Brevet FR3123239A1 — publié le 20221202

Installation de soudage dynamique par induction Installation de soudage dynamique par induction pour le soudage d’une première et d’une deuxième pièces (2, 3) dans une zone de soudure (S), la deuxième pièce (3) étant disposée entre un système de protection contre la foudre (15) et la première pièce (2), les pièces (2, 3) comportant un matériau composite, l’installation (1) comportant un dispositif de chauffage par induction (8) disposé d’un côté de la première pièce (2) opposé à la deuxième pièce (3) et configuré pour créer un champ magnétique (B 1 ) de manière à réaliser la soudure dans la zone de soudure (S) et un support (9) disposé en contact avec le système de protection contre la foudre (15) d’un côté qui est opposé à la deuxième pièce (3), le support (9) étant configuré de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction (B 2 ) s’opposant au moins partiellement au champ magnétique (B 1 ) dans au moins une partie du système de protection contre la foudre (15). Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Installation de soudage dynamique par induction La présente invention concerne une installation de soudage dynamique, de préférence sans contact, par induction de deux pièces en matériau composite comportant un matériau polymère thermoplastique. L’invention a encore pour objet un procédé de soudage utilisant cette installation. Cette installation et ce procédé peuvent être mis en œuvre dans le cadre du soudage de pièces, notamment de grandes dimensions, destinées au secteur aéronautique, mais également au secteur automobile, éolien et à tout autre secteur industriel. Afin de fixer une pièce telle qu’un raidisseur, sur une autre pièce, telle qu’une peau, il est connu de réaliser des trous et d’insérer des rivets. Une telle technique n’est cependant pas optimale, car elle nécessite de réaliser des renforcements locaux pour compenser les pertes mécaniques des trous de passage. On connaît une autre technique consistant à mettre dans un autoclave, pendant plusieurs heures, par exemple 8h, les pièces afin de les consolider en faisant fondre leur matrice pour venir assembler les pièces entre elles . Cependant, cette technique augmente le temps de traitement, l’énergie nécessaire pour sa mise en œuvre, et n’est pas aisée à mettre en œuvre pour des pièces de grandes dimensions. Par ailleurs, les matériaux composites à matrice polymère thermoplastique sont de plus en plus utilisés dans les domaines industriels, en particulier pour leurs propriétés mécaniques avantageuses. Pour assembler deux pièces en matériau composite à matrice polymère thermoplastique, il est envisageable de réaliser une soudure entre elles. En effet, contrairement aux rivets, réaliser une soudure permet de conserver les propriétés mécaniques des pièces. Afin de souder les deux pièces ensemble, il s’agit d’amener l’interface entre les pièces, au niveau de laquelle on réalise la soudure, à une température permettant la fusion des deux pièces à cette interface. L’utilisation d’un procédé de chauffage par induction avec un inducteur permet une bonne montée en température à l’interface entre les deux pièces. Il est cependant nécessaire de cibler le chauffage par induction sur l’interface entre les deux pièces sans détériorer les parties adjacentes. Lorsque l’une des pièces est adossée à un système de protection contre la foudre, encore appelé « LSP » (en anglais « lightning strike protection »), par exemple pour un fuselage d’avion, le ciblage du chauffage par induction sur l’interface entre les deux pièces est encore complexifié. En effet, l’inducteur génère une surchauffe du système de protection contre la foudre, tout en ne permettant pas à l’interface entre les pièces d’atteindre une température suffisante pour le chauffage. Il existe ainsi un besoin de disposer d’une installation et d’un procédé de soudage dynamique par induction permettant de faciliter le soudage d’une pièce en matériau composite comportant un matériau polymère thermoplastique sur une seconde pièce en matériau composite comportant un matériau polymère thermoplastique, l’une des pièces étant adossée à un système de protection contre la foudre. La présente invention répond à ce besoin grâce à, selon l’un de ses aspects, une installation de soudage dynamique par induction pour le soudage d’une première et d’une deuxième pièces entre elles dans une zone de soudure, la deuxième pièce étant disposée entre un système de protection contre la foudre et la première pièce, les première et deuxième pièces comportant chacune un matériau composite comportant des