Brevet FR2663923A1 — publié le 19920103

La présente invention a pour objet des hublots frettés et un procédé pour leur fabrication. FR-A-1 311 323 décrit un procédé de liaison étanche d'un disque de quartz à une bague-support métallique caractérisé en ce que, dans une première opération, l'on réalise un chanfrein périphérique sur des faces opposées du disque, que, dans une seconde opération, l'on dispose le disque chanfreiné sur la bague-support dont le diamètre intérieur est inférieur au diamètre du disque et que l'on assure par chauffage la dilatation de la bague provoquant ainsi la pénétration du disque dans ladite bague, et qu'enfin, après refroidissement de l'ensemble et resserrement de la bague-support sur le disque, l'on réalise une brasure assurant la liaison étanche proprement dite quartz-métal. I1 est dit dans ce brevet antérieur que les chanfreins du disque permettent d'augmenter les contraintes de compression radiale dans les bords du disque et évite l'apparition d'autres contraintes plus gênantes. Les études faites par la Demanderesse, qui ont abouti à la présente invention, contredisent cette affirmation, ayant montré que la présence de chanfreins sur le disque, ou même sur la bague, engendre la création de contraintes d'extension préjudiciables à la qualité des hublots frettés résultants. I1 existe un besoin, notamment dans l'industrie chimique et l'industrie du nucléaire, pour des hublots destinés à être utilisés en tant que fenêtres de visée ou d'examen de l'intérieur de réacteurs où se déroulent des processus chimiques généralement dangereux et souvent contaminants. Les hublots pour de telles applications doivent satisfaire à des normes dont les plus connues et les plus sévères sont celles émises par l'organisation DIN (Deutsche Normen) sous le n" DIN 7080 (Runde Schauglasplatten Für Druckbeanspruchung bei Temperaturen bis 3000 C) et le projet de Norme DIN N" 7079 (Runde, metallverschmolze Schauglasplatten ftir Druckbeanspruchung bei Temperaturen bis 200"C). Parmi les contraintes techniques et physiques imposées aux matériaux mis en application, on peut citer notamment les suivantes - La bague métallique constituant l'anneau extérieur de frettage doit être formée d'un acier austénoferritique conforme à la norme DIN 17100. - Les produits obtenus par frettage ne doivent comporter aucune amorce de rupture ou écaille visible à l'oeil et pouvant nuire à l'utilisation du matériel. I1 est bien évident que compte tenu des risques encourus toute amorce de rupture ou même petit défaut ou éclat ne saurait être toléré pour des raisons techniques et psychologiques vis-à-vis des opérateurs. - Les hublots doivent pouvoir supporter des températures d'utilisation pouvant atteindre 280"C environ et cela sous des pressions allant jusqu'à 6 bars environ. - Le matériau transparent utilisé doit avoir un coefficient de dilatation dans l'intervalle de 20 à 300"C inférieur à 5,0 x 10-6 K-1 et présenter des précontraintes de compression supérieures à 160 Nmm-2 et uniformément réparties. - La norme DIN 7080 précise en outre que pour être conforme chaque hublot doit présenter un facteur de sécurité S au moins égal à 8 défini comme suit S.P e = 0,55 DM 10 BZ I 10 BZ où DM : Diamètre moyen = D Total + D d'ouverture 2 P : Pression de service en bars e : Epaisseur du hublot en mm BZ : Minimum de la précontrainte (160 Nmm-2). - Enfin, il faut que les hublots satisfassent aux critères d'altérabilités chimiques définis par les normes DIN 12 111, 12 116, 52 322 ainsi que de l'altérabilité basique (pH 10 à 12, température 170 à 220"C). A l'heure actuelle les hublots satisfaisants au projet de norme 7079 sont fabriqués par un procédé consistant à placer un disque de verre de borosilicate dans une bague métallique, le disque ayant un diamètre légèrement inférieur à celui de la bague à la température ambiante, et une épaisseur supérieure à la largeur de la bague, puis à chauffer l'assemblage réalisé à haute température de façon à provoquer le ramollissement du verre de manière qu'il vienne remplir le jeu existant entre le disque et la bague et ensuite à refroidir le tout de façon que la bague qui se rétracte plus que le disque, vienne enserrer à force le disque et exercer sur lui une contrainte de compression suffisante. Ce procédé présente l'inconvénient d'engendrer beaucoup de mises au rebut par casse du disque lors du refroidissement, ainsi que de nécessiter un resurfaçage de l'ensemble. L'invention se propose de remédier à cet inconvénient de la technique antérieure. Plus particulièrement, l'invention a pour objet de fournir des hublots frettés dont certains sont susceptibles de satisfaire les normes rappelées ci-dessus et d'autres sont de qualité inférieure, mais capables de convenir pour des applications moins exigeantes. L'invention a également pour objet de fournir un procédé de fabrication de ces hublots frettés. L'invention concerne un hublot comprenant un disque en un matériau non métallique, transparent ou opaque et une bague enserrant le bord périphérique dudit disque et exerçant une contrainte de compression sur ledit disque, caractérisé en ce que les bords adjacents du disque et de la bague sont exempts de chanfreins périphériques et en ce que l'épaisseur du disque est au plus égale à la largeur de la bague. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un hublot tel que défini ci-dessus, caractérisé en ce que (i) on part d'un disque, ayant un diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur de la bague à la température ambiante, (ii) (a) on chauffe la bague, ou (b) on refroidit le disque, ou (c) on effectue les opérations (a) et (b) à la fois de manière que, par dilatation et/ou contraction du ou des matériaux constituant la bague et le disque, le diamètre intérieur de la bague devienne supérieur au diamètre du disque, (iii) on insère le disque dans la bague, et (iv) on laisse revenir la bague et/ou le disque jusqu'à la température ambiante de manière que la bague enserre le bord périphérique du disque en exerçant sur le disque une contrainte de compression. Le disque peut être formé de tout matériau non métallique transparent ou opaque tel que verre, vitrocéramique, céramique, quartz ou autres, d'origine naturelle ou synthétique. Des exemples particuliers sont le verre de borosilicate, le quartz et le corindon synthétique. Pour la plupart des utilisations le disque sera constitué d'un matériau transparent au rayonnement visible, mais certaines applications peuvent se satisfaire d'un disque opaque, par exemple lorsque le hublot est destiné à permettre la mesure de la radioactivité d'un milieu radioactif. La bague peut, de son côté, être constituée d'un métal, tel qu'acier ou titane, d'un matériau céramique ou même d'un matériau polymère synthétique. Le choix des matériaux constitutifs du disque et de la bague doit être effectué en tenant compte des propriétés et caractéristiques désirées pour le hublot. Pour des hublots transparents à hautes performances, le disque peut être constitué d'un verre de borosilicate et la bague peut être constituée d'un acier austénoferritique, tel que le type 4462 vendu par Krupp ou l'Uranus 45 vendu par Creusot Loire. Comme indiqué, dans le hublot de l'invention, la bague exerce sur le disque une contrainte de compression. Cette contrainte est uniformément appliquée sur le disque et peut être prévue par calcul, par une méthode connue en soi, à partir des diamètres du disque et de la bague à la température ambiante et des coefficients de dilatation des matériaux constitutifs du disque et de la bague. En jouant sur les diamètres respectifs du disque et de bague, on peut donc prédéterminer la contrainte de compression qui sera appliquée par la bague sur le disque dans le hublot final. A titre indicatif, dans le cas d'un disque en verre de borosilicate et d'une bague en acier austénoferritique, la différence entre le diamètre du disque et le diamètre intérieur de la bague sera habituellement de l'ordre de 0,1 à 0,3 mm environ. Le disque et la bague doivent être exempts de tous chanfreins périphériques sur leurs bords adjacents. On a constaté, en effet, de façon surprenante compte tenu des enseignements de FR-A-1 311 323, que la présence d'un chanfrein était génératrice d'importantes contraintes de traction localisées sur le bord périphérique du disque ou sur le chanfrein du disque, excédant ce qui est tolérable pour des matériaux fragiles tels que le verre, le quartz ou autre matériau transparent constituant le disque.Il est connu, en effet, que les matériaux fragiles, comme le verre, résistent bien aux forces de compression mais, par contre, se fracturent facilement en traction. I1 est généralement admis, pour le verre, que des valeurs de contrainte de traction de l'ordre de 30 MPa donnent naissance à des amorces de rupture sur des surfaces blessées par usinage, telles que le bord périphérique du disque ou le bord chanfreiné du disque en verre, tout en restant acceptables sur des surfaces polies, telles que les faces du disque. Par ailleurs, le disque doit avoir une épaisseur au plus égale à la largeur de la bague car lorsque l'épaisseur du disque excède la largeur de la bague, on a constaté qu'il se produisait systématiquement des défauts inacceptables sur le disque. Ces défauts peuvent aller d'un écaillage du disque lorsque celui-ci saille faiblement (par exemple 0,1 mm) par rapport à la bague à une rupture du disque selon un plan passant par la surface latérale de la bague lorsque le disque saille plus fortement de la bague. Comme il est assez difficile techniquement de fabriquer un disque dont l'épaisseur est exactement égale à l'épaisseur de la bague, on préfère utiliser une bague dont la largeur est supérieure