Brevet FR2489999A1 — publié le 19820312

I L'invention concerne, d'une manière générale, un dispositif de mesure du genre manomètre, et, no- tamment, un tube de Bourdon et son procédé de fabrica- tion. Le marché des manomètres et leur utilisation industrielle connaissent une très grande expension, et ces dispositifs sont, en conséquence, considérés comme des articles de grande production. Du fait qu'ils sont largement utilisés, ils sont disponibles auprès d'un grand nombre de fabricants et la concurrence au niveau des prix est très sévère. Chaque fabricant cherche à ré- duire ses coûts de production par des perfectionnements qui, bien que marginaux, tendent à réduire les temps et/ou les besoins en matériaux, ce qui contribue à ré- duire le prix du produit final. Le tube de Bourdon, dispositif couramment uti- lisé pour sa sensibilité à la pression, est un tube de structure étanche dont l'extrémité libre est mobile et se déplace, de manière prévisible et connue, en ré- ponse aux variations de pression sur son entrée. Pour traduire le mouvement du tube en valeurs de pression, une aiguille montéeface à une plaque à cadran gradué est en- traînée par l'extrémité libre du tube. On remarquera que le tube de Bourdon, lors- qu'il est en service, subit des contraintes de travail qui, en fait, lui donnent sa caractéristique de déplace- ment en réponse aux variations de pression auquelles il est soumis. Ces contraintes peuvent provoquer une cassure prématurée du tube si elles ne sont pas correctement adap- tées. Pour réduire les possibilités de cassure, tout en gardant au tube ses propriétés de déplacement, on a long- temps fabriqué les tubes de Bourdon à partir d'un produit homogène tel qu'un tube sans soudure ou un tube soudé et étiré. Dans le premier cas, le tube est formé à partir d'une billette que l'on perce et dont on réduit ensuite les dimensions par des opérations séquentielles d'étira- ge à froid avec des recuits intermédiaires. Dans le deuxième cas, au contraire, on soude par fusion une bande pour obtenir un premier tube rond que l'on réduit ensuite par une série d'orérations d'étirage à froid et de recuit jusqu'à ce que l'on obtienne un tube rond équivalant au tube de Bourdon que l'on souhaite fabriquer. Les opérations d'étirage et de recuit des procédés antérieurs ont pour objectifs, non seulement d'amener le produit à sa dimension définitive, mais aussi d'homogénéiser ce produit au niveau des soudures, car on sait que les propriétés mécaniques des zones soudées ne sont pas équivalentes à celles des allia- ges ouvrés. En conséquence, par étirage et recuit, le tube soudé est progressivement modifié de sorte que sa structure correspond sensiblement à celle du ma- tériau en bande utilisé. On notera donc que, pour produire un tube de Bourdon conformément aux procédés antérieurs, on doit faire appel à un grand nombre de traitements métallurgiques. On sait que ces traitements contri- buent de manière importante à accroitre le prix du produit final. Mais, quoique connaissant ce problème, on n'a toutefois pas su jusque là comment produire les tubes d'une manière moins coûteuse. L'invention concerne un tube de Bourdon, plus particulièrement un tube de Bourdon dont la structure et le procédé de fabrication soient moins coûteux que la structure et le procédé de fabrica- tion des tubes connus Ce résultat est obtenu en défi- nissant préalablement l'emplacement, sur la section transversale du tube considéré, auquel les contraintes opérationnelles en fonctionnement seront relativement faibles. Le tube est alors enroulé à partir d'une bande métallique en lui donnant la forme tubulaire sou- haitée, les bords opposés venant en butée longitudina- lement au niveau de l'emplacement de la section transversale qui a été reconnu comme le lieu de con- traintes opérationnelles faibles. L'élément obtenu est soudé en continu pour joindre les bords opposés de manière étanche à la pression; puis on le découpe à la longueur appropriée pour lui donner ensuite la forme souhaitée pour le tube de Bourdon. La soudure -tant placée en une zone de faibles contraintes, il se trouve qu'en dépit de la structure non-homogène du tube soudé, il n'y a pas interférence sur la caractéristique de déplacement du tube de Bourdon en fonctionnement. On forme donc directement un tube de Bourdon à partir d'un tube sou- dé, sans avoir recours aux nombreuses opérations d'é- tirage et de recuit des procédés antérieurs, ce qui rend très compétitif le prix de revient de tels tubes. L'invention a donc pour objectif une nou- velle structure et un nouveau