Brevet FR3092024A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Procédé d'assemblage bord à bord de deux panneaux par soudure friction malaxage Domaine technique [0001] L'invention concerne l'assemblage de panneaux métalliques soudés bout à bout pour constituer ensemble une forme de révolution sensiblement cylindrique délimitant la peau d'un fuselage d'aéronef. Technique antérieure [0002] Comme représenté sur la figure 1, un fuselage 1 d'aéronef comporte des cadres 2, c'est-à-dire des éléments structuraux annulaires espacés les uns des autres le long d'un axe longitudinal AX, et qui portent des panneaux 3-6 sensiblement rectangulaires, en aluminium ou analogue constituant la peau de ce fuselage 1. Des raidisseurs non représentés s'étendent longitudinalement, en reliant chacun deux cadres consécutifs l'un à l'autre. [0003] Chaque panneau a deux bords opposés fixés à deux cadres et ses deux autres bords opposés fixés à deux raidisseurs ou longerons, de sorte que les différents panneaux sont situés bord à bord pour former la peau du fuselage. [0004] Dans ce contexte, il est envisagé de raccorder ces panneaux bord à bord en réalisant un cordon de soudure par friction malaxage. Le soudage par friction malaxage permet de réaliser une soudure bord à bord en limitant l'élévation de température, de sorte que la résistance mécanique de l'assemblage n'est pas diminuée au niveau du cordon de soudure. A l'inverse, les autres procédés de soudage provoquent une augmentation de température importante pour former le cordon de soudure, ce qui rend le matériau cassant au niveau du cordon. [0005] En pratique, le soudage par friction malaxage utilise un pion rotatif ayant un épaulement à sa base, et ce pion en rotation est introduit à la jonction des panneaux positionnés bord à bord. Cette introduction est rendue possible par un ramollissement local de la matière résultant de l'échauffement généra par la friction du pion contre le matériau des panneaux. L'état pâteux de la matière autour du pion permet alors de déplacer le pion le long de la jonction, et sa rotation malaxe la matière pâteuse en formant un cordon de soudure sans ajout de matière. [0006] Le soudage par friction malaxage est néanmoins contraignant. à mettre en oeuvre, car il requiert que les bords à souder jointifs ou espacés l'un de l'autre d'un jeu ou maximal très faible, compris entre 10% et 15% de l'épaisseur des panneaux, attendu que le cordon est formé sans ajout de matière. Le jeu maximal est typiquement de l'ordre de un à quelques dixièmes de millimètres. 2 100071 En pratique, les bords à raccorder sont cl' abord pré-usinés sur le premier panneau et sur le deuxième panneau, avant de placer ces panneaux sur une structure porteuse avec leurs bords bruts en vis-à-vis et de bloquer les panneaux sur cette structure. Lorsque ces panneaux ont des dimensions importantes, leur blocage sur la structure les déforme géométriquement, de sorte que leurs bords s'écartent l'un de l'autre, au point que le jeu maximal admissible n'est plus respecté sur la totalité de la longueur. [0008] Une passe de fraisage est donc réalisée entre les deux bords bruts avec une fraise dont le diamètre est nécessairement supérieur au jeu maximal admissible, pour former les deux bords de raccordement. L'un des panneaux est ensuite rapproché de l'autre sur la structure pour positionner les bords de raccordement l'un contre l'autre sur toute la longueur, de sorte que la formation du cordon par friction malaxage peut alors être mise en oeuvre. [0009] L'installation permettant de fraiser les bords bruts en place pour constituer les bords de raccordement, puis de déplacer l'un des panneaux pour ramener les bords de raccordement l'un contre l'autre nécessite un équipement mécanique piloté par un asservissement complexes, commercialisé sous le nom de marque MUVAX. [0010] En pratique, une telle solution implique en outre une quantité d'opérations dc ma- nutention, de positionnement et de serrage élevée, qui rend sa mise en oeuvre particulièrement longue et coûteuse. [0011] Quoi qu'il en soit, l'assemblage bord à bord de panneaux de grandes dimensions avec un procédé de soudage par friction malaxage