PUISSANCE

UTILISANT LE SOUDAGE PAR FRICTION MALAXAGE

La présente invention concerne un procédé de réalisation d'un carter de transmission de puissance pour une turbomachine.

Une turbomachine, telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, comporte classiquement, d'amont en aval dans le sens d'écoulement des gaz, une soufflante, un compresseur basse pression, un compresseur haute pression, une chambre de combustion, une turbine haute pression, une turbine basse pression, et une tuyère d'échappement des gaz. A chaque étage de compresseur correspond un étage de turbine, les deux étant reliés par un arbre de façon à former un corps, en particulier un corps basse pression et un corps haute pression.

Une partie de la puissance générée par une turbomachine est utilisée pour alimenter en énergie différents équipements de la turbomachine. Cette puissance est prélevée mécaniquement sur l'arbre du corps haute pression de la turbomachine par un arbre de prise de mouvement qui entraîne un arbre d'entrée d'une transmission de puissance.

La transmission de puissance est également connue sous le terme anglais « Accessory Gearbox » ou AGB. Il s'agit d'un carter comprenant un mécanisme d'engrenages relié à des équipements ou des accessoires, tels par exemple qu'un générateur électrique, un starter, un alternateur, des pompes hydrauliques, à carburant ou à huile, etc ..

L'AGB comporte généralement un carter fabriqué par fonderie, comportant un logement permettant d'accueillir le système d'engrenages servant à l'entraînement des accessoires et fermé par plusieurs couvercles. Les différents accessoires entraînés par l'AGB sont montés directement sur le carter ou sur les couvercles, les arbres d'entraînement des accessoires passant au travers de la paroi dudit carter.

La transmission de puissance comporte par ailleurs un système de lubrification qui alimente différents organes de la turbomachine et assure la lubrification des organes internes de la transmission de puissance. Le circuit de lubrification comprend plus spécifiquement un réservoir d'huile, un groupe de lubrification (qui entraîne l'huile en circulation dans le circuit) et des conduites de transport de l'huile vers les organes à lubrifier. Le groupe de lubrification est généralement monté à proximité de l'AGB et est entraîné par lui.

Dans certaines turbomachines, pour des raisons de compacité et d'économie de conduites, il a été choisi de monter le réservoir d'huile directement sur l'AGB. On peut à cet effet former le réservoir d'huile par une excroissance de la pièce de fonderie formant le logement de l'AGB. L'inconvénient de ce type de pièce de fonderie est la difficulté de sa conception et de sa fabrication. La fonderie est en effet une technique difficile à maîtriser et le coût d'une pièce complexe comportant une excroissance est relativement élevé.

Dans d'autres turbomachines, il a été choisi de séparer le réservoir d'huile de l'AGB, ce qui permet de former l'AGB directement par usinage d'un lopin métallique. De telles pièces fabriquées directement par usinage sont couramment désignées par l'homme du métier par l'expression de pièces "usinées-masse" ou "taillées-masse". En général, de telles pièces doivent être usinées sur des centres d'usinage de dernière génération, comportant par exemple 5 axes.

L'AGB peut également être formé à partir d'une technologie dénommée "split-line", dans laquelle deux demi-coquilles ou deux parties creuses sont utilisées pour former le logement de l'AGB. Les deux parties creuses sont généralement assemblées par boulonnage, ce qui nécessite de prévoir des surépaisseurs dans les zones boulonnées afin de limiter les effets des concentrations de contraintes dues à l'utilisation de boulons. Le réservoir d'huile est alors déporté de l'AGB et relié à ce dernier par des conduites. Une telle solution génère une masse et un encombrement importants. La demande de brevet WO 2010/086422 divulgue une technologie similaire au « split-line » dans laquelle l'AGB est formé par usinage d'un bloc métallique, un réservoir d'huile étant également formé par usinage d'un bloc métallique, l'AGB et le réservoir étant ensuite assemblés par vissage au niveau de brides en intercalant une cloison supplémentaire visant à éviter que l'huile contenue dans le réservoir ne s'écoule indûment dans le compartiment de l'AGB.

L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique aux problèmes cités.

