BE1031527B1 - Procédé de soudage par friction sur support renforcé - Google Patents
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Abstract
L'invention a trait à un procédé de soudage par friction d'aubes (12) sur un disque (2). Le disque (2) est équipé de moignons (M) destinés à recevoir les aubes (12). Les moignons (M) sont entourés de renforts (5).
Description
PROCÉDÉ DE SOUDAGE PAR FRICTION SUR SUPPORT RENFORCÉ
Domaine
L’invention a trait à un procédé de soudage d’aubes à un disque ou un tambour, pour former un disque aubagé (« blisk ») ou un tambour aubagé (« blum ») de turbomachine.
Art antérieur
Le changement climatique est une préoccupation majeure pour de nombreux organes législatifs et de régulation à travers le monde. En effet, diverses restrictions sur les émissions de carbone ont été, sont ou seront adoptées par divers états. En particulier, une norme ambitieuse s'applique à la fois aux nouveaux types d'avions mais aussi à ceux en circulation nécessitant de devoir mettre en œuvre des solutions technologiques afin de les rendre conformes aux réglementations en vigueur. L'aviation civile se mobilise depuis maintenant plusieurs années pour apporter une contribution à la lutte contre le changement climatique.
Les efforts de recherche technologique ont déjà permis d'améliorer de manière très significative les performances environnementales des avions. La Déposante prend en considération les facteurs impactant dans toutes les phases de conception et de développement pour obtenir des composants et des produits aéronautiques moins énergivores, plus respectueux de l’environnement et dont l'intégration et l’utilisation dans l'aviation civile ont des conséquences environnementales modérées dans un but d'amélioration de l'efficacité énergétique des avions.
Par voie de conséquence, la Déposante travaille en permanence à la réduction de son incidence climatique négative par l'emploi de méthodes et l’exploitation de procédés de développement et de fabrication vertueux et minimisant les émissions de gaz à effet de serre au minimum possible pour réduire de l'empreinte environnementale de son activité.
Ces travaux de recherche et de développement soutenus portent à la fois sur les nouvelles générations de moteurs d’avions, l’allègement des appareils, notamment par les matériaux employés et les équipements embarqués allégés, le développement de l’emploi des technologies électriques pour assurer la propulsion,
’ BE2023/5301 et, indispensables compléments aux progrès technologiques, les biocarburants aéronautiques.
A cet effet, l'invention est le résultat des recherches technologiques visant à améliorer de manière très significative les performances des avions et, en ce sens, contribue à la réduction de l'impact environnemental des avions.
Dans ce contexte, l'invention vise un procédé de soudage par friction pour la réalisation d’un rotor de compresseur de turbomachine.
Le soudage par friction est un procédé de soudage dans lequel la chaleur nécessaire pour le soudage est fournie en mettant en mouvement l’une et/ou l’autre des pièces à assembler, les frottant ainsi l’une contre l’autre sous une pression axiale.
Le document de brevet EP 2 535 516 A1 montre un exemple d'outillage permettant un soudage par friction orbitale. La friction est dite orbitale lorsque le mouvement relatif des pièces à assembler est une translation circulaire, généralement régie par un excentrique, par opposition à la friction linéaire dans laquelle le mouvement relatif est rectiligne.
Dans un procédé de soudage par friction, un volume de matière sacrificiel est prévu sur les deux pièces à assembler. Ce volume sacrificiel est amené à être malaxé (cisaillement plastique) et extrudé en dehors de l'interface de contact entre les deux pièces, formant ainsi une bavure, dite « flash », qui sera ensuite éliminée, par exemple par usinage. La géométrie initiale des pièces à souder prend donc en compte ce volume sacrificiel et les dimensions initiales des pièces sont calculées pour qu'après soudage, la soudure se présente à une position donnée sur la pièce finie.
Pour diverses raisons, notamment de tenue mécanique ou de règlementation liée à la sécurité des aéronefs, il peut être approprié, voir nécessaire, de prévoir la soudure entre le tambour/disque et une aube à une position radiale surélevée, c'est- à-dire effectuer le soudage de l'aube sur un moignon de hauteur importante. Les inventeurs ont mis en évidence que cette configuration peut donner lieu à des défauts structurels de la soudure.