implique un nombre d'opérations important pour obtenir une conformité géométrique satisfaisante des deux bords de raccordement à souder. [0012] L'objet de l'invention est d'apporter une solution pour faciliter l'assemblage de deux panneaux bord à bord avec un procédé de soudage par friction malaxage. Exposé de l'invention [0013] A cet effet, l'invention a pour objet un procédé pour souder bord à bord un premier panneau dc tôle à un second panneau de tôle, cc procédé comprenant : [0014] - une étape dc positionnement du premier panneau ; [0015] - une étape dc positionnement du second panneau avec recouvrement par le second panneau d'un bord brut du premier panneau ; [0016] - une étape de découpe conjointe du premier panneau et du second panneau dans la zone de chevauchement pour constituer un bord de raccordement du premier panneau et un bord de raccordement du second panneau ; [0017] - une étape de soudage par friction malaxage des bords de raccordement pour souder bord à bord le premier panneau au second panneau. [0018] Avec cette solution, il n'est pas nécessaire de repositionner les panneaux bord à bord 3 pour pouvoir procéder à l'étape de soudure par friction malaxage : dès que la découpe a été réalisée, les bords de raccordement des panneaux sont valablement positionnés l'un par rapport à l'autre. [0019] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel le premier panneau est positionné en étant fixé à une structure porteuse, et dans lequel le second panneau est positionné en étant fixé à cette structure porteuse. [0020] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel le premier panneau est positionné sur un châssis d'une installation et dans lequel le second panneau est positionné par rapport au premier panneau en étant porté par un organe de manutention. [0021] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'étape de découpe est mise en oeuvre avec un procédé dc découpe laser. [0022] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'étape de découpe est mise en oeuvre avec un procédé dc découpe à jet d'eau laser. [0023] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel l'étape de découpe réalise une découpe ayant une largeur inférieure à trois dixièmes de millimètres. [0024] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel une goulotte ré- fléchissante est installée sous la zone de chevauchement des panneaux pour constituer une protection lors de l'étape de découpe laser. [0025] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la goulotte est dimensionnée pour collecter une chute de découpe du premier panneau à l'issue de l'opération de découpe. [0026] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel la structure porteuse comporte des cadres comprenant chacun une encoche recevant la goulotte. [0027] L'invention concerne également un procédé ainsi défini, dans lequel les panneaux sont incurvés et dans lequel les cadres portant ces panneaux sont courbes. Brève description des dessins [0028] [fig.1] déjà décrite est une vue d'ensemble en éclaté d'un fuselage connu ; [0029] [fig.2] déjà décrite est une vue de détail de deux panneaux portés par un cadre ; [0030] [fig.3] est une vue schématique d'une structure destinée à recevoir deux panneaux pour les souder bord à bord selon un premier mode de réalisation de l'invention ; [0031] [fig.4] est une vue schématique d'une structure destinée à recevoir des panneaux qui est équipée d'une goulotte réfléchissante selon le premier mode de réalisation de l' invention ; [0032] [fig.5] est une vue schématique d'une structure portant deux panneaux se chevauchant par- tiellement et fixés à celle-ci selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0033] [fig.6] est une vue schématique d'une structure portant deux panneaux en phase de découpe des bords de raccordement selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0034] [fig.7] est une vue schématique d'une structure portant deux panneaux positionnés bord à bord avec précision selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0035] [fig.8] est une vue schématique d'une structure portant deux panneaux positionnés bord à bord et en cours de soudage par friction malaxage selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0036] [fig.9] est une vue schématique d'une structure portant deux panneaux soudés bord à bord selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0037] [fig.10] est une vue en coupe montrant schématiquement un fuselage comprenant un cadre portant deux panneaux latéraux selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0038] [fig.11] est une vue en coupe montrant schématiquement un fuselage comprenant deux panneaux latéraux et recevant un panneau supérieur selon le premier mode de réa- lisation de l'invention ; [0039] [fig.12] est une vue en coupe de détail montrant le chevauchement d'un panneau supérieur et d'un panneau latéral avant découpe des bords de raccordement selon le premier mode de réalisation de l'invention ; [0040] [fig.13] est une vue de détail montrant le raccordement d'un panneau supérieur à un panneau latéral après opération de soudage par friction malaxage selon le premier mode de réa- lisation de l'invention ; [0041] [fig.14] est une vue en coupe montrant schématiquement une portion de fuselage comprenant recevant un panneau supérieur selon un second mode de réalisation de l'invention ; [0042] [fig.15] est une vue en coupe de détail montrant la portion de fuselage et le panneau supérieur après découpe des bords de raccordement selon le second mode de réalisation de l' invention ; [0043] [fig.16] est une vue de détail montrant le panneau supérieur raccordé au reste du fuselage conformément au second mode de réalisation de l'invention. [0044] EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0045] L'idée à la hase de l'invention est de placer les bords des panneaux à souder en chc- v auchcmcnt , puis de réaliser une découpe fine et précise des deux bords superposés, pour délimiter directement deux bords de raccordement positionnés à la distance requise l'un de l'autre, de sorte que les panneaux n'ont pas à être repositionnés pour réaliser la soudure par friction malaxage. [0046] Sur la figure 3, une portion de cadre 10 comporte une face externe 11 destinée à porter deux panneaux est pourvue d'une encoche 12 ayant la forme de la lettre C ouverte vers la face externe 11, et dont la position correspond au raccordement des panneaux devant être portés par cc cadre. [0047] Cette encoche 12 reçoit ensuite une goulotte réfléchissante 13, comme illustré sur la figure 4, ayant ici une forme hémicylindrique dont la section correspond à celle de l'encoche 12, de sorte que cette goulotte délimite deux bordures 14 et 15 situées à affleurement de la face externe 11 du cadre 10. [0048] En pratique, une série de cadres tels que le cadre 10 sont placés les uns derrière les autres le long d'un axe longitudinal du fuselage, pour porter l'ensemble des panneaux formant conjointement la peau du fuselage. Ces cadres ont tous une encoche à la même position que l'encoche 12, de façon à constituer une série d'encoches alignées selon l'axe longitudinal. La goulotte réfléchissante 13 est installée dans les encoches de plusieurs cadres consécutifs, pour s'étendre sur une longueur supérieure ou égale à celle des panneaux à installer et à raccorder. Ces encoches sont dimensionnées pour pouvoir insérer et extraire la goulotte. [0049] Comme représenté sur la figure 5, un panneau inférieur 17 est ensuite installé sur les cadres, avec son bord 18 au niveau de la goulotte réfléchissante 13, en étant directement en appui sur les cadres, et fixé à ceux-ci. Le panneau 17 est plus particulièrement positionné de telle façon qu'il présente un bord brut 18 situé entre les bordures 14 et 15 de la goulotte 13. [0050] Un panneau supérieur 19 est ensuite installé, de manière à chevaucher le bord 18 du panneau inférieur 17. Dans l'exemple des figures, le bord brut 21 du panneau supérieur 19 est situé sensiblement au droit de la bordure 15 de la goulotte 13, de telle sorte que la zone de chevauchement du panneau inférieur 17 est légèrement inférieure à la largueur de la goulotte, c'est-à-dire à la distance séparant les bordures 14 et 15. [0051] Le panneau supérieur 19 est fixé aux cadres et il s'écarte sensiblement de ceux-ci au 6 voisinage de la goulotte 13 compte tenu de l'épaisseur