Brevet FR3015321A1 — publié le 20150626

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 une machine de soudage par friction inertielle (FI) munie d'un dispositif de contrôle des soudures. Il est connu par des essais instrumentés par jauges de contraintes que le soudage FI utilisé pour l'assemblage des disques 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'appréhender et de contrôler l'état des soudures durant le soudage de ces pièces. Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de proposer une machine de soudage FI qui comporte un dispositif permettant un contrôle pendant le soudage des soudures effectuées par cette machine. Ce but est atteint grâce à une machine de soudage à friction inertielle comportant : un mandrin couplé à des volants d'inertie et dans laquelle une de deux parties à souder l'une à l'autre est maintenue par une pince et mise en rotation par un moteur ; et un chariot mobile en translation et sur lequel est monté une couronne dentée de reprise de couple dans laquellle est maintenue l'autre desdites deux parties à souder, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : un système d'acquisition acoustique comportant des premier et second microphones montés au droit de la soudure à contrôler pour recueillir un signal acoustique résultant d'une excitation vibratoire issue de la soudure et un module de traitement reliés aux dits premier et second microphones pour analyser ledit signal acoustique recueilli et délivrer au moins un sonagramme afin d'assurer un contrôle de la liaison soudée entre lesdites deux parties à souder. 301 5 3 2 1 2 Ainsi, avec ce montage spécifique, les mesures acoustiques systématiques obtenues permettent un contrôle en continu (in situ) de chaque soudure avec une très bonne reproductibilité. De préférence, lesdits premier et second microphones sont 5 montés chacun dans un support fixé par des moyens de fixation dans ladite couronne dentée de reprise de couple du chariot. Avantageusement, ledit premier microphone est disposé à un angle azimutal de 12H et ledit second microphone à un angle azimutal de 9H, la rotation de ladite première pièce étant effectuée dans le sens 10 horaire. De préférence, ledit signal acoustique est recueilli sur une plage de fréquence de 0 à 50 KHz. Avantageusement, l'analyse dudit signal acoustique recueilli est effectuée par une succession de FFT selon un pas de temps prédéfini. 15 De préférence, le contrôle de la liaison soudée consiste en la comparaison dudit au moins un sonagramme délivré avec un sonagramme de référence afin d'en déterminer une variation caractéristique d'un événement particulier dans la soudure. 20 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 : 25 - la figure 1 est une vue générale schématique d'une machine de soudage par friction inertielle dite FI selon l'invention ; - les figures 2A et 2B sont des vues en coupe détaillée respectivement du mandrin et du chariot de la machine de la figure 1 ; et - les figures 3A et 3B illustrent respectivement un sonagramme 30 d'une soudure sans et avec défaut. Description détaillée d'un mode de réalisation La figure 1 représente schématiquement une machine de soudage par friction inertielle dit FI. La machine 10 se compose 35 essentiellement d'une part d'un mandrin 12 couplé à des volants d'inertie 14 et dans laquelle une 26 des deux parties à souder est maintenue par une pince 16 et mise en rotation par un moteur 18 et d'autre part d'un chariot 20 mobile en translation et sur lequel est monté une semelle 22 dans la couronne dentée de reprise de couple 24 (ou le mors) de laquelle est maintenue l'autre 28 des deux parties 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 entrainant un contact des deux pièces 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 des deux pièces. 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. Les figures 2A et 2B détaillent respectivement le mandrin et le chariot d'une machine de soudage FI conforme à l'invention dans le cadre 30 du soudage du disque D6 avec les disques D2-D5 du compresseur haute pression d'une turbomachine d'aéronef. Bien entendu, il ne s'agit ici que d'un exemple parmi de multiples autres envisageables avec cette machine. Selon l'invention, à la structure précédemment décrite, il est ajouté un système d'acquisition acoustique 30 comportant des premier et second 35 microphones 32A, 32B montés au droit de la soudure à contrôler, chacun dans un support 34A, 34B solidaire de la semelle 22 du chariot 20 (par exemple par des vis 36) et en liaison avec un module 38 de traitement des signaux recueillis. En effet, au cours d'une opération de soudage FI, le mouvement de rotation relatif des têtes à souder et la friction associée engendrent des vibrations auxquelles