WO2015110746A1 - Procede de soudage a friction inertielle de deux parties d'un sous-ensemble tournant de turbomachine - Google Patents

Procede de soudage a friction inertielle de deux parties d'un sous-ensemble tournant de turbomachine Download PDF

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Benoit LARDY
Dominique Bernard LOURDIN
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Snecma
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    • F05D2230/232—Manufacture essentially without removing material by permanently joining parts together by welding
    • F05D2230/239—Inertia or friction welding

Definitions

  • the invention relates to the field of friction welding in the process of manufacturing turbine engine components (compressors, turbines, etc.) and more particularly to an inertial friction welding (IF) process between high pressure compressor stage discs.
  • the present invention therefore has the main purpose of providing an FI welding process that overcomes this disadvantage.
  • an inertial friction welding process F1 of two parts of a turbomachine rotating subassembly at least one of which has at its periphery a plurality of hook teeth for anchoring feet of blade and in which one of two parts to be welded to one another is held by a clamp and rotated by a motor and the other of the two parts to be welded is held by a ring gear of torque recovery mounted in a carriage movable in translation, characterized in that to avoid any formation of cracks at the hooks of said teeth during welding, it is intended to cover said plurality of hook teeth damping means adapted to shift the frequency vibratory response of said hooks and thus create a damping.
  • this damper assembly shifting in frequency the vibration response and damping the hooks, it ensures a sufficient energy absorption to avoid the creation of cracks on the disc.
  • said damping means comprise seven adjacent damping sectors completely covering said plurality of hooked teeth and each covering an angle of about 51 degrees.
  • each of said damping sectors comprises two lateral flanks conforming to the circumference of the disc and resting on the lateral edges of the teeth via a first viscoelastic gum, two upper flanges of these flanks resting on two clamping plates. in contact with the upper edges of the teeth via a second viscoelastic gum.
  • said plates are held tight by screws compressing spring means disposed between these two plates and acting as a return spring once they are loosened.
  • said damping means comprise an individual damper mounted on each of the teeth of said set of hooked teeth.
  • said individual damper comprises a first blade, one end of which is terminated by a flange cooperating with one of the two hooks of a tooth and a second blade, one end of which is terminated by a flange cooperating with the other of the two hooks of said tooth, the other end of said first and second blades being secured to each other by fastening means.
  • said first blade has length and width substantially corresponding to the length and width of a tooth and said second blade has a length substantially corresponding to the height of a tooth and a width substantially corresponding to the width of a tooth.
  • said first and second blades are covered on their inner face in contact with said teeth by viscoelastic gums.
  • FIGS. 1A and 1B are detailed sectional views respectively of the mandrel and the carriage of an inertial friction welding machine called FI suitable for implementing the method of the invention;
  • FIGS. 2 and 2A to 2C illustrate a first embodiment of damping means implemented in the method of the invention.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate a second embodiment of damping means implemented in the method of the invention.
  • FIGS. 1A and 1B respectively represent the mandrel and the carriage of an FI inertial friction welding machine capable of carrying out the process according to the invention of welding FI of two stages of high pressure compressor discs; a turbomachine.
  • a turbomachine a turbomachine
  • the machine 10 consists essentially of a part of a mandrel 12 coupled to flywheels 14 and in which a 26 of the two parts of the subassembly to be welded is held by a clamp 16 and rotated by a motor 18 ( Figure 1A) and on the other hand a carriage 20 movable in translation and on which is mounted a sole 22 in the toothed gear ring (or the jaw 24) which is held the other 28 of the two parts of the sub-assembly to be welded.
  • the operating principle of this machine is based on the fact that the heat required for welding is generated by the friction between two moving parts relative to each other.
  • the motor 18 drives the mandrel 12 in rotation allowing an accumulation of kinetic energy in the flywheels 14 until the motor has reached a predetermined speed allowing its disengagement.
  • the advance of the carriage 20 is then actuated causing a contact of the two parts of the subassembly 26, 28 to be welded.
  • the friction caused by the rotation and the axial pressure of these two parts will cause a heating increasing temperature which in a relatively short time will reach the temperature (forging temperature) required for welding.
  • FIG. 1A shows a mandrel 12 whose clip 16 clamps a high-pressure titanium-based stage disk of an aircraft engine having at its periphery a plurality of hook teeth for anchoring feet. of blades in the compressor and Figure 1B shows a carriage 20 whose jaw 24 clamps all adjacent disks of the other titanium-based stages of a high pressure compressor of an aircraft turbine engine.
