FR2943317A1 - Fabricating an air inlet lip for aeronautical engine nacelle comprising two quarters, comprises embossing a sheet to impart circular arc profile, bending a plate to impart a circular arc profile, and friction stir welding the curved plate - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'UNE LEVRE D'ENTREE D'AIR POUR NACELLE D'AERONEF METHOD FOR MANUFACTURING AIR INLET LAUNCHER FOR AN AIRCRAFT NACELLE
L'invention concerne un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef. Plus précisément, l'invention concerne l'utilisation de la technique de soudage par friction malaxage pour la réalisation d'une lèvre d'entrée d'air de nacelle d'aéronef. Par lèvre d'entrée d'air, on entend la partie antérieure, ou bord d'attaque, d'une entrée d'air de nacelle d'aéronef. Actuellement, les constructeurs aéronautiques cherchent, notamment afin de réduire les coûts d'exploitation de leurs appareils, à alléger les structures des aéronefs et à améliorer leurs performances aérodynamiques. Une des structures qui retient l'attention des constructeurs aéronautiques est la nacelle d'aéronef, qui comporte de manière classique une entrée d'air circulaire entourant un carénage dans lequel est logé un turboréacteur. En effet, les nacelles participent de manière non négligeable au poids de l'aéronef, et le cahier des charges précis, tant relativement aux exigences de tenue mécanique en température que des performances aérodynamiques liées à l'état de surface de l'extérieur de la nacelle, ne permet pas de s'affranchir aisément des contraintes actuelles. D'une manière générale, une nacelle d'aéronef est constituée, au niveau de ses lèvres d'entrée d'air, de plusieurs quartiers en arc de cercle, réalisés chacun par emboutissage profond à partir de tôle mince en alliage d'aluminium, tel que l'alliage 2219 T62. Or, dans certaines géométries de lèvres d'entrée d'air, la profondeur du profil rend difficile, voir impossible, la réalisation de quartiers de lèvres d'entrée d'air à partir d'une unique pièce. Il est alors connu de rapporter une plaque cintrée, au profil adéquat, notamment par rivetage, sur la tôle emboutie. The invention relates to a method of manufacturing an air intake lip for aircraft nacelle. More specifically, the invention relates to the use of the friction stir welding technique for producing an aircraft nacelle air intake lip. By air inlet lip is meant the front part, or leading edge, of an aircraft nacelle air inlet. Currently, aeronautical manufacturers are seeking, in particular to reduce the operating costs of their aircraft, to lighten aircraft structures and improve their aerodynamic performance. One of the structures that attracts the attention of aircraft manufacturers is the aircraft nacelle, which conventionally comprises a circular air intake surrounding a fairing in which is housed a turbojet engine. Indeed, nacelles participate significantly in the weight of the aircraft, and precise specifications, both in terms of mechanical strength requirements in temperature and aerodynamic performance related to the surface condition of the outside of the aircraft. nacelle, does not allow to easily overcome the current constraints. In general, an aircraft nacelle is constituted, at its air inlet lips, several arcuate neighborhoods, each made by deep drawing from thin sheet of aluminum alloy, such as alloy 2219 T62. However, in some geometries of air inlet lips, the depth of the profile makes it difficult, or impossible, to produce air inlet lip areas from a single piece. It is then known to report a bent plate, the appropriate profile, including riveting on the stamped sheet.