fibres de renfort et une matrice en polymère thermoplastique, l’installation comportant : - un dispositif de chauffage par induction disposé d’un côté de la première pièce qui est opposé à la deuxième pièce et configuré pour créer un champ magnétique de manière à réaliser la soudure dans la zone de soudure, et - un support disposé en contact avec le système de protection contre la foudre d’un côté de celui-ci qui est opposé à la deuxième pièce, le support étant configuré de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage par induction dans au moins une partie du système de protection contre la foudre. Par « créer un champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage », on entend que la superposition du champ magnétique induit par le support et du champ magnétique du dispositif de chauffage par induction forme un champ magnétique réduit dans au moins une partie du système de protection contre la foudre. Une telle superposition résulte du caractère extensif des champs magnétiques, c’est-à-dire du fait que les champs magnétiques s’additionnent. Lorsque l’installation est en fonctionnement, le dispositif de chauffage par induction crée un champ magnétique variable traversant, au moins en partie, la première pièce, la deuxième pièce et le système de protection contre la foudre, au niveau de la zone de soudure, c’est-à-dire dans l’environnement de la zone de soudure, en particulier au-dessus et au-dessous de celle-ci, selon un axe perpendiculaire à l’axe longitudinal de la première pièce et traversant la première pièce, la deuxième pièce, le système de protection contre la foudre et le support, cet axe pouvant correspondre à un axe vertical. Ce champ magnétique variable conduit à la formation de courants induits variables dans les fibres de renfort qui vont alors chauffer par effet Joule. La chaleur des fibres de renfort est ensuite transférée à la matrice qui chauffe à son tour jusqu’à la fusion de manière à permettre la soudure à l’interface entre les pièces. Contrairement aux rivets, le soudage permet de conserver les propriétés mécaniques de la première pièce. Cependant, le champ magnétique variable conduit également à la formation de courants induits variables dans le système de protection contre la foudre qui va alors chauffer par effet Joule. Grâce à l’invention, du fait de l’opposition, au moins partielle, des champs magnétiques créés respectivement par le dispositif de chauffage par induction et le support, la formation de courants induits dans au moins une partie du système de protection contre la foudre est au moins partiellement annulée, de préférence annulée d’au moins 50%, mieux annulée d’au moins 70 %, encore mieux annulée d’au moins 90%. Ainsi, l’effet Joule dans au moins une partie du système de protection contre la foudre est limité, ce qui réduit la montée en température de ce dernier. Le champ magnétique de réaction du support est avantageusement créé de manière passive, c’est-à-dire sans apport d’énergie supplémentaire, en réaction au champ magnétique du dispositif de chauffage par induction. Le support comporte au moins une couche active, configurée de manière à permettre de créer le champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage par induction dans au moins une partie du système de protection contre la foudre. Le support comporte de préférence plusieurs couches de matériaux superposées entre elles au moins partiellement, notamment au moins une couche d’isolant thermique et ladite au moins une couche active. Le support comporte dans un mode de réalisation particulier, au moins trois couches, par exemple exactement trois couches, dont ladite au moins une couche active prise en sandwich entre deux couches d’isolant thermique. Ladite au moins une couche d’isolant thermique peut être réalisée en un matériau non magnétique et non conducteur électriquement, par exemple en matériau composite à base de fibres de verre du type E60 ou E70, étant de préférence usinable. Au moins une couche d’isolant thermique du support peut être en contact avec le système de protection contre la foudre. Cette couche d’isolant thermique peut avoir une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 3 mm. Ladite au moins une couche d’isolant thermique peut permettre d’assurer un bon contact entre le support et le système de protection contre la foudre et peut permettre de reprendre des efforts mécaniques, notamment de pression, appliqués sur lesdites pièces lors du soudage de celles-ci. Ladite au moins une couche d’isolant thermique est de préférence résistante aux contraintes mécaniques et résistante aux champs