Brevet FR2869655A1 — publié le 20051104

La présente invention concerne un procédé d'assemblage, du type par collage et par éléments de liaison, d'au moins deux pièces structurales à assembler, et un assemblage obtenu à partir de la mise en oeuvre du procédé. On sait que pour assembler deux pièces structurales disposées l'une contre. l'autre au moins par des zones respectives de leurs surfaces, on peut avantageusement utiliser le collage dès l'instant où ce mode d'assemblage répond aux exigences souhaitées et imposées (type d'effort à transférer entre les pièces, matières et domaine d'application des pièces, ...). En effet, l'assemblage par collage présente un intérêt manifeste en raison de ses qualités intrinsèques telles qu'une liaison homogène des pièces avec une bonne répartition des efforts, une étanchéité entre les pièces, une conservation des caractéristiques des pièces, une économie de poids et une surface sans aspérité. Cependant, le bon étalement des efforts obtenu dans un assemblage collé peut conduire, en fatigue, à des ruptures par décollement continu, en l'absence d'obstacle ralentisseur, alors que la cause du décollement initial est souvent engendrée par une raison secondaire très locale (peeling, défaut de collage) qui n'est pas liée à une surcharge de la jonc- tion entre les pièces. En conséquence, pour remédier à ce problème et fiabiliser l'assemblage, on propose d'associer au collage des éléments de liaison, tels que des boulons, des rivets ou analogues, répartis de façon appropriée sur les surfaces collées au contact des pièces et traversant, avec jeu, des trous préalablement percés dans celles-ci, perpendiculairement au plan de collage de leurs surfaces, ainsi qu'à leurs surfaces opposées, ceci pour la compatibilité avec les écrous, têtes de vis ou rivures. Si l'assemblage obtenu en lui-même, c'est-à-dire par collage et par éléments de liaison, est particulièrement sûr et fiable, en revanche, de nouveaux inconvénients apparaissent tels qu'une masse supplémentaire non négligeable (boulons ou autres métalliques) surtout lorsque les pièces sont en matière composite, une augmentation des coûts et du temps de montage. Par ailleurs, un tel assemblage présente un aspect inesthétique en raison des extrémités des éléments de liaison (têtes, écrous ou rivures) qui font saillie après montage des surfaces extérieures des pièces, ce qui est particulièrement préjudiciable lorsque les pièces structurales font partie d'un ensemble apte à subir des écoulements fluides ou autres. De plus, malgré l'ajout d'éléments de liaison, la résistance à la rupture finale statique d'un tel assemblage n'augmente pas puisque les modes d'assemblage par le collage, d'une part, et par les éléments de liaison, d'autre part, sont structurellement distincts l'un de l'autre et agissent en conséquence indépendamment l'un de l'autre. En effet, le seuil d'efforts à rupture usuelle-ment admis est celui du mode le plus résistant, c'est-à-dire soit celui du collage seul, soit celui des éléments de liaison seuls. Généralement, le seuil de micro-glissement à rupture du plan de collage par suite de sollicitation est inférieur au seuil de micro-glissement nécessaire pour la mise en charge complète des éléments de fixation. Donc, ceux-ci, après rupture de la matière adhésive, continuent seuls jusqu'à leur propre rupture. Ainsi, la résistance de l'assemblage, dans ce cas, est limitée à celle des seuls élé- rnents de liaison. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne un procédé d'assemblage d'au moins deux pièces structurales, par collage et par éléments de liaison, dont la conception permet notamment: 2869655 3 d'augmenter la résistance intrinsèque à rupture finale statique de l'assemblage réalisé ; de diminuer la masse et le coût de l'assemblage; - d'éliminer significativement les ruptures prématurées par décollement de défauts ponctuels du plan de collage principal; de réaliser des liaisons présentant un état de surface sans aspérité. A cet effet, le procédé d'assemblage d'au moins deux pièces structurales, du type consistant à : déposer, entre les surfaces internes en regard desdites pièces à assembler, une couche de matière adhésive; percer au moins un trou dans lesdites pièces transversalement au plan de collage de leurs surfaces internes; et mettre en place un élément de liaison dans ledit trou pour fixer lesdites pièces, est remarquable, selon l'invention, en ce qu'il consiste de plus, après avoir percé ledit trou, à déposer le long de sa paroi latérale, une autre couche de matière adhésive pour coller ledit élément de liaison, et à utiliser un élément de liaison sous la forme d'une cheville de révolution