Un des inconvénients de cette solution est qu'elle nécessite un recouvrement entre la tôle et la plaque cintrée, ce qui tend à augmenter la masse de la nacelle. Un autre inconvénient est qu'il est nécessaire de percer des trous dans ces différents éléments, pénalisant de manière non négligeable la tenue mécanique de l'ensemble. Les performances aérodynamiques de la nacelle au niveau d'une telle entrée d'air sont fortement pénalisées du fait de la présence des fixations entrainant un risque de désaffleurement des têtes des fixations, et du jeu entre les pièces. De plus, ces étapes multiples dans la gamme d'assemblage nécessitent d'utiliser des moyens d'étanchéité et de fixation supplémentaires, rendant la fabrication d'une telle pièce longue, complexe et coûteuse. L'invention cherche donc à fournir un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef permettant d'obtenir une nacelle d'aéronef ne présentant pas tout ou partie des inconvénients énoncés ci-dessus. One of the disadvantages of this solution is that it requires a covering between the sheet and the bent plate, which tends to increase the mass of the nacelle. Another disadvantage is that it is necessary to drill holes in these different elements, penalizing in a significant way the mechanical strength of the assembly. The aerodynamic performance of the nacelle at such an air intake is heavily penalized because of the presence of fasteners entailing a risk of misalignment of the heads of the fasteners, and the clearance between the parts. In addition, these multiple steps in the assembly range require the use of additional sealing and fastening means, making the manufacture of such a piece long, complex and expensive. The invention therefore seeks to provide a method of manufacturing an air intake lip for aircraft nacelle to obtain an aircraft nacelle does not have all or some of the disadvantages mentioned above.
Pour cela, dans l'invention, on propose d'assembler la plaque cintrée et la tôle emboutie par soudage par friction malaxage. Cette technique permet d'assembler en phase solide les matériaux sans risque de formation des défauts qui apparaissent classiquement lors de la solidification du bain de fusion. En effet, le soudage par friction malaxage opère en phase pâteuse, il n'y a pas fusion de la matière des pièces à souder. Aussi les déformations sont faibles et les risques de soufflure, fissuration à chaud, inclusion etc. sont considérablement diminués. De plus, dans la mesure où les températures atteintes restent inférieures au point de fusion des matériaux à souder, les caractéristiques mécaniques de l'assemblage final sont élevées et dans la plupart des cas supérieures à celles obtenues avec des procédés de soudage traditionnels D'une manière générale, le soudage par friction malaxage utilise un dispositif rotatif, comportant un pion profilé et un épaulement. Le pion est enfoncé dans la matière des pièces à souder jusqu'à ce que l'épaulement touche la surface du matériau à souder. La matière est chauffée par friction à des températures où elle est facilement déformable. Lorsque le dispositif de soudage avance, la matière s'écoule de l'avant vers l'arrière de la trajectoire du pion pour former un joint soudé. Par avant et arrière, on entend par rapport au sens d'avancement du dispositif de soudage pendant ladite opération de soudage. Par joint soudé, on entend le matériau des surfaces à souder, déplacé lorsqu'il est à l'état pâteux par l'avancement du pion du dispositif de soudage. Les soudures obtenues au niveau des jonctions entre les pièces dans le procédé selon l'invention présentent des caractéristiques mécaniques, statiques ou en fatigues, deux à trois fois supérieures à celles observées au niveau de jonctions rivetées. Avantageusement, pour mettre en oeuvre l'étape de soudage dans le procédé selon l'invention, on utilise un dispositif de soudage par friction malaxage comportant au moins un épaulement et un pion de malaxage apte à traverser au moins partiellement l'épaisseur des matériaux à souder. Préférentiellement, afin d'optimiser la masse et d'augmenter les performances aérodynamiques de la nacelle, on soude la plaque cintrée et la tôle emboutie sans recouvrement, c'est-à-dire en disposant les deux pièces avant soudage de manière à les accoler bord à bord et à les souder dans cette position. Dans la mesure où le procédé de soudage par friction malaxage est aisément automatisable, et les pièces à produire sont de formes simples, le procédé de fabrication selon l'invention permet de réduire de manière conséquente les temps de cycle et les coûts de fabrication d'une nacelle d'aéronef. L'invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'une lèvre d'entrée d'air pour nacelle d'aéronef, comportant au moins deux quartiers assemblés pour former une lèvre d'entrée d'air circulaire, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : a- on emboutit une tôle de manière à lui conférer un profil adéquat, en arc de cercle ; b- on cintre une plaque de manière à lui conférer un profil en arc de cercle; c- on soude par friction malaxage la plaque cintrée le long d'un rebord d'extrémité de la tôle emboutie, de manière à former la paroi externe du quartier de lèvre d'entrée d'air correspondant ; d- on répète les étapes a, b et c pour chacun des quartiers devant former la lèvre d'entrée d'air ; e- on assemble les quartiers de manière à former la lèvre d'entrée d'air circulaire. Selon des exemples de mise en oeuvre, le procédé de fabrication selon l'invention peut comporter tout ou partie des étapes supplémentaires suivantes : - dans l'étape c, la plaque cintrée est soudée bord à bord au rebord d'extrémité de la tôle emboutie, afin d'éviter tout chevauchement entre les deux pièces et d'optimiser ainsi les performances aérodynamiques au