FR3123247A1 - Installation de soudage dynamique par induction - Google Patents

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Javad FOULDAGAR
Didier Trichet
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Institut de Recherche Technologique Jules Verne
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Abstract

Installation de soudage dynamique par induction Installation (1) de soudage dynamique par induction d’une première pièce (2) sur une deuxième pièce (3), les première et deuxième pièces (2, 3) comportant chacune un matériau composite comportant des fibres de renfort et un matériau polymère thermoplastique, la première pièce (2) comportant au moins une âme (4) et une semelle (5), la semelle (5) présentant une surface à souder (6) sur la deuxième pièce (3) et une surface opposée (7) à la surface à souder (6), l’installation (1) comportant : un dispositif de chauffage par induction (8) disposé du côté de ladite surface opposée (7) à proximité de l’âme (4), au moins un amortisseur passif de champ magnétique (11) configuré et disposé de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction (B2) s’opposant au moins partiellement, notamment totalement, au champ magnétique (B1) créé par le dispositif de chauffage par induction (8) dans au moins une partie de l’âme (4) située à proximité de la surface à souder (6) de la première pièce (2). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Installation de soudage dynamique par induction
La présente invention concerne une installation de soudage dynamique par induction de deux pièces en matériau composite comportant un matériau polymère thermoplastique, dont une pièce comportant une partie à souder et une partie qui n’est pas à souder. 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 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 four, 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 fixée à un système de protection contre la foudre, encore appelé « LSP », 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, un tel système de protection contre la foudre contraint à positionner l’inducteur à proximité de la première et de la deuxième pièces au niveau de leur surface à souder, ce qui engendre des problèmes de surchauffe, notamment dans des parties qui ne sont pas à souder.
Il existe un besoin de disposer d’une installation et d’un procédé de soudage dynamique par induction permettant d’améliorer 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.
Il existe encore un besoin de disposer d’une installation et d’un procédé de soudage dynamique par induction qui permette de souder près de 100%, voire 100% de la surface à souder entre deux pièces en matériau composite comportant un matériau polymère thermoplastique.
Installation de soudage dynamique
La présente invention y parvient en tout ou partie grâce à, selon l’un de ses aspects, une installation de soudage dynamique par induction d’une première pièce sur une deuxième pièce, les première et deuxième pièces comportant chacune un matériau composite comportant des fibres de renfort et un matériau polymère thermoplastique, la première pièce comportant au moins une âme et une semelle, la semelle présentant une surface à souder sur la deuxième pièce et une surface opposée à la surface à souder, l’installation comportant :
- un dispositif de chauffage par induction disposé du côté de ladite surface opposée, à proximité de l’âme,
- au moins un amortisseur passif de champ magnétique configuré et disposé de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement, notamment totalement, au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage par induction dans au moins une partie de l’âme située à proximité de la surface à souder de la première pièce.
Par « amortisseur passif du champ magnétique », on entend un élément qui n’apporte pas de puissance supplémentaire à l’installation.
Par « créer un champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement, notamment totalement au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage » on entend que la superposition du champ magnétique induit par l’amortisseur et du champ magnétique du dispositif de chauffage par induction forme un champ magnétique réduit, voire totalement nul dans au moins une partie de l’âme. Une telle superposition résulte du caractère extensif des champs magnétiques, c’est-à-dire que les champs magnétiques s’additionnent.
Lorsque l’installation est en fonctionnement, le dispositif de chauffage par induction produit un champ magnétique variable traversant, au moins en partie, la première et la deuxième pièce. 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, souder la semelle qui est à fixer permet de conserver les propriétés mécaniques de la première pièce. De plus, l’utilisation d’un procédé de chauffage par induction permet d’obtenir une bonne montée en température à l’interface entre les deux pièces. Cependant, au moins une partie de l’âme est également chauffée si l’installation comporte uniquement le dispositif de chauffage et les deux pièces.
La deuxième pièce peut être couplée à un système de protection contre la foudre (encore appelé « LSP »), par exemple sous forme de grillage ou de toile tissée métallique conductrice, disposé et fixé du côté de la surface opposée à la surface à souder de la deuxième pièce. Lorsque l’installation comporte uniquement le dispositif de chauffage, et que la deuxième pièce est couplée à un système de protection contre la foudre, le chauffage de l’âme est particulièrement important, à cause de la présence de ce système de protection contre la foudre. La chaleur dans l’âme ne peut alors plus être évacuée de manière suffisamment efficace pour ne pas endommager l’âme avec un système de refroidissement passif ou actif, comme par exemple avec une circuiterie d’eau.