procédé de fabrication des tubes à partir desquels sont fabriqués les tubes de Bourdon. L'invention a également pour objectif un nouveau procédé de fabrication d'un tube de Bourdon. L'invention a encore pour objectif la fabri- cation d'un nouveau tube de Bourdon avec une struc- ture et selon un procédé qui rendent ce tube moins onéreux qu'antérieurement. Selon un premier aspect de l'invention, le procédé proposé consiste: a) à définir la répartition des forces de con- traintes autour de la section transversale envisagée pour le tube à former, b) à donner progressivement la forme d'un tube à une bande métallique de façon que les bords op- posés de la bande viennent longitudinalement en butée l'un contre l'autre en un emplacement qui correspond à une zone de contraintes opérationnelles faibles défi- nie pour la section transversale envisagée, et c) à joindre progressivement ces bords opposés d'une manière étanche à la pression0 Selon un autre aspect, le procédé consiste: a) à former un tube à partir d'une bande mé- tallique soudée de manière étanche au niveau de ltin- tervalle formé entre ses bords en un emplacement qui, sur la section transversale du tube, correspond à une zone de faibles contraintes opérationnelles pour le tube de Bourdon envisagé, b) à donner à une longueur prédéterminée de ce tube la configuration du tube de Bourdon envisagé, et c) à sceller une extrémité de cette longueur pour constituer l'extrémité mobile du tube de Bourdon. L'invention concerne également des structures particulières de tube de Bourdon, et les tubes de Bourdon obtenus par ce procédé. D'autres caracté- ristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la-suite de la description et sur les dessins an- nexés, qui représentent: - figure 1: une vue avant en élévation, partiellement en arraché, d'un manomètre utilisant un tube de Bourdon, - figure 2: un diagramme de contraintes opé- rationnelles caractéristiques d'un tube de Bourdon à sea- tion transversale aplatie, - figure 3, un diagramme partiel, agrandi, de contraintes opérationnelles caractéristiques, aux points de plus grande contrainte du contour intérieur ou extérieur d'un tube de section transversale apla- tie, pour des valeurs de dimension prédéterminées; - figure 4: une illustration schématique de la fabrication d'un tube de Bourdon conformément à une première version, - figures 5 à 12, des vues en coupe cor- respondant aux étapes successives de formation d'un tube qui sont indiquées par les références 5 à 12 de la figure 4, - figure 13: une illustration schématique de la fabrication d'un tube de Bourdon, analogue à la figure 4, conformément à une deuxième version, - figures 14 à 20, des vues en coupe cor- respondant aux étapes successives de formation d'un tube qui sont indiquées par les références 14 à 20 de la figure 13, - figure 21, une représentation graphique (art antérieur) de coefficients pour tubes de section transversale aplatie, et - figure 22, une représentation graphique (art antérieur) de coefficients pour tubes de sec- tion transversale elliptique. On a représenté figure 1 un manomètre 10 dans lequel est utilisé un tube de Bourdon 12. L'enve- loppe sensiblement annulaire 14 supporte une plaque arrière 16 qui, en combinaison avec une douille 18 et une plaque de montage, supporte une plaque à cadran 20. La douille 18 transmet dans le tube de Bourdon 12 la pression à mesurer qu'elle reçoit sur son entrée. L'extrémité libre 22 du tube de Bourdon supporte une articulation de raccordement 24 qui, par l'intermé- diaire d'un organe amplificateur de mouvement 26, entraine le bras 28 de l'aiguille 30. Le fonctionne- ment du manomètre est connu: la pression (flèche 32) est transférée à l'entrée de la douille 18; elle est transmise à l'intérieur du tube de Bourdon 12, et l'extrémité libre 22 de ce tube se contracte ou se détend en fonction des variations de la pression à l'entrée. Le déplacement de l'extrémité libre 22 se traduit, par l'intermédiaire des organes 24 et 26, par le déplacement de l'aiguille jusqu'à ce que cette dernière se trouve devant la graduation du cadran qui correspond à la valeur de la pression transmise. On notera qu'en cours de fonctionnement, le tube de Bourdon travaille dans la partie supérieure de sa zone élastique de sorte qu'il se trouve constamment en état de forte contrainte. Les contraintes dans le tube de Bourdon varient naturellement avec les caractéristiques physi- ques du métal qui le constitue, tel que le module d'élasticité, la configuration géométrique de la sec- tion transversale du tube, le rayon de ce