répondent la structure des pièces, outillage et machine sous forme d'une réponse vibratoire structurelle. Celle-ci génère, à son tour, une vibration dans l'air qui est captée par la membrane de chacun des microphones. On nommera ce phénomène, dans la suite de la description, sous les termes «d'excitation vibratoire issue de la soudure». Les deux microphones sont disposés à 90° l'un de l'autre. Par exemple, si le premier est disposé à un angle azimutal de 12H, le second le sera à un angle azimutal de 9H lorsque la rotation est effectuée dans le sens horaire. Les deux micros enregistrent en continu (et donc en même temps) le signal acoustique résultant de l'excitation vibratoire issue de la soudure avant même le contact entre les têtes à souder. Ce signal acoustique est une signature acoustique unique qui, par conséquent, permet la création d'un sonagramme particulier (fréquence, position et intensité vibratoires) qui dépend de la géométrie des pièces à souder, des conditions de maintien en position, des paramètres de soudage et du ou des matériaux de ces pièces. Le sonagramme est une succession de FFT (Fourrier Fast transfert) à un pas de temps prédéfini, une FFT étant par définition la représentation d'un signal temporel dans un domaine fréquentiel. Le signal acoustique recueilli par les premier et second microphones 25 permet la création de deux sonagrammes qui peuvent alors être comparés l'un à l'autre et par rapport à un sonagramme de référence. Avec cette architecture de mesure, il est possible de contrôler pour chaque soudure s'il n'y a pas de variation dans le sonagramme car la moindre irrégularité est alors caractéristique d'un événement particulier 30 survenu dans la soudure. Cela peut être une sollicitation plus importante de certaines fréquences ou bien l'apparition de raies scélérates comme le montrent les figures 3A et 3B qui illustrent respectivement un sonagramme d'une soudure sans défaut à la liaison des disques D2/D3 à base titane d'un compresseur haute pression d'un moteur d'avion et celui 35 d'une soudure défectueuse, ayant entraînée des criques en fond de crochet du D3. En abscisse figure la fréquence en KHz et en ordonnées à la fois le temps de la soudure en s et l'intensité sonore recueillie en dB (dans cet exemple le pas de temps pour la FFT est de 0,1 seconde). Le sonagramme de la figure 3B montre très nettement une raie scélérate à 35KHz qui apparait dès les premiers temps de la soudure (autour de 500ms) avec une intensité élevée de plus de 135dB alors que pour une soudure sans défaut cette intensité sonore n'est relevée qu'au bout de près de 2s sur l'ensemble du spectre fréquentiel (figure 3A). REVENDICATIONS1. Machine de soudage FI comportant : un mandrin (12) couplé à des volants d'inertie (14) et dans laquelle 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 un chariot (20) mobile en translation et sur lequel est monté une couronne dentée de reprise de couple (22) dans laquelle est maintenue l'autre (26) desdites deux parties à souder, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre : un système d'acquisition acoustique (30) comportant des premier et second microphones (32A, 32B) montés au droit de la soudure à contrôler pour recueillir un signal acoustique résultant d'une excitation vibratoire issue de la soudure et un module (38) de traitement relié aux dits premier et second microphones pour analyser ledit signal acoustique recueilli et délivrer au moins un sonagramme afin d'assurer un contrôle de la liaison soudée entre lesdites deux parties à souder. 2. Machine de soudage FI selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdits premier et second microphones sont montés chacun 20 dans un support (34A, 34B) fixé par des moyens de fixation dans ladite couronne dentée de reprise de couple du chariot. 3. Machine de soudage FI selon la revendication 2, caractérisée en ce que ledit premier microphone est disposé à un angle azimutal de 25 12H et ledit second microphone à un angle azimutale de 9H, la rotation de ladite autre partie de pièce étant effectuée dans le sens horaire. 4. Machine de soudage FI selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit signal acoustique est recueilli sur une plage de fréquence 30 de 0 à 50 KHz. 5. Machine de soudage FI selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'analyse dudit signal acoustique recueilli est effectuée par une succession de FFT réalisées selon un pas de temps prédéfini. 6. Machine de soudage FI selon la revendication 1, caractérisée en ce que le contrôle de la liaison soudée consiste en la comparaison dudit au moins un sonagramme délivré avec un sonagramme de référence afin d'en déterminer une variation caractéristique d'un événement particulier 5 dans la soudure.