Brevet FR2791914A1 — publié le 20001013

[ L'invention a trait à un procédé d'assemblage de deux pièces, notamment tubulaires, réalisées dans des métaux différents, à des pièces en métal destinées à être assemblées grâce à ce procédé et à un assemblage de deux pièces de ce type. Dans divers domaines techniques, et notamment dans celui de la cryogénie, il est souvent nécessaire d'assembler des pièces métalliques réalisées dans des matériaux différents, par exemple en acier inoxydable et en alliage à base d'aluminium ou de cuivre. Une telle jonction bi-métallique ne peut pas être réalisée par soudage, et diverses techniques d'assemblage ont pu être envisagées, telles qu'un assemblage par friction ou par forgeage. FR-A-2 384 563 décrit ainsi un procédé suivant lequel une pièce tubulaire usinée en métal dur est introduite, à force et à chaud, dans une pièce tubulaire en métal malléable, l'assem- blage étant obtenu par forgeage. La géométrie relativement complexe de la partie mâle ou embout en métal dur peut conduire à des défauts de l'assemblage ainsi réalisé, ces défauts pouvant résulter dans des espaces résiduels parasites créés entre les deux pièces qui peuvent s'avérer nuisibles dans certaines conditions, notamment à basses températures et/ou dans le domaine du vide ou de l'ultra-vide. En outre, le profil des pièces connues présente des points de rebroussement qui créent des zones de concentration de contraintes de nature à limiter leur résistance mécanique, ce qui est préjudiciable pour des applications à haute pression. Enfin, le procédé connu nécessite l'utilisation d'un outillage spécifique autour de chaque ensemble de deux pièces, cet assemblage devant être porté, dans un four, à la température de forgeage d'une des pièces. Pour une production industrielle, il est donc néces- saire d'avoir recours à un grand nombre d'outillages alors que la production doit être divisée en lots, ce qui impose des contraintes de gestion importantes. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un procédé d'assemblage qui ne nécessite pas l'utilisation d'un outillage spécifique par assemblage et conduit à un assemblage particulièrement efficace et étanche entre deux pièces de natures différentes. Dans cet esprit, l'invention concerne un procédé d'assem- blage de deux pièces, notamment tubulaires, une première pièce usinée en forme d'embout étant réalisée dans un métal relative- ment dur, une seconde pièce formant manchon de réception de cet embout étant réalisée dans un métal relativement malléable, ces deux pièces présentant un axe géométrique commun d'assemblage, caractérisé en ce qu'il consiste à déformer plastiquement, par filage, le manchon en direction de l'axe, en pressant ce manchon contre au moins une section tronconique externe de l'embout, divergente en direction d'un bord avant de cet embout. Par "Métal relativement dur", on entend tout métal de dureté Rockwell plus importante que celle d'un "métal rélative- ment malléable". Grâce à l'invention, une filière peut être utilisée pour produire, en continu, des assemblages sans nécessité d'avoir recours à un four de traitement. Le filage peut avoir lieu à froid ou à chaud. Grâce à la déformation plastique du manchon autour de la section tronconique de l'embout, on obtient un effet de rétreint transversal assurant un contact étroit des matériaux constitutifs des deux pièces ainsi qu'un effet de frettage, par contraction différentielle, qui assure une mise sous contrainte de l'assemblage lors d'une utilisation à des températures relativement basses. Selon des aspects avantageux de l'invention, le procédé peut incorporer l'une ou l'autre des caractéristiques suivan- tes. - Il consiste à chauffer uniquement la pièce en métal malléable avant filage. Par exemple, le chauffage par induction permet un chauffage localisé de la pièce et une mise en oeuvre en continu du procédé, avec un bon rendement énergétique. - Il consiste à introduire l'embout dans le manchon en raclant une surface interne du manchon. Cet aspect permet d'évacuer une éventuelle couche d'oxyde, tel que de l'alumine, formée sur la surface interne du manchon. L'invention concerne également une pièce en métal relati- vement dur destinée à être assemblée à une pièce en métal relativement malléable selon le procédé tel que précédemment décrit. L'embout de cette pièce a, sur une partie significative de sa longueur, au moins une surface externe tronconique divergente en direction de son bord avant prévu pour être introduit dans la pièce en métal malléable, le sommet de cette surface tronconique étant défini, sur un axe de cette pièce, à l'opposé de la pièce en métal malléable. La géométrie de cet embout permet d'obtenir un assemblage particulièrement effica- ce. En particulier, la forme globalement