thermiques. Ladite au moins une couche active peut avoir une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm. Le support, notamment la couche active, peut comporter un matériau comportant une perméabilité magnétique relative comprise entre 1 et 1000. Le support, notamment la couche active, peut comporter un matériau comportant une conductivité électrique comprise entre 10 6 et 10 8 S.m -1 . Lorsque le support, notamment la couche active, comporte un matériau magnétique et/ou conducteur électriquement, le champ magnétique du dispositif de chauffage par induction favorise la création de courants induits appelés courants de Foucault dans le support, notamment dans la couche active. Ces courants produisent alors le champ magnétique de réaction dont la direction est opposée au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage par induction. Le support, notamment la couche active, peut comporter un matériau choisi dans la famille des métaux, notamment du cuivre, de l’acier, notamment inoxydable, magnétique ou amagnétique, du bronze ou un alliage métallique comprenant un ou plusieurs de tels métaux. Un tel matériau du support est avantageusement choisi pour obtenir une conductivité électrique adaptée à la nature du système de protection contre la foudre, c’est-à-dire à sa composition ou à sa forme. Le support peut former un matelas mono- ou multi-couche, de préférence multi-couche, présentant une épaisseur totale comprise entre 5 mm et 500 mm. Le support présente avantageusement une largeur et une longueur supérieures ou égales à celles de la zone de soudure, la largeur et la longueur du support étant de préférence au moins égales à celles du système de protection contre la foudre. Le matelas formant le support peut consister en une plaque s’étendant sensiblement parallèlement à au moins une partie de la deuxième pièce. La première pièce et la deuxième pièce peuvent comprendre les mêmes fibres de renfort et/ou la même matrice polymère thermoplastique. Les fibres de renfort des première et deuxième pièces peuvent être des fibres continues. Elles sont avantageusement choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone et les fibres métalliques. Le polymère thermoplastique de la matrice peut être choisi dans le groupe constitué par la famille des polyaryléthercétones (PAEK), notamment du polyétheréthercétone (PEEK) ou du polyéthercétonecétone (PEKK) . La première pièce peut consister en un raidisseur. La première pièce peut présenter en section transversale une forme de L comportant une âme et une semelle à souder à la deuxième pièce, l’âme et la semelle étant reliées par une portion coudée d’angle compris entre 60° et 120°, notamment entre 75° et 105°, de préférence égal à 90° environ. L’installation peut comporter un poinçon agencé pour soutenir l’âme au moins pendant le soudage. Un tel poinçon peut se trouver au contact de l’âme sur au moins une partie de la hauteur de celle-ci, voire sur toute la hauteur de celle-ci, d’un côté de l’âme qui est opposé à celui qui fait face au dispositif de chauffage par induction. Le système de protection contre la foudre peut être réalisé en au moins un matériau conducteur, notamment en cuivre, en bronze ou en aluminium, et forme de préférence un grillage d’épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. Le système de protection contre la foudre peut être disposé en contact avec la deuxième pièce, de préférence sur toute sa surface, parallèlement à celle-ci, et en contact avec le support, notamment en contact avec au moins une couche d’isolant thermique du support. La deuxième pièce peut former une peau d’épaisseur comprise entre 1 400 µm et 10 000 µm et peut présenter, du côté de la première pièce, une face, notamment plane, à souder, formant au moins partiellement la zone de soudure. Le dispositif de chauffage par induction peut fonctionner avec des courants alternatifs jusqu’à 2000 A et des fréquences inférieures à 500 kHz. Par exemple, le dispositif de chauffage peut être choisi parmi les inducteurs commercialisés par la société Fives Celes, ou par la société CEIA ou encore par la société EFD. Procédé de soudage dynamique L’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, en combinaison avec ce qui précède, un procédé de soudage dynamique par induction d’une première et d’une deuxième pièces entre elles, la deuxième pièce étant disposée entre la première pièce et un système de protection contre la foudre, le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’une installation telle que définie précédemment et comportant les étapes consistant à : - positionner la première pièce