Brevet FR2438686A1 — publié le 19800509

La présente invention, née de la collaboration de ;h4 ERAYSSAC, KIHM et LE PEZENNEC de l'Etablissement d'études et de fabrications d'armement de Bourges et de =S4. de COUDELAHOVE et PLUSQUELLEC de l'Ecole centrale,concerne le secteur technique des dispositifs et des procédés pour la fragilisation localisée des métaux et en particulier des métaux destinés à réaliser des enveloppes métalliques de charges explosives telles que des obus de tous calibres, des grenades ou des têtes de missile, ou encore des bombes d'avions. Dans le domaine des charges explosives constituées par une enveloppe métallique contenant de l'explosif, on connait un certain nombre de procédés qui permettent d'obtenir, après explosion, des éclats de calibre déterminé provenant de la fragmentation de l'enveloppe. Certains de ces procédés agissent directement sur l'enveloppe métallique de la charge explosive, d'autres agissant sur le chargement en explosif. Ainsi, on connait un procédé dans lequel on réalise sur la surface du bloc explosif 1, des encoches diédriques 2 disposées en quinconce et au contact de la surface intérieure de l'envelop- pe métallique 3, ainsi que le représente la figure 1. On obtient alors après explosion une découpe à peu près régulière de l'enveloppe. Un autre procédé consiste à réaliser à l'intérieur de l'enveloppe métallique traditionnelle 3 une seconde enveloppe 4 formant un revêtement inerte de faible épaisseur (métallique ou organique) sur lequel on aura ménagé les encoches diédriques, ainsi que le représente la figure 2. On pourra alors couler l'explosif à l'intérieur de ce revêtement dont la surface interne est uniforme. Un procédé voisin consiste à disposer à l'intérieur de l'enve- loppemétallique 3 une seconde enveloppe 5 de forte épaisseur dont la surface interne est uniforme mais dont la surface extérieure présente des encoches diédriques ; on aura coulé préalablement l'explosif 1 à l'intérieur de cette seconde enveloppe. (voir figure 3) Ces trois procédés possédent un certain nombre 'inconveni- ents. Tout d'abord,si on définit un rendement de rragmentatio comme le rapport de la masse d'acier recupérée sous la forme d'éclats calibrés après explosion à la masse initiale d'acier de l'enveloppe, on constate que dans les trois cas le rendement n'est pas très élevé (respectivement 80%, 60% et 60%). D'autre part, dans les trois cas, l'explosif n'occupe pas la totalité de l'espace disponible et de ce fait, la vitesse de projection des éclats qui est liée à la quantité d'explosif contenue dans le corps n'est pas à son maximum possible. En outre, la surface interne de l'enveloppe métallique doit avoir subi un usinage soigné et bien tolérancé. Malgrè ces usinages couteux, des frottements entre l'explosif et l'enveloppe dans, le premier cas, entre l'exoeif et le dans le second cas revêtement inertYeuvent se produire ; des particules explosives peuvent également se glisser dans les encoches diédriques et venir frotter sur la paroi métallique, d'où des risques de réactions pyrotechniques intempestives et un manque de sécurité d'emploi et de maintenance. Un autre procédé connu consiste à pratiquer une fragilisation de l'enveloppe métallique même par un rainurage intérieur ou extérieur de celle-ci. Dans le cas d'un rainurage extérieur, la présence des rainures modifie le comportement aérodynamique du projectile ainsi réalisé, ce qui oblige à obturer les rainures de fragilisation. Dans le cas de rainures intérieures6 telles que le montrent les figures 4 à 6, on peut - soit disposer directement l'explosif 1 à l'intérieur de l'enveloppe métallique 3 : dans ce cas l'explosif de chargement est directement en contact avec les angles plus ou moins vifs de la rainure6.On a donc des points d'accrochage de l'explosif qui peuvent amener des réactions pyrotechniques intempestives (voir figu r 4 et 5). - soit disposer entre l'explosif 1 et l'enveloppe 3 une gaine 7 fixe : celle-ci a pour inconvénient d'utiliser une partie du volume destiné à 11 explosif, de nécessiter un usinage soigne et bien tolérancé de la surface inférieure de l'eiveloppe métallique. De plusoil n'assure pas encore totalement la sécurité d'emploi et de maintenance de la charge, en raison des risques d'insertions de particules explosives entre la paroi de l'enveloppe métallique et la gaine. Tous les procédés décrits