tube et les niveaux de pression Pour lesquels il est conçu. Pour une structure connue, la répartition des contraintes peut être définie préalablement, comme l'a décrit par exemple L.E. Andreeva dans "Uprugie Elementy Proborov", chapitre 7, "Elastic Elements of Instruments", publié en 966. Brièvement, comme il est dit dans la publica- tion précitée, la contrainte axiale Sa et la contrainte transversale St, pour une variation de courbure de con- tour moyenne définie et un angle de rotation relatif en un point quelconque du contour extérieur ou inté- rieur, peuvent être représentées sous la forme sui- vante: Sa = p(R2/a2) (1 - b2/a2) 3/ +x2(2/x. ) St = p(R2/a2) (1 - b2/a2) 3/ó+x2(L+j+ 2 /x. ó) o p = pression de travail, R = rayon de la ligne centrale du tube a et b = semi-axes transversaux x = Rh/a = paramètre principal du tube h = l'épaisseur de paroi = un coefficient qui varie avec chaque transversa- le de tube pour le rapport de a/b, iO = point de flexion arbitraire sur le contour moyen dans une direction d'axe y, q-d et # = - a/6 cos = fonctions de la posi- tion du point sur le contour tel que déterminé par les coordonnées x et y (figures 21 et 22). La contrainte résultante-Sr' en supposant un état de contrainte biaxiale, est la suivante: Sr =V Sa2 + St2 - SaSt Dans le diagramme de la figure 2 dérivé de ce qui précède, les forces de contraintes opérationnelles Sa, St et Sr aux divers emplacements sont repré- sentées par des lignes droites 44 exprimées en kg/cm2, et l'on voit que les emplacements 46 et 48 sont des em- placements de plus faibles contraintes. Dans le dia- gramme de la figure 3, la contrainte résultante Sr est illustrée pour un rapport de dimensions a/b = 20 Lorsqu'on a déterminé l'emplacement 48 de con- trainte opérationnelle minimum pour la section trans- versale envisagée pour le tube 12, la formation du tube se fait comme il va être décrit en se référant aux figures 4 à 12. On peut voir que le tube est formé à partir d'une bande métallique 50 présentant des bords latéraux Parallèles 54 et 56. Le métal approprié est un métal soidable tel que le bronze au phosphore, le cuivre au béryllium, l'acier inoxydable 316, le Monel K-500 et l'Inconel 718. La bande a normalement 25 à 50 mm de large et de 0,2 à 0,6 mm d'épaisseur; elle est introduite Progressivement entre plusieurs maires de cylindres de formation 52. Lors de l'étape de formation illustrée figure 10, la bande ouvrée a une section pratiquement circulaire, les bords 54 et 56 étant en butée et définissant un intervalle de soudage longitudinal 58. Le tube, en passant dans la tête de soudage 62, est soudé par fusion en 60, le long de l'intervalle 58; puis il passe entre des cy- lindres conformateiirs 64 qui lui donne la section transversale aplatie qui est illustrée figure 12. La tête de soudage est un équipement disponible sur le marché, du type laser ou à arc de tungstène sous gaz par exemple.. Dans le procédé illustré figures13 à 20, on donne au tube sa forme définitive (figure 19) avant de la souder en 60. Le point critique pour la formation du tube, telle qu'elle vient d'être décrite, est que l'inter- valle 58 se situe longitudinalement en un emplacement qui, dans la section transversale de la figure 12, correspond l'emplacement de faible contrainte 46 ou 48 précédemment déterminé. Le tube étant ainsi formé, il peut ensuite être coupé à la longueur appropriée, et on peut alors lui donner la forme souhaitée pour le tube de Bourdon, sans aucun traitement métallurgique supplémentaire. Les tubes de Bourdon sont généralement utilisés sous une forme en C, sous forme d'une bo- bine, d'une hélice, etc..., le scellement de l'extré- mité libre 22 se faisant généralement 'avant de rac- corder le tube 12 à la douille 18. On vient donc de décrire une nouvelle structu- re et un nouveau procédé de fabrication d'un tube de Bourdon, directement à partir d'une bande, sans qu'il soit besoin d'avoir recours à des étapes intermédiaires d'étirage à froid et de détrempe, comme dans les pro- cédés antérieurs. La fabrication directe du tube, sans les étapes précitées, est donc économique et utilise efficacement le matériau. Par ailleurs, le matériau en bande peut être aisément enroulé avec des tolérances plus faibles que la paroi d'un tube étiré à froide 2co de sorte que sont mieux respectées les tolérances d'excentricité et d'épaisseur de paroi. Le procédé conforme à l'invention est simple, conduit à une forma- tion progressive du tube, à son soudage et à son uti- lisation directe tel que soudé, ce qui réduit les temps de fabrication et les matériaux