à souder contre la deuxième pièce, de telle sorte que le dispositif de chauffage par induction soit disposé du côté de la première pièce qui est opposé à la deuxième pièce, - créer un champ magnétique à l’aide du dispositif de chauffage par induction de manière à réaliser une soudure à l’interface entre la première et la deuxième pièces, dans la zone de soudure, la puissance du dispositif de chauffage par induction étant adaptée pour permettre au champ magnétique de réaction créé par le support de compenser le champ magnétique dans au moins une partie du système de protection contre la foudre, notamment située au niveau de la zone de soudure. La puissance du dispositif de chauffage par induction est de préférence inférieure à 12 kW. Dans la présente invention, la puissance nécessaire pour réaliser la soudure desdites pièces est bien inférieure à celle nécessaire lors de la soudure en autoclave de l’art antérieur. Le procédé peut comporter l’étape préalable consistant à prédéterminer par simulation numérique des paramètres du support, tels que la nature du matériau et/ou ses dimensions, notamment son épaisseur et/ou sa longueur, de manière à les optimiser en fonction de la configuration des première et deuxième pièces et du système de protection contre la foudre. En effet, la maîtrise des champs magnétiques doit être très fine et adaptée, l’objectif étant d’atteindre la température de fusion de la matrice polymère thermoplastique à l’interface entre les deux pièces. A défaut, on risque de détruire ou au moins détériorer une des pièces ou les pièces et/ou le système de protection contre la foudre, au moins partiellement et/ou avoir une soudure de mauvaise qualité ou de qualité non maîtrisée. En particulier, le champ magnétique de réaction doit atténuer le champ magnétique du dispositif de chauffage pour limiter l’échauffement dans le système de protection contre la foudre sans trop atténuer le champ magnétique du dispositif de chauffage au niveau de la zone de soudure pour pouvoir réaliser une soudure de bonne qualité. Le procédé peut comporter l’étape préalable consistant à prédéterminer la puissance du dispositif de chauffage par induction pour réaliser la soudure, en fonction du support, de la nature des première et deuxième pièces et/ou du système de protection contre la foudre. De préférence, le dispositif de chauffage par induction est déplacé au-dessus de la zone de soudure, à distance de la première pièce, pour réaliser la soudure. L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, et à l’examen du dessin annexé, sur lequel la représente en coupe transversale et de manière schématique, un exemple d’installation de soudage dynamique selon l’invention, la représente, de manière isolée, le support de l’installation de la , la représente un schéma blocs illustrant différentes étapes d’un exemple de procédé de soudage dynamique selon l’invention mettant en œuvre l’installation de la , la est un graphe schématique illustrant la puissance de chauffage dans la première et la deuxième pièce et dans le système de protection contre la foudre lors de la mise en œuvre d’une installation ou du procédé selon l’invention, la est une cartographie thermique schématique dans les pièces en matériau composite à matrice thermoplastique, dans le système de protection contre la foudre et dans le support lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention, la est un agrandissement du détail VI de la , la est un graphe schématique illustrant la puissance de chauffage dans la première et la deuxième pièce et dans le système de protection contre la foudre avec une installation non conforme à l’invention, la est une cartographie thermique schématique dans les pièces en matériau composite à matrice thermoplastique, dans le système de protection contre la foudre et dans le support lors de soudage avec une installation non conforme à l’invention, la est un agrandissement du détail IX de la , et la illustre une pièce finale obtenue à l’aide du procédé et de l’installation selon l’invention. Installation de soudage dynamique par induction pour le soudage d’une première et d’une deuxième pièces (2, 3) entre elles dans une zone de soudure (S), la deuxième pièce (3) étant disposée entre un système de protection contre la foudre (15) et la première pièce (2), les première et deuxième pièces (2, 3) comportant chacune un matériau composite comportant des fibres de renfort et une matrice polymère thermoplastique, l’installation (1) comportant : un dispositif de chauffage par induction (8) disposé d’un côté de la première pièce (2) qui est opposé à la deuxième