Brevet FR3032369A1 — publié le 20160812

PROCÉDÉ DE RÉALISATION DE PANNEAU À RAIDISSEMENT CROISÉ, EN PARTICULIER POUR ARCHITECTURE D'AVION, ET STRUCTURE D'AVION FORMÉE À PARTIR D'UN TEL PANNEAU DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001] L'invention concerne un procédé de réalisation de panneau métallique renforcé par un raidissement croisé, destiné en particulier mais non exclusivement à une architecture avionique, ainsi qu'une structure d'avion constituée à partir d'un tel panneau. [0002] Des structures d'avion, telles que case de train, cockpit, voilure, fond étanche de fuselage ou encadrement de porte, ou d'autres véhicules navires, wagons de transport ou véhicules automobiles -, peuvent utiliser des panneaux à raidissement croisé. Ces panneaux renforcés visent à réaliser une forte résistance aux déformations que pourraient provoquer les pressions ou autres contraintes exercées sur elles par l'ensemble de l'architecture du véhicule. [0003] Classiquement, le raidissement croisé d'un panneau est réalisé par l'usinage de raidisseurs sous forme de nervures longitudinales sur une face du panneau, et la fixation de traverses sur la face opposée du panneau, les nervures et les traverses s'étendant orthogonalement. Les nervures peuvent également être réalisées indépendamment du panneau et fixées par rivetage au panneau. [0004] De manière générale, les panneaux raidis sont en matériau à base d'alliage d'aluminium. ÉTAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE [0005] Des solutions ont été proposées pour permettre de réaliser des panneaux à raidissement croisé avec un nombre réduit de pièces de fixation, une plus grande fiabilité du couplage entre les pièces de raidissement et le panneau, 3032369 2 ainsi qu'un encombrement et un poids réduits. Ces solutions prévoient de fixer les éléments raidisseurs, nervures et traverses, de manière croisée sur une même face d'une peau de panneau, en général par rivetage de semelles formées à la base des éléments raidisseurs. 5 [0006] Il est prévu également dans le document de brevet US 6 684 593 d'usiner par fraisage un panneau brut pour former les éléments raidisseurs croisés sur une face du panneau. L'usinage est conduit de sorte que la face renforcée puisse présenter différentes épaisseurs ainsi que des éléments raidisseurs de hauteur, épaisseur et espacement adaptés aux charges locales à prévoir. 10 [0007] L'usinage des éléments raidisseurs est une opération qui utilise des moyens de fraisage importants, mobilise un temps de préparation et d'exécution prolongé et génère une grande perte de matière. [0008] Par ailleurs, le document de brevet US 2006/0226287 décrit un panneau de structure comportant des raidisseurs, fixés par des semelles à une 15 peau de panneau selon une première direction, et des cadres chevauchant les raidisseurs selon une direction perpendiculaire via des trous de souris formées dans ces cadres. Les semelles des raidisseurs présentent des extensions combinées à des portions de surface surélevées s'étendant perpendiculairement aux raidisseurs pour former des embases de fixation pour les semelles des 20 cadres. La fixation est réalisée par une multitude d'attaches. [0009] Cette solution fait intervenir différentes phases de fixation présentant un nombre important d'opérations. De plus, la fixation des cadres par une combinaison de plusieurs éléments intermédiaires - extensions des semelles de raidisseurs et élévations de surface de peau - fragilise la robustesse de 25 l'ensemble. EXPOSÉ DE L'INVENTION [0010] L'invention vise précisément à réaliser un panneau à raidissement croisé présentant une haute résistance à la déformation par un procédé mettant en oeuvre des étapes de fabrication peu nombreuses, de faible 30 durée, sans assemblage ni fixation, tout en restant économiquement compétitif. 