A cet effet, elle propose un procédé de réalisation d'un carter de transmission de puissance, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes consistant à usiner au moins une première et une seconde tôles de façon à former respectivement au moins une première et une seconde parties creuses à assembler, puis à assembler les deux parties creuses par soudage par friction-malaxage de façon à former le carter, et en ce qu'une troisième partie creuse, destinée à former un réservoir, est fixée sur l'une au moins des première et seconde parties creuses, par soudage par friction-malaxage, l'une desdites première et seconde parties creuses formant une cloison de séparation entre l'espace délimité par lesdites première et seconde parties et celui délimité par ladite troisième partie.

L'assemblage des deux parties creuses par soudage par friction- malaxage permet de réaliser, de façon simple, un carter ayant des formes complexes, sans nécessiter de surépaisseurs. Le soudage par friction- malaxage évite également un abattement important des caractéristiques mécaniques (comportement sous efforts statiques, comportement en fatigue, dureté, ...), par comparaison avec d'autres procédés de soudage. Un tel procédé de soudage permet également d'assembler des pièces réalisées dans des matériaux réputés difficilement soudables.

En outre, comme indiqué précédemment, l'usinage de deux parties creuses qui sont assemblées ensuite permet de réaliser des carters ayant des formes très complexes. Chaque tôle peut avoir une épaisseur comprise entre 80 et 160 mm par exemple. L'approvisionnement de tôles de plus forte épaisseur est généralement difficile. Ainsi, pour un carter ayant une épaisseur de l'ordre de 200 mm, la réalisation d'un carter en deux parties assemblées permet de se passer de telles contraintes d'approvisionnement. L'usinage de chaque partie creuse peut être réalisé sur un centre d'usinage traditionnel, comportant par exemple 2 ou 3 axes, moins onéreux et moins complexe qu'un centre d'usinage de dernière génération, comportant par exemple 5 axes.

De plus, selon l'invention, le réservoir est intégré à l'AGB, ce qui permet de réduire la masse et l'encombrement de l'ensemble. On notera que, conformément à l'invention, il n'est pas nécessaire de prévoir de cloison distincte supplémentaire, afin de séparer l'espace interne des première et seconde parties creuses et celui du réservoir comme cela est le cas dans le document WO 2010/086422. La réalisation du carter de transmission de puissance est donc facilitée.

Le soudage par friction-malaxage ou « Friction Stir Welding » (FSW) est connu notamment du document EP 0 752 926, et implique l'utilisation d'une tête de soudage mobile en rotation, comportant un corps ainsi qu'un pion de malaxage en saillie par rapport au corps.

Ce procédé consiste à faire tourner la tête de soudage et le pion de malaxage à vitesse contrôlée et à faire pénétrer le pion au niveau d'une zone d'interface entre deux pièces à assembler. La friction ainsi engendrée provoque, par échauffement, un amollissement de la matière des pièces qui entre en phase pâteuse. Les bords correspondants des pièces se déforment alors plastiquement et la matière pâteuse de ces pièces est mélangée. Le corps forme généralement avec le pion un épaulement qui empêche le métal brassé de s'écarter de la zone de soudage. On déplace également la tête de soudage le long de la zone à souder de façon à former un cordon de soudure par refroidissement et cristallisation de la matière pâteuse ainsi mélangée. Ce soudage à l'état pâteux de la matière est privilégié pour des applications où il est important de conserver les caractéristiques d'origine des pièces assemblées. En effet, parce que le matériau est dans un état pâteux et non liquide (il n'y a pas de fusion lors d'un tel procédé de soudage), les propriétés mécaniques desdites pièces sont peu dégradées. A titre d'exemple, on observe une diminution d'environ 30 % de l'allongement et de la limite élastique pour un alliage d'aluminium, ce qui est relativement limité par comparaison avec d'autres procédés de soudage.

Un tel procédé permet notamment d'assembler des pièces en alliages d'aluminium réputés difficiles à souder ou très sensibles à la fissuration, de souder des fortes épaisseurs en une seule passe et avec un minimum de déformation des pièces, d'obtenir une microstructure à grains fins dans la zone soudée et de minimiser les contraintes et déformations thermomécaniques lors du soudage. Il n'est alors généralement pas nécessaire de réaliser un traitement thermique et/ou un usinage ultérieurs.