à l'épaisseur du disque.Pour des raisons d'esthétique et de facilité de nettoyage, on préfère que la bague ait une largeur seulement légèrement supérieure à l'épaisseur du disque, par exemple de 0,1 à 0, 3 mm environ, sans que cette dernière valeur puisse être considérée comme une limite critique. Quant à l'épaisseur de la bague (c'est-à-dire la différence entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur de la bague), il suffit qu'elle soit supérieure ou égale à environ 2 mm. Pour des valeurs inférieures à 2 mm environ, on risquerait, en effet, de plastifier exagérement la bague lors de son frettage, ce qui amoindrirait les contraintes de compression exercées sur le disque. Le frettage de la bague autour du disque sera habituellement effectué en chauffant la bague à une température suffisamment élevée pour que, par dilatation thermique, le diamètre interne de la bague soit porté à une valeur excédant légèrement le diamètre du disque à température ambiante, de façon à permettre l'insertion du disque, conservé à la température ambiante, dans la bague chaude. La température à laquelle il faudra chauffer la bague dépend, de façon évidente, de la différence entre le diamètre du disque et le diamètre interne de la bague à température ambiante qu'il convient de rattraper, ainsi que du coefficient de dilatation de la matière constituant la bague.A titre indicatif, pour une bague en acier, on aura habituellement recours à une température de l'ordre de 600-800 C. Elle sera plus élevée pour une bague en céramique dont le coefficient de dilatation est plus bas (environ la moitié) que celui d'un acier et nettement moins élevée pour une bague en matière plastique dont le coefficient de dilatation est plus élevé (environ 10 fois plus) que celui d'un acier. En variante, au lieu de chauffer la bague, on pourra dans certains cas, refroidir fortement le disque afin de réduire son diamètre ou, en combinaison, refroidir le disque et chauffer la bague, ce qui peut permettre d'avoir recours à des températures de chauffage moins élevées que lorsqu'on utilise un disque à la température ambiante. La description qui va suivre faite en se référant au dessin, fera bien comprendre l'invention. Sur le dessin Les figures 1A à 1G montrent schématiquement les résultats de calcul de simulation du niveau des contraintes de traction induites dans des hublots, de diverses configurations, formés d'un disque en verre de borosilicate ayant un coefficient de dilatation linéaire de 39 x 10-7K-1, une épaisseur de 15 mm et un diamètre extérieur de 61 mm, soumis à une contrainte de compression de l'ordre de 180 Nmm-2 par une bague métallique en acier austénoferritique. Les flèches simples indiquent l'existence de contraintes de traction très localisées induites sur le disque. Les doubles flèches indiquent l'existence de contraintes de traction assez peu localisées. Plus particulièrement, la figure 1A illustre le cas d'un disque 1 comportant un chanfrein 2 de 0,3 mm à 45 , associé à une bague 3, de largeur égale à l'épaisseur du disque, comportant un chanfrein 4 de 1 mm à 45 . Dans ce cas on observe une contrainte de traction maximale de l'ordre de 100 MPa très localisée sur le chanfrein 2. La figure 1B illustre le cas d'un disque 1 non chanfreiné associé à une bague 3, de largeur égale à l'épaisseur du disque, comportant un chanfrein 4 de 1 mm à 45 . Dans ce cas on observe une contrainte de traction maximale de l'ordre de 120 MPa très localisée sur la partie du bord périphérique 5 du disque située en regard du chanfrein 4. Les contraintes de traction observées dans les cas illustrés par les figures 1A et 1B sont inacceptables en raison de leurs valeurs très élevées et de leurs localisations sur des parties usinées, donc blessées, du disque. La figure 1C illustre le cas d'un disque 1 comportant un chanfrein 2 de 0,3 mm à 45 , associé à une bague 3, de largeur égale à l'épaisseur du disque, comportant un chanfrein 4 de 0,3 mm à 45". Dans ce cas, on observe une contrainte de traction maximale de 30 MPa environ très localisée sur le chanfrein 2. La figure 1D illustre le cas d'un disque 1 comportant un chanfrein 2 de 0,3 mm à 45 , associé à une bague 3 non chanfreinée, de largeur égale à l'épaisseur du disque. Dans ce cas, on observe aussi une contrainte de traction maximale de 30 MPa environ très localisée sur le chanfrein 2. Les contraintes de traction observées dans les cas illustrés par les figures 1C et 1D, bien que plus réduites que dans les cas des figures 1A et 1B, sont encore insatisfaisantes car situées ponctuellement à des endroits où le verre est particulièrement fragilisé par les opérations de chanfreinage. La présence de chanfreins tant sur le disque que sur le bord de la bague contigu au disque est donc à proscrire. La figure 1E illustre le cas d'un disque 1 et d'une bague 3 de largeur égale à l'épaisseur