Résumé de l’invention
9 BE2023/5301
Probleme technique
L’invention vise donc à proposer une methode de soudage qui garantit une bonne qualité de la pièce (qualité structurelle de la soudure et/ou qualité dimensionnelle de la pièce) même dans le cas de hauts moignons et donc pour des plans de soudure radialement élevés.
Solution technique
L’invention a trait à Un procédé de fabrication d’un disque aubagé de compresseur de turbomachine, le procédé comprenant : la fabrication d’un disque comprenant une surface extérieure, une rangée annulaire de moignons s’élevant radialement depuis la surface extérieure à une première hauteur, et des renforts respectifs entourant les moignons et s'élevant radialement depuis la surface extérieure à une seconde hauteur inférieure à la première hauteur ; la fabrication d’autant d’aubes que de moignons ; le soudage d’une aube à chaque moignon par friction orbitale ; puis l'enlèvement des renforts par usinage.
L’effet des renforts sur la qualité de la soudure est assimilé au fait que la surélévation du plan de soudure peut engendrer des déflexions transversales (=circonférentielles) importantes du moignon lors de la friction (au lieu d’une extrusion de la matière). Du fait de la déflexion, le malaxage/extrusion dans la zone de frottement n’est plus idéal et la soudure peut comporter des cavités correspondant à des manques de soudure (fissures) ou des contaminants qui n’auraient pas été correctement éjectés avec le flash. Ainsi, la présence de renforts diminue les risques de défauts structurels et/ou dimensionnels des soudures. En outre, ces déflexions absorbent une certaine quantité d’énergie initialement dévolue à la friction et viennent donc réduire le rendement de l’opération de soudage.
L'adjonction de renforts permet donc aussi d’augmenter le rendement de l'opération de soudage et d’assurer la robustesse de celle-ci en améliorant sa tolérance à des variabilités de positionnement initial des objets à souder et des variabilités de paramètres de soudure.
L’invention porte également sur un disque destiné à la fabrication d’un disque aubagé pour un compresseur de turbomachine, le disque comprenant une surface extérieure, une rangée annulaire de moignons s’élevant radialement depuis la surface extérieure à une première hauteur et des renforts respectifs entourant les moignons et s’élevant radialement depuis la surface extérieure à une seconde hauteur inférieure à la première hauteur.
Selon un mode de réalisation avantageux, la seconde hauteur est comprise entre 50% et 80% de la première hauteur. Cette plage représente un compromis idéal, dans lequel l'effet bénéfique du renfort apparaît, sans inutilement rajouter de la matière qu’il faudrait ensuite enlever par usinage.
Selon un mode de réalisation avantageux, dans une vue sensiblement perpendiculaire à un rayon du disque, le moignon décrit un premier profil et le renfort décrit un second profil, le second profil étant une homothétie du premier profil.
Selon un mode de réalisation avantageux, le rapport d'homothétie est compris entre 1.1 et 1.5.
Selon un mode de réalisation avantageux, le renfort constitue une surépaisseur de valeur constante autour du moignon.
Selon un mode de réalisation avantageux, le renfort constitue une surépaisseur autour du moignon dont la valeur est supérieure à 50% de la hauteur du renfort.
Selon un mode de réalisation avantageux, le renfort est tel que la déflexion tangentielle de l’ensemble moignon et renfort, lorsque le moignon est soumis à un effort tangentiel, est inférieure de 80% à la déflexion tangentielle du moignon seul soumis au même effort. Avantageusement, l’effort tangentiel dépend de la des pièces à souder.
Selon un mode de réalisation avantageux, chaque aube a une surface plane et le moignon a une extrémité radiale libre avec une surface plane, les deux surfaces planes étant délimitées par un contour identique et étant mises en contact lors de l'opération de soudage, l'aube disposant d’une plateforme sensiblement parallélépipédique à distance de sa surface plane.
Le disque aubagé peut comprendre des aubes ayant la même matière que celle des moignons, le disque aubagé est ainsi désigné par un disque dit: « mono- matière ». À cet effet, la distance entre la surface plane de chaque aube et sa plateforme étant environ égale à la différence entre la première hauteur et la seconde hauteur du moignon du disque. Préférentiellement, le disque aubagé est un disque dit : « bi-matière » comprenant deux alliages de titane différents, et plus préférentiellement, les aubes sont obtenues à partir d’un alliage Ta6v, et le disque à partir d’un alliage : Ti17. A cet effet, la distance entre la surface plane de chaque aube et sa plateforme étant environ quatre fois supérieure à la différence entre la première hauteur et la seconde hauteur du moignon du disque. 5 L'invention porte également sur une aube destinée à la fabrication d’un disque aubagé de compresseur de turbomachine au moyen du procédé évoqué ci-dessus, l'aube ayant une surface plane et une plateforme sensiblement parallélépipédique à distance de sa surface plane.
