Brevet FR2943317A1 — publié le 20100924

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE LEVRE D'ENTREE D'AIR POUR NACELLE D'AERONEF L'invention concerne un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef. Plus précisément, l'invention concerne l'utilisation de la technique de soudage par friction malaxage pour la réalisation d'une lèvre d'entrée d'air de nacelle d'aéronef. Par lèvre d'entrée d'air, on entend la partie antérieure, ou bord d'attaque, d'une entrée d'air de nacelle d'aéronef. Actuellement, les constructeurs aéronautiques cherchent, notamment afin de réduire les coûts d'exploitation de leurs appareils, à alléger les structures des aéronefs et à améliorer leurs performances aérodynamiques. Une des structures qui retient l'attention des constructeurs aéronautiques est la nacelle d'aéronef, qui comporte de manière classique une entrée d'air circulaire entourant un carénage dans lequel est logé un turboréacteur. En effet, les nacelles participent de manière non négligeable au poids de l'aéronef, et le cahier des charges précis, tant relativement aux exigences de tenue mécanique en température que des performances aérodynamiques liées à l'état de surface de l'extérieur de la nacelle, ne permet pas de s'affranchir aisément des contraintes actuelles. D'une manière générale, une nacelle d'aéronef est constituée, au niveau de ses lèvres d'entrée d'air, de plusieurs quartiers en arc de cercle, réalisés chacun par emboutissage profond à partir de tôle mince en alliage d'aluminium, tel que l'alliage 2219 T62. Or, dans certaines géométries de lèvres d'entrée d'air, la profondeur du profil rend difficile, voir impossible, la réalisation de quartiers de lèvres d'entrée d'air à partir d'une unique pièce. Il est alors connu de rapporter une plaque cintrée, au profil adéquat, notamment par rivetage, sur la tôle emboutie. Un des inconvénients de cette solution est qu'elle nécessite un recouvrement entre la tôle et la plaque cintrée, ce qui tend à augmenter la masse de la nacelle. Un autre inconvénient est qu'il est nécessaire de percer des trous dans ces différents éléments, pénalisant de manière non négligeable la tenue mécanique de l'ensemble. Les performances aérodynamiques de la nacelle au niveau d'une telle entrée d'air sont fortement pénalisées du fait de la présence des fixations entrainant un risque de désaffleurement des têtes des fixations, et du jeu entre les pièces. De plus, ces étapes multiples dans la gamme d'assemblage nécessitent d'utiliser des moyens d'étanchéité et de fixation supplémentaires, rendant la fabrication d'une telle pièce longue, complexe et coûteuse. L'invention cherche donc à fournir un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef permettant d'obtenir une nacelle d'aéronef ne présentant pas tout ou partie des inconvénients énoncés ci-dessus. Pour cela, dans l'invention, on propose d'assembler la plaque cintrée et la tôle emboutie par soudage par friction malaxage. Cette technique permet d'assembler en phase solide les matériaux sans risque de formation des défauts qui apparaissent classiquement lors de la solidification du bain de fusion. En effet, le soudage par friction malaxage opère en phase pâteuse, il n'y a pas fusion de la matière des pièces à souder. Aussi les déformations sont faibles et les risques de soufflure, fissuration à chaud, inclusion etc. sont considérablement diminués. De plus, dans la mesure où les températures atteintes restent inférieures au point de fusion des matériaux à souder, les caractéristiques mécaniques de l'assemblage final sont élevées et dans la plupart des cas supérieures à celles obtenues avec des procédés de soudage traditionnels D'une manière générale, le soudage par friction malaxage utilise un dispositif rotatif, comportant un pion profilé et un épaulement. Le pion est enfoncé dans la matière des pièces à souder jusqu'à ce que l'épaulement touche la surface du matériau à souder. La matière est chauffée par friction à des températures où elle est facilement déformable. Lorsque le dispositif de soudage avance, la matière s'écoule de l'avant vers l'arrière de la trajectoire du pion pour former un joint soudé. Par avant et arrière, on entend par rapport au sens d'avancement du dispositif de soudage pendant ladite opération de soudage. Par joint soudé, on entend le matériau des surfaces à souder, déplacé lorsqu'il est à l'état pâteux par l'avancement du pion du dispositif de soudage. Les soudures obtenues au niveau des jonctions entre les pièces dans le procédé selon l'invention présentent des caractéristiques mécaniques, statiques ou en fatigues, deux à trois fois supérieures à celles observées au niveau de jonctions rivetées. Avantageusement, pour mettre en oeuvre l'étape de soudage dans le procédé selon l'invention, on utilise un dispositif de soudage par friction malaxage comportant au moins un épaulement et un pion de malaxage apte à traverser au moins partiellement l'épaisseur des matériaux à souder. Préférentiellement, afin d'optimiser la masse et d'augmenter les performances aérodynamiques de la nacelle, on soude la plaque cintrée et la tôle emboutie sans recouvrement, c'est-à-dire en disposant les deux pièces avant soudage de manière à les accoler bord à bord et à les souder dans cette position. Dans la mesure où le procédé de soudage par friction malaxage est aisément automatisable, et les pièces à produire sont de formes simples, le procédé de fabrication selon l'invention permet de réduire de manière conséquente les temps de cycle et les coûts de fabrication d'une nacelle d'aéronef. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef, comportant au moins deux quartiers assemblés pour former une lèvre d'entrée d'air circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a- on emboutit une tôle de manière à lui conférer un profil adéquat, en arc de cercle ; b- on cintre une plaque de manière à lui conférer un profil en arc de cercle; c- on soude par friction malaxage la plaque cintrée le long d'un rebord d'extrémité de la tôle emboutie, de manière à former la paroi externe du quartier de lèvre d'entrée d'air correspondant ; d- on répète les étapes a, b et c pour chacun des quartiers devant former la lèvre d'entrée d'air ; e- on assemble les quartiers de manière à former la lèvre d'entrée d'air circulaire. Selon des exemples de mise en oeuvre, le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter tout ou partie des étapes supplémentaires suivantes : - dans l'étape c, la plaque cintrée est soudée bord à bord au rebord d'extrémité de la tôle emboutie, afin d'éviter tout chevauchement entre les deux pièces et d'optimiser ainsi les performances aérodynamiques au niveau de la surface externe de la nacelle. Par ailleurs, tout recouvrement étant supprimé, on diminue la masse de l'ensemble par rapport à un assemblage par rivetage ou autre ; - on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et une barre support, le dispositif étant déplacé le long de la face interne du joint soudé, afin d'optimiser l'état de surface externe de la soudure, correspondant à la face aérodynamique ; - on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et à pion rétractable, ledit dispositif de soudage étant piloté à efforts constants suivant deux axes verticaux respectivement selon l'épaulement et selon le pion. Par effort vertical, on entend un effort selon un axe longitudinal de l'épaulement ou du pion, appliqué perpendiculairement à la surface de la tôle et de la plaque à souder. Ainsi, un effort vertical est imposé sous l'épaulement et un autre effort vertical est imposé sous le pion. Cela permet d'imposer une profondeur de pénétration du pion suffisante pour garantir l'absence de défaut de racine habituellement dû à un manque de pénétration du pion et qui se traduit le plus souvent par un joint mal soudé dans sa partie inférieure - on utilise un dispositif de soudage à double épaulement. Les deux épaulements sont auto supportant, et le pion de malaxage traverse les pièces à souder de part en part. Ainsi, tout risque de défaut de soudure lié à une pénétration insuffisante du pion de malaxage dans le matériau à souder est supprimé. Par ailleurs, les efforts verticaux sont divisés par quatre ou cinq par rapport à un soudage avec simple épaulement, et sont contenus dans l'outil, favorisant la robotisation du procédé. Dans ce mode de réalisation, on procède avantageusement à un arasement ultérieur de la face externe du joint soudé du quartier de lèvre d'entrée d'air obtenu, de manière à supprimer les stries laissées sur ladite surface externe par l'épaulement correspondant du dispositif de soudage ; - on utilise une plaque cintrée et une tôle emboutie de natures différentes. En effet, le soudage par friction malaxage permet d'assembler des alliages de natures différentes, notamment du point de vu de la tenue en température. Dans la mesure où au niveau de l'entrée d'air, il existe des zones moins exposées aux fortes températures, on peut ainsi utiliser pour cette zone un alliage ayant une densité réduite par rapport à l'alliage d'aluminium usuel utilisé pour les parties destinées à être exposées aux fortes températures. Ainsi, il est possible d'associer à l'alliage 2219 présentant une bonne tenue thermique pour la partie formant le bord d'attaque du quartier de lèvre d'entrée d'air, un alliage d'aluminium-lithium, tel que le 2198, de densité 2,67 g/cm3 ou le 2199 de densité 2,62 g/cm3, qui présentent d'excellentes propriétés spécifiques, d'où des gains de masse potentiels. On peut également utiliser les alliages de magnésium, qui présentent une densité particulièrement faible (par exemple 1,84 g/cm3 pour l'alliage WE43) et une tenue en température pouvant aller jusqu'à 300°C. Préférentiellement, le soudage, qu'il soit hétérogène ou non, est réalisé sur état thermique final d'utilisation. Ainsi, par exemple, pour les alliages d'aluminium-lithium 2198 et le 2199 le soudage est réalisé sur état T8, et pour l'alliage de magnésium WE43 sur état T5 ou T6. Pour les soudures homogènes, le vieillissement thermique de la structure tend à homogénéiser les propriétés du joint soudé obtenu avec celles du matériau soudé. Pour les soudures hétérogènes il sera plus difficile d'utiliser un traitement thermique post soudage compatible avec les deux alliages soudés. Un exemple particulier et non limitatif du procédé selon l'invention est maintenant décrit, à l'aide des figures suivantes : - figure 1 : une vue de face d'une entrée d'air de nacelle d'aéronef ; - figure 2 : un agrandissement d'une section en arc de cercle des lèvres de l'entrée d'air de la figure 1, selon un assemblage de l'état de la technique ; - figure 3 : un agrandissement d'une section en arc de cercle des lèvres de l'entrée d'air de la figure 1, selon un assemblage de