3032369 3 Pour ce faire, l'invention prévoit de réaliser un tel panneau à partir d'éléments préparés à la mise en oeuvre d'étapes de soudage par friction malaxage. [0011] Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de réalisation d'un panneau métallique renforcé par un raidissement croisé 5 consistant, dans une première étape, à souder chaque traverse d'une série de traverses disposées selon une première direction à chaque panneau élémentaire d'une série de panneaux élémentaires par friction malaxage bord à bord, chaque panneau élémentaire étant disposé entre deux traverses de sorte à former un panneau globalement continu raidi selon une première dimension sur une 10 première face, puis, dans une deuxième étape, à insérer chaque nervure d'une série de nervures dans une succession de trous de souris préalablement découpés à intervalle régulier dans les traverses de sorte que ces trous de souris sont alignés, d'une traverse à la traverse suivante, la première direction après soudage des traverses pour permettre le passage de chacune desdites nervures, 15 et, dans une troisième étape, à souder ces nervures à la première face des panneaux élémentaires par friction malaxage en transparence à partir d'une deuxième face des panneaux élémentaires opposée à la première face, de sorte que le panneau est à raidissement croisé selon deux dimensions par croisement des traverses et des nervures soudées par friction malaxage sur une même face 20 du panneau à raidissement croisé. [0012] Selon des formes de mise en oeuvre préférées: - le soudage par friction malaxage bord à bord est réalisé entre les bords longitudinaux des panneaux élémentaires et les bords des semelles des traverses, les trous de souris étant usinés jusqu'à affleurer au plan des semelles 25 des traverses; - le soudage par friction malaxage en transparence est effectué entre la semelle des nervures et la face opposée des panneaux élémentaires dans un plan de symétrie centrale de l'âme de chaque nervure; 3032369 4 - après soudage des nervures, les surfaces qui s'étendent autour des semelles des nervures sont lissées afin de niveler leur épaisseur sur celle de la première face des panneaux élémentaires; - le panneau à raidissement croisé peut ensuite être découpé, lors 5 d'une étape finale, en structures de panneau de dimension préétablie. [0013] Le panneau obtenu forme une pièce monobloc ne nécessitant pas d'assemblage. L'absence de fixations, telles que celles utilisées dans la plupart des solutions antérieures, évite l'amorçage de fissures. [0014] De plus, la deuxième face du panneau est sensiblement lisse, ce 10 qui facilite le montage d'équipements complémentaires. [0015] En outre, l'assemblage selon l'invention est directement automatisable par une installation de double soudage par friction malaxage bord à bord et en transparence. [0016] Avantageusement, l'invention permet de s'affranchir d'étapes de 15 manipulation (ajustage, retournement, ...) lors des opérations de soudage et de contrôle. La limite en dimensions des panneaux réalisés est uniquement commandée par celles des machines de soudage. [0017] L'invention se rapporte également à une structure d'avion constituée à partir d'un tel panneau par découpage et courbure le cas échéant, 20 selon l'application visée. BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES [0018] D'autres aspects, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : 25 - la figure 1, une vue en perspective de positionnement de panneaux élémentaires et de traverses de manière alternée en vue de l'étape de soudage par friction malaxage selon le procédé de l'invention; 3032369 5 - la figure 2, une vue partielle en perspective du soudage par friction malaxage bord à bord entre un panneau élémentaire et une semelle de traverse ; - la figure 3, une vue en perspective du panneau globalement continu et raidi selon une dimension, tel qu'obtenu après soudage par friction malaxage bord 5 à bord selon la figure 2 des panneaux élémentaires et des traverses de la figure 1; - la figure 4, une vue partielle en perspective lors de l'introduction d'une nervure dans un trou de souris d'une traverse du panneau de la figure précédente; - la figure 5, une vue en coupe d'un soudage par friction malaxage en transparence d'une semelle de nervure sur un panneau élémentaire; 10 - la figure 6, une vue en perspective du panneau de raidissement croisé obtenu après le double soudage des traverses et des nervures par friction malaxage sur la même face; - la figure 7, une vue supérieure d'un agrandissement de la figure 6 lors d'un lissage au niveau du croisement entre les semelles des traverses et des 15 nervures, et - la figure 8, une vue partielle en perspective du panneau finalisé obtenu après l'opération de lissage de la figure 7. EXPOSÉ DETAILLÉ [0019] Dans les figures, deux éléments identiques sont désignés par un 20 même signe de référence, la description de cet élément étant renvoyée au passage qui en traite. [0020] En référence à la vue en