Brevet FR3049929A1 — publié le 20171013

Méthode d'assemblage d'un raidisseur sur un panneau de structure d'aéronef, procédé de montage d'un aéronef et panneau associés La présente invention concerne une méthode d'assemblage d'un panneau d'aéronef comportant au moins un raidisseur et un revêtement comportant les étapes suivantes : - positionnement du raidisseur sensiblement perpendiculaire par rapport à une première surface du revêtement ; - soudage par friction malaxage du raidisseur sur le revêtement, le soudage étant réalisé à partir d'une deuxième surface du revêtement opposée à la première surface, en regard du raidisseur. Cette méthode s'applique à l'assemblage de panneaux d'aéronef, notamment d'éléments de voilure, de fuselage en zone pressurisée et/ou en zone non pressurisé et/ou d'empennage d'aéronef. Afin de répondre aux exigences techniques (résistance statique, fatigue et tolérance aux dommages), ces panneaux sont constitués d'un revêtement sur laquelle sont assemblés des raidisseurs. Le matériau utilisé pour ces panneaux est classiquement l'aluminium. Plusieurs nuances d'alliages d'aluminium peuvent composer ces panneaux. Plusieurs procédés d'assemblage d'un raidisseur sur revêtement sont utilisés dans le domaine aéronautique. Le rivetage est le plus fréquemment utilisé et est parfaitement maitrisé. La filière de fabrication pour ce type de structure est également très robuste vis à vis de la résistance à la corrosion. Le procédé de rivetage requiert d'assurer néanmoins une parfaite étanchéité pour les zones pressurisées, induite par le perçage nécessaire à la pose des rivets. Le soudage est un procédé également utilisé pour l'assemblage de raidisseurs sur peau. Parmi les types de soudage utilisés, on connait le soudage par fusion et le soudage par friction malaxage (désigné par l'acronyme anglais FSW pour Friction Stir Welding). Le soudage par friction malaxage est un des procédés de soudage sans fusion utilisés pour des alliages d'aluminium. La réalisation d'un cordon de soudure s'effectue grâce au malaxage des matières induit par la rotation d'un outil, généralement nommé pion. Le malaxage est induit par frottement entre le pion et la ou les surfaces des panneaux à assembler. Dans un premier temps, le pion en rotation pénètre progressivement dans les matières, afin de créer un échauffement qui a pour but de ramollir et d'entrainer les matières en rotation pour créer le phénomène de malaxage. L'outil de soudage est constitué de deux parties. La première partie, qui produit le malaxage, est décrite 3049929 2 précédemment, et la deuxième partie est un épaulement solidaire de la première partie qui reste sur la surface de contact. Le frottement de la deuxième partie produit également un échauffement. Un effort maitrisé est assuré pendant tout le processus pour assurer le contact avec l'épaulement sans pénétration de celui-ci. 5 Pour assembler un raidisseur sur un revêtement, il existe plusieurs types de configurations de soudage possibles par le procédé de friction malaxage, comme par exemple le soudage en T ou le soudage par recouvrement. Une configuration de soudage en T est une configuration où le raidisseur est soudé de manière sensiblement perpendiculaire au panneau. Une configuration de soudage par recouvrement est une 10 configuration où le raidisseur et le panneau forment deux couches superposées. Le document W02004/014593 présente une méthode de soudage par friction malaxage d'une configuration par recouvrement où un raidisseur est soudé à un revêtement au moyen de deux cordons de soudure normaux à la surface. Dans une configuration de soudage par recouvrement, le cordon de soudure ne 15 couvre pas entièrement les surfaces de contact entre le raidisseur et le revêtement. Il subsiste, de chaque côté du cordon de soudure, deux zones en contact intime mais non soudées. Ces zones non soudées peuvent être des zones de rétention de liquide potentiel. Lorsqu'un panneau n'est pas préalablement protégé, les surfaces non soudées sont susceptibles d'être corrodées, pendant le processus de fabrication du panneau et/ou 20 lors du service de ce panneau sur avion, notamment si de l'humidité