Ces aspects permettent de renforcer mécaniquement la structure de l’aube et de limiter la déformation de la matière sacrificielle pendant la friction, ainsi que de faciliter la préhension de l’aube par outil lui impulsant son mouvement.
Description des dessins
La figure 1 montre le disque et l’aube tête-bêche avant assemblage ;
La figure 2 montre une vue d’un moignon perpendiculaire à un rayon ;
La figure 3 montre une vue en coupe du moignon ;
La figure 4 montre en partie le disque aubagé après soudage et usinage.
Description d’un mode de réalisation
Dans la présente demande, le terme « disque aubagé » désigne un ensemble monobloc comprenant un disque ou moyeu généralement axisymétrique et une rangée annulaire d’aubes agencées à la périphérie du disque. Pour faciliter la lecture de la présente demande, la description se focalise sur un « disque » aubagé mais l'invention peut également concerner un « tambour » aubagé, comportant plusieurs rangées d’'aubes.
Le disque aubagé est destiné à être utilisé à tout étage de compression (soufflante incluse) d’une turbomachine. Préférentiellement, le disque peut être agencé à une position intermédiaire du compresseur.
La figure 1 montre un disque 2 et une aube 12 destinés à être assemblés par soudage.
Le disque 2 est représenté en partie. Un système de coordonnées cylindriques (A,
R, T) peut être utilisé pour matérialiser les directions axiale A, radiale R et
° BE2023/5301 tangentielle T. La direction axiale À est selon un axe de symétrie du disque. En fonctionnement, l’axe A est un axe de rotation du disque aubagé.
Sur une partie radialement extérieure du disque est agencée une surface plane 3.
Alternativement, la surface 3 peut être bombée. Celle-ci est rehaussée par rapport à une surface extérieure 4 du disque 2, formant ainsi un moignon M, le rehaussement pouvant correspondre à la la valeur de consommation matière lors du soudage orbital. La surface 4 est destinée à constituer une surface de guidage d’un flux d'air. La surface plane 3 peut être sensiblement située dans un plan perpendiculaire à un rayon du disque 2. De préférence, la surface plane 3 est parallele à la surface 4 (qui peut être très courbée), de manière à avoir une hauteur de moignon équilibrée.
La surface plane 3 est délimitée par un contour P qui peut prendre la forme d’un profil d’aube, avec un côté généralement convexe, un côté généralement concave, et deux rayons de raccordements. De préférence, le contour P correspond à un élargissement du profil final de l'aube, au moyen d'une surépaisseur pouvant comprendre la valeur de l'excentrique du mouvement d’oscillation lors du soudage orbital.
Le moignon M est entouré d’un renfort 5 qui forme un épaulement ou un escalier par rapport au moignon M. Le renfort 5 est moins haut radialement que le moignon
M. Le renfort 5 peut aussi être plus large tangentiellement et/ou plus long axialement que le moignon M. Le renfort garantit notamment la raideur transverse (selon T) du moignon. Les figures 2 et 3 donnent plus de détails à son sujet.
Un volume de matière sacrificiel, noté V2 et mis en évidence par le trait en pointillés 9, est voué à être extrudé lors de la friction. Le renfort ne s'élève pas radialement jusqu'à ce volume. Cela permet de s'assurer que même à la fin de l'opération de soudage, le joint de soudure n'entre pas au contact du renfort 5.
Une aube 12 destinée à être assemblée au disque 2 est illustrée à droite sur la figure 1, dans une position avec la tête en bas pour mettre en évidence le fait que l'aube 12 dispose d’une surface plane 13 délimitée par le même contour P que la surface 3.