apte à s'insérer dans ledit trou pour son collage auxdites pièces par ladite autre couche de matière adhésive. Ainsi, alors que le collage et les éléments de liaison agissent indépendamment dans l'art antérieur, selon l'invention, les modes d'assemblage par le collage des pièces et par les éléments de liaison également collés aux pièces sont rendus solidaires, de sorte que les efforts supportés par l'assemblage sont considérablement augmentés. En effet, des essais effectués par la demanderesse ont permis de montrer que, pour un assemblage collé et équipé de chevilles collées et solidaires des pièces par l'intermédiaire de la couche adhésive, les efforts de résistance du plan de collage et de ceux des chevilles s'ajoutaient. De plus, la réalisation de l'élément de liaison sous la forme d'une cheville notamment cylindrique est très simple et diminue considérablement les coûts des éléments de fixation. Par ailleurs, quand les pièces structurales font partie d'un ensem- ble mobile (aéronef, bateau, canalisation, ...) apte à subir un écoulement de fluide ou autre, on met avantageusement les faces d'extrémité de la cheville en contact avec l'écoulement, sensiblement à fleur des surfaces externes desdites pièces structurales. Ceci peut être réalisé par pré-ajustage ou par arasage final. Ainsi, l'écoulement le long des surfaces externes des pièces n'est pas perturbé, optimisant entre autre les performances de l'ensemble. L'invention concerne également l'assemblage d'au moins deux pièces structurales, du type comportant: une couche de matière adhésive déposée entre les surfaces internes en regard desdites pièces à assembler; et - au moins un élément de liaison traversant un trou pratiqué dans lesdites pièces, sensiblement transversalement au plan de collage de leurs sur-faces internes. Selon l'invention, l'assemblage est remarquable en ce qu'il comprend, de plus, une autre couche de matière adhésive déposée sur la paroi latérale dudit trou et en ce que ledit élément de liaison se présente sous la forme d'une cheville de révolution apte à s'insérer dans ledit trou pour y être fixée au moyen de ladite autre couche de matière adhésive. Les faces transversales d'extrémité de ladite cheville sont de préférence situées sensiblement à fleur des surfaces externes respectives desdites pièces lorsque ces dernières font partie d'un ensemble apte à subir des écoulements fluides. Ainsi, aucune traînée supplémentaire n'est engendrée par les éléments de liaison et le gain de masse, comparativement aux éléments usuels à l'art antérieur, est important. Avantageusement, ladite cheville est réalisée en une matière de même nature que celle des pièces structurales à assembler. Par exemple, elle peut être une matière composite à base de carbone pour tout assemblage carbone. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Les figures 1A, 1B et 1C montrent schématiquement les principales étapes du procédé d'assemblage selon l'invention jusqu'à l'assemblage obtenu. La figure 2 est un graphique montrant le glissement de l'assemblage en fonction de l'effort exercé. Les figures 3, 4 et 5 montrent trois exemples d'application de l'assemblage conformément à l'invention. La figure 6 montre schématiquement une application de l'invention à l'assemblage d'un profil aérodynamique. Les figures 7, 8 et 9 montrent les différents assemblages nécessaires audit profil. Les figures 10, 11 et 12 montrent d'autres assemblages possibles en fonction des pièces à assembler. Le procédé d'assemblage selon l'invention a pour but de fixer, par collage et par des éléments de liaison, au moins deux pièces 1 et 2 schématiquement et partiellement représentées, comme le montre la figure 1A. Pour cela, une couche adhésive 3 est disposée entre deux surfaces en regard internes 4 et 5 des pièces permettant leur collage. Bien entendu, les surfaces à coller 4 et 5 ont été préalablement préparées pour le collage et on a ensuite déposé la couche adhésive 3 sur l'une ou l'autre des sur-faces, voire les deux, des pièces qui sont ensuite pressées. On voit également sur la figure 1A, qu'un trou 6 est percé dans les pièces, dans ce cas perpendiculairement au plan de collage PC défini par la couche adhésive 3. Ce trou 6 est traversant et débouche des surfaces externes respectives 7 et 8 des pièces. Par souci de clarté sur les figures 1A à 1C, un seul trou a été représenté. Selon l'invention, comme le montre la figure 1 B, on dépose égale-ment une couche adhésive 9 le long de la paroi latérale 10 du trou 6, commune aux pièces 1 et 2. On utilise un élément de liaison 11 à introduire dans le trou 6 pour fiabiliser la jonction par collage des pièces. Cet élément de