s'insère dans les interstices des zones non soudées. Du fait de sa localisation, une telle corrosion est difficile à détecter et à inspecter. Pour pallier ce problème, les surfaces des panneaux avant assemblage sont protégées contre la corrosion avec des couches protectrices. Cependant la température 25 élevée du processus de soudage est susceptible de détériorer significativement les couches protectrices des panneaux. De plus, une fois l'assemblage réalisé, les interfaces de contact entre le raidisseur et le revêtement ne sont pas accessibles pour les protéger par une nouvelle couche protectrice. Un but de l'invention est donc de fournir une méthode d'assemblage réduisant les 30 risques de corrosion, tout en étant simple à mettre en oeuvre et peu coûteuse. A cet effet, l'invention a pour objet une méthode d'assemblage du type précité, caractérisée en ce que le revêtement définit au moins une rainure ménagée dans la première surface, le positionnement du raidisseur comprenant l'insertion du raidisseur dans la rainure, avant le soudage. 35 La méthode d'assemblage comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toute combinaison techniquement possible : 3049929 3 - la méthode comporte, avant le positionnement du raidisseur, l'usinage de la rainure dans le revêtement ; - le raidisseur comporte une tranche de forme complémentaire à la rainure du revêtement ; 5 - le raidisseur est inséré dans la rainure par sa tranche ; - la rainure présente une profondeur supérieure à 15% de l'épaisseur du revêtement et avantageusement comprise entre 20% et 80% de l'épaisseur du revêtement ; - la méthode comporte, après le soudage, une étape de protection de la surface 10 extérieure de l'assemblage du revêtement et du raidisseur soudé sur le revêtement ; - le revêtement et/ou le raidisseur présentent une surface externe dépourvue de protection, avant le soudage ; - la rainure est sensiblement rectiligne ; - le soudage est effectué dans une région de la deuxième surface centrée par 15 rapport au raidisseur ; - la méthode comporte un traitement thermique de l'assemblage, sans ou avec mise en contrainte du revêtement et du raidisseur, après soudage ; - le soudage est réalisé dans un poste d'assemblage comportant un outil de soudage et une bride, déplaçable entre une position fermée d'immobilisation du raidisseur 20 et une position ouverte de libération du raidisseur ; la méthode comprenant : - l'ouverture de la bride ; - le déplacement du revêtement pour positionner un premier raidisseur dans la bride ; - la fermeture de la bride ; 25 - le soudage du premier raidisseur au revêtement par l'outil de soudage ; - la libération de l'assemblage après soudage par l'ouverture de la bride ; - le déplacement du revêtement pour positionner un deuxième raidisseur dans la bride ; le revêtement et le raidisseur sont en alliage métallique, avantageusement en 30 alliage d'aluminium de mêmes nuances ou de nuances différentes ; - la première surface est une surface intérieure, et la deuxième surface est une surface extérieure. L'invention concerne également un procédé de montage d'un aéronef comportant l'assemblage d'un panneau comportant au moins un raidisseur et un revêtement suivant 35 une méthode décrite ci-dessus, et la fixation du panneau comportant le revêtement muni du raidisseur sur un élément structurel de l'aéronef. 3049929 4 L'invention concerne aussi un panneau comportant un revêtement et au moins un raidisseur soudé perpendiculaire à une première surface du revêtement, le panneau présentant un cordon de soudure entre le revêtement et le raidisseur, caractérisé en ce que le cordon de soudure est contenu dans le revêtement. 5 Un tel panneau est susceptible d'être obtenu par la méthode définie ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un panneau constitué d'un assemblage 10 d'un revêtement et de plusieurs raidisseurs ; - la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un assemblage en T selon l'invention d'un revêtement et d'un raidisseur, avant soudage ; - la figure 3 est une photographie d'une coupe micrographique de l'assemblage en T, après soudage, et ; 15 - la figure 4 est une vue schématique d'un poste d'assemblage pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Un panneau d'aéronef 2, réalisé par une méthode d'assemblage selon l'invention, est illustré sur la figure 1. Un panneau est défini comme l'ensemble formé d'un revêtement 4 sur lequel sont assemblés des raidisseurs 6. 