Suscepteurs mobiles : Révolution du soudage par induction des composites thermoplastiques

Le Groupe Institut de Soudure (IS Groupe, Villepinte, France) — littéralement « l'institut du soudage » de France — a plus de 100 ans d'expérience dans le soudage des métaux et s'établit maintenant comme un leader dans le soudage des composites thermoplastiques. Comme rapporté dans la fonctionnalité 2018 de CW « Soudage de composites thermoplastiques », IS Groupe et sa marque composites Composite Integrity ont développé le processus de « soudage par induction dynamique » utilisé pour souder des longerons et peaux de fuselage en ruban unidirectionnel (UD) carbone (CF)/polyéthercétonecétone (PEKK) dans le projet de démonstration « Arches TP » avec le fournisseur de rang 1 Airbus STELIA Aerospace (Toulouse, France), qui a été dévoilé au Salon du Bourget 2017.

« C'était le début de notre développement avec le soudage par induction pour pièces structurelles aéronautiques », explique Jérôme Raynal, directeur aéronautique & composites pour IS Groupe. « Bien que le processus de soudage par induction dynamique que nous avons développé ait eu du succès, il avait certaines limitations concernant la performance dans le rayon du longeron collé et le chauffage global du panneau car il n'y a pas de suscepteur à l'interface. »

Un suscepteur est un matériau placé entre les deux adhérents d'un joint de composite thermoplastique soudé qui est chauffé par la bobine d'induction dans la tête de soudage. Le suscepteur peut être électriquement conducteur pour le chauffage résistif ou magnétique pour le chauffage par hystérésis, fondant la matrice à l'interface de soudure qui est simultanément pressée ensemble pour créer un joint à fusion avec une résistance très élevée. Comme expliqué par l'article de janvier 2000, « Design of a Resistive Susceptor for Uniform Heating During Induction Bonding of Composites » par Bruce Fink, Shridhar Yarlagadda et John W. (Jack) Gillespie, les suscepteurs utilisés dans les composites thermoplastiques soudés par induction étaient initialement un écran ou une maille métallique, parfois imprégnée de polymère.

IS Groupe croyait que les problèmes initiaux qu'il a rencontrés pouvaient être résolus avec plus de développement. « Nous avons commencé un nouveau tour de réflexion interne », dit Raynal. Cela incluait des discussions avec le fournisseur de matériaux thermoplastiques (TP) Arkema (Colombes, France) qui a procédé à un partenariat de développement. « Nous avons maintenant développé et co-breveté une nouvelle technologie avec Arkema appelée Solution Innovante pour le Soudage (ISW) », ajoute Raynal.

Principes de base de l'ISW

« La base de l'ISW est d'utiliser un suscepteur pour chauffer l'interface de soudure, mais c'est un suscepteur mobile lié à la tête de soudage », explique Raynal. « Le suscepteur nous permet de localiser parfaitement la zone de chauffe à la soudure, mais la tête de soudage avec suscepteur bouge de sorte que rien ne reste dans l'interface pour perturber les propriétés de la structure soudée. » Dans les premières itérations du soudage par induction, les suscepteurs en maille métallique étaient laissés dans la soudure, mais cela était considéré comme indésirable. Des techniques plus récentes ont pu éliminer les suscepteurs car la fibre de carbone dans les stratifiés aérospatiaux courants est électriquement conductrice. Cela a aussi permis l'utilisation de matériaux en fibre de carbone comme suscepteurs.

Une autre partie de la solution ISW est d'utiliser un pli de matrice TP pure ou à faible volume de fibres à l'interface de soudure pour augmenter l'écoulement de la résine. La température de fusion et la viscosité de ce pli d'interface peuvent être ajustées et peuvent aussi être fonctionnalisées pour fournir une conductivité électrique ou une isolation pour prévenir la corrosion galvanique, par exemple entre fibre de carbone et aluminium ou acier.

Résultats de l'ISW

« Nous obtenons un coefficient de joint de 80-90 % », dit Raynal. Le coefficient de joint correspond à la résistance de la soudure et est utilisé avec les métaux, plastiques et composites. « Dans les tests de cisaillement simple de deux plaques préconsolidées soudées ensemble en utilisant ISW, nous avons atteint 80-90 % des propriétés des plaques de référence non soudées, consolidées en autoclave. » Ces essais ont utilisé du ruban UD fait avec fibre de carbone Hextow AS7 (Hexcel, Stamford, Conn., États-Unis) et Arkema Kepstan 7002 PEKK.

Raynal dit que l'ISW peut être utilisé pour souder n'importe quel type de matrice : PE, PA, PEKK, PEEK, ainsi que des composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone, verre ou aramide. « Nous avons aussi montré qu'il n'y a pas de problème pour souder des composants qui ont une maille de cuivre pour la protection contre la foudre (LSP), ce qui est clé pour la production d'aérostructures » ajoute-t-il. L'ISW est conçu pour être entièrement automatisé avec la tête de soudage attachée à un bras robotique à 6 axes.