liaison 11 se présente sous la forme d'une cheville de révolu- tion cylindrique pleine 12 (voire creuse) dont le diamètre est quelque peu inférieur au diamètre du trou pour laisser un film de couche adhésive 9 suffisant de manière à assumer son collage, et dont la hauteur est sensiblement analogue dans cet exemple à l'épaisseur des pièces à réunir, de sorte que les faces transversales d'extrémité 14 de la cheville sont sensi- blement à fleur des surfaces externes 7, 8 des pièces 1 et 2. Ainsi, comme le montre la figure 1 C, une fois introduit dans le trou 6, l'élément de liaison 1 1 obture complètement ledit trou sans faire saillie des surfaces externes 7, 8 et en étant solidarisé aux pièces 1 et 2 par la couche adhésive 9. On obtient alors un assemblage particulièrement fort des pièces par la coopération de l'élément de liaison 11 et des couches adhésives 3, 9 permettant d'élever très sensiblement le niveau à rupture de la jonction collée, comme on le verra en regard de la figure 2. Sur les figures, l'épaisseur des couches a été exagérée. La matière constituant la cheville 12 est, de préférence, de même nature structurale que celle des pièces de façon à rendre le plus homogène possible l'assemblage, et le type de colle peut être identique ou différent pour les couches adhésives. On a représenté sur la figure 2 la relation entre le glissement de la liaison (abscisse) et l'effort exercé (ordonnée) jusqu'à la rupture finale. Le tracé A montre la performance du mode de liaison par collage seul des pièces jusqu'à un effort maximum Al, les efforts apparaissant, dès le début des sollicitations, dans le plan de collage et augmentant sensiblement linéairement jusqu'à la rupture de la colle. Le tracé B montre la performance du mode de liaison par seul collage des chevilles jusqu'à un effort maximum B1, les efforts apparaissant, contrairement à des vis ou des rivets, dès le début des sollicitations et progressant linéairement jusqu'à la rupture. L'assemblage selon l'invention cumule dès le début les performan- ces des deux modes de liaison solidaires l'un de l'autre, de la manière représentée sur le tracé C. En effet, les efforts du mode de liaison par des chevilles collées s'ajoutent alors à ceux du plan de collage jusqu'à la rupture de l'un desdits modes. A cet instant, l'effort total à rupture de la liai-son est égal à la somme de l'effort à rupture du mode le plus faible (Al), plus l'effort pris par l'autre mode à cet instant (B1') pour atteindre un maximum Cl. Un exemple d'application du procédé de l'invention est illustré sur la figure 3. Les deux pièces structurales 1, 2 sont des plaques ou analogues jointes directement l'une sur l'autre par deux de leurs bords 15 et 16. L'assemblage est dans ce cas constitué de la couche adhésive 3, dé- posée sur toute la zone commune aux deux bords superposés 15, 16, et de deux rangées parallèles de quatre chevilles 12 chacune, lesquelles obturent les trous transversaux 6 des plaques et sont collées à la paroi latérale 10 de ceux-ci au moyen de la couche adhésive 9. On a, par ail- leurs, représenté par des flèches F différentes directions de sollicitation de cisaillement contenues dans le plan de collage PC, auxquelles les plaques 1, 2 peuvent être soumises et qui sont supportées par l'assemblage réalisé. Les deux plaques 1, 2 partiellement représentées sur la figure 4 sont, dans cet exemple, mises bout à bout dans le même plan avec un espace E séparant leurs faces latérales 17, 18 en regard, et sont associées l'une à l'autre par une pièce plate intermédiaire ou éclisse 19. Cette éclisse 19 s'applique, par l'une de ses faces 20, contre les surfaces correspondantes de dessous 4, 5 (sur la figure 4) des bords respectifs 15, 16 des plaques et la couche adhésive 3 assure le collage de l'éclisse 19 sur les plaques 1, 2. Là encore, deux fois deux rangées parallèles de chevilles cylindriques 12 sont prévues et obturent les trous transversaux 6 ménagés dans les bords des plaques et l'éclisse, pour y être solidarisées par la couche adhésive 9. Dans l'exemple montré sur la figure 5, la face 23 d'une autre éclisse 22, analogue à la précédente, est rapportée par collage, au moyen d'une couche adhésive 3, contre les surfaces correspondantes de dessus 7, 8 (sur la figure 5) des bords respectifs 15, 16 des plaques, de façon symétrique à l'éclisse 19 par rapport aux deux plaques alignées. Deux fois deux rangées parallèles de chevilles 12 associent les deux éclisses 19, 22 aux plaques 1, 2 par l'intermédiaire de couche adhésive 9 déposée dans chaque trou 6 traversant perpendiculairement les deux éclisses 19, 22 et la plaque correspondante 1 ou 2. On remarque, sur les figures 4 et 