du disque, tous deux étant exempts de chanfrein. Dans ce cas on observe une contrainte de traction localisée de 20MPa environ sur la face 6 du disque, c'est-à-dire sur une surface polie non fragilisée. Une telle contrainte est parfaitement acceptable. La configuration de la figure 1 est la meilleure possible mais est techniquement difficile à réaliser en raison de la haute précision requise pour la fabrication du disque et de la bague. La figure 1F illustre le cas d'un disque non chanfreiné, associé à une bague 3 non chanfreinée, dont la largeur excède de 0,3 mm l'épaisseur du disque. Dans ce cas, on observe une contrainte de traction assez peu localisée de 40 MPa environ sur la face 6 du disque, c'est-à-dire sur une surface polie non fragilisée. Une telle contrainte est parfaitement acceptable. La figure 1G illustre une configuration similaire à celle de la figure 1F, si ce n'est que la largeur de la bague excède de 0,1 mm seulement l'épaisseur du disque. Dans ce cas, on observe une contrainte de traction assez peu localisée de 30 MPa environ sur la face 6 du disque, qui est très acceptable. Les contraintes de traction de l'ordre de 20 à 40MPa observées dans le cas des figures 1E, F et G sont acceptables car elles s'exercent sur la face polie du disque de verre, avec une distribution assez peu localisée. Le hublot est donc moins sensible aux agressions ponctuelles telles que chocs, rayures, abrasion, etc... Les études de simulation ci-dessus ont été confirmées par des essais sur des hublots formés d'un disque en verre de borosilicate (famille PYREX) de 60,2 mm de diamètre et d'une épaisseur de 15 mm fretté par une bague en acier URANUS 45 (de Creusot-Loire) ayant un diamètre interne de 60 mm et un diamètre externe de 100 mm. Le frettage était effectué par chauffage à 680"C pendant 20 minutes de la bague pour la dilater, par disposition de la bague autour du disque se trouvant à température ambiante, et refroidissement jusqu'à température ambiante. Dans les cas où on a employé un disque non chanfreiné, d'une épaisseur légèrement supérieure, par exemple de 5/100 à 1/10 mm, à la largeur de la bague également non chanfreinée, on a observé un écaillage du disque. Lorsque l'épaisseur du disque excédait la largeur de la bague de 1 mm ou plus, on a observé une fracture lamellaire du disque. Dans les cas où on a employé un disque présentant des chanfreins de 0,3 mm à 45C et ayant une épaisseur égale à la largeur de la bague, ayant également des chanfreins de 0,3 mm à 45 , on a observé un écaillage du verre sur sa périphérie. Par contre, dans le cas où on a employé un disque et une bague non chanfreinés, la bague ayant une largeur excédant de 15/100 mm l'épaisseur du disque, on a obtenu un hublot dont le disque était exempt d'écaillage. I1 va de soi que les modes de réalisation décrits ne sont que des exemples et qu'on pourrait les modifier, notamment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un hublot comprenant un disque en un matériau non métallique, transparent ou opaque et une bague enserrant le bord périphérique dudit disque et exerçant une contrainte de compression sur ledit disque, caractérisé en ce que les bords adjacents du disque et de la bague sont exempts de chanfreins périphériques et en ce que l'épaisseur du disque est au plus égale à la largeur de la bague. 2. Un hublot selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du disque est inférieure à la largeur de la bague. 3. Un hublot selon la revendication 2, caractérisé en ce que la largeur de la bague excède de 0,1 à 0,3 mm environ l'épaisseur du disque. 4. Un hublot selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le disque est en verre et la bague est en acier. 5. Un hublot selon la revendication 4, caractérisé en ce que le verre est un verre de borosilicate et l'acier est un acier austénoferritique. 6. Un procédé de fabrication d'un verre tel que défini à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que (i) on part d'un disque, ayant un diamètre légèrement supérieur au diamètre intérieur de la bague à la température ambiante, (ii) (a) on chauffe la bague, ou (b) on refroidit le disque, ou (c) on effectue les opérations (a) et (b) à la fois de manière que, par dilatation et/ou contraction du ou des matériaux constituant la bague et le disque, le diamètre intérieur de la bague devienne supérieur au diamètre du disque, (iii) on insère le disque dans la bague, et (iv) on laisse revenir la bague et/ou le disque jusqu'à la température ambiante de manière que la bague enserre le bord périphérique du disque en exerçant sur le disque une contrainte de compression. 7. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans l'étape (ii), on chauffe la bague. 8. Un procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que, dans l'étape (ii), on chauffe la bague, tandis qu'on refroidit le disque.