l'invention. Sur la figure 1 est représentée, vue de face, une entrée d'air 2 circulaire de nacelle 1 d'aéronef, dans laquelle doit être logée un turboréacteur. L'entrée d'air 2 est formée par quatre quartiers 3 en arc de cercle, de dimensions identiques, solidarisés les uns aux autres pour former l'entée d'air 2 circulaire. Chaque quartier 3 des lèvres de l'entrée d'air 2 est formé, comme cela est visible sur la figure 2, d'une tôle emboutie 4, formant le bord d'attaque de la lèvre d'entrée d'air, se prolongeant longitudinalement par une plaque cintrée 6 formant la paroi externe de l'entrée d'air 2. Plus précisément, un rebord longitudinal 8 de la tôle 4 est fixé à un rebord longitudinal 10 de la plaque 6. Avec le procédé d'assemblage de l'état de la technique, les rebords longitudinaux 8 et 10 respectivement de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6 se chevauchent localement, au niveau de la zone de recouvrement 12. Un tel chevauchement, surtout au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air, perturbe l'écoulement aérodynamique, diminuant ainsi les performances aérodynamiques de la nacelle. Par ailleurs, les plaques et tôles sont solidarisées par rivetage, nécessitant des perforations au niveau des éléments de fixation 13, ce qui fragilise la structure. A l'inverse, avec le procédé de fabrication de l'invention, et surtout l'étape de soudage, on supprime avantageusement tout chevauchement et perçage. Pour cela, conformément au procédé de l'invention, chaque quartier 3 de la lèvre d'entrée d'air 2 est réalisé en accolant bord à bord un rebord longitudinal 8 de la tôle 4, préalablement emboutie, à un rebord longitudinal 10 d'une plaque cintrée 6 (figure 3). On procède alors à un soudage par friction malaxage des rebords accolés. Sur la figure 3, les rebords 8, 10 accolés au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air sont entrain d'être solidarisés l'un à l'autre au moyen d'un dispositif de soudage par fiction malaxage à double épaulement 15. Plus précisément, l'épaulement supérieur 16 est situé du côté de la face interne de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6, de manière à se déplacer le long de leurs rebords 8, 10 accolés, tandis que l'épaulement inférieur 17 est situé du côté de la face externe de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6, de manière à se déplacer le long de leurs rebords 8, 10 accolés. Le pion de malaxage 18 traverse toute l'épaisseur de la tôle 4 et de la plaque 6. Avantageusement, on arase la face externe de la paroi externe du quartier 3 de lèvre d'entrée d'air obtenu, de manière à supprimer les éventuelles stries laissées sur la surface externe par l'épaulement inférieur 17 du dispositif de soudage 15. Une fois chacun des quartiers 3 devant former la lèvre d'entrée d'air 2 réalisé, on procède à l'assemblage desdits quartiers 3 pour former la lèvre d'entrée d'air circulaire 2. Dans un autre exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut de la même manière utiliser un dispositif de soudage par friction malaxage conventionnel, c'est-à-dire à simple épaulement. Une barre support, ou enclume, est alors avantageusement utilisée de manière à ce que l'épaulement se situe au niveau de la face interne, et la barre support au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air. REVENDICATIONS1- Procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air (2) pour nacelle d'aéronef, comportant au moins deux quartiers (3) assemblés pour former une lèvre d'entrée d'air circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a- on emboutit une tôle (4) de manière à lui conférer un profil en arc de cercle ; b- on cintre une plaque (6) de manière à lui conférer un profil en arc de cercle; c- on soude par friction malaxage la plaque cintrée (6) le long d'un rebord d'extrémité (8) de la tôle emboutie (4), de manière à former la paroi externe du quartier de lèvre d'entrée d'air correspondant ; d- on répète les étapes a, b et c pour chacun des quartiers devant former la lèvre d'entrée d'air ; e- on assemble les quartiers de manière à former la lèvre d'entrée d'air circulaire. 2- Procédé de fabrication d'une lévre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef selon la revendication 1, dans lequel dans l'étape c, la plaque cintrée est soudée bord à bord au rebord d'extrémité de la tôle emboutie. 3- Procédé de fabrication d'une lévre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et une barre support, l'épaulement étant déplacé le long d'une face interne du joint soudé. 4- Procédé de fabrication d'une lévre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et à pion rétractable, ledit dispositif de soudage étant piloté à efforts constants suivant deux axes verticaux. 5- Procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel on utilise un dispositif de soudage à double épaulement (15). 6- Procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle 35 d'aéronef selon la revendication 5, dans lequel on arase la face externe dujoint soudé du quartier de lèvre d'entrée d'air obtenu, de manière à supprimer les stries laissées sur ladite face externe par l'épaulement correspondant du dispositif de soudage. 7- Procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle 5 d'aéronef selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel on utilise une tôle emboutie et une plaque cintrée de natures différentes.