A titre de comparaison, l'assemblage de deux pièces par soudage TIG (Tungsten Inert Gas) génère une diminution d'environ 50 % des caractéristiques mécaniques après un usinage et un traitement thermique ultérieurs. De même, l'assemblage de deux pièces par soudage par faisceau d'électrons génère une diminution d'environ 40 % des caractéristiques mécaniques après un usinage et un traitement thermique ultérieurs.

Les tôles peuvent être en un alliage d'aluminium, tel par exemple qu'un alliage de la série 2000 ou qu'un alliage de la série 7000.

Ce type de matériau a de bonnes propriétés mécaniques et est aisément soudable à l'aide du procédé par friction-malaxage.

Selon une caractéristique de l'invention, avant assemblage des première et seconde parties creuses par soudage par friction-malaxage, celles-ci sont pré-assemblées par soudage par point. Ceci permet de limiter la déformation des parties creuses lors du soudage ultérieur et assure un meilleur positionnement desdites parties de manière à obtenir un carter respectant les spécifications dimensionnelles.

De préférence, lors du soudage par friction-malaxage, un élément d'appui est monté en opposition d'une tête de soudage par friction- malaxage.

Au moins deux des parties creuses sont réalisées dans des matériaux identiques (carter homogène) ou différents (carter hétérogène).

De plus, après assemblage, l'une au moins desdites parties creuses peut être usinée au niveau de zones fonctionnelles, telles que des supports de paliers.

En outre, après assemblage, au moins une partie du carter peut subir un traitement thermique complet ou local visant à rétablir les caractéristiques mécaniques initiales de la matière. Dans le cas où le traitement thermique complet de la pièce est réalisé, la matière peut être avantageusement soudée à l'état trempé et non revenu.

On notera toutefois que l'assemblage à l'aide du procédé de soudage par friction-malaxage permet généralement de se passer d'un tel traitement thermique.

Selon une forme de réalisation, chacune des première et seconde parties creuses peut comporter au moins une bride s'étendant sensiblement perpendiculairement à une paroi latérale de ladite partie, les première et seconde parties creuses étant assemblées l'une à l'autre par soudage par friction-malaxage au niveau de leurs brides.

Selon une autre forme de réalisation, les première et seconde parties creuses peuvent comporter respectivement une première et une seconde zone de bord s'étendant dans le prolongement l'une de l'autre, lesdites zones de bords étant assemblées entre elles par soudage par friction-malaxage.

L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'une partie d'une tête de soudage par friction-malaxage,

- les figures 2 à 4 sont des vues schématiques représentant différentes étapes du procédé d'assemblage par friction-malaxage,

- les figures 5 à 7 sont des vues illustrant schématiquement l'assemblage de trois types de carters différents.

La figure 1 représente une tête de soudage 1 par friction- malaxage, destinée à équiper une machine à commande numérique. La tête 1 comporte un corps creux 2 dans lequel une tige centrale 3 est déplaçable en translation. L'extrémité de cette tige comporte un pion de plus faible diamètre, formant un pion de malaxage 4 en saillie du corps 2. Un organe de guidage 5 du pion 4 est fixé à l'extrémité du corps 2, entre ce dernier et le pion 2. La tige 3 est déplaçable selon l'axe A du corps 2, entre une position déployée dans laquelle le pion 4 fait saillie hors du corps 2 et de l'organe de guidage 5, et une position rétractée dans laquelle le pion 4 ne fait pas saillie hors du corps 2 et de l'organe de guidage 5. Le corps 2 ou l'organe de guidage 5 (qui forment un même ensemble) forment un épaulement 6 avec le pion 4.

La machine à commande numérique comporte classiquement des moyens de déplacement de la tête de soudage 1 par rapport aux pièces à souder 7a, 7b, des moyens de déplacement de la tige 3 et du pion de malaxage 4 par rapport au corps 2, et des moyens d'entraînement en rotation du corps 2 et de la tige 3.

On va maintenant décrire un procédé d'assemblage de deux pièces par friction-malaxage, en référence aux figures 2 à 4.