ci-dessus concernent des charges dont l'enveloppe métallique est homogène. L'invention a pour but de fournir un procédé de fragilisation qui évite les inconvénients précités en permettant 'ob- tenir un rendement de fragmentation aussi élevé que ceux des procédés antérieurs, et au moins égal à 40 %, en n'introduisant pas de causes nouvelles d'insécurité dans la charge traitée par rapport à une charge identique non traitée par le procédé. L'invention vise donc un procédé pour la fragilisation localisée des métaux utilisable notamment dans le cas d'enveloppes métalliques de charges explosives dans lequel on dispose, dans un milieu vide d'air, la partie métallique à fragiliser sous un faisceau d'électrons de façon à réaliser un bombardement électronique de celle-ci. En effet, on a constaté que si, dans le vide, on focalise un faisceau d'électrons de haute énergie sur une pièce métal live, l'énergie cinétique des électrons se transforme partiellement en énergie thermique qui produit la fusion locale du métal et ceci peut atteindre plusieurs dizaines de mm de profondeur avec une largeur très réduite. Après passage du faisceau d'électrons, la zone fondue se refroidit et la structure nouvelle ainsi formée peut etre très différente de la structure micrographique du métal de base. En résistance des matériaux classique (comportement quasi statique) l'existence de cette zone à structure différente intro duit unie fragilité locale. En comportement hautement dynanique 6 -1 (vitesse de déformation supérieure ou égale à 106se1) il peut en aller de même, et la zone fondue est un lieu préférentiel de naissance de fissures. -'invention a donc precisellent pour objet un procécé ue fragilisation localisée des métaux dont les phases sont les suivantes - on place le métal à traiter dans un milieu vide d'air, - on soumet la zone à fragiliser du métal traité a un échauSiiiient localisé obtenu par un faisceau laser ou par un faisceau d'élec- trons - on refroidit la zone ainsi échauffée pour obtenir une phase mar tensitique dans le métal. Lorsque le procédé est appliqué à des enveloppes métal liques de charges explosives pour lesquelles une onde de propagation est déterminée selon une direction donnée, on réalise, selon une autre caractéristique de l'invention, un quadrillage sur l'enveloppe métallique de telle façon que la profondeur de traitement soit égale de préférence à la moitié de l'épaisseur de l'enveloppe selon le côté de quadrillage qui est dans la direction de propagation de l'onde de détonation et que cette profondeur soit égale à l'épaisseur de l1enveloppe sur le côté du quadrillage qui se trouve dans la direction orthogonale à celle de l'onde de détonation. Lorsque l'enveloppe à traiter a une forme de révolution, il est avantageux selon une caractéristique supplémentaire de disposer celle-ci sur un dispositif à maintien entre pointes selon l'axe de révolution de l'enveloppe et de réaliser le quadrillage de fragilisation en deux phases distinctes - on réalise des zones longitudinales de fragilisation en dépla- çant pour chacune d'elles le faisceau d'électrons sans mouvement de rotation de l'enveloppe, - on effectue un déplacement angulaire de l'enveloppe pour réali ser chacune des zones longitudinales1 - puis on réalise des zones circulaires de fragilisation à position fixe du faisceau d'électrons en donnant un mouvement de rotation à l'enveloppe. Selon une variante du procédé, on réalise le quadrillage de fragilisation en losanges selon des hélices croisées régulièrement espacées par déplacements simultanés de rotation de l'enveloppe et de translation du faisceau d'électrons. De plus, l'invention concerne bien évidemment le dispositif pour mettre en oeuvre le procédé, dispositif comprenant des moyens de chauffage localisé du métal et parmi ces moyens, un faisceau laser ou un faisceau d'électrons utilisé dans le vide pour produire des zones étroites de martensite. L'invention consiste également en la réalisation d'enveloppes métalliques de charges explosives, ces enveloppes comportant des zones étroites de martensite régulierement disposées selon un quadrillage carré à côtés respectivement lonyitudinaux et latéraux ou un quadrillage en losanges selon des hélices croisées. Un avantage du procédé selon l'invention est d'être applicable à tout type de charges explosives sans modifier profondément le mode d'élaboration industrielle de la charge classique. Son application est donc peu couteuse. De plus, il permet d'utiliser dans la charge tout le volume disponible pour le chargement explosif et les charges réalisées ainsi ne nécessitent pas l'emploi d'explosifs trop élabores. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'une description précise et d'un exemple de réalisation d'une enveloppe de charge explosive au moyen du procédé. Des figures annexées à cette description preciseront l'état de la technique ainsi que le mode de réalisation de l'inve- tion. Ainsi, les figures 1 à 6 définissent l'état de la technique, tel qu'il a été cité au début de la présente description. La figure 7 représente l'enveloppe métallique cylindrique 8 d'une charge explosive 9, traitée par le procédé selon l'invention. La figure 8 représente la courbe de variation de la dureté Vickers de l'enveloppe au droit d'une zone fragilisée par le procédé selon l'invention. Cette enveloppe a été représentée en demi-coupe longitudinale à gauche, symboliquement représentée serrée entre pointes d'un dispositif de maintien et pouvant tourner en rotation selon son axe longitudinal. La partie droite montre le quadrillage de traitement 10 obtenu en déplaçant successivement la source 11, d'un faisceau d'électrons 12 mobile en translation selon un axe parallèle à l'axe longitudinal de la pièce, et l'enveloppe 8 en rotation autour de son axe. Les zones circulaires 10a de fragilisation sont outre nues à position fixe de la source 11, par rotation de l'enveloppe 3 et les zones longitudinales 10b à position fixe de l'enveloppe par translation de la source 11. Le faisceau d'électrons 12 de haute énergie chauffe ainsi les zones à fragiliser selon des bandes étroites qui, après passage du faisceau, sont refroidies et deviennent de par la structure nouvellement créée dans le métal des lieux préférentiels d'amorces de rupture. Pour qu'il en soit ainsi il faut que les parainetres nature de l'explosif, géométrie de la charge, caractéristique du traitement par bombardement électronique, vérifient un certain nombre de conditions. En effet, pour une géométrie de charge donnée, un couple explosif-métal est caractérisé par une dimension maximale entre fissures, et le maillage appliqué doit nécessairement avoir ses dimensions au plus éyales à cette distance critique. Cette distance peut être déterminée par l'examen des éclats obtenus après tir de fragmentation d'une charge non traitée par bom bardeent électronique. D'autre part, la profondeur de la zone traitée doit être telle que cette zone ne constitue pas une ligne superficielle d'amorçage de rupture mais plutôt une rainure d'amorçage de rupture possédant une certaine largeur superficielle. Le procédé est ici exemplifié dans son application à une enveloppe de charge cylindrique de diamètre extérieur égal à 53,3 mm, et de longueur égale à 133 mm, en acier traité, à 0,65% de carbone pour laquelle l'explosif était de la tolite D. Le traitement a été effectué par faisceau d'électrons sous vide selon des parallèles 10a et des méridiennes 10b,selon la figure 9en pratiquant 18 méridiennes équidistantes et 9 parallèles équidistantes à partir de 5 mm du fond et en réalisant donc un quadrillage de 14 mm sur 9,5 mm de côtés. Le faisceau a été focalisé de telle sorte que la largeur superficielle de la zone fragilisée doit environ égale à 0,8 inm, dans chacune des directions du quadrillage. Selon les méridiennes, c'est-à-dire dans la direction de l'onde de détonation de la charge 9 initiée par le détonateur 13, la profondeur de traitement est égale à la moitié de l'epais- seur de l'enveloppe 8 et selon les parallèles, et donc dans une direction orthogonale à celle de L' onde de détonation, la profondeur du traitement est égale à l'épaisseur de l'enveloppe 8. En effet l'énergie nécessaire à la fissuration selon une direction perpendiculaire à l'onde de détonation est supérieure à celle nécessaire à la fissuration dans la direction de l'onde de détonation. I1 est donc nécessaire de fragiliser les parallèles sur une profondeur plus importante que les méridiennes. De cette façon, la fragmentation est assurée de façon à peu près identique selon les deux directions et nécessite le minimum d'énergie potentielle de la charge. D'autre part, un critère intéressant de fragilisation correcte après utilisation peut être déterminé pour claque