Brevet FR2939341A1 — publié le 20100611

Procédé de soudage par friction sans apport d'au moins deux pièces de bois. La présente invention est relative à un procédé pour l'assemblage et la liaison d'au moins deux pièces ou éléments massifs, en bois ou à base de bois, par soudage de ces pièces l'une à l'autre sans apport de liant ou de colle, par simple friction mécanique de ces pièces, réalisée dans des conditions définies. On connaît déjà un procédé de soudage de pièces massives en bois par friction mécanique de ces pièces mises en contact, soit transversalement, soit de préférence au moyen d'une cheville ou d'un tourillon en bois, généralement de forme cylindrique, engagé dans un alésage de même profil d'au moins une de ces pièces et dont l'extrémité pénètre dans ou est en contact avec l'autre, le mouvement alternatif des deux pièces l'une vis-à-vis de l'autre avec un effort de compression approprié entre elles ou la rotation du tourillon vis-à- vis de ces deux pièces et, en l'espèce, son entraînement à grande vitesse (de l'ordre de 1500 t/mn environ), créant un enfoncement du tourillon dans les deux pièces et une élévation de la température de contact, supérieure à 180°C en quelques secondes, qui provoque la fusion des parois en regard de ces pièces et/ou du tourillon dans son alésage de réception, et un enchevêtrement des fibres du bois localement comprimées, puis, après refroidissement et solidification, une adhésion efficace des surfaces en regard, réalisant ainsi l'assemblage des deux pièces. Le joint soudé obtenu est constitué d'une matrice de polymères à base de la lignine et des hémicelluloses constituant les parois des fibres du bois. La friction des pièces entre elles et/ou du tourillon élève la température quasi immédiatement et provoque notamment la fusion de ces polymères amorphes qui, en passant à l'état liquide, réalisent la formation de furfural et leur écoulement dans les espaces disponibles. Lors de leur refroidissement ultérieur, ces dérivés d'hydrates de carbone assurent par leur solidification la liaison du joint à l'interface, avec un enchevêtrement des fibres du bois localement fortement comprimées. Selon le document CNIDEP (Centre National d'Innovation pour le Développement durable et l'Environnement dans les Petites entreprises), intitulé � Note de Veille technique - Soudage du bois massif par friction mécanique - 2005 �, se référant à la Lettre de l'Environnement n° 388 du 5 septembre 2005, le diamètre de l'alésage des deux pièces qui reçoit le tourillon cylindrique est légèrement plus faible que celui de ce dernier. En variante, l'extrémité du tourillon peut être rendue conique, mais dans ce cas en supprimant le perçage, le tourillon pénétrant directement dans l'épaisseur des pièces avec une rotation qui assure la friction et la pénétration nécessaires au soudage. Après obtention de la fusion du bois, la rotation rapide du tourillon est arrêtée et le montage est maintenu sous pression jusqu'à la solidification finale du joint. Ce procédé connu permet en particulier d'éliminer tout usage de colles synthétiques ou autres, en réalisant des assemblages de qualités comparables, voire bien supérieures en ce qui concerne la résistance de la liaison obtenue. De plus, celle-ci est quasi immédiate et évite le temps nécessaire au séchage ou à la polymérisation des colles classiques et notamment des résines qu'elles contiennent. L'état de la technique en la matière peut également 35 être illustré par le document intitulé � Parameter interactions in two block welding and the wood nail concept in wood dowel welding �, tiré de la revue J. Adhesion Sci. Technol. Vol. 19, n° 13-14, pp. 1157-1174 (2005), ou des dispositions similaires sont également envisagées, en particulier en explicitant le rôle joué par les divers paramètres qui entrent en jeu dans la formation du joint soudé par friction entre les pièces de bois à assembler, tels que les conditions mécaniques avec lesquelles est réalisée cette friction, en particulier la vitesse de rotation des pièces frottant l'une sur l'autre, et également l'état d'humidité de ces pièces, l'élévation de la température dans celles-ci, le grain du bois et la direction de ses fibres vis-à-vis de l'effort de compression exercé. En outre, ce document approfondit le concept où deux pièces sont liées par un tourillon ou une cheville dont l'extrémité présente un profil conique, en bois dur, ce tourillon introduit dans un perçage d'une première pièce ayant son extrémité en pointe qui pénètre sans perçage dans l'autre pièce à assembler avec la première, la fusion du bois due à la rotation rapide du tourillon et à la pression d'enfoncement exercée sur celui-ci, dans les conditions précitées, assurant la liaison entre ces pièces, le produit de la fusion créée fluant dans les espaces disponibles, ou formant localement et approximativement une sphère d'ancrage. La présente invention concerne