tronconique divergente de l'embout est telle qu'une fois l'assemblage réalisé, un effort axial tendant à séparer les deux pièces génère une force de réaction de plus en plus intense au fur et à mesure de l'écartement des deux pièces l'une par rapport à l'autre. La stabilité dimensionnelle et l'étanchéité de l'assemblage ainsi réalisé sont améliorées par rapport à l'état de la technique. L'invention concerne également une pièce en métal relati- vement malléable destinée à être assemblée à une pièce en métal relativement dur, selon un procédé tel que précédemment décrit. Avant filage, le manchon de cette pièce a une surface externe de diamètre maximum supérieur à celui d'une filière utilisée pour le filage. Ainsi, la déformation du manchon en direction de l'embout de la pièce en métal dur est obtenue par le passage de l'assemblage en cours de réalisation à travers la filière. L'invention concerne également un assemblage de deux pièces du type précité, caractérisé en ce que l'embout de la pièce en métal dur a, sur la plus grande partie de sa longueur, un profil divergent en direction de son bord introduit dans le manchon, la surface externe de cet embout comprenant au moins une section tronconique dont le sommet est défini sur cet axe, à l'opposé de la seconde pièce, alors que la surface interne du manchon est adaptée à la surface interne de l'embout. Selon des aspect avantageux de l'invention, cet assemblage comprend l'une au moins des caractéristiques suivantes: - Le bord de l'embout est chanfreiné en une seconde surface tronconique dont le sommet est défini au-delà du bord de l'embout, sur l'axe, dans la seconde pièce. - La surface externe de l'embout comprend une troisième section tronconique, convergente en direction du bord libre, dont le sommet est défini sur l'axe, du côté du bord de l'embout par rapport à cette troisième surface, cette troisième section étant raccordée à la section tronconique divergente au niveau de sa partie de plus faible diamètre. - Le profil de l'embout ne présente ni angle aigu, ni point de rebroussement. Ceci contribue à un filage efficace et à une bonne application de la surface interne du manchon contre la surface externe de l'embout. - La surface externe de l'embout comprend au moins une section tronconique et une section cylindrique raccordées au niveau de la partie de la section tronconique de plus grand diamètre. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre de deux modes de réalisation d'un assemblage réalisé grâce à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue avec arrachement d'un assemblage établi conformément à la présente invention repré- senté en situation après soudure sur deux tubes d'une installa- tion; - la figure 2 est une coupe partielle à plus grande échelle des pièces constitutives de l'assemblage de la figure 1, lors d'une première étape du procédé conforme à l'inven- tion; - la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 lors d'une seconde étape du procédé; - la figure 4 est une vue analogue à la figure 2 lors d'une troisième étape du procédé; - la figure 5 est une vue analogue à la figure 2 lors d'une quatrième étape du procédé; - la figure 6 est une vue analogue à la figure 2 au terme du procédé d'assemblage et - la figure 7 est une vue analogue à la figure 6 pour un assemblage conforme à un second mode de réalisation de l'invention. L'assemblage représenté aux figures 1 à 6 comprend une pièce 10, par exemple en acier inoxydable, formant un premier élément de raccord destiné à être soudé à l'extrémité d'un tube en acier 11. Une pièce 20, par exemple en alliage d'aluminium, constitue un second élément de raccord destiné à être soudé à l'extrémité d'un tube 21 en alliage à base d'aluminium. La pièce 10 est formée dans un métal plus dur que celui de la pièce 20. En d'autres termes, la matériau de la pièce 20 est plus ductile ou plus malléable que celui de la pièce 10. Les pièces 10 et 20 ont pour fonction de permettre un assemblage ou une jonction des tubes 11 et 21 selon un axe X-X' qui leur est commun. En pratique, l'assemblage entre les pièces 10 et 20 est réalisé en atelier avant que cet assemblage ne soit soudé, grâce à des cordons de soudure 12 et 22, aux tubes 11 et 21 sur leur site d'utilisation ou sur une machine en cours de montage telle qu'un échangeur de chaleur. La réalisation de l'assemblage des pièces 10 et 20 est décrite en référence aux figures 2 à 6. Au début du procédé, la pièce 10 est un tronçon de tube, centré sur l'axe X-X', dont la surface interne 13 est globale- ment cylindrique, alors que sa surface externe 14 comprend une première section 14a tronconique dont le sommet A est défini sur l'axe X-X', à l'opposé de la pièce 20 par rapport au bord avant 15 de la pièce 10. Ainsi, la surface 14a est divergente