20 Le panneau 2 forme, par exemple, un élément de surface extérieure d'un aéronef. En variante, le panneau 2 est un panneau intérieur d'un aéronef, par exemple, une cloison. Dans l'exemple de la figure 1, le panneau 2 forme un élément de fuselage. En variante, le panneau 2 est un élément de voilure ou d'empennage. Le panneau 2 est, par 25 exemple, un intrados ou un extrados de voilure. Le panneau 2 comporte l'assemblage d'un revêtement 4 et d'au moins un raidisseur 6, au moyen d'un cordon 8 de soudure visible sur la figure 3. Le revêtement 4 et le raidisseur 6 sont tous deux en alliage métallique, avantageusement en alliage d'aluminium, de même nuance ou de nuances différentes. 30 Le revêtement 4 est en forme de plaque. Il présente une géométrie tridimensionnelle comme un galbe sur la figure 1. Il comporte une première surface 12, ici une surface intérieure du revêtement, et une deuxième surface 14, ici une surface extérieure du revêtement, opposée à la première surface 12. L'épaisseur du revêtement 4 prise entre la première surface 12 et la deuxième 35 surface 14 est typiquement comprise entre 1 mm et 5 mm. Pour un élément de voilure, l'épaisseur est typiquement comprise entre 5 mm et 20 mm. 3049929 5 Dans cet exemple, le revêtement 4 comporte des ouvertures traversantes 15 ménagées dans son épaisseur entre la première surface 12 et la deuxième surface 14. Selon l'invention, et comme illustré par la figure 2, le revêtement 4 définit, pour chaque raidisseur 6, avant l'assemblage du revêtement 4 avec le raidisseur 6, au moins 5 une rainure 16 de forme complémentaire au raidisseur 6. Dans cet exemple, les raidisseurs 6 et les rainures correspondantes 16 s'étendent de manière sensiblement rectiligne au niveau de la première surface 12 du revêtement 4. Chaque rainure 16 présente une largeur correspondant à celle du raidisseur 6 et une profondeur supérieure à 15% de l'épaisseur du revêtement 4 et avantageusement 10 comprise entre 20% et 80% de l'épaisseur du revêtement 4. Chaque raidisseur 6 forme une membrure faisant saillie par rapport à la première surface 12. Chaque raidisseur 6 définit une tranche 18 qui est insérée de manière complémentaire dans la rainure 16 du revêtement 4 avant soudage. Comme indiqué plus haut, la largeur du raidisseur 6 prise au niveau de sa tranche 18 est donc sensiblement 15 égale à celle de la rainure 16. Cette largeur est par exemple comprise entre 1mm et 5mm pour un élément de fuselage. En variante, pour un élément de voilure, cette largeur est comprise entre 5 mm et 20 mm. 20 La tranche 18 et la rainure 16 étant de formes complémentaires, la tranche 18 est appliquée sur le fond de la rainure 16 sur la quasi-totalité de sa surface, par exemple, sur plus de 90% de sa surface. Comme illustré par la figure 2, une fois inséré dans la rainure 16, le raidisseur 6 est sensiblement perpendiculaire à la première surface 12 du revêtement 4 pour former 25 une configuration de soudage en T. Le cordon de soudure 8 est réalisé au moyen du procédé de soudage par friction malaxage du raidisseur 6 au revêtement 4, comme indiqué par la figure 4. Avant le soudage, le revêtement 4 et/ou le raidisseur 6 présentent par exemple une surface externe dépourvue de protection. De préférence, la première surface 12 et la 30 deuxième surface 14 du revêtement 4 et les surfaces extérieures du raidisseur 6 sont avantageusement dépourvues de protection. Toutefois, cette méthode de soudage en T est applicable si les surfaces extérieures du raidisseur et le revêtement sont protégés totalement ou partiellement avant soudage. Le soudage est effectué à partir de la deuxième surface 14 du revêtement 4, en 35 regard du raidisseur 6. Il est réalisé sur tout le long de la rainure 16 et est centré par 3049929 6 rapport à elle. Le soudage mélange et homogénéise la tranche 18 du raidisseur 6 insérée dans la rainure 16 avec la matière du revêtement 4 au voisinage de la rainure 16. Aucune interface résiduelle n'existe entre le revêtement 4 et le raidisseur 6 après soudage. Le panneau 2 est dépourvu de zones non soudées au niveau de l'interface 5 entre le revêtement 4 et le raidisseur 6. Le risque de corrosion à cette interface est donc supprimé. Comme le montre la figure 3, le cordon de soudure 8, et donc la soudure, est contenu dans le revêtement 4. Le cordon de soudure 8 ne déborde pas dans la région du raidisseur 6 située en saillie par rapport à la première surface 12. 