  • FIG. 1A shows a mandrel 12 whose clip 16 clamps a high-pressure titanium-based stage disk of an aircraft engine having at its periphery a plurality of hook teeth for anchoring feet. of blades in the compressor
  • Figure 1B shows a carriage 20 whose jaw 24 clamps all adjacent disks of the other titanium-based stages of a high pressure compressor of an aircraft turbine engine.
  • this is only an example of welded discs among many other conceivable.
  • the relative rotational movement of the discs to be welded and the associated friction generate vibrations to which the structure of these discs, the tool and the machine respond in the form of a structural vibratory response.
  • These vibrations which depend on the geometry of the discs to be welded, the conditions for holding in position, the welding parameters and the material or materials these discs, may lead, according to their frequency, the initiation of cracks on the discs, especially at the hooks of the teeth.
  • dampen these vibrations by covering the plurality of hook teeth with damping means 30, 40 in order to frequency shift the vibration response of the hooks of these teeth and thus prohibit any initiation of cracks.
  • Figures 2, 2A, 2B and 2C illustrate a first embodiment in which the damping means 30 are formed of several damping sectors evenly distributed around the disk.
  • the damping means 30 are formed of several damping sectors evenly distributed around the disk.
  • the illustrated example corresponding to a 70-tooth high-pressure compressor stage disk 3, there are seven adjacent sectors each extending about 51 degrees, each sector covering ten teeth.
  • Each shock absorbing sector has two curved lateral flanks 32, 34 in the form of ⁇ (inverted L), conforming to the circumference of the disc and intended, when tightened against each other, to bear against the lateral edges of the teeth.
  • ⁇ inverted L
  • the two upper flanges 32A, 34A of these flanks resting on two clamping plates 36, 38 which are also curved along the circumference of the disc and in contact with the upper edges of the teeth via a second viscoelastic gum 40B .
  • the plates are held tight by screws 42 compressing spring means 44 disposed between these two plates and acting as a return spring once these loosened. Screws 46 maintain the lateral flanks on the clamping plates.
  • FIGS. 3A and 3B illustrate a second embodiment in which the damping means 50 are individualized and each cover a tooth 52 of the disk.
  • Each individual damper thus comprises a first blade 54 whose length and width substantially correspond to the length and width of a tooth and whose one end is terminated by a flange 54A intended to cooperate with the one 52A of the two hooks of this tooth, preferably the hook behind the tooth, and a second blade 56 of a length corresponding substantially to the height of the tooth but of the same width as the first and whose one end is terminated by a flange 56A intended to cooperate with the other 52B of the two hooks of the tooth (the one in front of the tooth accessible on the front of the carriage), the second sloped ends 54B, 56B of these first and second blades being secured to each other by fastening means, typically a screw-nut assembly 58
  • fastening means typically a screw-nut assembly 58

Abstract

Procédé de soudage par friction inertielle FI de deux parties d'un sous- ensemble tournant de turbomachine dont l'une au moins comporte à sa périphérie une pluralité de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes et dans lequel une (24) de deux parties à souder l'une à l'autre est maintenue par une pince (16) et mise en rotation par un moteur (18) et l'autre (26) des deux parties à souder est maintenue par une couronne dentée de reprise de couple (22) montée dans un chariot (20) mobile en translation, procédé dans lequel pour éviter toute formation de criques au niveau des crochets des dents lors de la soudure, il est prévu de recouvrir la pluralité de dents à crochets de moyens d'amortissement pour décaler en fréquence la réponse vibratoire de ces crochets et ainsi créer un amortissement.

Description

Procédé de soudage à friction inertielle de deux parties d'un sous- ensemble tournant de turbomachine Arrière-plan de l'invention
L'invention concerne le domaine du soudage par friction dans le processus de fabrication de constituants de turbomachines (compresseurs, turbines, etc..) et plus particulièrement un procédé de soudage par friction inertielle (FI) entre disques d'étage de compresseur haute pression de turbomachines dont au moins un disque comporte un ensemble périphérique de dents à crochets pour un ancrage de pieds d'aubes.
Il est connu par des essais instrumentés par jauges de contraintes que le soudage FI utilisé pour l'assemblage des disques d'étage de compresseur haute pression de turbomachines génère des contraintes qui entraînent une apparition de criques mise en évidence par contrôle ressuage, notamment dans la zone des crochets de ces disques.
Or, cette initiation de criques est inacceptable sur des pièces essentielles à l'intégrité de la turbomachine.
Il existe donc un besoin d'améliorer le procédé de soudage FI actuel pour supprimer cette initiation de criques.
Objet et résumé de l'invention
La présente invention a donc pour but principal de proposer un procédé de soudage FI qui pallie cet inconvénient.