perspective de la figure 1, une série de panneaux élémentaires 1 et une série de traverses 2 sont disposés parallèlement selon leur direction d'extension principale « D » et de manière alternée en vue de 25 leur soudage commun ultérieur par friction malaxage bord à bord. Ainsi, chaque panneau élémentaire 1 est disposé entre deux traverses 2 et chaque traverse 2 entre deux panneaux élémentaires 1. [0021] Chaque panneau élémentaire 1 présente une forme sensiblement rectangulaire terminée par une avancée 11 à chaque sommet (sauf 3032369 6 pour les panneaux élémentaires d'extrémité). Ces avancées 11 forment une découpe rentrante 12d sur la largeur d'extrémité de chaque panneau élémentaire 1 et s'étendent le long de la direction « D », sans modifier le bord rectiligne 12L en longueur de ces panneaux élémentaires 1. La présence de ces avancées 11 5 permet un soudage de bonne finition (voir ci-dessous). [0022] Par ailleurs, chaque traverse 2 présente une âme 21, une semelle 22 perpendiculaire à l'âme 21 à une extrémité de cette âme, et un talon 23 à l'extrémité opposée de l'âme 21. Chaque semelle 22 présente deux bords rectilignes 22L. 10 [0023] La vue partielle en perspective de la figure 2 présente le principe du soudage par friction malaxage (en abrégé FSW, initiales de « Friction Stir Welding » en terminologie anglaise) entre les bords d'un panneau élémentaire 1 et de semelle 22 d'une traverse 2. [0024] Le soudage se fait ici « bord à bord », c'est-à-dire entre le bord 15 rectiligne 12L du panneau élémentaire 1 et le bord rectiligne 22L de la semelle 22. Selon une technique connue, une tête de soudage 3 terminée par un épaulement d'appui 31 et un pion de malaxage 32 pouvant être entraîné en rotation. [0025] Lors du soudage FSW, le pion de malaxage 32 est introduit au niveau de la ligne de jonction « J » entre les bords 12L et 22L. Le pion de 20 malaxage 32 est mis en double rotation (flèches R1 et R2) et s'enfonce du fait du ramollissement local de la matière métallique des pièces 1 et 22, ramollissement provoqué par l'augmentation de température suite aux frictions entre le pion de malaxage 32 et les pièces 1 et 22. [0026] La descente du pion de malaxage 32 est stoppée lorsque 25 l'épaulement d'appui 31 arrive en contact avec les pièces 1 et 22 à souder. Le pion de malaxage 32, toujours en rotation, est alors déplacé le long de la jonction « J », ce qui provoque la formation d'un cordon de soudure 4 composé d'un mélange de matières molles issues des deux pièces 1 et 22. [0027] L'épaulement d'appui 31 réalise un forgeage plan de ce cordon 4. 30 Le soudage se poursuit sur toute la longueur des pièces et se termine au niveau 3032369 7 de l'avancée 11 du panneau élémentaire 1, cette avancée 11 étant totalement mixée à la semelle 22, ce qui renforce le soudage aux extrémités. En se refroidissant, le cordon 4 adopte une structure métallique hybride entre les matériaux constitutifs des pièces 1 et 22, ce qui assure une bonne cohésion entre 5 celles-ci. [0028] Chaque panneau élémentaire 1 et chaque semelle 22 de traverse 2 en vis-à-vis (figure 1) sont soudés bord à bord selon la technique de soudage FSW décrite ci-dessus en référence à la figure 2. Lorsque tous les panneaux élémentaires 1 sont soudés aux semelles 22 de toutes les traverses 2, un 10 panneau 10 globalement continu est ainsi réalisé, tel qu'illustré par la vue en perspective de la figure 3. [0029] Ce panneau 10 est raidi par les traverses 2 selon une première dimension, définie par la direction « D » d'extension des traverses 2 (cf. figure 1). Ce raidissement est réalisé sur une première face 1F du panneau 10 qui regroupe 15 l'ensemble des premières faces 1f des panneaux élémentaires initiaux 1. [0030] La figure 3 montre également une succession de « trous de souris » 5, préalablement usinés à intervalle régulier le long de chaque traverse 2 et alignés d'une traverse à l'autre. Les trous de souris ainsi alignés 5 transpercent de part en part chaque traverse 2. Ces trous de souris 5 sont dédiés à l'insertion 20 de nervures rectilignes 6. Leur découpe présente en conséquence une dimension sensiblement supérieure à celle du profil des nervures 6 à insérer, comme l'illustre la vue partielle en perspective de la figure 4. [0031] Après introduction dans les trous de souris 5 des traverses 2, chaque nervure 6 est positionnée sur toute sa longueur sur les faces premières 25 des panneaux 