Une solution aurait pu être de positionner une ferrite autour du dispositif de chauffage par induction afin de concentrer le champ magnétique vers la semelle de la première pièce. Néanmoins, la concentration de champ magnétique par une ferrite ne permet pas d’obtenir une montée en température sur la totalité de la largeur de la surface à souder et la surface à souder n’est alors pas soudée à 100% ou à un pourcentage proche de 100%.
Au contraire, grâce à l’invention, du fait de l’opposition au moins partielle, notamment totale, des champs magnétiques du dispositif de chauffage par induction et de l’amortisseur, la formation de courants induits dans au moins une partie des fibres de l’âme est au moins partiellement, voire totalement annulée. Ainsi, l’effet Joule dans au moins une partie des fibres de l’âme est limité, ce qui réduit la montée en température de l’âme de la première pièce, tout en permettant une montée en température sur au moins 95% de la largeur de la surface à souder de la première pièce, de préférence environ 100%. Ainsi, on peut souder près de 100%, voire 100%, de la surface à souder grâce à l’installation selon l’invention.
De préférence, l’amortisseur est un excellent conducteur électrique. L’amortisseur comporte avantageusement un matériau présentant une conductivité électrique plus importante que l’âme.
Ledit matériau de l’amortisseur est avantageusement choisi dans la famille des métaux, par exemple un acier. Il présente de préférence une conductivité électrique supérieure, voire très supérieure, à 104 S.m-1. Ledit matériau de l’amortisseur est avantageusement choisi pour obtenir une conductivité électrique adaptée à la nature de l’âme, c’est-à-dire sa composition ou sa forme, et à la forme de l’inducteur.
De préférence, l’âme présente une surface exposée faisant face au dispositif de chauffage par induction et une surface opposée à la surface exposée. Dans ce cas, l’amortisseur est disposé de préférence du côté de ladite surface opposée de l’âme.
L’amortisseur forme avantageusement une plaque s’étendant sensiblement parallèlement à au moins une partie de l’âme.
Le dispositif de chauffage par induction peut être très proche, par son extrémité la plus proche, de la surface exposée de l’âme. La distance entre la surface exposée de l’âme et l’extrémité du dispositif de chauffage par induction est par exemple inférieure à 3 mm, étant comprise entre 0,5 mm et 2 mm. Cette grande proximité est due à la volonté de souder la surface à souder de la première pièce dans sa totalité sur la deuxième pièce, mais cela génère un champ magnétique fort dans au moins une partie de l’âme la plus proche qui pourrait la détériorer s’il n’y avait pas d’amortisseur.
L’installation comporte de préférence au moins un dissipateur thermique.
On entend par « dissipateur thermique » un élément possédant une conductivité thermique importante et une conductivité électrique faible. Le ou chaque dissipateur thermique permet d’évacuer localement au moins une partie de la chaleur générée par le dispositif de chauffage par induction.
Avantageusement, au moins un dissipateur thermique est disposé contre l’amortisseur. Dans ce cas, et lorsque l’amortisseur forme une plaque parallèle à l’âme, le dissipateur thermique peut être séparé de l’âme par l’amortisseur, peut s’étendre contre celui-ci et former une plaque sensiblement parallèle à l’âme.
L’installation peut encore comporter au moins un dissipateur thermique intercalé entre la semelle et le dispositif de chauffage par induction.
L’installation peut encore comporter au moins un dissipateur thermique en contact avec la surface opposée à la surface à souder de la deuxième pièce ou, lorsque le système de protection contre la foudre est présent, en contact avec le système de protection contre la foudre, sous celui-ci.
De préférence, ledit au moins un dissipateur thermique comporte un matériau choisi dans la famille des céramiques, notamment le plâtre ou le ciment. Il présente de préférence une conductivité thermique comprise entre 10 et 30 W.m-1.K-1.
La première pièce et la deuxième pièce peuvent comprendre les mêmes fibres de renfort et/ou le même matériau polymère thermoplastique. Les fibres de renfort des première et/ou deuxième pièce(s) sont de préférence des fibres continues. Elles peuvent être choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone et les fibres métalliques.