niveau de la surface externe de la nacelle. Par ailleurs, tout recouvrement étant supprimé, on diminue la masse de l'ensemble par rapport à un assemblage par rivetage ou autre ; - on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et une barre support, le dispositif étant déplacé le long de la face interne du joint soudé, afin d'optimiser l'état de surface externe de la soudure, correspondant à la face aérodynamique ; - on utilise un dispositif de soudage à simple épaulement et à pion rétractable, ledit dispositif de soudage étant piloté à efforts constants suivant deux axes verticaux respectivement selon l'épaulement et selon le pion. Par effort vertical, on entend un effort selon un axe longitudinal de l'épaulement ou du pion, appliqué perpendiculairement à la surface de la tôle et de la plaque à souder. Ainsi, un effort vertical est imposé sous l'épaulement et un autre effort vertical est imposé sous le pion. Cela permet d'imposer une profondeur de pénétration du pion suffisante pour garantir l'absence de défaut de racine habituellement dû à un manque de pénétration du pion et qui se traduit le plus souvent par un joint mal soudé dans sa partie inférieure For this, in the invention, it is proposed to assemble the bent plate and the pressed sheet by friction stir welding. This technique makes it possible to assemble in the solid phase the materials without risk of formation of the defects which appear conventionally during the solidification of the melt. Indeed, friction stir welding operates in pasty phase, there is no melting of the material of the parts to be welded. Also the deformations are weak and the risks of blow molding, hot cracking, inclusion etc. are considerably diminished. Moreover, insofar as the temperatures reached remain below the melting point of the materials to be welded, the mechanical characteristics of the final assembly are high and in most cases higher than those obtained with conventional welding processes. In general, friction stir welding uses a rotary device comprising a profiled pin and a shoulder. The pin is embedded in the material of the parts to be welded until the shoulder touches the surface of the material to be welded. The material is heated by friction at temperatures where it is easily deformable. As the welding device advances, the material flows from the front to the rear of the path of the peg to form a welded joint. By front and rear means with respect to the direction of advance of the welding device during said welding operation. By welded joint is meant the material of the surfaces to be welded, moved when it is in the pasty state by the advancement of the pin of the welding device. The welds obtained at the junctions between the parts in the process according to the invention have mechanical, static or fatigued characteristics, two to three times greater than those observed at riveted junctions. Advantageously, to implement the welding step in the method according to the invention, a friction stir welding device is used comprising at least one shoulder and a kneading pin capable of traversing at least partially the thickness of the materials to be used. welded. Preferably, in order to optimize the mass and increase the aerodynamic performance of the nacelle, it welds the bent plate and the stamped sheet without overlap, that is to say by arranging the two parts before welding so as to join edge to edge and solder in this position. Since the friction stir welding process is easy to automate, and the parts to be produced are of simple shapes, the manufacturing method according to the invention makes it possible to significantly reduce the cycle times and the manufacturing costs of an aircraft nacelle. The subject of the invention is therefore a method for manufacturing an air inlet lip for an aircraft nacelle, comprising at least two quarters assembled to form a circular air intake lip, characterized in that it comprises the following steps: a-stamping a sheet so as to give it a suitable profile in an arc; b-bending a plate so as to give it a profile arcuate circle; the bent plate is frictionally welded along an end flange of the stamped sheet so as to form the outer wall of the corresponding air inlet lip area; d- repeating steps a, b and c for each of the quarters to form the air intake lip; The neighborhoods are assembled so as to form the circular air intake lip. According to exemplary embodiments, the manufacturing method according to the invention may comprise all or part of the following additional steps: in step c, the bent plate is welded edge to edge at the end rim of the stamped sheet , to avoid any overlap between the two parts and thus optimize the aerodynamic performance at the outer surface of the nacelle. Furthermore, any recovery being removed, the mass of the assembly is reduced with respect to an assembly by riveting or otherwise; a single-shoulder welding device and a support bar are used, the device being moved along the inner face of the welded joint, in order to optimize the external surface state of the weld corresponding to the aerodynamic face; a single-shoulder and retractable pin welding device is used, said welding device being controlled with constant forces along two vertical axes respectively along the shoulder and along the pin. By vertical force is meant a force along a longitudinal axis of the shoulder or the pin, applied perpendicularly to the surface of the sheet and the plate to be welded. Thus, a vertical force is imposed under the shoulder and another vertical force is imposed under the pawn. This makes it possible to impose a depth of penetration of the pion sufficient to guarantee the absence of root defects usually due to a lack of pion penetration and which usually results in a poorly welded joint in its lower part.
