 un deuxième inducteur 43, comme illustré à la .
Ce deuxième inducteur 43 peut être relié au même coffret d’adaptation 19 que l’inducteur 10, étant par exemple relié électriquement en série avec celui-ci, ou en variante être relié à un coffret 44 distinct, disposant de sa propre alimentation en énergie électrique et fluide de refroidissement, comme illustré sur la .
La première pièce 5 qui sert de raidisseur ou apporte une autre fonction particulière à l’ensemble peut présenter diverses formes, de même que la deuxième.
La première pièce 5 est par exemple un raidisseur ayant un profil en oméga, comme illustré sur la , avec deux semelles 6a soudées contre la deuxième pièce 5 et une âme 5c qui en est espacée.
La première pièce 5 peut encore se présenter sous la forme d’un raidisseur ayant un profil en C, avec une semelle 5a fixée contre la deuxième pièce 6 et une âme 5d qui en est espacée, comme illustré sur la , ou ayant un profil en Z ou en T inversé comme illustré sur les figures 11 et 12 respectivement.
Sur la , on a illustré la possibilité pour l’installation 1 de comporter plus d’un robot pour supporter indépendamment l’inducteur 10 d’une part, et le moyen de préchauffage 20 d’autre part.
Dans cet exemple, le moyen de préchauffage 20 est porté par un robot 80 qui peut être actionné indépendamment du robot 2, permettant ainsi de déplacer la tête de soudage 3 indépendamment du moyen de préchauffage 20.
Bien entendu on peut apporter diverses modifications à l’installation et au procédé sans sortir du cadre de la présente invention.
Par exemple, les pièces assemblées peuvent être autres que des pièces d’aéronef, par exemple des pièces d’éolienne (pale ou nacelle) ou d’ouvrage de génie civil (par exemple dôme de bâtiment).
On peut réaliser autrement encore les moyens de préchauffage et de post-chauffe, ainsi que les moyens presseurs.

Claims (25)

  1. Procédé de soudage d’une première pièce composite profilée (5) à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices électriquement et/ou ferromagnétiques, telle qu’un raidisseur, sur une deuxième pièce composite à matrice thermoplastique et particules, notamment fibres de renfort, conductrices électriquement et/ou ferromagnétiques, telle qu’un panneau d’aéronef, comportant les étapes consistant à :
    • Préchauffer une zone d’assemblage de la première pièce et de la deuxième pièce à l’aide d’un moyen de préchauffage (20), notamment sans contact, déplacé le long de la première pièce (5) en regard de celle-ci pour élever la température de la zone d’assemblage,
    • souder les première (5) et deuxième (6) pièces par induction dans la zone d’assemblage ainsi préchauffée à l’aide d’un inducteur (10) déplacé le long de la première pièce (5) du même côté que le moyen de préchauffage (20).
  2. Procédé selon la revendication 1, la deuxième pièce (6) comportant un matériau de surface électriquement conducteur, notamment une grille ou une nappe électriquement conductrice (7), servant de protection contre la foudre, du côté opposé à la première pièce (5).
  3. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, le moyen de préchauffage (20) comportant une source de rayonnement IR.
  4. Procédé selon la revendication 3, la source de rayonnement IR pouvant comporter localement des écrans (23), placés entre au moins une lampe (22) émettrice de rayonnement IR et la première pièce (5), pour délimiter au moins partiellement une ou plusieurs fenêtres (24) de sortie du rayonnement IR.
  5. Procédé selon la revendication 4, la fenêtre de sortie (24) ayant une forme allongée dans la direction de déplacement de la source de rayonnement.
  6. Procédé selon l’une des revendications 4 et 5, la première pièce (5) comportant une semelle (5a) à fixer à la deuxième pièce, reliée par un rayon (5f) à une âme (5b ; 5c ; 5d), la fenêtre (24) étant située plus près du rayon par lequel la semelle se raccorde à l’âme de la première pièce que de son bord libre.