type d'acier utilisé en tenant compte du gradient de dureté mesure au droit de chaque rainure de fragilisation. La figure 10 montre, vis à vis d'une section grossie d'une zone fragilisée du quadrillage 10 de l'enveloppe 3, la courbe de dureté vue au droit de cette zone. Cette courbe dont l'abscisse représente une longueur mesurée au droit de la zone traitée et l'ordonnée, la dureté mesurée en 2 Vickers montre que la dureté de l'enveloppe augmente selon une courbS M inéaire à partir des bords de la zone fragilisée pour parvenir à un maximum au centre de cette zone. Dans le cas de l'acier X C 65 précité dans l'exemple détaillé d'utilisation du procédé, on a constaté que l'on obtenait un fonctionnement correct si le gradient de dureté était supérieur à 200 Vickers par mm et de préférence égal à 400 o Vickers/mm avec un maximum de dureté au milieu de la zone de fragilisation. De plus, on a constaté que le procédé n'était utilisable que pour des aciers dont le taux de carbone dépasse 0,4 %. Dans l'exemple cité, il y avait donc 162 laailles pour une masse d'acier de 822 grammes. Après tir dans une chambre à sable et récupération des éclats on dénombre 92 éclats parallêlépipèdiques de masse moyenne 4,14 g (masse comprise entre 3,3g et 4,9g), de dimensions sensiblement égales à 4,5 x 9,5 x 13 mm3. Si on définit un premier rendement de fragmenation comme le rapport de la masse d'acier récupérée sous forme 'éclats calibrés de masse voisine de celle théorique d'une maille, à la masse initiale d'acier, ce premier rendement est ici égal à 92 x 4,14 = 46,4 % 822 On peut définir également un second rendement,dit rendement global, comme le rapport de masse de tous les éclats de forme géométrique régulière correspondant à une maille ou à un multiple d'une maille de fragmentation, à la masse initiale d'acier. Ici on avait obtenu 17 éclats parallélépipèdiques de masse moyenne 8,75 g 44 éclats parallélépipèdiques de masse moyenne 2,o5 g Le rendement global défini est donc ici égal à 17 x 8,75 + 92 x 4,14 + 44 x 2,85 = 79 B 822 D'autre part, on a fait détoner dans des conditions identiques, une charge fabriquée sur le même principe (acier XC65, explosif Tolite D) mais n'ayant pas subi le traitement par faist ceau d'électrons. La fragmentation naturelle de cette charge donne 50 éclats de masse supérieure ou égale a 3,5 g, ces 50 éclats représentant 39 % de la masse initiale de la partie latérale du pot.D'autre part, les éclats de plus de 5 g produits par cette charge ont une longueur comprise entre 30 et 80 mm et une largeur pouvant aller jusqa'à 11 nun. De ce fait, leur perte de vitesse sur trajectoire est très supérieure à celle des éclats calibrés de la charge utilisant l'invention. Ainsi, on peut constater que le rendement de fragmentation après utilisation du procédé selon l'invention est le double de celui déterminé en fragmentation naturelle. Deux autres réalisations ont été effectuées sur deux enveloppes métalliques d'obus de calibre 155 mm, l'une réalisée en acier à 0,55 % de carbone (XC 55) et l'autre en acier à 0,65 % de carbone (XC 65). Dans les deux cas, le quadrillage avait 20 mm de côté dans la direction perpendiculaire à l'onde de détonation et 30 mm de côté dans la direction parallèle à celle-ci. Les deux obus ont été chargés avec de la tolite D. Les rendements globaux de fragmentation ont alors été respectivement de 79,6 % et 79,7 %. Les avantages du procédé selon l'invention sont nombreux. D'une part, l'orientation de la fragmentation peut être déterminée de manière à produire un certain nombre d'éclats métalliques de forme et de masse à peu près identiques. Dans le cas d'une enveloppe de charge explosive, cette fragmentation prédéterminée permet d'obtenir une énergie cinétique plus importante pour les éclats après explosion et de ce fait, augmente leur efficacité qui est d'autant plus grande que l'enveloppe traitée selon l'invention conserve un volume intérieur maximal pour la charge explosive et peut utiliser des explosifs bien connus avec un mode de chargement classique par coulée. D'autre part, l'application de cette méthode n'introduit pas l'existence d'angles vis à l'intérieur de la charge, ce qui permet de ne pas avoir de départs intempestifs de l'explosif par frottement en particulier. De plus, une pièce traitée par faisceau d'électrons conserve 50 à 70 % de la résistance mécanique de la pièce non