- on utilise un dispositif de soudage à double épaulement. Les deux épaulements sont auto supportant, et le pion de malaxage traverse les pièces à souder de part en part. Ainsi, tout risque de défaut de soudure lié à une pénétration insuffisante du pion de malaxage dans le matériau à souder est supprimé. Par ailleurs, les efforts verticaux sont divisés par quatre ou cinq par rapport à un soudage avec simple épaulement, et sont contenus dans l'outil, favorisant la robotisation du procédé. Dans ce mode de réalisation, on procède avantageusement à un arasement ultérieur de la face externe du joint soudé du quartier de lèvre d'entrée d'air obtenu, de manière à supprimer les stries laissées sur ladite surface externe par l'épaulement correspondant du dispositif de soudage ; - on utilise une plaque cintrée et une tôle emboutie de natures différentes. En effet, le soudage par friction malaxage permet d'assembler des alliages de natures différentes, notamment du point de vu de la tenue en température. Dans la mesure où au niveau de l'entrée d'air, il existe des zones moins exposées aux fortes températures, on peut ainsi utiliser pour cette zone un alliage ayant une densité réduite par rapport à l'alliage d'aluminium usuel utilisé pour les parties destinées à être exposées aux fortes températures. Ainsi, il est possible d'associer à l'alliage 2219 présentant une bonne tenue thermique pour la partie formant le bord d'attaque du quartier de lèvre d'entrée d'air, un alliage d'aluminium-lithium, tel que le 2198, de densité 2,67 g/cm3 ou le 2199 de densité 2,62 g/cm3, qui présentent d'excellentes propriétés spécifiques, d'où des gains de masse potentiels. On peut également utiliser les alliages de magnésium, qui présentent une densité particulièrement faible (par exemple 1,84 g/cm3 pour l'alliage WE43) et une tenue en température pouvant aller jusqu'à 300°C. Préférentiellement, le soudage, qu'il soit hétérogène ou non, est réalisé sur état thermique final d'utilisation. Ainsi, par exemple, pour les alliages d'aluminium-lithium 2198 et le 2199 le soudage est réalisé sur état T8, et pour l'alliage de magnésium WE43 sur état T5 ou T6. Pour les soudures homogènes, le vieillissement thermique de la structure tend à homogénéiser les propriétés du joint soudé obtenu avec celles du matériau soudé. Pour les soudures hétérogènes il sera plus difficile d'utiliser un traitement thermique post soudage compatible avec les deux alliages soudés. Un exemple particulier et non limitatif du procédé selon l'invention est maintenant décrit, à l'aide des figures suivantes : - figure 1 : une vue de face d'une entrée d'air de nacelle d'aéronef ; - figure 2 : un agrandissement d'une section en arc de cercle des lèvres de l'entrée d'air de la figure 1, selon un assemblage de l'état de la technique ; - figure 3 : un agrandissement d'une section en arc de cercle des lèvres de l'entrée d'air de la figure 1, selon un assemblage de l'invention. Sur la figure 1 est représentée, vue de face, une entrée d'air 2 circulaire de nacelle 1 d'aéronef, dans laquelle doit être logée un turboréacteur. L'entrée d'air 2 est formée par quatre quartiers 3 en arc de cercle, de dimensions identiques, solidarisés les uns aux autres pour former l'entée d'air 2 circulaire. Chaque quartier 3 des lèvres de l'entrée d'air 2 est formé, comme cela est visible sur la figure 2, d'une tôle emboutie 4, formant le bord d'attaque de la lèvre d'entrée d'air, se prolongeant longitudinalement par une plaque cintrée 6 formant la paroi externe de l'entrée d'air 2. Plus précisément, un rebord longitudinal 8 de la tôle 4 est fixé à un rebord longitudinal 10 de la plaque 6. Avec le procédé d'assemblage de l'état de la technique, les rebords longitudinaux 8 et 10 respectivement de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6 se chevauchent localement, au niveau de la zone de recouvrement 12. Un tel chevauchement, surtout au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air, perturbe l'écoulement aérodynamique, diminuant ainsi les performances aérodynamiques de la nacelle. Par ailleurs, les plaques et tôles sont solidarisées par rivetage, nécessitant