1, perpendiculairement aux traverses 2 dans l'exemple illustré. Les trous de souris 5 ont été usinées jusqu'à affleurer au plan des semelles 22 des traverses 2, de sorte que les faces 1f et les traverses 2 forment après soudage un niveau sensiblement constant de contact pour les nervures 6. [0032] Les nervures 6 ainsi positionnées sont soudées aux panneaux 30 élémentaires 1 par la technique de soudage FSW « en transparence », comme 3032369 8 illustrée par la vue en coupe de la figure 5. Cette technique reprend le principe illustré en figure 2 mais en l'appliquant au soudage entre deux pièces disposées l'une sur l'autre, ici une nervure 6 et un panneau élémentaire 1, et non de manière juxtaposée. 5 [0033] Pour ce faire, la semelle 62 de la nervure 6 est positionnée contre la première face 1f du panneau élémentaire 1 et le pion 32 de la tête de soudage 3 est agencé sur une deuxième face principale 1i du panneau 1, opposée à la première face 1f. Le pion 32 est mis en rotation et traverse le panneau 1 jusqu'à dépasser la face 1f et atteindre la semelle 62 de la nervure 6 10 du fait du ramollissement des matériaux constitutifs. [0034] Le panneau 1 et la semelle 62 sont ainsi localement malaxés et, lorsque l'épaulement 31 atteint la face 1i, le pion 32 est déplacé linéairement sur les panneaux successifs 1 tout en restant dans un plan de symétrie central 61c de l'âme 61 de la nervure 6. Il s'en suit qu'en refroidissant, les matériaux constitutifs 15 des panneaux 1 et de chaque nervure 6 forment une structure métallique hybride. Le pion 32 a une dimension adaptée en fonction des épaisseurs des panneaux élémentaires 1 et de la nervure 6 à traverser. [0035] La vue en perspective de la figure 6 illustre le panneau 10 obtenu après le double soudage FSW de l'ensemble des traverses 2 (cf. figures 2 et 3) et 20 des nervures 6 (cf. figure 5), respectivement bord à bord et en transparence, sur les mêmes premières faces des panneaux élémentaires 1 constituant la première face 1F du panneau 10 (cf. également figure 3). [0036] Le panneau 10 est maintenant raidi selon deux dimensions, le long d'une première direction « D » d'extension des traverses 2 (cf. également la 25 figure 3) et le long d'une deuxième direction « E » d'alignement des nervures 6 orthogonale à la première direction « D », dans l'exemple de réalisation. Alternativement les directions « D » et « E » peuvent former un angle autre que 90°. Le panneau 10 est alors dit « à raidissement croisé » selon ces deux dimensions par croisement des traverses 2 et des nervures 6 soudées sur la 30 même face 1F du panneau 10. 3032369 9 [0037] Le panneau 10 forme ainsi une pièce monobloc ne nécessitant pas d'éléments d'assemblage et de fixation. Avantageusement, l'absence de fixations évite l'amorçage de fissures. [0038] Par ailleurs, la face opposée 1I à la première face 1F du panneau 5 10 reste sensiblement plane après soudage, du fait du forgeage opéré sur les faces 1i par l'épaulement 31 de la tête 32 (cf. figure 5), ce qui facilite le montage d'équipements complémentaires. [0039] Avantageusement, la surface des panneaux élémentaires 1f autour des nervures 6 est reprise au niveau des semelles 22 des traverses 2 pour 10 niveler son épaisseur et former une face 1F bien lissée. La vue supérieure de la figure 7, qui est un agrandissement de la figure 6 au niveau d'un croisement entre une traverse 2 et une nervure 6, montre l'intervention d'outils de lissage 7 sur la semelle 22 de la traverse 2. L'opération se prolonge le long de la semelle 62 de la nervure 6. Le cas échéant, la semelle 62 peut également être lissée. 15 [0040] Ainsi le soudage FSW croisé selon l'invention permet d'accéder directement aux soudures, ce qui induit un gain de temps et une fiabilité augmentée lors de la réalisation de ces soudures ainsi que lors du contrôle de leur état. [0041] La vue partielle en perspective du panneau 10 de la figure 8 20 montre ce panneau 10 finalisé après l'opération de lissage de la figure 7. Les surfaces S1 autour des semelles 62 des nervures 6 forment un même plan avec le reste de la face 1F du panneau 10 et les semelles 22 des traverses 2 sont bien délimitées à l'écart des semelles 62 des nervures 6. [0042] Le panneau 10 est ensuite découpé en structures de panneau 25 pour satisfaire aux dimensions de pièces à fournir. [0043] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. En particulier, l'angle entre les directions des traverses et des nervures peut être différent de 90° pour pouvoir être adapté aux différentes structures envisagées, par exemple 30 ou 60° ou autre. 