en direction du bord avant 15. Au niveau du bord avant 15, la pièce 10 est doublement chanfreinée et comprend une section externe tronconique 14b dont le sommet B est disposé sur l'axe X-X', du côté de la pièce 20. Le bord 15 est également bordé par une seconde surface tronconique interne 13b, divergente en direction du bord 15 et dont on note C le sommet placé sur l'axe X-X', au niveau de la pièce 10. La pièce 10 forme un embout mâle 16 destiné à pénétrer dans une partie femelle de la pièce 20, à la façon décrite ci-après. On note respectivement a, a et y les angles au sommet des surfaces tronconiques 14a, 14b et 13b. La valeur de a est comprise entre 3 et 150. Les valeurs de 3 et y sont comprises entre 30 et 60 . La section 14a de la surface 14 s'étend sur la plus grande partie de la longueur de l'embout 16. On note l la longueur de la section 14a et 12 la longueur de l'embout 16. En pratique la valeur de 1l est comprise entre 60% et 90% de celle de 12. La surface externe 14 de la pièce 10 comprend également une troisième section tronconique 14c convergente en direction du bord 15 et dont on note D le sommet sur l'axe X-X' et ô l'angle au sommet. La valeur de y est comprise entre 30 et . Les surfaces tronconiques 14a, 14b, 14c et 13b sont reliées entre elles par des congés ou zones arrondies. On note respectivement 14d et 14e les zones de raccordement des surfaces tronconiques 14a et 14b, d'une part, 14a et 14c, d'autre part. La partie avant de la pièce 10 constitue un embout 16 prévu pour être inséré dans la pièce 20. La pièce 20 comprend une partie 23 d'épaisseur de paroi relativement importante et une partie 24 d'épaisseur de paroi plus faible qui forme un manchon destiné à entourer l'embout 16. Le manchon 24 à une surface interne 24a globalement cylindrique et centrée sur l'axe X-X' alors que sa surface externe 24b est tronconique et divergente en direction de son bord libre 24c. La surface interne 24a du manchon 24 est raccordée à une section tronconique 23a de la partie 23, elle- même raccordée à une section annulaire 23b se prolongeant par une section tronconique 23c, raccordée à la surface cylindrique interne 23d de la partie 23. Lors du mouvement de pénétration de l'embout 16 à l'inté- rieur du manchon 24, représenté par la flèche F, à la figure 3, la zone 14d frotte contre la surface 24a de telle sorte qu'elle peut racler et évacuer, en direction des surfaces 23a et 23b, une éventuelle couche d'oxyde formée sur la surface 24a. On parvient alors dans la position de la figure 4 o le bord libre 24c du manchon 24 porte sur une section cylindrique 14f de la surface 14 alors qu'est défini, entre les sections 14a et 14c de la surface 14 et la surface 24a du manchon 24, un volume prisonnier V. L'éventuel dépôt d'alumine 25 est accumulé entre les sections 14b de la pièce 10 et 23a de la pièce 20. On note E le sommet de la section 23a et E son angle au sommet. La valeur de l'angle e est comprise entre 30 et 600. En pratique, l'angle e est légèrement inférieur à l'angle À, de sorte que le volume V' défini entre les sections 14b et 23a est divergent en direction du sommet E. On note 24d la zone de raccordement entre les surfaces 24a et 23a. La poursuite du mouvement selon la flèche F, qui résulte dans une pénétration de la zone 14d dans la pièce 20, au niveau de la zone 24d, a pour effet de chasser le dépôt d'alumine 25 en direction de la section 23b. On parvient alors dans la position de la figure 5 o les pièces 10 et 20 sont déplacées à l'intérieur d'une filière 30 parallèlement à l'axe X-X', comme représenté par la flèche F2. Le diamètre interne À de la filière 30 est sensiblement égal au diamètre extérieur Y' de la partie 23 et, en tout état de cause, inférieur au diamètre maximum c'' du manchon 24 au niveau de son bord libre 24c avant toute opération de rétreint par filage. Ainsi, la progression des pièces 10 et 20 à l'intérieur de la filière 30 a pour effet d'induire un effort centripète de compression du manchon 24 contre l'embout 16, comme représenté par la flèche F3 à la figure 5, cet effort ayant pour effet d'écraser et de déplacer le manchon 24 de façon à remplir le volume V, comme représenté par la flèche F4. On est alors dans la position de la figure 5 o les surfaces en contact des pièces 10 et 20 sont plaquées avec force l'une contre l'autre, alors que la déformation obtenue grâce à la filière est permanente. Selon un aspect avantageux mais non obligatoire de l'invention, et afin de faciliter la déformation plastique du manchon 24, la pièce 20 peut être chauffée par induction avant passage par la filière 30. Pour ce faire, et comme représenté schématiquement à la figure 4, une source de courant alternatif peut être couplée à une bobine 41 disposée autour du manchon 24. Ceci permet d'obtenir