traitée ce qui permet d'avoir une charge qui, partout, possède des propriétés mécaniques supérieures à un certain seuil, donc qui a un comportement connu et en sécurité. La seule exigence au niveau de la fabrication est une exigence sur la nature des matériaux : on peut donc employer le procédé sur des charges fabriquées avec les mêmes outillages et les mêmes gammes de fabrication que les charges classiques déjà définies, ce qui réduit le coat de la fragilisation. La seule contrainte apportée par le procédé est que, après bombardement électronique, on décèle sur la surface extérieure de la charge un léger bourrelet qu'il est aisé de faire disparaltre par passage sous une rectifieuse par exemple. Bien que l'exemple précis d'application du procédé ait été décrit pour une enveloppe cylindrique d'obus de moyen calibre, l'invention est applicable avec un même résultat aux obus de tous calibres tels que notamment des obus de 30 mm, de 90 mm et de 155 mm. Elle est de plus applicable à des enveloppes de grenade à des têtes de missile, et à des bombes d'avion. Elle est en outre applicable à tous les types de métaux pour lesquels on souhaite des zones de fragilisation et d'amorçage de rupture en cas de choc, telles que, par exemple, des chassis d'automobile ou des goupilles de sécurité par cisaillement. R E V E N D I C A T I 3 S 1 - Dispositif de fragilisation localisée des métaux, notamment des enveloppes métalliques de charges explosives, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de chauffage localisé du métal pour produire des bandes étroites de martensite dans l'enveloppe à traiter. 2 - Dispositif de fragilisation localisée selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage localisé sont constitués par un faisceau laser. 3 - Dispositif de fragilisation localisée, selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de chauffage localisé sont constitués par un faisceau d'électrons. 4 - Dispositif de fragilisation localisée, selon la revendication 3, caractérisé en ce que le bombardement du métal à traiter par le faisceau d'électrons est effectué dans un milieu vide d'air. 5 - Procédé de fragilisation localisée des métaux selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'on place le métal à traiter dans un milieu vide d'air, on soumet la zone à fragiliser du métal traité à un échauffement localisé obtenu par un faisceau laser ou par un bombardement d'électrons et on refroidit la zone ainsi échauffée pour obtenir une phase martensitique dans le métal. 6 - Procédé de fragilisation localisée des métaux et notamment des enveloppes métalliques de charges explosives déterminant une onde de propagation, selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on réalise la fragilisation sur l'enveloppe à traiter selon un quadrillage, la profondeur de traitement étant égale à la moitié de l'épaisseur de l'enveloppe selon le côté du quadrillage qui est dans la direction de propagation de l'onde de détonation, la profondeur de traitement sur le côté du quadrillage orthogonal à la direction de l'onde de propagation étant égale à l'épaisseur de l'enveloppe. 7 - Procedé de fragilisation localisée des métaux selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 et notamment pour des enveloppes métalliques de révolution, procédé utilisant un faisceau d'électrons et un dispositif de maintien entre pointes selon l'axe de révolution de la pièce, caractérisé en ce que pour réaliser le quadrillage de fragilisation on dispose l'enveloppe à traiter entre pointes sur le dispositif de maintien, - on réalise des zones longitudinales de fragilisation en dépla- çant longitudinalement pour chacun d'elles le faisceau d'électrons sans mouvement de rotation de l'enveloppe, - on réalise des zones diamétrales de fragilisation à position fixe du faisceau d'électrons en aonnant un mouvement de rotation à l'enveloppe. 8 - Procédé de fragilisation localisée des métaux selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6 et notamment pour des enveloppes métalliques de révolution, procédé utilisant un faisceau d'électrons et un dispositif de maintien entre pointes selon l'axe de révolution de la pièce caractérisé en ce qu'on realise sur l'enveloppe un quadrillage de fragilisation en losanges selon des hélices croises, par déplacements simultanés en rotation de l'enveloppe et en translation du faisceau d'électrons.