Pour l’opération de soudage, les surfaces planes 3 et 13 sont mises en contact l’une de l’autre. L’aube 12 est mise en mouvement tout en subissant un effort (selon la
/ BE2023/5301 direction R) qui maintient l'aube au contact du disque. Le mouvement de l'aube 12 est un mouvement de translation circulaire (friction orbitale), c’est-à-dire que chaque point de l’aube 12 a la même trajectoire circulaire dans un plan parallèle au plan (A,
T). Pour être exact, la trajectoire est hélicoïdale mais avec un pas qui correspond à la vitesse de consommation de la matière sacrificielle et qui est donc très petit en comparaison de la vitesse dans le plan (A, T).
Un volume de matière sacrificiel du côté de l’aube, noté V12, est voué à être extrudé lors de la friction. Le trait en pointillés 19 matérialise la limite de V12.
L’aube comprend une plateforme 15 à une distance D de la surface 13. Cette plateforme 15 peut être parallélépipédique et permet la préhension de l’aube 12 par l’outil lui impulsant son mouvement. La plateforme permet également de renforcer mécaniquement l’aube 12 pour limiter la déflexion du volume sacrificiel V12 lors de la friction. La distance D est suffisante pour garantir que le joint de soudure ne rentre pas en contact avec la plateforme 15durant l’opération de soudage. Selon les matériaux en présence, la distance D peut être choisie telle que le volume V12 puisse être environ quatre fois plus grand que le volume V2.
La figure 2 montre une vue perpendiculaire à un rayon R, montrant le moignon M et le renfort 5.
Tel qu'illustré, le renfort 5 forme une surépaisseur constante e tout autour du — moignon M (la surépaisseur étant mesurée dans une direction normale au contour).
La surépaisseur e peut être supérieure à 50% de la largeur tangentielle maximum
E du contour P.
Dans une variante non illustrée, le renfort 5 a un contour qui est une homothétie du moignon. Le rapport d’'homothétie peut être compris entre 1.1 et 1.5.
Dans une variante non illustrée, le renfort 5 peut avoir une épaisseur variable, et peut notamment présenter plus de matière dans la direction tangentielle (en haut et en bas sur la figure 2) que dans la direction axiale.
Des simulations par éléments finis peuvent permettre d’affiner la géométrie du renfort 5, prenant notamment en compte les efforts, les matériaux en jeu (par exemple disque en Ti17), et la géométrie de l’outil, afin de s'assurer que la déflexion transverse (selon T) ne dépasse pas un seuil donné.
© BE2023/5301
La figure 3 montre une coupe du moignon et du renfort, dans un plan (R, T). Le moignon M s’élève à une hauteur H1 au-dessus de la surface 4 et le moignon M a une largeur E. Il est mis en évidence en pointillés.
Le renfort 5 s'élève à une hauteur moindre, H2. Le facteur de forme du renfort 5 peut être tel que e est supérieure à 50% de H2.
La figure 3 illustre également un effort F qui est un effort de friction à un instant donné du soudage (les efforts variant dans le plan (A, T) au cours du soudage). Les points A, A1 et A: illustrent la déflexion du moignon : en l’absence de renfort 5, le point A serait dévié en A» sous l’effort F, et grâce au renfort 5, le point A n'est dévié qu'en A. Le renfort 5 peut être tel que AA1/AA2 < 20%.
La figure 3 montre également que le renfort 5 ne chevauche pas, en élévation, le volume sacrificiel V2 (délimité par des pointillés) : ceci permet de garantir un bon contrôle de l’opération de soudage puisque les sections de l’aube et du disque en contact restent constantes durant toute l’opération (ce sont les surfaces 3 et 13 de profil P).
Pour déterminer la géométrie du disque 2 et de l’aube 12, la géométrie nominale, assurant le fonctionnement du disque aubagé en service est d’abord décidée. Cette géométrie nominale inclut le choix de la position du plan de la soudure, pour des raisons de tenue mécanique ou réglementaire, notamment lorsque l’aube et le disque sont faits de matériaux différents. Les volumes sacrificiels V2 et V12 sont rajoutés à l’aube et au disque pour permettre la soudure par friction. Enfin, la géométrie des renforts est déterminée pour garantir une bonne soudure.
La figure 4 montre en partie le disque aubagé 20, après soudage et enlèvement du renfort par usinage. L'usinage peut comporter plusieurs phases (ébauche et finition) et est essentiellement réalisé par fraisage.
La figure 4 montre également que les lignes 9 et 19 coïncident après le soudage.
Celles-ci définissent la position de la soudure.