Ce but est atteint grâce à un procédé de soudage par friction inertielle FI de deux parties d'un sous-ensemble tournant de turbomachine dont l'une au moins comporte à sa périphérie une pluralité de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes et dans lequel une de deux parties à souder l'une à l'autre est maintenue par une pince et mise en rotation par un moteur et l'autre des deux parties à souder est maintenue par une couronne dentée de reprise de couple montée dans un chariot mobile en translation, procédé caractérisé en ce que pour éviter toute formation de criques au niveau des crochets desdites dents lors de la soudure, il est prévu de recouvrir ladite pluralité de dents à crochets de moyens d'amortissement apte à décaler en fréquence la réponse vibratoire desdits crochets et ainsi créer un amortissement. Ainsi, avec ce montage amortisseur décalant en fréquence la réponse vibratoire et amortissant les crochets, on assure une absorption d'énergie suffisante pour éviter la création de criques sur le disque.
De préférence, lesdits moyens d'amortissement comportent sept secteurs amortisseurs adjacents recouvrant entièrement ladite pluralité de dents à crochets et couvrant chacun un angle d'environ 51 degrés.
Selon un premier mode de réalisation, chacun desdits secteurs amortisseur comporte deux flancs latéraux épousant la circonférence du disque et s'appuyant sur les bords latéraux des dents via une première gomme viscoélastique, deux rebords supérieurs de ces flancs venant en appui sur deux plaques de serrage en contact avec les bords supérieurs des dents via une seconde gomme viscoélastique.
De préférence, lesdites plaques sont maintenues serrées par des vis comprimant des moyens ressorts disposés entre ces deux plaques et agissant comme ressort de rappel une fois celles-ci desserrées.
Selon un second mode de réalisation, lesdits moyens d'amortissement comportent un amortisseur individuel monté sur chacune des dents dudit ensemble de dents à crochets.
Avantageusement, ledit amortisseur individuel comporte une première lame dont une extrémité est terminée par un rebord coopérant avec l'un des deux crochets d'une dent et une seconde lame dont une extrémité est terminée par un rebord coopérant avec l'autre des deux crochets de ladite dent, l'autre des extrémités desdites première et seconde lames étant solidarisées entres elles par des moyens de fixation.
Pour, en appliquant un serrage dans deux directions, permettre aux rebords d'agripper les crochets correspondants et donc de retenir mécaniquement ledit amortisseur individuel contre ladite dent, lesdites autres extrémités desdites première et seconde lames se terminent chacune par une pente.
De préférence, ladite première lame comporte des longueur et largeur correspondant sensiblement aux longueur et largeur d'une dent et ladite seconde lame comporte une longueur correspondant sensiblement à la hauteur d'une dent et une largeur correspondant sensiblement à la largeur d'une dent. Avantageusement, lesdites première et seconde lames sont recouvertes sur leur face interne en contact avec lesdites dents par des gommes viscoélastiques.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquels :
- les figures 1A et 1B sont des vues en coupe détaillée respectivement du mandrin et du chariot d'une machine de soudage par friction inertielle dite FI apte à la mise en œuvre du procédé de l'invention ;
- les figures 2 et 2A à 2C illustrent un premier mode de réalisation de moyens d'amortissement mis en œuvre dans le procédé de l'invention ; et
- les figures 3A et 3B illustrent un second mode de réalisation de moyens d'amortissement mis en œuvre dans le procédé de l'invention.
Description détaillée d'un mode de réalisation
Les figures 1A et 1B représentent respectivement le mandrin et le chariot d'une machine de soudage par friction inertielle dite FI apte à la mise en œuvre du procédé selon l'invention de soudage FI de deux disques d'étages de compresseur haute pression d'une turbomachine. Bien entendu, elle est applicable de façon plus générale au soudage FI de deux parties d'un sous-ensemble tournant d'une telle turbomachine. La machine 10 se compose essentiellement d'une part d'un mandrin 12 couplé à des volants d'inertie 14 et dans laquelle une 26 des deux parties du sous- ensemble à souder est maintenue par une pince 16 et mise en rotation par un moteur 18 (figure 1A) et d'autre part d'un chariot 20 mobile en translation et sur lequel est montée une semelle 22 dans la couronne dentée de reprise de couple (ou le mors 24) de laquelle est maintenue l'autre 28 des deux parties du sous-ensemble à souder.