des perforations au niveau des éléments de fixation 13, ce qui fragilise la structure. A l'inverse, avec le procédé de fabrication de l'invention, et surtout l'étape de soudage, on supprime avantageusement tout chevauchement et perçage. a double-shoulder welding device is used. The two shoulders are self supporting, and the kneading pin passes through the parts to be welded from one side to the other. Thus, any risk of welding defect due to insufficient penetration of the kneading pin into the material to be welded is eliminated. Moreover, the vertical forces are divided by four or five compared to welding with simple shoulder, and are contained in the tool, favoring the robotization of the process. In this embodiment, the outer face of the welded joint of the obtained air inlet lip quarter is advantageously trimmed so as to eliminate the streaks left on said outer surface by the corresponding shoulder of the device. welding; a curved plate and a stamped sheet of different natures are used. In fact, friction stir welding makes it possible to assemble alloys of different natures, especially from the point of view of the temperature resistance. Insofar as at the level of the air intake, there are areas less exposed to high temperatures, it is thus possible to use for this zone an alloy having a reduced density compared to the usual aluminum alloy used for parts intended to be exposed to high temperatures. Thus, it is possible to associate with the alloy 2219 having a good thermal resistance for the part forming the leading edge of the air inlet lip area, an aluminum-lithium alloy, such as the 2198 2.67 g / cm3 density or 2199 density 2.62 g / cm3, which have excellent specific properties, resulting in potential mass savings. It is also possible to use magnesium alloys, which have a particularly low density (for example 1.84 g / cm3 for alloy WE43) and a temperature withstand of up to 300 ° C. Preferably, the welding, whether heterogeneous or not, is performed on final thermal state of use. Thus, for example, for aluminum-lithium alloys 2198 and 2199 the welding is carried out on state T8, and for magnesium alloy WE43 on state T5 or T6. For homogeneous welds, the thermal aging of the structure tends to homogenize the properties of the welded joint obtained with those of the welded material. For heterogeneous welds it will be more difficult to use post weld heat treatment compatible with both welded alloys. A particular and non-limiting example of the method according to the invention is now described, with the aid of the following figures: FIG. 1: a front view of an aircraft nacelle air intake; - Figure 2: an enlargement of an arcuate section of the lips of the air inlet of Figure 1, according to an assembly of the state of the art; - Figure 3: an enlargement of an arcuate section of the lips of the air inlet of Figure 1, according to an assembly of the invention. FIG. 1 is a front view of a circular air intake 2 of an aircraft nacelle 1 into which a turbojet engine is to be housed. The air inlet 2 is formed by four quarters 3 arcuate, of identical dimensions, secured to each other to form the air inlet 2 circular. Each quarter 3 of the lips of the air inlet 2 is formed, as can be seen in FIG. 2, of a pressed sheet metal 4, forming the leading edge of the air inlet lip, extending longitudinally by a curved plate 6 forming the outer wall of the air inlet 2. More specifically, a longitudinal flange 8 of the sheet 4 is fixed to a longitudinal flange 10 of the plate 6. With the assembly method of the state of the art, the longitudinal flanges 8 and 10 respectively of the stamped sheet 4 and the bent plate 6 overlap locally, at the overlap zone 12. Such an overlap, especially at the outer face of the air intake lip, disrupts the aerodynamic flow, thus decreasing the aerodynamic performance of the nacelle. Furthermore, the plates and sheets are secured by riveting, requiring perforations at the fastening elements 13, which weakens the structure. Conversely, with the manufacturing method of the invention, and especially the welding step, advantageously eliminates any overlap and drilling.