  7. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, le moyen de préchauffage (20) comportant au moins un élément (41) de soufflage d’air chaud.
  8. Procédé selon l’une des revendications 1 et 2, le moyen de préchauffage (20) comportant un deuxième inducteur (43).
  9. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen de préchauffage (20) et l’inducteur (10) étant déplacés simultanément, notamment à l’aide d’un même robot (2).
  10. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant l’étape consistant à post-chauffer la zone d’assemblage après passage de l’inducteur (10).
  11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la première pièce (5) ayant une section transversale en forme de L, de Omega de C, de Z ou de T inversé.
  12. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la deuxième pièce (6) étant une pièce de fuselage d’aéronef comportant une protection foudre (7).
  13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le préchauffage portant la température maximale de la deuxième pièce (6) à une température supérieure ou égale à 0,5 Td, où Td désigne la température de déconsolidation de cette pièce, mieux supérieure ou égale à 0,7 Td.
  14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant la mesure de la température de surface en au moins un point de la première pièce (5) ou de la deuxième (6), et le pilotage de la puissance du moyen de préchauffage (20) en fonction de la température ainsi mesurée, de manière à la maintenir dans une plage de températures prédéfinie.
  15. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen de préchauffage (20) étant configuré pour exposer la première pièce (5) à un flux énergétique ayant une répartition spatiale non homogène selon la direction de déplacement du moyen de préchauffage relativement à la première pièce, avec un flux énergétique plus important du côté amont que du côté aval.
  16. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, les composites comportant des fibres de renfort comportant des fibres de carbone.
  17. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen de préchauffage (20) étant conçu et dimensionné pour compenser les déséquilibres thermiques générés par l’inducteur (10), afin que la température soit homogène à l’interface des première (5) et deuxième (6) pièces au moment et après le passage de l’inducteur (10).
  18. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moyen de préchauffage (20) étant relié de façon articulée (28) à un support (9) portant l’inducteur (10), de façon à pouvoir être déplacé le long d’une pièce courbe.
  19. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 17, l’inducteur (10) et le moyen de préchauffage (20) étant déplacés par des robots respectifs (2 ;
    80).
  20. Installation (1) de soudage par induction, pour souder une première pièce composite, notamment profilée, à matrice thermoplastique contre une deuxième pièce composite à matrice thermoplastique, notamment pour la mise en œuvre du procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant :
    • Un support (9) configuré pour être déplacé dans une direction d’avancement le long de la première pièce disposée au contact de la deuxième dans la position où elle doit être soudée à celle-ci,
    • un inducteur (10) porté par le support, pour souder la première pièce (5) contre la deuxième (6) dans une zone d’assemblage,
    • un moyen de préchauffage mobile sans contact (20) pour préchauffer dynamiquement la zone d’assemblage en amont de l’inducteur (10), au cours du déplacement de celui-ci,
    • au moins un moyen presseur mobile (11, 12) pour exercer une pression sur l’assemblage en avant et/ou en arrière de l’inducteur au cours du déplacement de celui-ci.
  21. Installation selon la revendication 20, comportant un moyen (30) de post-chauffage mobile pour post-chauffer dynamiquement la zone d’assemblage en aval de l’inducteur (10).
  22. Installation selon l’une des revendications 20 et 21, comportant un moyen presseur (11) entre le moyen de préchauffage (20) et l’inducteur (10).
  23. Installation selon les revendications 21 et 22, comportant un moyen presseur (12) entre l’inducteur (10) et le moyen de post-chauffage (30).
  24. Installation selon l’une quelconque des revendications 20 à 23, comportant un robot (2) pour déplacer le support (9) le long de la première pièce (5).
  25. Installation selon l’une quelconque des revendications 20 à 24, le moyen de préchauffage (20) étant choisi parmi une source de rayonnement IR, un deuxième inducteur (43) et un élément de soufflage d’air chaud (41), de préférence une source de rayonnement IR ou un deuxième inducteur.
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