10 Le cordon de soudure 8 présente, en coupe transversale, une région intérieure 19A de forme ovale et une région extérieure 19B de forme sensiblement trapézoïdale. La région intérieure 19A s'étend dans le revêtement 4 à la place de la rainure 16 jusqu'à la première surface 12. Elle déborde latéralement de part et d'autre du raidisseur 6. 15 La région extérieure 19B diverge vers la deuxième surface 14. Elle présente une largeur maximale, prise au niveau de la deuxième surface 14, supérieure à la largeur maximale de la région intérieure 19A. La largeur maximale de la région extérieure 19B est de préférence supérieure à trois fois la largeur du raidisseur 6, prise au niveau de la première surface 12. 20 Le panneau 2 comporte avantageusement une couche protectrice apte à le protéger contre la corrosion. Cette couche protectrice est appliquée préférentiellement après le soudage et s'étend avantageusement sur toute la surface extérieure du panneau 2. La couche protectrice est, par exemple, réalisée par oxydation anodique. Le panneau 2 est fabriqué avantageusement à l'aide d'un outillage 20. Cet 25 outillage 20 comporte un premier poste d'usinage de la rainure 16 (non représenté) du revêtement 4 et un second poste d'assemblage 22 du raidisseur 6 au revêtement 4. Le poste d'usinage de la rainure 16 comprend, par exemple, un support de maintien du revêtement, une fraise et un dispositif de déplacement et de pilotage de la fraise. 30 Le poste d'assemblage 22 de l'outillage 20 est illustré schématiquement sur la figure 4. Il comporte un support pour soutenir le raidisseur 6. Ce support comporte une bride 23 déplaçable entre une position fermée d'immobilisation du raidisseur 6 et une position ouverte de libération du raidisseur 6. Le poste d'assemblage 22 comporte un ensemble de déplacement du revêtement 35 4 par rapport à la bride 23 (non représenté). Cet ensemble de déplacement est propre à 3049929 7 permettre le positionnement du revêtement 4 et l'insertion des raidisseurs 6 successifs dans la bride 23 du poste 22. L'outillage comporte aussi un outil 24 de soudage par friction malaxage. Cet outil 24 comporte un pion rotatif 28, un ensemble 26 d'entraînement en rotation et de pilotage 5 de la position du pion rotatif 28, et un ensemble 32 de support. Le pion rotatif 28 est propre à provoquer, par friction et entrainement en rotation, l'écoulement et le malaxage de la matière avec lequel il entre en contact. L'ensemble 26 est apte à appliquer une pression de forgeage sur le pion rotatif 28, ainsi qu'à positionner et déplacer le pion rotatif 28 sur la deuxième surface 14 le long de 10 chaque rainure 16 pour réaliser le soudage. L'ensemble de support 32 est, par exemple, un robot poly-articulé, une machine portique, ou une fraiseuse. La méthode d'assemblage de chaque raidisseur 6 sur le revêtement 4 va maintenant être décrite. 15 La méthode comporte tout d'abord une première étape d'usinage de la rainure 16 correspondant à chaque raidisseur 6 dans le revêtement 4, au niveau de sa première surface 12. Cet usinage est, par exemple, réalisé au moyen du poste d'usinage de l'outillage 20 décrit précédemment. Chaque rainure 16 est sensiblement rectiligne et présente alors une largeur 20 sensiblement égale à la tranche 18 du raidisseur 6. Elle présente, de plus, une profondeur supérieure à 15% de l'épaisseur du revêtement 4 et avantageusement comprise entre 20% et 80% de l'épaisseur du revêtement 4. La méthode comprend ensuite, dans le poste 22, une étape de positionnement d'un premier raidisseur 6 sensiblement perpendiculaire par rapport à la première surface 25 12 du revêtement 