un perfectionnement apporté à ce procédé connu de soudure entre au moins deux pièces de bois au moyen d'un tourillon sans apport de colles ou de produits similaires, en assurant une gestion différente des efforts créés pour réaliser la liaison localisée des fibres du bois. A cet effet, le procédé conforme à l'invention, selon lequel on prévoit, pour l'assemblage par soudure 35 d'au moins deux pièces en bois à réunir mutuellement, de préférence selon deux surfaces contiguës en contact l'une avec l'autre, un tourillon de liaison commun qui coopère avec un perçage de réception continu, ménagé en succession à travers les deux pièces, se caractérise en ce qu'il consiste à tailler le tourillon en pointe pour lui donner une forme générale conique de préférence de révolution autour d'un axe et à conformer le perçage de réception de telle sorte qu'il présente un profil extérieur qui épouse sensiblement celui du tourillon, le diamètre de ce dernier variant selon une loi essentiellement décroissante d'une extrémité à l'autre de celui-ci, de telle sorte que le tourillon puisse être engagé axialement dans le perçage sans rotation relative vis-à-vis de celui-ci, le soudage des deux pièces étant ensuite obtenu par la rotation rapide du tourillon dans le perçage, accompagnée d'un effort de compression selon la direction de l'axe de celui-ci. La loi décroissante du diamètre du perçage de réception du tourillon est de préférence linéaire, ce perçage présentant un profil en forme de cône régulier. En variante, la loi décroissante peut être aménagée pour former dans le perçage de réception des zones successives à profil différent de l'une à la suivante, notamment avec des zones coniques, cylindriques à décroissance nulle, ou des épaulements perpendiculaires à l'axe du perçage. Le profil interne du perçage de réception est obtenu à l'aide d'un outil de forage rotatif, apte à perforer les deux pièces en bois et dont la surface externe est quasi identique à celle du tourillon dans sa partie qui s'engage axialement dans le perçage. La partie du tourillon externe au perçage de réception peut être conformée pour présenter un prolongement de révolution de forme quelconque, adapté à coopérer avec un outil d'entraînement en rotation rapide de ce tourillon autour de l'axe du perçage. Selon une autre caractéristique du procédé considéré, la profondeur du perçage de réception ménagé en continu dans les deux pièces est supérieure à celle du tourillon qui y est engagé, la surface externe du tourillon étant amenée essentiellement en contact avec celle du perçage. Selon encore une autre caractéristique du procédé considéré, le perçage de réception ménagé dans les deux pièces de bois traverse la première et se prolonge dans la seconde, en traversant également cette dernière. En variante, le perçage de réception forme un trou borgne dans la seconde pièce. Avantageusement, la liaison du tourillon et des deux pièces, au droit de leur perçage commun, est réalisée par rotation rapide du tourillon, autour de son axe de révolution, l'effort de compression axiale sur le tourillon maintenant en permanence sa surface externe en contact avec la paroi en regard du perçage, pour provoquer un léger déplacement du tourillon dans le perçage pendant le cycle de soudage. Selon encore une autre caractéristique du procédé considéré, les surfaces en regard du perçage de réception traversant les deux pièces de bois et/ou du tourillon conique engagé dans ce perçage, sont densifiées pour accroître la quantité de matière présente dans la zone de soudure, par compression des fibres du bois des deux pièces dans ces surfaces. Avantageusement, la densification du bois est réalisée au moyen de l'outil de forage commandé en rotation pour former le perçage de réception, entraîné en sens inverse de celui qui réalise ce perçage. Le procédé selon l'invention consiste ainsi essentiellement à maîtriser d'une part la vitesse de rotation relative du tourillon préalablement engagé dans son perçage de réception de même profil, afin de créer l'élévation de température nécessaire à la fusion localisée des fibres et des composants du bois dans les surfaces en regard de ce tourillon et du perçage traversant les deux pièces, ainsi que, d'autre part, de façon coordonnée mais néanmoins indépendante, la pression exercée sur le tourillon dans le sens de sa pénétration à l'intérieur de ce perçage, en limitant et contrôlant les contraintes mécaniques au droit de la zone de liaison, contrairement aux procédés classiques qui privilégient la mise en place de telles contraintes pour réaliser une fusion périphérique à l'extrémité du tourillon provoquant la formation d'une liaison non régulière et notamment non plane, en particulier de forme sphérique, créant un effet analogue à celui d'un rivet, en vue de tenter d'accroître la résistance à l'arrachement des deux pièces l'une vis-à-vis de l'autre. La mise en oeuvre