3032369 10 [0044] Il est aussi possible d'automatiser l'assemblage par double soudage FSW ainsi que le découpage pour réaliser des structures de panneau. Une installation à double soudage FSW, bord à bord et en transparence, est combinée à une découpeuse pour mettre en oeuvre une telle automatisation. 5 L'installation et la découpeuse sont pilotées par une unité de traitement appropriée, par exemple une unité de traitement numérique. [0045] Les structures de panneau ainsi découpées peuvent être utilisées dans différentes pièces d'avion, en particulier après courbure. Ces structures peuvent ainsi servir dans la réalisation de case de train d'atterrissage, de cockpit 10 de pilotage, de fond étanche de fuselage ou de voilure ou encore d'encadrement de porte. REVENDICATIONS1. Procédé de réalisation d'un panneau métallique renforcé par un raidissement croisé (10) consistant, dans une première étape, à souder chaque traverse (2) d'une série de traverses (2) disposées selon une première direction (D) à chaque panneau élémentaire (1) d'une série de panneaux élémentaires (1) par friction malaxage bord à bord, chaque panneau élémentaire (1) étant disposé entre deux traverses (2) de sorte à former un panneau (10) globalement continu raidi selon une première dimension sur une première face (1f, 1F), puis, dans une deuxième étape, à insérer chaque nervure (6) d'une série de nervures (6) dans une succession de trous de souris (5) préalablement découpés à intervalle régulier dans les traverses (2) de sorte que ces trous de souris (5) sont alignés d'une traverse à la traverse suivante, selon une direction (E) faisant un angle déterminé avec la première direction (D) après soudage des traverses pour permettre le passage de chacune desdites nervures (6), et, dans une troisième étape, à souder ces nervures (6) à la première face (1f) des panneaux élémentaires (1) par friction malaxage en transparence à partir d'une deuxième face (1i) des panneaux élémentaires (1) opposée à la première face (1f), de sorte que le panneau (10) est à raidissement croisé selon deux dimensions par croisement des traverses (2) et des nervures (6) soudées par friction malaxage sur une même face (1f, 1F) du panneau à raidissement croisé (10). 2. Procédé de réalisation selon la revendication 1, dans lequel le soudage par friction malaxage bord à bord est réalisé entre les bords longitudinaux (12L) des panneaux élémentaires (1) et les bords (22L) des semelles (22) des traverses (2), les trous de souris (5) étant usinés jusqu'à affleurer au plan des semelles (22) des traverses (2). 3. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le soudage par friction malaxage en transparence est effectué entre la semelle (62) des nervures (6) et la face 3032369 12 opposée (1i) des panneaux élémentaires (1) dans un plan de symétrie centrale (61c) de l'âme (61) de chaque nervure (6). 4. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel après soudage des nervures (6), les 5 surfaces (S1) qui s'étendent autour des semelles (62) des nervures (6) sont lissées afin de niveler leur épaisseur sur celle de la première face (1f) des panneaux élémentaires (10). 5. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes sont automatisées par une 10 installation de double soudage par friction malaxage bord à bord et en transparence. 6. Procédé de réalisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une étape finale de découpage du panneau à raidissement croisé fournit des structures de dimensions préétablies. 15 7. Procédé de réalisation selon la revendication précédente, dans lequel l'ensemble des étapes sont automatisées par l'installation de double soudage FSW combinée à une découpeuse, l'installation et la découpeuse étant pilotées par une même unité. 8. Structure d'avion constituée à partir d'un panneau à 20 raidissement croisé, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par le procédé selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7 pour servir dans la réalisation d'une pièce d'avion choisie entre une case de train, de cockpit de pilotage, de fond étanche de fuselage ou de voilure ou encore d'encadrement de porte. 9. Structure d'avion selon la revendication précédente, 25 caractérisée en ce qu'elle est préalablement courbée.