du panneau inférieur 17 qu'il recouvre localement. Plus particulièrement, le panneau est fixé aux cadres à une distance suffisamment éloignée du bord de cc panneau pour conférer à ce panneau la flexibilité nécessaire pour qu'il soit en appui sur l'autre panneau, tout en lui conférant un effort de rappel suffisant. [0052] Une fois que l'ensemble est en place, comme sur la figure 5, on procède à une découpe précise des deux panneaux se chevauchant, le long de la goulotte réfléchissante 13 pour constituer deux bords de raccordement 22, 23 précisément positionnés à très faible distance l'un de l'autre. L'effort de rappel du premier panneau lui permet, après découpe, de venir naturellement se plaquer entièrement contre le cadre pour positionner son bord en vis-à-vis du bord du deuxième panneau. [0053] La découpe est réalisée avec un procédé de type laser, dimensionné pour couper les deux panneaux 17 et 19 superposés, avec une largeur de coupe inférieure au jeu maximal admissible, pour mettre ensuite en oeuvre une opération de soudure par friction malaxage sans devoir repositionner ces bords de raccordement. [0054] Avantageusement, cette découpe est réalisée avec un procédé de type jet d'eau laser, ou « laser watcr jet », tel que celui proposé sous le nom de marque Synova, qui permet de réaliser des découpes très fines, c'est-à-dire ayant une largeur comprise entre 20 et 150 microns. [0055] Un tel procédé hybride génère un jet d'eau basse pression qui véhicule un rayon laser guidé par ce jet comme il le serait par une fibre optique, ce rayon laser se reflétant sur la face externe du jet d'eau, c'est-à-dire à l'interface du jet et de l'air. Le rayon laser est alors entièrement contenu dans le jet d'eau sans pouvoir être dévié, ce qui permet d'atteindre une précision de découpe élevée tout en limitant l'élévation de température, grâce au jet d'eau qui refroidit continuellement la zone de découpe. [0056] Grâce à la goulotte réfléchissante 13 préalablement installée, l'opération de découpe laser est limitée à la découpe des deux épaisseurs de panneaux, et ne risque pas d'interférer avec des éléments situés du côté intérieur du fuselage, comme en particulier les cadres portant les panneaux. [0057] Une fois que l'opération de découpe a été réalisée, la chute du panneau supérieur qui est une bande de tôle d'une largeur correspondant sensiblement à la moitié de la largeur de la goulotte 13 est retirée. La chute du panneau inférieur 17 est une bande de tôle de largeur inférieure à la moitié de la largeur de la goulotte, et elle est tombée dans cette goulotte sous l'effet de la gravité. Cette autre chute est alors extraite en étant tirée le long de la goulotte. [0058] A ce stade, et comme représenté sur la figure 7, les deux bords de raccordement 22 et 23, sont situés en vis-à-vis l'un de l'autre et séparés l'un de l'autre d'une distance très faible correspondant à la largeur de découpe, et qui est inférieure au jeu maximal ad- 7 missible. [0059] L'opération de soudage par friction malaxage peut alors être mise en oeuvre pour souder les deux bords de raccordement 22 et 23 l'un à l'autre, le joint de soudure obtenu étant repéré par 24 sur la figure 8. Préalablement à l'opération de friction malaxage proprement dite, la fixation du panneau supérieur 19 aux cadres peut être complétée pour assurer un maintien optimal de celui-ci durant l'opération de friction malaxage. [0060] Une fois que le cordon de soudure a été formé, la goulotte réfléchissante 13 est extraite, par exemple en la tirant longitudinalement pour qu'elle glisse dans les encoches qui la supportent afin d'être retirée, pour que l'opération soit entièrement terminée, comme illustré sur la figure 9. [0061] Les figures 10 à 13 illustrent schématiquement l'ajout d'un panneau supérieur 19 et son raccordement à un fuselage comportant des cadres équipés de deux goulottes réfléchissantes et portant deux panneaux latéraux 17 et 26. Comme le montrent ces figures, chaque panneau latéral 17, 26 comporte un bord brut supérieur qui couvre partiellement une goulotte. [0062] Complémentairement, le panneau supérieur 19 est rapporté sur les cadres en étant po- sitionné pour que ses bords