pièce (3) et configuré pour créer un champ magnétique (B 1 ) de manière à réaliser la soudure dans la zone de soudure (S), et un support (9) disposé en contact avec le système de protection contre la foudre (15) d’un côté de celui-ci qui est opposé à la deuxième pièce (3), le support (9) étant configuré de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction (B 2 ) s’opposant au moins partiellement au champ magnétique (B 1 ) créé par le dispositif de chauffage par induction (8) dans au moins une partie du système de protection contre la foudre (15). Installation selon la revendication 1, dans laquelle le support (9) comporte au moins une couche d’isolant thermique (25, 27) et au moins une couche active (26), de préférence une couche active (26) prise en sandwich entre deux couches d’isolant thermique (25, 27). Installation selon l’une des revendications 1 et 2, dans laquelle le support (9) comporte une perméabilité magnétique relative comprise entre 1 et 1000. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le support (9) comporte un matériau comportant une conductivité électrique comprise entre 10 6 et 10 8 S.m -1 . Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le support (9) comporte un matériau choisi dans la famille des métaux notamment du cuivre, de l’acier, notamment inoxydable, magnétique ou amagnétique, du bronze ou un alliage métallique comprenant un ou plusieurs de tels métaux. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le support (9) formant un matelas mono- ou multi-couche, de préférence multi-couche, présentant une épaisseur totale comprise entre 5 mm et 500 mm et une largeur et une longueur supérieures ou égales à celles de la zone de soudure, de préférence au moins égales à celles du système de protection contre la foudre. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première pièce (2) présente en section transversale une forme de L comportant une âme (4) et une semelle (5) à souder à la deuxième pièce (3), l’âme (4) et la semelle (5) étant reliées par une portion coudée (17) d’angle compris entre 60° et 120°, notamment entre 75° et 105°, de préférence égal à 90° environ. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, le système de protection contre la foudre (15) étant réalisé en au moins un matériau conducteur, notamment en cuivre, en bronze ou en aluminium, et formant de préférence un grillage d’épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm, le système de protection contre la foudre (15) étant disposé en contact avec la deuxième pièce (3). Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, la deuxième pièce (3) formant une peau d’épaisseur comprise entre 1 400 µm et 10 000 µm et présentant, du côté de la première pièce (2), une face, notamment plane, à souder (6), formant au moins partiellement la zone de soudure (S). Procédé de soudage dynamique par induction d’une première et d’une deuxième pièces (2, 3) entre elles, la deuxième pièce (3) étant disposée entre la première pièce (2) et un système de protection contre la foudre (15), le procédé étant mis en œuvre à l’aide d’une installation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes et comportant les étapes consistant à : - positionner la première pièce (2) à souder contre la deuxième pièce (3), de telle sorte que le dispositif de chauffage par induction (8) soit disposé du côté de la première pièce (2) qui est opposé à la deuxième pièce (3), - créer un champ magnétique (B 1 ) à l’aide du dispositif de chauffage par induction (8) de manière à réaliser une soudure à l’interface entre la première et la deuxième pièces (2, 3) dans la zone de soudure (S), la puissance du dispositif de chauffage par induction (8) étant adaptée pour permettre au champ magnétique de réaction (B 2 ) créé par le support (9) de compenser le champ magnétique (B 1 ) dans au moins une partie du système de protection contre la foudre (15). Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape préalable consistant à prédéterminer par simulation numérique des paramètres du support (9), tels que la nature du matériau et/ou ses dimensions, notamment son épaisseur et/ou sa longueur, de manière à les optimiser en fonction de la configuration des première et deuxième pièces (2, 3) et du système de protection contre la foudre (15). Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, comportant l’étape préalable consistant à prédéterminer la puissance du dispositif de chauffage par induction pour réaliser la soudure, en fonction du support (9), de la nature des première et deuxième pièces (2, 3) et/ou du système de protection contre la foudre (15).