Il est à noter que dans les exemples donnés, le renfort 5 est venu de matière avec le disque et le moignon. L'homme du métier comprendra toutefois que d’autres implémentations de ce renfort sont possibles, par exemple, le renfort peut être obtenu par surmoulage, il peut être rapporté par rechargement, ou il peut être constitué d’une pièce distincte emmanchée sur le moignon et épousant la forme du moignon.
Claims (16)
1. Procédé de fabrication d’un disque aubagé (20) de compresseur de turbomachine, le procédé comprenant : - la fabrication d’un disque (2) comprenant une surface extérieure (4), une rangée annulaire de moignons (M) s'élevant radialement depuis la surface extérieure (4) à une première hauteur (H1), et des renforts (5) respectifs entourant les moignons (M) et s’élevant radialement depuis la surface extérieure (4) à une seconde hauteur (H2) inférieure à la première hauteur (H1) ; - la fabrication d'autant d’aubes (12) que de moignons (M) ; - le soudage d’une aube (12) à chaque moignon (M) par friction orbitale ; puis - l'enlèvement des renforts (5) par usinage.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde hauteur (H2) est comprise entre 50% et 80% de la première hauteur (H1).
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que dans une vue sensiblement perpendiculaire à un rayon (R) du disque (2), le moignon (M) décrit un premier profil (P) et le renfort (5) décrit un second profil (6), le second profil (6) étant une homothétie du premier profil (P).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rapport d’'homothétie est compris entre 1.1 et 1.5.
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le renfort (5) constitue une surépaisseur (e) de valeur constante autour du moignon (M).
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le renfort (5) constitue une surépaisseur (e) autour du moignon dont la valeur est supérieure à 50% de la hauteur (H2) du renfort (5).
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le renfort (5) est tel que la déflexion tangentielle (AA1) de l'ensemble moignon (M) et renfort (5), lorsque le moignon (M) est soumis à un effort tangentiel (F), est inférieure de 80% à la déflexion tangentielle (AA2) du moignon (M) seul soumis au même effort (F).
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que chaque aube (12) a une surface plane (13) et le moignon (M) a une extrémité radiale libre avec une surface plane (3), les deux surfaces planes (3, 13) étant délimitées par un contour identique (P) et étant mises en contact lors de l'opération de soudage, l'aube (12) disposant d’une plateforme (15) sensiblement parallélépipédique à distance de sa surface plane (13).
9. Disque (2) destiné à la fabrication d’un disque aubagé pour un compresseur de turbomachine, le disque (2) comprenant une surface extérieure (4), une rangée annulaire de moignons (M) s’élevant radialement depuis la surface extérieure (4) à une première hauteur (H1) et des renforts (5) respectifs entourant les moignons (M) et s’élevant radialement depuis la surface extérieure (4) à une seconde hauteur (H2) inférieure à la première hauteur (H1).
10. Disque selon la revendication 9, caractérisé en ce que la seconde hauteur (H2) est comprise entre 50% et 80% de la première hauteur (H1).
11. Disque selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que dans une vue perpendiculaire à un rayon (R) du disque (2), le moignon (M) décrit un premier profil (P) et le renfort (5) décrit un second profil (6), le second profil (6) étant une homothétie du premier profil (P).
12. Disque selon la revendication 11, caractérisé en ce que le rapport d’'homothétie est compris entre 1.1 et 1.5.
13. Disque selon l’une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que le renfort (5) constitue une surépaisseur (e) de valeur constante autour du moignon (M).
14. Disque selon l’une des revendications 9 à 13, caractérisé en ce que le renfort (5) constitue une surépaisseur (e) autour du moignon (M) dont la valeur est supérieure à 50% de la hauteur du renfort (H2).
15. Disque selon l’une des revendications 9 à 14, caractérisé en ce que le renfort (5) est tel que la déflexion tangentielle (AA1) de l'ensemble moignon (M) et renfort (5), lorsque le moignon (M) est soumis à un effort tangentiel (F), est inférieure de 80% à la déflexion tangentielle (AA2) du moignon (M) seul soumis au même effort (F).
16. Aube (12) destinée à la fabrication d’un disque aubagé (20) de compresseur de turbomachine au moyen du procédé selon lune des revendications 1 à 8, l'aube (12) ayant une surface plane (13) et une plateforme (15) sensiblement parallélépipédique à distance (D) de sa surface plane (13).
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| FG | Patent granted |
Effective date: 20241118 |