La première pièce peut notamment présenter une forme de L, l’âme étant reliée par une portion coudée à la semelle. Dans ce cas, l’angle entre l’âme et la semelle au niveau de la portion coudée est compris entre 60° et 120°, notamment entre 75° et 105°, de préférence égal à 90° environ. L’âme est la partie de la première pièce qui n’est pas à souder à la deuxième pièce.
Avantageusement, la première pièce est un raidisseur et la deuxième pièce est une peau.
De préférence, l’installation comporte au moins un poinçon agencé pour soutenir l’âme au moins pendant le soudage. Un tel poinçon, qui peut se présenter sous la forme d’une plaque de support parallèle à l’âme, est de préférence disposé de manière à maintenir, outre l’âme, l’amortisseur et éventuellement un ou le dissipateur thermique.
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 pièce sur une deuxième pièce à l’aide d’une installation telle que définie plus haut.
Le procédé comporte les étapes consistant à :
  • positionner la première pièce à souder sur la deuxième pièce de telle sorte que la surface à souder de la première pièce soit en contact avec la surface à souder de la deuxième pièce,
  • positionner le dispositif de chauffage par induction au-dessus de la surface à souder, du côté de la surface opposée à la surface à souder, et
  • réaliser une soudure à l’interface entre la première et la deuxième pièces à l’aide du dispositif de chauffage par induction, l’amortisseur créant alors un champ magnétique de réaction s’opposant au moins partiellement, notamment totalement, au champ magnétique créé par le dispositif de chauffage par induction dans au moins une partie de l’âme située à proximité de la surface à souder de la première pièce.
Le procédé comporte de préférence l’étape préalable consistant à prédéterminer par simulation numérique des paramètres de l’amortisseur, tels que la nature de l’amortisseur, ses dimensions, notamment son épaisseur et/ou sa longueur, et/ou son positionnement, de manière à les optimiser notamment en fonction de la configuration des première et deuxième pièces. En effet, la maîtrise des champs thermiques doit être très fine et adaptée, l’objectif étant d’atteindre la température de fusion à l’interface entre les deux surfaces à souder des pièces. A défaut, on risque de détruire une des pièces ou les pièces, au moins partiellement.
Avantageusement, le procédé est mis en œuvre de telle sorte qu’à la fin du procédé, la surface à souder de la première pièce est soudée sur la deuxième pièce à au moins 95% de sa surface, de préférence à environ 100% de sa surface.
De préférence, le dispositif de chauffage par induction est déplacé au-dessus de la surface à souder 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 perspective et de manière schématique, une installation de soudage dynamique selon l’invention,
la représente, en coupe transversale et de manière schématique, l’installation de la ,
la est un agrandissement du détail III de la ,
la est un agrandissement du détail IV de la ,
la représente, de manière schématique, en coupe transversale, les champs magnétiques lors de l’utilisation de l’installation de la ,
la , représente en schéma bloc le procédé de soudage dynamique selon l’invention,
la est une cartographie thermique schématique dans les pièces en matériau composite à matrice thermoplastique, lors de la mise en œuvre du procédé selon l’invention,
la est une cartographie thermique schématique dans les pièces, lors de la mise en œuvre d’un procédé de soudage dynamique par induction sans l’utilisation d’un amortisseur passif de champ magnétique, et
la est une vue en coupe transversale schématique de la pièce finale en matériau composite réalisée selon le procédé de l’invention.

Claims (18)

  1. Installation (1) de soudage dynamique par induction d’une première pièce (2) sur une deuxième pièce (3), les première et deuxième pièces (2, 3) comportant chacune un matériau composite comportant des fibres de renfort et un matériau polymère thermoplastique,
    la première pièce (2) comportant au moins une âme (4) et une semelle (5), la semelle (5) présentant une surface à souder (6) sur la deuxième pièce (3) et une surface opposée (7) à la surface à souder (6),
    l’installation (1) comportant :
    • un dispositif de chauffage par induction (8) disposé du côté de ladite surface opposée (7) à proximité de l’âme (4),
    • au moins un amortisseur passif de champ magnétique (11) configuré et disposé de manière à permettre de créer un champ magnétique de réaction (B2) s’opposant au moins partiellement, notamment totalement, au champ magnétique (B1) créé par le dispositif de chauffage par induction (8) dans au moins une partie de l’âme (4) située à proximité de la surface à souder (6) de la première pièce (2).
