Aviation civile : des planchers en alliage de titane obtenus par soudage laser

Comment développer un plancher en Ti-6Al-4V pour l’aviation civile pour un coût de fabrication réduit ? En optimisant le soudage laser...
Le projet collaboratif R&D, dénommé « Plancher du futur », a réuni le sous-traitant aéronautique Figeac Aero, le bureau d’étude AVANTIS Project, le CRITT TJFU de Bar-le-Duc, le LEM3 à Metz ainsi que l'Institut de Soudure. Avec comme objectif de développer une solution économique de planchers d’avions de ligne (en particulier ceux de l’A350 du Groupe Airbus) constitué de rails en alliage de titane Ti-6Al-4V.

Pourquoi un alliage de titane ? Quelles limites en fabrication ? Quelle solution ?

Comparé aux alliages d'aluminium traditionnellement utilisés, le Ti-6Al-4V offre bien entendu une résistance mécanique spécifique supérieure, mais surtout une résistance exceptionnelle à la corrosion. Il est en effet compatible avec les fibres de carbone présentes dans les matériaux composites en contact avec les rails.
Les rails en alliage d'aluminium qui constituent les planchers des avions de ligne sont habituellement obtenus par l'usinage d'ébauches de profilés extrudés. Cependant, l’usinage d’alliages de titane n’est pas économiquement viable. L'idée est d'obtenir des ébauches de rails par soudage d'éléments simples, au plus près des cotes finales des rails, avec un minimum d'usinage de finition.
L’Institut de Soudure a été chargé de la mise au point du soudage de ces éléments
avec :

• l’étude de la conception des pièces et des configurations d’assemblage ;
• le développement des outillages de mise en position, de bridage des pièces et de protections gazeuses (trainard) ;
• le développement des modes opératoires pour les différentes séquences de soudage (sept au total).

Soudage par laser de forte puissance

La technologie retenue est le soudage par laser à fibre de forte puissance pour ses assemblages de qualité, avec peu de déformations.
Figeac Aero, maître d’œuvre du projet, a coordonnée les actions techniques entre les différents membres du projet.
Le projet Plancher du Futur a démarré en septembre 2012 et s’est terminé en août 2016.
Le suivi du projet par l’équipe de l’Institut de Soudure, ses compétences en soudage pour la réalisation des multiples prototypes ont pleinement satisfait le maître d’œuvre de ce projet Figeac Aéro.<
Ce partenaire des grands industriels de l'aéronautique a proposé à ses clients une amélioration du procédé de fabrication des rails des planchers aéronautiques, réduisant la matière consommée par soudage raboutage de plusieurs types d’extrudés en alliage de titane.
Et peut témoigner de la réussite du projet :

« Les compétences en soudage de l’Institut de Soudure ont permis de démontrer qu’il était possible de réaliser des rails soudés en titane TA6V fiables et de grande résistance mécanique. Ils pourraient remplacer avantageusement les rails de plancher en titane extrudés actuels comme ceux utilisés dans le programme A350. » 

« Cette étude a mis en évidence les contraintes métallurgiques liées à l’utilisation de plaques et tôles de titane disponibles commercialement. De par les procédés mis en œuvre, les qualités de titane présentent des hétérogénéités microstructurales inhérentes aux procédés de mise en forme. Néanmoins, les résultats de cette étude ont montré que le procédé de soudage laser permettait l’obtention de produits soudés de grandes qualités satisfaisant les exigences dimensionnelles et mécaniques imposées par le Groupe Airbus. »

Les résultats ont montré que la solution retenue était viable, avec des gains de matière estimés à 17 % et une réduction du coût de fabrication de l'ordre de 30 % par rapport à une solution conventionnelle de fabrication. Une suite à ce projet de recherche est par ailleurs envisagée.

Également une étude doctorale

Maxime El Kandaoui, docteur-ingénieur dont le doctorat portait sur ce projet, a été accompagné par Fabrice Scandella, expert sénior en matériaux et procédés, tous deux au sein de l’Institut de Soudure.
Les études et les campagnes de soudage laser de tôles minces d’alliage de titane pour reconstituer des rails de siège aéronautiques réalisées par l’Institut de Soudure, avec le support et le soutien financier de Figeac Aéro, ont donné lieu à la soutenance de doctorat de Maxime El Kandaoui ^[1],[2], au laboratoire LEM3 de l’université de Lorraine à Metz le 14 décembre 2016.

^[1] Contribution à la caractérisation microstructurale et mécanique du soudage laser de l’alliage Ti-6Al-4V pour la fabrication de rail de planchers aéronautiques, thèse pour l'obtention du titre de docteur de l'Université de Lorraine, Sciences des matériaux, présentée par Maxime El Kandaoui, tenue publiquement le 14 décembre 2016, à Metz.
^[2] M.El Kandaoui, F.Scandella, L.Germain, P.Brandy, D.Debreyer, C.Gerardin, E.Fleury, Microstructure and mechanical properties of Ti-6Al-4V laser welds for airplane floor manufacturing application, Institut de Soudure, 2016.