5, que les faces transversales d'extrémité 14 des chevilles de liaison cylindriques 12 arrivent sensiblement à fleur des surfaces externes des assemblages réalisés, c'est-à-dire au niveau des surfaces externes 7, 8 des plaques et de l'autre surface 21 de l'éclisse pour l'assemblage de la figure 4 et au niveau des surfaces ex-ternes 21 et 24 des éclisses pour l'assemblage de la figure 5. Une autre application de l'invention est illustrée schématiquement sur la figure 6 qui montre, en coupe transversale, un profil aérodynamique 25 en forme d'aile. Celui-ci est composé d'une paroi supérieure incurvée 26 formant l'extrados, d'une paroi inférieure incurvée 27 formant l'intrados, les deux parois (qui constituent les deux pièces à assembler) étant réunies par leurs bords en définissant le bord d'attaque 28 et le bord de fuite 29 du profil, et d'au moins un longeron de rigidification 30 à section transversale en U, prévu dans l'espace intérieur 31 du profil et reliant, par ses branches ou ailes latérales 32, les parois correspondantes 26, 27. Avantageusement, la fixation des parois entre elles au niveau des bords 28, 29 et du longeron en U aux parois met en oeuvre le procédé d'assemblage de l'invention, ce qui permet ainsi de s'affranchir de la nécessité de 1 o parallélisme des surfaces d'extrémité des chevilles et d'accès à la face interne de l'assemblage. La figure 7 montre l'assemblage du bord d'attaque 28 du profil aérodynamique 25. Pour cela, la couche de matière adhésive 3 colle les deux surfaces internes en regard, planes 33, 34, des parois supérieure 26 et inférieure 27 sur toute la longueur. Comme les parois sont incurvées, les trous 6 sont alternativement percés perpendiculairement depuis la surface externe tangentielle 35 de l'une 26 des parois et depuis la surface externe tangentielle 36 de l'autre paroi 27, de la manière indiquée par les angles A et B, tout du long du profil 25, ceci pour faciliter l'entrée du foret de perçage des trous. Les trous 6 sont régulièrement espacés le long du bord d'attaque 28 ainsi formé et traversent totalement les épaisseurs des parois. Les chevilles cylindriques 12 sont engagées et collées par la couche de matière adhésive 9 préalablement déposée le long de la paroi latérale des trous. Les faces transversales d'extrémité 14 des chevilles sont préparées pour venir à fleur des surfaces externes 35, 36 des parois formant les pièces structurales 1, 2 ou bien arasées postérieurement. Cela est particulièrement avantageux dans cette application de l'invention au collage des profils aéro ou hydrodynamiques, puisque les faces transversales 14 des chevilles sont confondues avec les surfaces externes 35, 36 des pro-fils et ne font pas obstacle à l'écoulement du milieu fluide. La figure 8 montre l'assemblage du longeron de rigidification 30 aux parois supérieure 26 et inférieure 27. Chaque aile latérale 32 du Iongeron en U est collée, par sa face extérieure 37 tournée vers la paroi correspondante, à la surface interne 38 de cette dernière par l'intermédiaire de la couche adhésive 3. Des chevilles 12 sont placées dans des trous 6 traversant chaque ensemble "paroi-aile" et sont collées dans les trous par l'intermédiaire de la couche adhésive 9. La face transversale d'extrémité 14 des chevilles, tournée vers le milieu d'écoulement extérieur, vient à fleur de la surface externe 36 ou 35 de la paroi correspondante du profil 25, de sorte à ne pas perturber l'écoulement, tandis que l'autre face transversale peut faire saillie légèrement de l'aile correspondante 32 puisqu'elle débouche dans l'espace interne 31 du profil aéro- dynamique. La figure 9 montre l'assemblage du bord de fuite 29 du profil aérodynamique 25. De façon analogue au bord d'attaque, les surfaces internes en regard 40, 41 des parois 26, 27 sont collées par la couche adhésive 3 puis, dans les trous percés 6, sont enfoncées les chevilles qui adhèrent à la paroi latérale des trous par la couche adhésive 9. Les faces transversales d'extrémité 14 des chevilles sont, là aussi, arasées au ni-veau des surfaces externes 35, 36 des parois, au contact du milieu d'écoulement. Dans cette application, les chevilles 12 sont réalisées en un maté- riau composite à base de carbone, identique aux parois du profil aérodynamique 25. Par exemple, dans le cas d'assemblage d'éléments en carbone, les chevilles peuvent être fabriquées à partir d'une majorité de fibres unidirectionnelles parallèles à leur axe longitudinal, avec une petite proportion de fibres unidirectionnelles placées, pour la bonne cohérence de l'ensemble, avec un angle par rapport à l'axe des chevilles, par exemple quelques fibres spiralées avec un angle de l'ordre