4. Le positionnement du raidisseur 6 se fait par l'insertion de sa tranche 18 dans la rainure 16 du revêtement 4. La tranche 18 est appliquée contre le fond de la rainure 16. L'étape de positionnement est suivie par l'ouverture de la bride 23 du poste 22 et le déplacement du revêtement 4 pour placer le raidisseur 6, inséré dans la rainure 16, 30 dans la bride 23. Ce déplacement est réalisé au moyen de l'ensemble de déplacement du poste d'assemblage 22. La bride 23 est alors fermée. La méthode comporte alors une étape de soudage par friction malaxage du raidisseur 6 sur le revêtement 4. Le revêtement 4 et le raidisseur 6 présentent avantageusement, avant l'étape de soudage, une surface externe dépourvue de 35 protection. Comme précisé plus haut, la première surface 12 et la deuxième surface 14 du 3049929 8 revêtement 4 et les surfaces extérieures du raidisseur 6 sont avantageusement dépourvues de protection. Le soudage est réalisé à partir de la deuxième surface 14 du revêtement 4 opposée à la première surface 12 et en regard du raidisseur 6. 5 Le soudage est réalisé centré par rapport au raidisseur 6. Pour faciliter le centrage de la trajectoire de soudage par rapport au raidisseur 6, la position de la rainure 16 est avantageusement représentée sur la deuxième surface 14 du revêtement 4. Le soudage est suivi de la libération de l'assemblage du revêtement 4 et du raidisseur 6 par l'ouverture de la bride 23. 10 Puis, un deuxième raidisseur 6 est positionné dans une deuxième rainure 16 et le revêtement 4 est déplacé pour placer le deuxième raidisseur 6 dans la bride 23 ouverte. Les étapes précédentes sont répétées pour chaque raidisseur 6 successif à assembler sur le revêtement 4, afin de constituer le panneau 2. Après le soudage, et selon les alliages d'aluminium utilisés, la méthode comprend 15 avantageusement un traitement thermique de l'assemblage du revêtement 4 et du raidisseur 6. Le traitement thermique consiste par exemple à effectuer un revenu à une température supérieure à 140°C, notamment comprise entre 150°C et 160°C ou un recuit à une température supérieure à 300°C, notamment comprise entre 320°C et 330°C. Le traitement thermique du panneau 2 est avantageusement réalisé sous 20 contrainte, afin de réduire drastiquement les éventuelles distorsions géométriques dues au soudage. Cette mise en contrainte est obtenue à l'aide d'un outillage reproduisant la surface extérieure 14 du panneau 2 sur lequel est mise en place le panneau 2 en contact par contrainte. 25 Pendant le traitement thermique et sous l'effet de la mise en contrainte, les contraintes résiduelles engendrées par l'assemblage du revêtement 4 et des raidisseurs 6 sont relaxées, ce qui permet de réduire les distorsions géométriques et d'obtenir en final, une fois le traitement thermique terminé, le panneau 2 conforme géométriquement. La méthode comporte avantageusement, une étape finale de protection de la 30 surface extérieure de l'assemblage du revêtement 4 et du raidisseur 6. Plus précisément, la première surface 12 et la deuxième surface 14 du revêtement 4 et les surfaces extérieures du raidisseur 6 sont protégées de la corrosion par application d'une couche protectrice, par exemple, par oxydation anodique. Le cordon de soudure 8, et donc la soudure, étant sensiblement contenus dans le 35 revêtement 4, aucune interface de contact n'existe entre le raidisseur 6 et le revêtement 4 après soudage. L'assemblage ne contient donc pas de zone de rétention qui pourrait être 3049929 9 propice à la corrosion. Les risques de corrosion sont donc réduits par la méthode d'assemblage décrite ci-dessus, car aucune surface ne reste non protégée. La méthode selon l'invention est en outre simple à mettre en oeuvre et peu couteuse. 5 Elle implique, en particulier une réduction significative du temps d'assemblage. En effet, la vitesse d'assemblage est au moins 2 fois plus rapide (0,2 à 0.5 m/min) que le rivetage automatique (0,1 m/min) et 20 fois plus rapide que le rivetage manuel. De plus, le soudage est obtenu en une seule passe, effectuée par transparence à partir d'une surface extérieure du revêtement 4. 