Le principe de fonctionnement de cette machine repose sur le fait que la chaleur nécessaire au soudage est engendrée par le frottement entre deux pièces en mouvement relatif l'une par rapport à l'autre. Le moteur 18 entraine le mandrin 12 en rotation permettant une accumulation d'énergie cinétique dans les volants 14 jusqu'à ce que le moteur ait atteint une vitesse prédéterminée permettant son désengagement. L'avance du chariot 20 est alors actionnée entraînant un contact des deux parties du sous-ensemble 26, 28 à souder. La friction provoquée par la rotation et la pression axiale de ces deux pièces va provoquer un échauffement augmentant la température qui en un temps relativement court va atteindre la température (température de forgeage) nécessaire au soudage. Parallèlement, il se produit une diminution progressive de la vitesse de rotation jusqu'à un arrêt complet une fois l'énergie accumulée dans les volants consommée. La pression axiale maintenue jusqu'au refroidissement de la pièce est à l'origine du bourrelet de soudage caractéristique de ce type de soudage par friction. On ne décrira pas plus avant ce procédé dont il est à la portée de l'homme du métier de calculer les paramètres, vitesse de rotation, pression axiale, couple résistant et avance chariot, nécessaires au soudage de deux pièces de dimensions données formées en un, voire deux matériaux déterminés.
Dans le domaine aéronautique, le soudage FI est notamment utilisé pour la soudure des disques de compresseurs ou de turbines à base Titane ou Nickel ainsi que pour celle des arbres de turbine à base acier. Plus particulièrement, la figure 1A montre un mandrin 12 dont la pince 16 serre un disque d'étage à base titane de compresseur haute pression d'un moteur d'avion comportant à sa périphérie une pluralité de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes dans le compresseur et la figure 1B montre un chariot 20 dont le mors 24 serre l'ensemble des disques adjacents des autres étages à base titane d'un compresseur haute pression d'une turbomachine d'aéronef. Bien entendu, il ne s'agit ici que d'un exemple de disques soudés parmi de multiples autres envisageables.
Au cours d'une opération de soudage FI, le mouvement de rotation relatif des disques à souder et la friction associée engendrent des vibrations auxquelles répondent la structure de ces disques, l'outillage et la machine sous forme d'une réponse vibratoire structurelle. Ces vibrations qui dépendent de la géométrie des disques à souder, des conditions de maintien en position, des paramètres de soudage et du ou des matériaux de ces disques, peuvent amener, selon leur fréquence, à l'initiation de criques sur les disques, notamment au niveau des crochets des dents.
Selon l'invention, il est proposé d'amortir ces vibrations en recouvrant la pluralité de dents à crochets de moyens d'amortissement 30, 40 afin de décaler en fréquence la réponse vibratoire des crochets de ces dents et ainsi interdire toute initiation de criques.
Les figures 2, 2A, 2B et 2C illustrent un premier mode de réalisation dans lequel les moyens d'amortissement 30 sont formés de plusieurs secteurs d'amortisseur répartis régulièrement autour du disque. Dans l'exemple illustré correspondant à un disque d'étage 3 de compresseur haute pression à 70 dents, il est prévu sept secteurs adjacents s'étendant chacun sur environ 51 degrés, chaque secteur recouvrant dix dents.
Chaque secteur amortisseur comporte deux flancs latéraux incurvés 32, 34 en forme de Γ (L inversé), épousant la circonférence du disque et destinés, une fois serrés l'un contre l'autre, à venir s'appuyer sur les bords latéraux des dents via une première gomme viscoélastique 40A, les deux rebords supérieurs 32A, 34A de ces flancs venant en appui sur deux plaques de serrage 36, 38 également incurvées selon la circonférence du disque et en contact avec les bords supérieurs des dents via une seconde gomme viscoélastique 40B. Les plaques sont maintenues serrées par des vis 42 comprimant des moyens ressorts 44 disposés entre ces deux plaques et agissant comme ressort de rappel une fois celles-ci desserrées. Des vis 46 assurent le maintien des flancs latéraux sur les plaques de serrage.
Les figures 3A et 3B illustrent un second mode de réalisation dans lequel les moyens d'amortissement 50 sont individualisés et recouvrent chacun une dent 52 du disque. Chaque amortisseur individuel comporte ainsi une première lame 54 dont les longueur et largeur correspondent sensiblement aux longueur et largeur d'une dent et dont une première extrémité est terminée par un rebord 54A destiné à coopérer avec l'un 52A des deux crochets de cette dent, préférentiellement le crochet en arrière de la dent, et une seconde lame 56 d'une longueur correspondant sensiblement à la hauteur de la dent mais de même largeur que la première et dont une première extrémité est terminée par un rebord 56A destiné à coopérer avec l'autre 52B des deux crochets de la dent (celui en avant de la dent accessible sur le devant du chariot), les secondes extrémités en pente 54B, 56B de ces première et seconde lames étant solidarisées entres elles par des moyens de fixation, typiquement un ensemble vis-écrou 58. Ainsi, le serrage de l'écrou en rapprochant les deux lames l'une de l'autre va permettre aux rebords 54A, 56A d'agripper les crochets correspondants 52A, 52B et donc de retenir mécaniquement l'amortisseur contre la dent. Il s'agit d'un moyen technique élégant permettant d'appliquer un serrage suivant 2 directions : en coulissant sur la pente 54B de la première lame, la seconde lame 56 remonte suivant l'axe de la vis 58 et se déplace aussi perpendiculairement par rapport à cet axe.