un chauffage rapide et localisé de la pièce 20, notamment au niveau du manchon 24, sans avoir recours à un four dans lequel les pièces 10 et 20 devraient être stockées pendant une période relativement longue. D'autres modes de chauffage peuvent être envisagés, notamment un chauffage par effet Joule. Le procédé de l'invention peut donc être mis en oeuvre en continu, ce qui est un avantage économi- que considérable par rapport aux systèmes de l'état de la technique. Selon une variante de l'invention, le procédé peut également avoir lieu à froid, un alliage à base d'aluminium pouvant être facilement déformé par filage à température ambiante. Il est alors possible de procéder à un usinage de l'assem- blage pour obtenir la configuration de la figure 6 o le diamètre intérieur de l'assemblage a été augmenté par enlève- ment en matière alors que de la matière a été retirée au niveau du bord libre du manchon 24 et au niveau de la partie 23 de la pièce jointe, la trace de la matière retirée apparaissant en traits mixtes. L'épaisseur des parties des pièces 10 et 20 destinées à être soudées respectivement aux tubes 11 et 12 est ainsi adaptée à la géométrie de ces tubes. Du fait de l'enlèvement de matière à l'intérieur de l'assemblage ainsi réalisé, les surfaces 13b, 23b et 23c et le dépôt d'alumine 25 sont évacués, de sorte que l'assemblage final ne risque pas de comporter un tel dépôt. Après refroidissement des pièces 10 et 20 ou lorsque l'assemblage est utilisé dans le domaine de la cryogénie, les déformations différentielles dues à la différence de la nature des matériaux constitutifs des pièces 10 et 20 sont telles qu'un effet de frettage du manchon 24 sur l'embout 16 est obtenu, ce qui concourt à la rigidité de l'assemblage ainsi obtenu. En outre, aucun espace résiduel parasite, tel que les volumes V et V' n'est conservé entre les deux pièces 10 et 20. Comme la section 14a s'étend sur la plus grande partie de l'embout 16, la surface 14a et la surface correspondante 24a du manchon 24 constituent l'essentiel de la surface de portée entre les pièces 10 et 20. Dans la position de la figure 6, si un effort d'ouverture de l'assemblage ainsi réalisé est exercé sur les pièces 10 et 20, comme représenté par les flèches Fs et F6, l'effort résistant généré au niveau des surfaces 14a et 24a, qui dépend du coefficient de frottement entre les pièces 10 et 20, est d'autant plus important que les pièces 10 et 20 ont commencé à être déplacées l'une par rapport à l'autre. En effet, en cas de début de glissement relatif d'une pièce par rapport à l'autre, notamment par effet de cisaillement de l'interface sous des contraintes axiales excessives, il n'y a pas de perte totale de l'étanchéité dans la mesure o les surfaces 14a et 24a restent en contact et o l'effort résistant généré est d'autant plus important qu'il induit une déformation plus importante du manchon 24. En d'autres termes, en cas de début de glissement relatif des pièces 10 et 20, l'assemblage demeure étanche et l'effort résistant augmente pendant la course de désaccouplement, jusqu'à séparation complète des deux pièces 10 et 20. Ceci constitue un avantage substantiel par rapport aux dispositifs connus, notamment de FR-A-2 384 563, dans lesquels une fuite peut se produire dès le début d'un mouvement relatif entre les pièces de l'assemblage. Il convient également de noter que les surfaces externe 14 de l'embout 16 et interne 24a du manchon 24 ne comportent ni angle aigu ni point de rebroussement, de sorte qu'elles sont pleinement compatibles avec un procédé de filage et qu'elles ne risquent pas de créer des volumes morts dans lesquels pourrait demeurer un gaz prisonnier ou des zones de contraintes mécani- ques intenses. Dans le second mode de réalisation de l'invention repré- senté à la figure 7, l'embout 16 comprend deux sections externes tronconiques 14a et 14'a, divergentes en direction de son bord avant 15. Les sections 14a et 14'a ont des dimensions analogues et remplissent la fonction de la section 14a du premier mode de réalistion. L'utilisation des deux sections accolées 14a et 14'a permet d'obtenir une longueur de sections tronconiques suffisante sans augmentation trop importante du diamètre extérieur de l'embout 16. Une section cylindrique 14g est raccordée à la section 14a au niveau de la partie de plus grand diamètre de cette section tronconique. On note 14h la zone de raccordement entre les sections 14a et 14g. La présence de la section 14_ permet de diminuer le diamètre externe maximum de l'embout 16. Ainsi, l'épaisseur e du manchon 24 dans sa partie la plus fine demeure suffisante pour lui conférer une rigidité telle que l'assem- blage des pièces 10 et 20 est fermement constitué. Comme dans le premier mode de réalisation, le glissement des pièces 10 et 