d'un tourillon conique sur lequel s'exerce un couple de rotation déterminé et un effort de compression adapté va à l'encontre de la démarche antérieure en réalisant une fusion du tourillon sur la majeure partie de sa surface en contact avec le perçage de réception et un ancrage plus régulier et de meilleure qualité, en contrôlant de façon plus sûre l'échappement de la matière fondue qu'avec des tourillons cylindriques, éventuellement à extrémité en forme de pointe. D'autres caractéristiques du procédé considéré apparaîtront encore à travers la description qui suit d'un exemple de mise en oeuvre, donné à titre indicatif et non limitatif, en référence au dessin annexé sur lequel : - La Figure 1 est une vue en perspective éclatée de deux pièces quelconques de bois à assembler au moyen d'un tourillon conique à engager dans un perçage de même profil prévu dans les deux pièces, avant d'exercer sur ce tourillon une rotation et un effort de compression appropriés. - La Figure 2 illustre, vu en coupe à plus grande échelle, le profil du perçage de réception, réalisé avec une loi décroissante de son diamètre selon la profondeur de ce perçage. - La Figure 3 illustre les deux pièces et le tourillon conique de la Figure 1, une fois ces pièces assemblées selon le procédé de l'invention. Sur la Figure 1, la référence 1 désigne une pièce de bois, de forme extérieure quelconque, ici sensiblement parallélépipédique, la nature ou l'essence de ce bois, la direction de ses fibres et la découpe de la pièce pouvant être variable d'une réalisation à l'autre. En regard de la pièce 1, est disposée une seconde pièce 2, de même profil extérieur ou de profil différent, le cas échéant d'une essence différente, ces deux pièces étant préalablement usinées de manière à pouvoir être assemblées ensemble, notamment par mise en contact de deux surfaces 3 et 4, prévues respectivement sur l'une et l'autre. Les deux surfaces 3 et 4 peuvent être planes ou usinées en vue d'améliorer leur assemblage. Les deux pièces 1 et 2 comportent un perçage commun 5, de forme générale conique, de révolution autour d'un axe central 6, ce perçage réalisé au moyen d'un outil de forage (non représenté), de même profil extérieur, commandé en rotation, comportant une première partie 7 traversant la pièce 1 et se prolongeant par une seconde partie 8 dans la pièce 2, de telle sorte que ces deux parties puissent se situer, lors de l'assemblage des deux pièces, dans le prolongement l'une de l'autre, selon la direction de cet axe 6. Le perçage conique 5 est entièrement traversant pour la première pièce 1 ; il peut être également traversant pour la seconde pièce 2 ou présenter, comme dans l'exemple illustré, une extrémité fermée 9, la partie 8 du perçage 5 dans la pièce 2 formant ainsi un trou borgne. Selon l'invention, le perçage 5 est prévu pour recevoir un tourillon conique 10, de révolution autour d'un axe qui coïncide avec celui 6 du perçage 5 de manière à pouvoir y être engagé complètement, la surface externe de ce tourillon 10, taillé en pointe, venant ainsi en contact avec la surface interne du perçage 5 dans ses parties successives 7 et 8, à l'intérieur des deux pièces 1 et 2, lorsque celles-ci sont en contact selon leurs surfaces 3 et 4. Selon une caractéristique particulière de l'invention, le profil intérieur du perçage de réception 5, de révolution autour de l'axe 6, dans les parties 7 et 8 de ce perçage, suit une loi de décroissance continue, pouvant notamment comporter des zones 11 où cette décroissance est régulière, donc de forme conique, des zones 12 où cette décroissance est nulle, donc de forme cylindrique, où des zones 13 formant des épaulements perpendiculaires à l'axe 6, où la décroissance est alors infinie. Sur le schéma de la Figure 2, la flèche P désigne le sens de la profondeur de l'alésage de réception 5 et la flèche R le rayon décroissant de ce perçage, selon cette profondeur. Le tourillon 10 qui s'engage dans le perçage 5 selon l'axe 6, présente un profil général conique, sensiblement le même que celui de ce perçage, avec des zones respectivement lia, 12a et 13a, correspondant aux zones 11, 12 et 13 du perçage, de telle sorte que leurs profils soient quasi identiques et que, une fois le tourillon engagé dans le perçage, ils soient en contact mutuel l'un avec l'autre sur toute la longueur du tourillon. A l'extérieur du perçage 5, le tourillon 10 comporte un prolongement axial 14, extérieur à la pièce 1, de forme quelconque et par lequel ce tourillon peut être saisi par un outil (non représenté), qui peut être l'outil de forage ayant assuré la formation du perçage ou être associé à celui-ci, cet outil étant propre à imposer au tourillon, après sa mise en place dans le perçage, un effort de rotation autour de l'axe 6, accompagné d'un effort de compression selon la direction de cet axe, de nature à assurer deux pièces 1 et 2 selon leurs après refroidissement, l'ancrage