10 Le panneau 2 réalisé par le procédé selon l'invention est propre à être assemblé sur un élément structurel de l'aéronef. REVENDICATIONS1.- Méthode d'assemblage d'un panneau (2) d'aéronef comportant au moins un raidisseur (6) et un revêtement (4), comportant les étapes suivantes : - positionnement du raidisseur (6) sensiblement perpendiculaire par rapport à une première surface (12) du revêtement (4) ; - soudage par friction malaxage du raidisseur (6) sur le revêtement (4), le soudage étant réalisé à partir d'une deuxième surface (14) du revêtement (4) opposée à la première surface (12), en regard du raidisseur (6) ; caractérisée en ce que le revêtement (4) définit au moins une rainure (16) ménagée dans la première surface (12), le positionnement du raidisseur (6) comprenant l'insertion du raidisseur (6) dans la rainure (16), avant le soudage. 2.- Méthode selon la revendication 1, comportant, avant le positionnement du raidisseur (6), l'usinage de la rainure (16) dans le revêtement (4). 3. - Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le raidisseur (6) comporte une tranche (18) de forme complémentaire à la rainure (16) du revêtement (4). 4. - Méthode selon la revendication 3, dans laquelle le raidisseur (6) est inséré dans la rainure (16) par sa tranche (18). 5. - Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la rainure (16) présente une profondeur supérieure à 15% de l'épaisseur du revêtement (4) et avantageusement comprise entre 20% et 80% de l'épaisseur du revêtement (4). 6. - Méthode selon l'une des revendications précédentes comportant, après le soudage, une étape de protection de la surface extérieure de l'assemblage du revêtement (4) et du raidisseur (6) soudé sur le revêtement (4). 7. - Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le revêtement (4) et/ou le raidisseur (6) présentent une surface externe dépourvue de protection, avant le soudage. 3049929 11 8. - Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle la rainure (16) est sensiblement rectiligne. 9. - Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le soudage 5 est effectué dans une région de la deuxième surface (14) centrée par rapport au raidisseur (6). 10. - Méthode selon l'une des revendications précédentes comportant un traitement thermique de l'assemblage, sans ou avec mise en contrainte du revêtement (4) 10 et du raidisseur (6), après soudage. 11. - Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le soudage est réalisé dans un poste (22) d'assemblage comportant un outil de soudage (28) et une bride (23), déplaçable entre une position fermée d'immobilisation du raidisseur 15 (6) et une position ouverte de libération du raidisseur (6) ; la méthode comprenant : - l'ouverture de la bride (23) ; - le déplacement du revêtement (4) pour positionner un premier raidisseur (6) dans la bride (23) ; - la fermeture de la bride (23) ; 20 - le soudage du premier raidisseur (6) au revêtement (4) par l'outil de soudage (24) ; - la libération de l'assemblage après soudage par l'ouverture de la bride (23) ; - le déplacement du revêtement (4) pour positionner un deuxième raidisseur (6) dans la bride (23). 25 12. - Méthode selon l'une des revendications précédentes dans laquelle le revêtement (4) et le raidisseur (6) sont en alliage métallique, avantageusement en alliage d'aluminium de mêmes nuances ou de nuances différentes. 30 13.- Méthode selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la première surface (12) est une surface intérieure, et la deuxième surface (14) est une surface extérieure. 14. - Procédé de montage d'un aéronef comportant l'assemblage d'un panneau (2) 35 comportant au moins un raidisseur (6) et un revêtement (4) suivant une méthode décrite 3049929 12 dans l'une des revendications précédentes, et la fixation du panneau (2) comportant le revêtement (4) muni du raidisseur (6) sur un élément structurel de l'aéronef. 15. - Panneau (2) comportant un revêtement (4) et au moins un raidisseur (6) 5 soudé perpendiculaire à une première surface du revêtement (4), le panneau présentant un cordon de soudure (8) entre le revêtement (4) et le raidisseur (6), caractérisé en ce que le cordon de soudure (8) est contenu dans le revêtement (4).