20 l'une par rapport à l'autre est gêné par le caractère tronconique des surfaces 14a et 24a, l'effort de glissement étant moins important au niveau de la surface de la section 14g et de la partie correspondante 24f de la surface interne du manchon 24. Comme précédemment, la longueur 1 des sections 14a et 14'a représente une part importante de la longueur 12 de l'embout 16, la valeur de 1. étant comprise entre 50 et 70% de celle de 12. Selon une variante non représentée de l'invention, la surface externe de la pièce 20 comprend deux sections cylindri- ques de diamètres différents reliés par une zone de transition tronconique. Dans ce cas, la section de diamètre minimum correspond à la partie 23, ce diamètre étant inférieur à celui de la filière 30, alors que la section de diamètre maximum correspond au manchon 24, ce diamètre étant supérieur à celui de la filière 30. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage de deux pièces (10, 20), notamment tubulaires, une première pièce usinée en forme d'embout (16) étant réalisé dans un métal relativement dur, une seconde pièce formant manchon (24) de réception dudit embout étant réalisée dans un métal relativement malléable, lesdites deux pièces présentant un axe géométrique commun d'assemblage (X-X'), caractérisé en ce qu'il consiste à déformer (F4) plastiquement, par filage (F2), ledit manchon (24) en direction dudit axe (X- X'), en pressant ledit manchon contre au moins une section tronconique externe (14a, 14'a) dudit embout (16), divergente en direction d'un bord avant (15) dudit embout. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à chauffer uniquement ladite pièce (20) en métal malléable avant filage. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caracté- risé en ce qu'il consiste à introduire ledit embout (16) dans ledit manchon (24) en raclant une surface interne (24a) dudit manchon. 4. Pièce en métal relativement dur (10), destinée à être assemblée à une pièce (20) en métal relativement malléable selon le procédé de l'une des revendications 1 à 3, caractéri- sée en ce que ledit embout (16) a, sur une partie significative (1,) de sa longueur (12), au moins une surface externe tronco- nique (14a, 14'a) divergente en direction de son bord avant (15) prévu pour être introduit dans la pièce en métal malléa- ble, le sommet (A) de ladite surface tronconique étant défini, sur un axe (X-X') de ladite pièce à l'opposé de la pièce en métal malléable. 5. Pièce en métal relativement malléable (20), destinée à être assemblée à une pièce (10) en métal relativement dur selon le procédé de l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que, avant filage, ledit manchon (24) a une surface externe (24b) de diamètre maximum (à'') supérieur à celui (D) d'une filière (30) utilisée pour le filage. 6. Assemblage de deux pièces, notamment tubulaires, une première pièce (10), usinée en forme d'embout (16), étant réalisée dans un métal relativement dur, une seconde pièce (20), formant manchon (24) de réception dudit embout, étant réalisée dans un métal relativement malléable, lesdites deux pièces présentant un axe géométrique commun d'assemblage (X- X'), caractérisé en ce que ledit embout (16) a, sur une partie significative (11) de sa longueur (12), un profil divergent en direction de son bord (15) introduit dans ledit manchon (24), la surface externe dudit embout comprenant au moins une section tronconique (14a, 14'a) dont le sommet (A) est défini, sur ledit axe (X-X') à l'opposé de ladite seconde pièce (20), la surface interne (24a) dudit manchon étant adaptée à la surface externe (14a, 14b, 14c) dudit embout. 7. Assemblage selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit bord (15) dudit embout (16) est chanfreiné en une seconde surface tronconique (14b) dont le sommet (B) est défini, au-delà dudit bord (15) sur ledit axe (X-X'), dans la seconde pièce (20). 8. Assemblage selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la surface externe dudit embout comprend une troisième section tronconique (14c), convergente en direction dudit bord, dont le sommet (D) est défini sur ledit axe, du coté dudit bord (15) par rapport à ladite troisième section, ladite troisième section étant raccordée à ladite section tronconique divergente (14a) au niveau de sa partie (14e) de plus faible diamètre. 9. Assemblage selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ledit profil dudit embout (16) ne présente ni angle aigu, ni point de rebroussement. 10. Assemblage selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que ladite surface externe (14) dudit embout (16) comprend au moins une section tronconique (14a, 14'a) et une section cylindrique (14g) raccordées au niveau de la partie (14h) de ladite section tronconique de plus grand diamètre.