tourillon, en réalisant ainsi l'as Eventuellement, une opération de dans la surface interne du perçage par rotation inversée de l'outil de forage, pour accroître la quantité de matière présente dans la zone de soudure avec le tourillon après la mise en place de celui-ci, par compression des fibres du bois des deux pièces dans ces surfaces. Bien entendu, il va de soi que l'invention ne se limite pas à l'exemple de mise en oeuvre plus spécialement décrite ci-dessus, en référence au dessin annexé ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. la fusion du bois des zones en contact et, des deux pièces et du semblage recherché. densification du bois 5 peut être réalisée, REVENDICATIONS1 - Procédé pour le soudage sans apport par friction d'au moins deux pièces de bois (1,2), selon lequel on prévoit, pour l'assemblage de ces pièces à réunir mutuellement, de préférence selon deux surfaces contiguës (3,4) en contact l'une avec l'autre, au moyen d'un tourillon de liaison commun (10) qui coopère avec un perçage de réception continu (5), ménagé en succession à travers les deux pièces, caractérisé en ce qu'il consiste à tailler le tourillon (10) en pointe pour lui donner une forme générale conique de préférence de révolution autour d'un axe (6) et à conformer le perçage de réception (5) de telle sorte qu'il présente un profil extérieur qui épouse sensiblement celui du tourillon, le diamètre de ce dernier variant selon une loi essentiellement décroissante d'une extrémité à l'autre de celui-ci, de telle sorte que le tourillon puisse être engagé axialement dans le perçage sans rotation relative vis-à-vis de celui-ci, le soudage des deux pièces étant ensuite obtenu par la rotation rapide du tourillon dans le perçage, accompagnée d'un effort de compression selon la direction de l'axe de celui-ci. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi décroissante du diamètre du perçage de réception (5) du tourillon (10) est de préférence linéaire, ce perçage présentant un profil en forme de cône régulier. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi décroissante du diamètre du perçage de réception (5) du tourillon (10) est aménagée pour former dans ce perçage des zones successives (11,12,13) à profil différent de l'une à la suivante, notamment avec des zones coniques (11), cylindriques (12) àdécroissance nulle, ou des épaulements (13) perpendiculaires à l'axe (6) du perçage. 4 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le profil interne du perçage de réception (5) est obtenu à l'aide d'un outil de forage rotatif, apte à perforer les deux pièces en bois (1,2) et dont la surface externe est quasi identique à celle du tourillon (10) qui s'engage axialement dans ce perçage. 5 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la partie du tourillon (10) externe au perçage de réception (5) est conformée pour présenter un prolongement de révolution (14), de forme quelconque, adapté à coopérer avec un outil d'entraînement en rotation rapide de ce tourillon autour de l'axe (6) du perçage. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 a 5, caractérisé en ce que la profondeur du perçage de réception (5) ménagé en continu dans les deux pièces (1,2) est supérieure à celle du tourillon (10) qui y est engagé, la surface externe du tourillon étant amenée essentiellement en contact avec celle du perçage. 7 - Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le perçage de réception (5) ménagé dans les deux pièces de bois (1,2) traverse la première et se prolonge dans la seconde, en traversant également cette dernière. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6,, caractérisé en ce que le perçage de réception (5) forme un trou borgne dans la seconde pièce (2). 9 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la liaison du tourillon (10) et des deux pièces (1,2), au droit deleur perçage commun (5), est réalisée par rotation rapide du tourillon autour de son axe de révolution, l'effort de compression axiale sur le tourillon maintenant en permanence sa surface externe en contact avec la paroi en regard du perçage, pour provoquer un léger déplacement du tourillon dans le perçage pendant le cycle de soudage. - Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, les surfaces en regard du perçage de 10 réception (5) et/ou du tourillon conique (10) engagé dans ce perçage, sont densifiées pour accroître la quantité de matière présente dans la zone de soudure, par compression des fibres du bois des deux pièces dans ces surfaces. 11 - Procédé selon les revendications 5 et 10, caractérisé en ce que la densification du bois est réalisée au moyen de l'outil de forage commandé en rotation pour former le perçage de réception (5), entraîné en sens inverse de celui qui réalise ce perçage. 12 - Ensemble formé par l'assemblage d'au moins deux pièces de bois, réalisé selon le procédé de l'une quelconque des revendications 1 à 11.