de 45 à 60 degrés. Les chevilles peuvent être aussi réalisées à partir de fibres tressées. Dans les deux exemples représentés sur les figures 10 et 1 1 respectivement, les deux pièces 1 et 2 à assembler, telles que des plaques, ont leurs bords 42, 43 repliés, lesquels sont mis parallèlement l'un contre l'autre pour être collés par la couche adhésive 3. Dans l'exemple de la figure 10, la cheville 12 collée par la couche adhésive 9 traverse les pla- ques 1, 2 et les bords repliés parallèles 42, 43, par l'intermédiaire de trous alignés coaxiaux 6 et ses faces transversales d'extrémité 14 sont biseautées et arrivent à fleur des surfaces extérieures 44, 45 des plaques, au contact du milieu d'écoulement. Dans l'exemple de la figure Il, la cheville 12 réunit les deux bords repliés parallèles 42 et 43 et débouche unique- ment dans la plaque supérieure 1 avec sa face transversale 14 dans le prolongement de la surface extérieure 44. Dans l'exemple représenté sur la figure 12, on voit qu'un même profilé ou longeron 30 ayant une section transversale en U peut servir à l'assemblage, par les couches adhésives 3, 9 et les chevilles 12, de quatre parois extérieures 26, 26', 27, 27', deux 26, 26' étant disposées dans le prolongement l'une de l'autre sur la face extérieure 37 d'une première aile 32 du longeron, et deux 27, 27' sur la seconde aile 32. Deux des parois 26, 27 sont assemblées par les chevilles 12 sur les ailes mêmes du longeron 30, de la même manière qu'en référence à la figure 8, tandis que les chevilles 12 réunissant les deux autres parois s'engagent dans des trous borgnes 6' percés dans la base 46 du longeron. Les résultats obtenus à partir d'un tel assemblage sont bien entendu identiques fonctionnellement et structurellement aux assemblages avec des trous traversants. Par ailleurs, bien que la cheville de révolution représentée sur les figures soit cylindrique, elle pourrait être conique, ce qui éviterait le fluage de l'adhésif du trou. Les principaux avantages de l'invention sont les suivants meilleure fiabilité en fatigue de l'assemblage; augmentation significative du niveau de la rupture statique finale; absence de proéminence ou de discontinuité de surface (fraisure, empreinte de vissage, écrou, rivure, etc...) ; gain de masse; possibilité d'appliquer l'invention à toutes liaisons collées, quels que soient les angles relatifs des surfaces à assembler ou quel que soit leur degré d'accessibilité. REVENDICATIONS 1. Procédé d'assemblage d'au moins deux pièces structurales (1, 2), du type consistant à : déposer, entre les surfaces internes en regard desdites pièces à assem- bler, une couche de matière adhésive (3) ; percer au moins un trou (6) dans lesdites pièces transversalement au plan de collage de leurs surfaces internes; et mettre en place un élément de liaison (Il) dans ledit trou pour fixer lesdites pièces, caractérisé en ce qu'il consiste de plus, après avoir percé ledit trou, à dé-poser le long de sa paroi latérale, une autre couche de matière adhésive (9) pour coller ledit élément de liaison (Il), et à utiliser un élément de liai-son sous la forme d'une cheville de révolution (12) apte à s'insérer dans ledit trou (8) pour son collage auxdites pièces (1, 2) par ladite autre cou- che de matière adhésive. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à mettre les faces transversales d'extrémité (14) de ladite cheville (12), sensiblement à fleur des surfaces externes desdites pièces structurales (1, 2). 3. Assemblage d'au moins deux pièces structurales (1, 2), du type comportant: une couche de matière adhésive (3) déposée entre les surfaces internes en regard desdites pièces à assembler; et au moins un élément de liaison (Il) traversant un trou (6) pratiqué dans lesdites pièces, sensiblement transversalement au plan de collage de leurs surfaces internes, caractérisé en ce qu'il comprend, de plus, une autre couche de matière adhésive (9) déposée sur la paroi latérale dudit trou (6) et en ce que ledit élément de liaison (Il) se présente sous la forme d'une cheville de révolu- tion (12) apte à s'insérer dans ledit trou (6) pour y être fixée au moyen de ladite autre couche de matière adhésive. 4. Assemblage selon la revendication précédente, du type dans le-quel les pièces structurales assemblées font partie d'un ensemble apte à subir des écoulements fluides, caractérisé en ce que les faces transversales d'extrémité (14) de ladite cheville (12) sont situées sensiblement à fleur des surfaces externes des-dites pièces (1, 2). 5. Assemblage selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite cheville (12) est réalisée en une matière identique à celle desdites pièces structurales.