Bien entendu, comme précédemment, pour assurer le contact amortisseur-dent et pour favoriser une absorption d'énergie par amortissement, ces deux lames sont recouvertes sur leur face interne en contact avec les dents par des gommes ou matériaux viscoélastiques de type smactane® ou analogue par exemple. En pratique, on veillera à assurer un serrage suffisant des amortisseurs sur les dents par un changement régulier de ces matériaux, notamment lorsqu'un contrôle visuel fera apparaître une dégradation de leur aspect.
Le changement de la réponse fréquentielle des crochets par une retenue mécanique réalisée avec le procédé de l'invention a permis de solutionner le problème des criques.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de soudage par friction inertielle FI de deux parties d'un sous-ensemble tournant de turbomachine dont l'une au moins comporte à sa périphérie une pluralité de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes et dans lequel une (24) de deux parties à souder l'une à l'autre est maintenue par une pince (16) et mise en rotation par un moteur (18) et l'autre (26) des deux parties à souder est maintenue par une couronne dentée de reprise de couple (22) montée dans un chariot (20) mobile en translation, procédé caractérisé en ce que pour éviter toute formation de criques au niveau des crochets desdites dents lors de la soudure, il est prévu de recouvrir ladite pluralité de dents à crochets de moyens d'amortissement (30, 50) apte à décaler en fréquence la réponse vibratoire desdits crochets et ainsi créer un amortissement.
2. Procédé de soudage FI selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amortissement comportent sept secteurs amortisseurs adjacents recouvrant entièrement ladite pluralité de dents à crochets et couvrant chacun un angle d'environ 51 degrés.
3. Procédé de soudage FI selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacun desdits secteurs amortisseur comporte deux flancs latéraux (32, 34) épousant la circonférence du disque et s'appuyant sur les bords latéraux des dents via une première gomme viscoélastique (40A), deux rebords supérieurs (32A, 34A) de ces flancs venant en appui sur deux plaques de serrage (36, 38) en contact avec les bords supérieurs des dents via une seconde gomme viscoélastique (40B).
4. Procédé de soudage FI selon la revendication 3, caractérisée en ce que lesdites plaques sont maintenues serrées par des vis (42) comprimant des moyens ressorts (44) disposés entre ces deux plaques et agissant comme ressort de rappel une fois celles-ci desserrées.
5. Procédé de soudage FI selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits moyens d'amortissement comportent un amortisseur individuel (50) monté sur chacune des dents de ladite pluralité de dents à crochets.
6. Procédé de soudage FI selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit amortisseur individuel comporte une première lame (54) dont une extrémité est terminée par un rebord coopérant avec l'un des deux crochets d'une dent et une seconde lame (56) dont une extrémité (54A, 56B) est terminée par un rebord coopérant avec l'autre des deux crochets de ladite dent, l'autre des extrémités (54B, 56B) desdites première et seconde lames étant solidarisées entres elles par des moyens de fixation (58).
7. Procédé de soudage FI selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdites autres extrémités desdites première et seconde lames se terminent chacune par une pente (54A, 56B) pour, en appliquant un serrage dans deux directions, permettre aux rebords (54A, 56A) d'agripper les crochets correspondants (52A, 52B) et donc de retenir mécaniquement ledit amortisseur individuel contre ladite dent.
8. Procédé de soudage FI selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite première lame comporte des longueur et largeur correspondant sensiblement aux longueur et largeur d'une dent et ladite seconde lame comporte une longueur correspondant sensiblement à la hauteur d'une dent et une largeur correspondant sensiblement à la largeur d'une dent.
9. Procédé de soudage FI selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdites première et seconde lames sont recouvertes sur leur face interne en contact avec lesdites dents par des gommes viscoélastiques (60).
10. Procédé de soudage FI selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est mis en œuvre entre disques d'étage de compresseur haute pression de turbomachine comportant au moins un ensemble périphérique de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes dans le compresseur.
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