Pour cela, conformément au procédé de l'invention, chaque quartier 3 de la lèvre d'entrée d'air 2 est réalisé en accolant bord à bord un rebord longitudinal 8 de la tôle 4, préalablement emboutie, à un rebord longitudinal 10 d'une plaque cintrée 6 (figure 3). On procède alors à un soudage par friction malaxage des rebords accolés. For this, in accordance with the method of the invention, each quarter 3 of the air intake lip 2 is made by joining edge to edge a longitudinal flange 8 of the sheet 4, previously stamped, to a longitudinal flange 10 of a bent plate 6 (Figure 3). Friction stir welding is then performed on the contiguous edges.
Sur la figure 3, les rebords 8, 10 accolés au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air sont entrain d'être solidarisés l'un à l'autre au moyen d'un dispositif de soudage par fiction malaxage à double épaulement 15. Plus précisément, l'épaulement supérieur 16 est situé du côté de la face interne de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6, de manière à se déplacer le long de leurs rebords 8, 10 accolés, tandis que l'épaulement inférieur 17 est situé du côté de la face externe de la tôle emboutie 4 et de la plaque cintrée 6, de manière à se déplacer le long de leurs rebords 8, 10 accolés. Le pion de malaxage 18 traverse toute l'épaisseur de la tôle 4 et de la plaque 6. In Figure 3, the flanges 8, 10 contiguous at the outer face of the air inlet lip are being secured to one another by means of a kneading device for kneading 15. More specifically, the upper shoulder 16 is located on the side of the inner face of the stamped sheet 4 and the bent plate 6, so as to move along their flanges 8, 10 contiguous, while the lower shoulder 17 is located on the side of the outer face of the stamped sheet 4 and the bent plate 6, so as to move along their flanges 8, 10 contiguous. The mixing pin 18 traverses the entire thickness of the sheet 4 and the plate 6.
Avantageusement, on arase la face externe de la paroi externe du quartier 3 de lèvre d'entrée d'air obtenu, de manière à supprimer les éventuelles stries laissées sur la surface externe par l'épaulement inférieur 17 du dispositif de soudage 15. Advantageously, the outer face of the outer wall of the obtained air inlet lip quarter 3 is flush, so as to eliminate any streaks left on the outer surface by the lower shoulder 17 of the welding device 15.
Une fois chacun des quartiers 3 devant former la lèvre d'entrée d'air 2 réalisé, on procède à l'assemblage desdits quartiers 3 pour former la lèvre d'entrée d'air circulaire 2. Dans un autre exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, on peut de la même manière utiliser un dispositif de soudage par friction malaxage conventionnel, c'est-à-dire à simple épaulement. Une barre support, ou enclume, est alors avantageusement utilisée de manière à ce que l'épaulement se situe au niveau de la face interne, et la barre support au niveau de la face externe de la lèvre d'entrée d'air. Once each of the quarters 3 to form the air intake lip 2 is formed, one proceeds to the assembly of said quarters 3 to form the circular air inlet lip 2. In another example of implementation of the according to the invention, it is likewise possible to use a friction stir welding device that is conventional, that is to say with a single shoulder. A support bar, or anvil, is then advantageously used so that the shoulder is located at the inner face, and the support bar at the outer face of the air inlet lip.
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