  2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle l’amortisseur (11) comporte un matériau présentant une conductivité électrique plus importante que l’âme (4).
  3. Installation selon la revendication 2, dans laquelle ledit matériau de l’amortisseur (11) est choisi dans la famille des métaux et présente une conductivité électrique supérieure à 104S.m-1.
  4. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’âme (4) présente une surface exposée (12) faisant face au dispositif de chauffage par induction (8) et une surface opposée (13) à la surface exposée (12), l’amortisseur (11) étant disposé du côté de ladite surface opposée (13) de l’âme (4).
  5. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l’amortisseur (11) forme une plaque s’étendant sensiblement parallèlement à au moins une partie de l’âme (4).
  6. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un dissipateur thermique (14, 14a, 14b, 14c).
  7. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle ledit au moins un dissipateur thermique (14a) est disposé contre l’amortisseur (11).
  8. Installation selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, dans laquelle ledit au moins un dissipateur thermique (14b) est intercalé entre la semelle (5) et le dispositif de chauffage par induction (8).
  9. Installation selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans laquelle ledit au moins un dissipateur thermique (14, 14a, 14b, 14c) comporte un matériau choisi dans la famille des céramiques et présente une conductivité thermique comprise entre 10 et 30 W. m-1.K-1.
  10. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les fibres de renfort des première et deuxième pièces (2, 3) sont des fibres continues et choisies dans le groupe constitué par les fibres de carbone et les fibres métalliques.
  11. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la première pièce (2) présente une forme de L, l’âme (4) étant reliée par une portion coudée (17) à la semelle (5), l’angle entre l’âme (4) et la semelle (5) au niveau de la portion coudée (17) étant compris entre 60° et 120°, notamment entre 75° et 105°, de préférence égal à 90° environ.
  12. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième pièce (3) est couplée à un système de protection contre la foudre (15) disposé et fixé du côté de la surface opposée (22) à la surface à souder (24) de la deuxième pièce (3).
  13. Installation selon les revendications 6 et 12, dans laquelle ledit au moins un dissipateur thermique (14c) est en contact avec le système de protection contre la foudre (15), sous celui-ci.
  14. Installation selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant un poinçon (10) agencé pour soutenir l’âme (4) au moins pendant le soudage, le poinçon (10) étant de préférence disposé de manière à maintenir de plus l’amortisseur (11) et éventuellement un ou le dissipateur thermique (14).
  15. Procédé de soudage dynamique par induction d’une première pièce (2) sur une deuxième pièce (3) à l’aide d’une installation (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant les étapes consistant à :
    - positionner la première pièce (2) à souder sur la deuxième pièce (3) de telle sorte que la surface à souder (6) de la première pièce (2) soit en contact avec la surface à souder (24) de la deuxième pièce (3),
    - positionner le dispositif de chauffage par induction (8) au-dessus de la surface à souder (6), du côté de la surface opposée (7) à la surface à souder (6) et
    - réaliser une soudure à l’interface entre la première et la deuxième pièces (2, 3) à l’aide du dispositif de chauffage par induction (8), l’amortisseur (11) créant alors un champ magnétique de réaction (B2) s’opposant au moins partiellement, notamment totalement, au champ magnétique (B1) créé par le dispositif de chauffage par induction (8) dans au moins une partie de l’âme (4) située à proximité de la surface à souder (6) de la première pièce (2).
  16. Procédé selon la revendication précédente, comportant l’étape préalable consistant à prédéterminer par simulation numérique des paramètres de l’amortisseur (11), tels que la nature de l’amortisseur, ses dimensions, notamment son épaisseur et/ou sa longueur, et/ou son positionnement, de manière à les optimiser en fonction de la configuration des première et deuxième pièces (2, 3).
  17. Procédé selon l’une des deux revendications immédiatement précédentes, le procédé étant mis en œuvre de telle sorte qu’à la fin du procédé, la surface à souder (6) est soudée sur la deuxième pièce (3) à au moins 95% de sa surface, de préférence environ 100% de sa surface.
  18. Procédé selon l’une des revendications 15 à 17, dans lequel le dispositif de chauffage par induction (8) est déplacé au-dessus de la surface à souder (6) pour réaliser la soudure.
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