nécessaires par rapport aux procédés connus. Il est entendu que la description qui précède a été faite à titre d'exemple non-limitatif et que des variantes peuvent être envisagées sans, pour cela, sortir du cadre de l'invention et des revendications annexées, REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'un tube pour tube de Bourdon (12), caractérisé en ce qu'il consiste: a) à définir la répartition des forces de contraintes autour de la section transversale envisa- gée pour le tube à former, b) à donner progressivement la forme d'un tube à une bande métallique (50) de façon que les bords opposés (54,56) de la bande viennent longitudinalement en butée l'un contre l'autre en un emplacement qui correspond à une zone de contraintes opérationnelles faibles (46 ou 48) définie pour la section transver- sale envisagée, et c) à joindre progressivement ces bords op- posés d'une manière étanche à la pression (62). 2 - Procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la bande métallique (50) est choisie pour oes propriétés lui permettant d'être soudée, les bords opposés (54,56) étant joints par soudage (62). 3 - Procédé selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce qu'au cours de la formation progres- sive de la bande en un tube, on donne à ce tube la forme de la section transversale envisagée. 4 - Procédé selon la revendication 2, caracté- risé en ce que, après soudage du tube formé à partir de la bande, on donne à ce tube la forme de la section transversale envisagée. - Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en plus les opérations suivantes: d) à donner à une longueur prédéterminée de ce tube la forme du tube de Bourdon envisagée, et e) à sceller une extrémité de cette longueur pour constituer l'extrémité mobile du tube de Bourdon (12). il 6 - Procédé de fabrication d'un tube de Bourdon (12), caractérisé en ce qu'il consiste: a) à former un tube à partir d'une bande métallique (50) soudée de manière étanche au niveau de l'intervalle formé entre ses bords (58) en un empla- cement (46 ou 48) qui, sur la section transversale du tube, correspond à une zone de faibles contraintes opérationnelles pour le tube de Bourdon envisagé, b) à donner à une longueur prédéterminée de ce tube la configuration du tube de Bourdon envisagé, et c) à sceller une extrémité de cette longueur pour constituer l'extrémité mobile du tube de Bourdon. 7 - Tube de Bourdon obtenu selon le procédé de l'une des revendications 5 et 6. 8 - Tube pour fabrication d'un tube de Bour- don (12), caractérisé en ce qu'il est constitué par: a) un matériau en bande qui a été formé en une configuration tubulaire prédéterminée en coupe transversale, avec les bords opposés (54,56) de cette bande (50) juxtaposés longitudinalement en une zone de la section transversale du tube qui corres- pond à une zone de faibles contraintes opérationnelles pour le tube de Bourdon envisagé, et b) des moyens fixant ces bords l'un à l'autre de manière étanche à la pression. 9 - Tube selon la revendication 8, caracté- risé en ce que les moyens fixant les bords l'un à l'au- tre sont une soudure (60). 10 - Tube de Bourdon, caractérisé en ce qu'il est constitué Dar: a) un tube (12) scellé à une extrémité et ouvert à l'autre extrémité, formé à partir d'une bande métallique (50) refermée longitudinalement par sou- dage (60) en une zone de la section transversale du tube formé qui correspond à une zone prédéterminée de faibles contraintes opérationnelles (46 ou 48) pour une utilisation en pression de ce tube, le tube (12) ayant une forme telle dans sa direction longitudinale que son extrémité scellée se déplace de manière prévisible en réponse aux va- riations de pression du fluide qui lui est transféré par son extrémité ouverte. 11 - Tube de Bourdon selon la revendication , caractérisé en ce que le tube (12) a une section transversale aplatie. 12 - Tube de Bourdon selon la revendication , caractérisé en ce que le tube (12) a une section transversale elliptique. 13 - Tube de Bourdon selon l'une des reven- dications 10 à 12, caractérisé en ce que le tube (12) est déformé longitudinalement pour lui donner la forme d'un C. 14 - Tube de Bourdon selon l'une des revendica- tions 10 à 12, caractérisé en ce que le tube (12) est déformé longitudinalement pour lui donner la forme d'une bobine. - Tube de Bourdon selon l'une des revendi- cations 10 à 12, caractérisé en ce que le tube (12) est déformé longitudinalement pour lui donner la forme d'une hélice. 16 - Tube de Bourdon selon l'une des revendi- cations 10 à 15, utilisé dans un manomètre.