bruts couvrent les bords bruts des panneaux latéraux. Les découpes sont alors réalisées pour former les bords de raccordement du panneau supérieur 19 avec le panneau latéral 17, et avec l'autre panneau latéral 26. Les joints de soudure tels que le joint 24 peuvent alors être réalisés pour terminer le raccordement du panneau supérieur 19 aux panneaux latéraux. [0063] Dans l'exemple des figures 1 à 13, l'invention est mise en oeuvre en positionnant les panneaux l'un par rapport à l'autre en les fixant directement à leur structure porteuse constituée par les cadres. [0064] Mais il est également possible de positionner les panneaux avec des outillages ou organes de positionnement ou de manutention pour placer leurs bords bruts en recouvrement l'un sur l'autre, pour procéder à la découpe laser de leurs bords et procéder ensuite à leur raccordement par friction malaxage, pour ensuite rapporter tout ou partie de la structure porteuse sur les panneaux déjà assemblés. [0065] Dans cette variante illustrée sur les figures 14 à 16, un premier panneau inférieur 27 est installé et raccordé à un second panneau supérieur 28 pour former le fuselage. Une première portion de cadre 30a a préalablement été fixée à une face interne du panneau inférieur 27, et d'une manière analogue une seconde portion de cadre 30b a été fixée à une face interne du panneau supérieur 28. [0066] L'ensemble inférieur comprenant le premier panneau 27 et la première portion de cadre 30b est porté par un châssis de l'installation, en étant localisé à une position précise. L'ensemble supérieur, comprenant le second panneau 28 et la seconde portion 8 de cadre 30h est quant à lui porté par un organe mobile de manutention et de positionnement, du type mentionné dans le document de brevet EP2853495. [0067] Tout comme dans le mode de réalisation des figures 3 à 13, le panneau inférieur 27 est terminé par deux bords bruts 31, 32, et le panneau supérieur 28 est lui aussi terminé par deux bords bruts 33, 34. Le panneau supérieur est positionné par l'organe mobile qui le porte de telle manière que ses bords bruts chevauchent ou couvrent partiellement les bords bruts du panneau inférieur 27. [0068] Une fois que le tout est en place, c'est-à-dire lorsque l'ensemble supérieur occupe une position géométriquement conforme par rapport à l'ensemble inférieur, la découpe peut être réalisée, d'une part le long de la zone de chevauchement des bords bruts 31 et 33, et d'autre part le long de la zone de chevauchement des bords bruts 32 et 34. [0069] Cette découpe précise, de type laser à jet d'eau ou analogue, permet ainsi de former deux bords de raccordement jointifs respectivement du panneau supérieur et du panneau inférieur en partie gauche de l'agencement, et deux autres bords jointifs respectivement du panneau supérieur et du panneau inférieur en partie droite de l'agencement sur les figures. [0070] A cc stade qui correspond à la situation de la figure 15, les bords de raccordement sont jointifs, et les portions de cadres 30a et 30h ont leurs extrémités espacées les unes des autres au niveau des bords de raccordement. Il est alors possible de mettre en oeuvre l'opération de soudure par friction malaxage pour raccorder d'une part les bords de raccordement de la partie gauche de l'agencement, et d'autre part les bords de raccordement de la partie droite. [0071] Lorsque les opérations de soudure sont terminées, les espaces entre les extrémités des portions de cadre 30a et 30b sont fermés par deux éclisses 30c et 30d représentées sur la figure 16. Ces éclisses 30c et 30d sont soudées aux extrémités de portions de cadres qu'elles raccordent de manière à constituer avec celles-ci des cadres 30 circulaires fermés permettant de constituer la structure porteuse de la peau du fuselage. [0072] D'une manière générale, les panneaux concernés par l'invention peuvent être des panneaux de fuselage, de voilure, ou d'empennage, ou encore des panneaux faisant partie d'un réservoir ou d'une case de train d'atterrissage, ou tout autre type de panneau. L'invention s'applique en pratique à l'assemblage bord à bord de toute pièce fine pouvant être temporairement mises en recouvrement l'une de l'autre. 9