Après montage des pièces 7a, 7b sur un support fixe, on entraîne en rotation la tête de soudage 1 , par exemple à une vitesse de l'ordre de 1000 tours par minute (figure 2). Parallèlement, celle-ci est déplacée suivant l'axe A jusqu'à ce que le pion de malaxage 4 (qui est en position déployée) pénètre dans la matière des pièces 7a, 7b, au niveau de la zone à souder 8, et que l'épaulement 6 vient en appui sur les surfaces externes des extrémités correspondantes des pièces 7a, 7b (figure 3). A cet instant, un effort est appliqué par la tête de soudage 1 , de manière à ce que l'épaulement 6 appuie sur les surfaces précitées.

La pénétration du pion de malaxage 4 dans la matière au niveau de la zone à souder 8 et sa rotation contrôlée au sein de la matière provoquent, par échauffement par friction, un amollissement de la matière des pièces 7a, 7b qui entre en phase pâteuse. Les extrémités correspondantes des pièces 7a, 7b se déforment alors plastiquement et la matière pâteuse de ces pièces 7a, 7b est mélangée. L'épaulement 6 empêche le métal brassé de s'écarter de la zone de soudage 8.

La tête de soudage 1 est déplacée progressivement sur toute la circonférence de la zone à souder 8 et sur une zone de recouvrement additionnelle. On forme ainsi un cordon de soudure continu 9 (figure 4) par refroidissement à l'air ambiant et cristallisation de la matière pâteuse mélangée.

La vitesse d'avance tangentielle de la tête de soudage 1 par rapport aux pièces 7a, 7b est par exemple comprise entre 100 et 300 mm/min. En fin de course, le pion 4 est déplacé par rapport au corps 1 , dans sa position rétractée, l'épaulement 6 continuant d'assurer le maintien de la matière au niveau de la zone soudée 8 pendant le retrait du pion 4 (figure 4).

Après réalisation du cordon de soudure 9, la tête de soudage 1 est écartée de la zone à souder et la rotation de la tête de soudage 1 est arrêtée.

Comme indiqué précédemment, un tel soudage par friction- malaxage est particulièrement avantageux dans le cas de la réparation ou de la réalisation d'un carter en aluminium ou en alliage d'aluminium, puisqu'il n'engendre pas une diminution importante des caractéristiques mécaniques des pièces assemblées 7a, 7b au niveau de la zone soudée 8. En outre, les pièces assemblées 7a, 7b ne nécessitent pas de traitement thermique ou d'usinage ultérieur. Enfin, un tel assemblage respecte l'épaisseur des pièces assemblées 7a, 7b au niveau de la zone soudée 8.

La figure 5 illustre un procédé de réalisation d'un carter 7 de transmission de puissance, pour une turbomachine telle qu'un turboréacteur ou un turbopropulseur, selon une première forme de réalisation.

Ce procédé comporte au moins les étapes successives suivantes :

- usiner deux parties creuses 7a, 7b, également appelées demi- coquilles, dans des tôles en alliage d'aluminium, par exemple dans des tôles en alliage de la série 2000 ou de la série 7000, préférentiellement en alliage de type 2618,

- monter fixement les deux parties creuses 7a, 7b dans une machine de soudage, en regard l'une de l'autre, de façon à ce qu'elles viennent en contact l'une de l'autre au niveau d'une surface à assembler 8,

- pré-assembler les deux parties creuses 7a, 7b par soudage par point par friction-malaxage, un tel procédé étant également dénommé Friction Spot Welding,

- assembler les deux parties creuses 7a, 7b par soudage- malaxage en réalisant un cordon de soudure 9 continu le long de la surface 8 à assembler, de manière à former le carter 7,

- démonter le carter 7 ainsi assemblé de la machine de soudage,

- usiner le carter 7 assemblé au niveau de zones fonctionnelles, telles que des supports de paliers, des supports d'équipements, ou toute autre fonction nécessaire à une transmission de puissance,

- optionnellement, réaliser un traitement thermique local ou complet du carter assemblé et usiné 7, de façon à restaurer les propriétés mécaniques de l'alliage d'aluminium.