Contrôle de température

Comme expliqué dans l'article de Kirk/Yarlagadda/Gillespie ci-dessus, un problème commun avec les suscepteurs en maille métallique soumis à un champ magnétique est la distribution de température non uniforme qui en résulte dans la pièce soudée. « Nous contrôlons cela en utilisant un suscepteur pour fondre seulement l'interface de soudure », explique Raynal. « Nous détectons la température avec un pyromètre laser qui mesure en fait le bord du suscepteur sur le côté. Donc, nous savons exactement la température à l'interface. Nous utilisons aussi le refroidissement pour aider à gérer la température et assurer une cristallisation suffisante dans le matériau thermoplastique tout au long de la soudure. »

Essais de soudage longeron-peau STELIA

Le fournisseur de rang 1 d'Airbus, STELIA (Toulouse, France), est l'un des premiers clients pour ce développement de soudage par induction. IS Groupe et Arkema ont effectué une étude spécifique pour STELIA pour souder un longeron CF/PEKK à 7 plis sur une peau à 14 plis avec maille de cuivre pour la protection contre la foudre (LSP). La cible finale est de souder des structures de 30 mètres de longueur, avec des sections droites et à double courbure. Les composants étaient faits en utilisant du ruban UD 194 g/m² comprenant fibre de carbone Tenax HST45 (Teijin, Osaka, Japon) et Kepstan 7002 PEKK. STELIA a spécifié une soudure homogène avec une performance mécanique >85 % du matériau de référence consolidé en autoclave et sans dégradation thermique ou mécanique des adhérents. Il a aussi demandé un processus robuste vis-à-vis du changement d'épaisseur des adhérents. Les tests chimiques et de propriétés sur les composants soudés ont été effectués par IS Groupe.

IS Groupe et Arkema ont pu répondre aux exigences de STELIA, atteignant >85 % de la performance de cisaillement simple (SLS) et de résistance interlaminaire au cisaillement (ILSS) comparé aux stratifiés de référence consolidés en autoclave. Il n'y a pas eu de délaminage ou dégradation dans les stratifiés des composants ou la maille LSP. Le seul domaine où ils ont manqué est la vitesse. STELIA a demandé une vitesse de soudage ≥ 1 mètre/minute. « Actuellement, nous sommes à 0,3 mètres (10 pouces) par minute », concède Raynal, « mais nous continuons à travailler vers cette vitesse cible. » Y a-t-il une limite d'épaisseur de substrat qui peut être soudée ? « Nous pouvons souder des épaisseurs typiques des structures aérospatiales et avons soudé des composants de 5 millimètres d'épaisseur sur un substrat de 5 millimètres. »

Partenariat Arkema, opportunités et défis

Pourquoi travailler avec Arkema ? « Parce qu'il y a une relation entre la technologie et les matériaux », explique Raynal. « Par exemple, les matériaux à l'interface et leur fraction de volume font une différence. Nous sommes spécialistes du processus, mais nous avions besoin de travailler étroitement avec un partenaire pour les matériaux. Ce développement conjoint était nécessaire pour optimiser complètement la technologie de soudage. »

IS Groupe et Arkema sont co-propriétaires de la technologie ISW et ont protégé cette technologie par un portefeuille de brevets solide qui inclut déjà cinq demandes de brevet françaises et internationales. L'ISW peut être utilisé avec n'importe quelle matrice composite thermoplastique, et IS Groupe démontre la technologie à travers des programmes qu'il a avec des entreprises en Europe et aux États-Unis, incluant Latécoère (Toulouse, France), et Collins Aerospace Aerostructures (Chula Vista, Californie, États-Unis).

Pour Arkema, l'accent est sur le PEKK, dit Raynal, notant son alliance stratégique 2018 avec Hexcel pour développer des rubans thermoplastiques CF pour futurs avions, en se concentrant sur la fourniture de coûts inférieurs et de vitesses de production plus rapides pour ses clients. Dans le cadre de ce partenariat, un laboratoire R&D commun est en cours d'établissement en France.

Le projet Highly Automatized Integrated Composites for Performing Adaptable Structures (HAICoPAS) de 13,5 millions d'euros sur 48 mois est une continuation de l'alliance stratégique Arkema-Hexcel. Cette collaboration toute française inclut IS Groupe, ainsi que le concepteur de machines sur mesure Ingecal (Chassieu), Coriolis Composites (Quéven), Pinette Emidecau Industries (Chalon Sur Saône) et un consortium de laboratoires universitaires. HAICoPAS optimisera la conception et la fabrication de matériaux pour la production de pièces composites pour atteindre un coût compétitif à haute vitesse. Il vise aussi à développer une technologie plus productive pour le placement/stratification de matériaux composites et un nouveau système pour l'assemblage de pièces finales par soudage avec contrôle qualité en ligne.

Les applications ciblées incluent les structures primaires d'avions, les pièces structurelles pour l'industrie automobile et les pipelines pour l'industrie pétrolière et gazière. La recyclabilité et les avantages de durabilité fournis par les matériaux thermoplastiques sont aussi importants pour ces marchés et seront démontrés et quantifiés dans HAICoPAS.

« Un des avantages que nous pouvons offrir avec l'ISW est une réduction de plus de 50 % de la puissance électrique requise par rapport à notre processus de soudage par induction dynamique de 2017 », souligne Raynal. « Avec l'induction conventionnelle, vous avez besoin de haute puissance pour chauffer la surface. Mais avec un suscepteur à l'interface, la surface que vous chauffez est beaucoup plus petite, nécessitant beaucoup moins d'énergie. » Il note que cela aide aussi à éviter le décompactage dans le rayon des longerons. « Si vous chauffez trop, vous pouvez ramollir le matériau dans le rayon et permettre aux fibres ici de bouger. Donc, nous devons chauffer parfaitement seulement la zone de contact pour les substrats soudés sans chauffer le rayon. Avec l'ISW, ce n'est pas un problème. »

Il y a encore des problèmes thermiques, cependant. « Avec des formes plates, le contrôle thermique est simple, mais il devient plus difficile avec la complexité accrue de la forme », dit Raynal. « Pour 2020, l'objectif principal est de continuer le développement et d'atteindre le soudage de longerons sur peau à une échelle représentative. Notre focus est aussi d'introduire la technologie dans de nouveaux programmes de développement d'avions. »

Pour plus de détails, voir Composite Integrity à JEC World 2020, Hall 5, Stand N89.