Brevet FR3016819A1 — publié le 20150731

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 entrainent 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 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. 3016 819 3 Avantageusement, lesdites première et seconde lames sont recouvertes sur leur face interne en contact avec lesdites dents par des gommes viscoélastiques. 5 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 10 caractère limitatif et sur lesquels : - les figures lA 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 oeuvre du procédé de l'invention ; 15 - les figures 2 et 2A à 2C illustrent un premier mode de réalisation de moyens d'amortissement mis en oeuvre dans le procédé de l'invention ; et - les figures 3A et 3B illustrent un second mode de réalisation de moyens d'amortissement mis en oeuvre dans le procédé de l'invention. 20 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 oeuvre du procédé selon l'invention de soudage FI de deux 25 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- 30 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 3016 819 4 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 5 désengagement. L'avance du chariot 20 est alors actionnée entrainant 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) 10 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 15 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 20 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 25 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. 30 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 35 maintien en position, des paramètres de soudage et du ou des matériaux 3016 819 5 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, 5 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. 10 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 15 incurvés 32, 34 en forme de r (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 20 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 25 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 30 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 35 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 3016 819 6 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 5 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 10 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 15 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 apparaitre une dégradation de leur aspect. 20 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. REVENDICATIONS1. Procédé de soudage par friction inertielle FI de deux parties d'un sous-ensemble tournant de turbomachine dont l'une au moins 5 comporte à sa périphérie une pluralité de dents à crochets 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 10 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. 15 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. 20 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 25 (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 30 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 35 en ce que lesdits moyens d'amortissement comportent un amortisseur 3016 819 8 individuel (50) monté sur chacune des dents de ladite pluralité de dents à crochets. 6. Procédé de soudage FI selon la revendication 5, caractérisée 5 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 10 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 15 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. 20 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 25 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 30 viscoélastiques (60). 10. Procédé de soudage FI selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre entre disques d'étage de compresseur haute pression de turbomachine 35 comportant au moins un ensemble périphérique de dents à crochets pour l'ancrage de pieds d'aubes dans le compresseur.