Dans la forme de réalisation de la figure 5, chaque partie creuse 7a, 7b comporte au moins une bride 1 1 a, 1 1 b s'étendant sensiblement perpendiculairement à une paroi latérale de ladite partie 7a, 7b, les deux parties creuses 7a, 7b étant assemblées l'une à l'autre par friction- malaxage au niveau de leurs brides 1 1 a, 1 1 b.

Dans cette forme de réalisation, la tête de soudage 1 est amenée perpendiculairement aux brides 1 1 a, 1 1 b, le pion de malaxage 4 traversant une première bride 1 1 a puis s'enfonçant dans la seconde bride opposée 1 1 b. Cette seconde bride 1 1 b n'est pas traversée par le pion de malaxage 4 et joue ainsi le rôle de zone d'appui du métal opposée à la tête 1 , de façon à limiter la déformation de la zone soudée.

De préférence, le soudage par friction-malaxage est réalisé à l'aide d'une tête de soudage 1 comportant un pion 4 rétractable, de façon à réaliser un début et une fin de cordon de soudage 9 progressifs, comme cela est connu de l'art antérieur. En variante, si la tête de soudage 1 ne comporte pas de pion rétractable 4, le début et la fin de cordon 9 peuvent être situés en-dehors de la surface à assembler, dans une zone destinée à être faiblement contrainte.

Le montage de chaque partie creuse 7a, 7b sur la machine de soudage peut être réalisé à l'aide de brides mécaniques et/ou en utilisant des tables à dépression, par exemple.

La figure 6 illustre une deuxième forme de réalisation, dans laquelle les première et seconde parties creuses 7a, 7b comportent respectivement une première et une seconde zone de bord 12a, 12b s'étendant dans le prolongement l'une de l'autre, lesdites zones de bord 12a, 12b étant assemblées entre elles par soudage par friction-malaxage.

Dans ce cas, un élément d'appui 13 est monté en regard de la tête de soudage 1 de façon à éviter la déformation des parties creuses 7a, 7b au niveau de la zone assemblée 8. Cet élément d'appui 13 est plaqué contre les bords 12a, 12b, à l'intérieur du carter 7, et est destiné à être retiré avant de démonter le carter 7 de la machine de soudage.

Dans ce cas également, le carter 7 comporte de préférence une géométrie progressive et à grands rayons, au niveau des bords 12a, 12b à assembler, de manière à pouvoir réaliser une soudure 9 tout autour du carter 7 sans dégrader la qualité du cordon de soudure 9 dans les angles.

La figure 7 illustre une troisième forme de réalisation, conforme à l'invention se distinguant de celle de la figure 6 en ce qu'une troisième partie creuse 7c, réalisée également par usinage dans une tôle en un alliage d'aluminium du type précité, est fixée sur l'une 7a des parties creuses 7a, 7b par soudage par friction-malaxage. Cette partie 7c peut être pré-assemblée par soudage par point, puis être assemblée ensuite par soudage par friction-malaxage en formant un cordon de soudure continu le long de la zone d'assemblage 8b. Dans cette forme de réalisation, la troisième partie creuse 7c comporte une bride plaquée 1 1 c contre une surface de la partie creuse 7a, la surface de contact entre les parties 7a, 7c formant la zone à souder 8b.

Les parties 7a et 7b peuvent être assemblées à l'aide d'une première tête de soudage 1 a et les parties 7a et 7c peuvent être assemblées à l'aide d'une seconde tête de soudage 1 b. En variante, une seule et même tête de soudage 1 peut être utilisée pour réaliser chacun des assemblages précités.

Bien entendu, il est également envisageable d'assembler les parties 7a et 7b au niveau des brides 1 1 a, 1 1 b, de façon similaire à ce qui a été décrit en référence à la figure 5.

Dans cette forme de réalisation, les parties 7a et 7b définissent un volume interne 15 et la partie 7c définit un volume interne 16, séparés l'un de l'autre par une cloison de déparation 14 formée par la partie 7a.

Par ailleurs, l'une au moins des parties creuses 7a, 7b, 7c peut présenter une zone fonctionnelle, ici une surépaisseur 10 au niveau de la cloison de séparation 14 et dont la surface tournée vers le volume interne 15 est usinée après assemblage des parties creuses 7a et 7b.