Brevet FR3050657A1 — publié le 20171103

Composant d'assemblage d'une enceinte à vide et procédé de réalisation du composant d'assemblage L'invention concerne les enceintes à vide et plus précisément l'assemblage d'éléments d'enveloppe utilisés dans les enceintes à vide. L'invention trouve une utilité particulière dans un accélérateur de particule dans lequel on réalise un vide poussé. L'invention n'est pas limitée à cette s utilisation et peut être mise en oeuvre dans tout type d'enceinte à vide. On les utilise par exemple pour des lasers de puissance et pour des simulateurs spatiaux. Dans un accélérateur de particule, il est courant de réaliser des tests d'étanchéité à l'hélium pour atteindre des valeurs de l'ordre de 10 10-10Pa.m3/s. En plus d'une telle étanchéité, l'enceinte est réalisée dans des matériaux dégazant le moins possible pour éviter de perturber les expériences réalisées dans l'accélérateur. Les enceintes à vides ne peuvent pas être réalisées dans des pièces mécaniques monoblocs et des assemblages sont nécessaires. Ces 15 assemblages doivent être démontables afin de permettre à des opérateurs d'intervenir à l'intérieur des enceintes et de permettre la connexion d'équipements comme des pompes à vide ou des capteurs de mesure. Une solution connue pour réaliser un assemblage utilisable dans une enceinte à vide consiste à brider deux éléments mécaniques à 20 assembler. Plus précisément, Les éléments à assembler possèdent des faces complémentaires entre lesquelles un joint d'étanchéité est pressé. Pour éviter le dégazage possible du joint il est préférable d'utiliser un joint métallique, dont le taux de dégazage est de l'ordre de cent fois inférieur à celui des joints élastomères. 25 Afin de ne pas détériorer les surfaces entre lesquelles les joints sont pressés, la dureté des joints doit être plus faible que celle des surfaces en regard. On peut par exemple réaliser les éléments d'enveloppe des enceintes en acier inoxydable, notamment des aciers connus sous leur désignation normalisée de type 304L selon la norme américaine AISI ou 30 1.4306 selon la norme européenne EN 10027 ou encore de type 316L (norme américaine) ou 1.4404 (norme européenne). Ces aciers sont notamment connus pour leur excellentes aptitudes au soudage ce qui facilite 3050657 2 l'assemblage des enceintes. Des joints classiques mis en place entre des surfaces réalisées dans de tels aciers sont en alliage de cuivre ou d'aluminium. Il peut être nécessaire, notamment pour des contraintes de poids, 5 de réaliser les éléments d'enveloppe des enceintes en métaux plus léger, notamment en alliage d'aluminium. Certains alliages d'aluminium présentent d'ailleurs beaucoup d'avantages pour la réalisation d'enceintes à vide, comme leur faible taux de dégazage, leur coût, leur facilité d'usinage, leur perméabilité magnétique, leur faible activation par les neutrons, une bien io moindre perméation à l'hydrogène que l'acier inoxydable, leur conductivité thermique permettant d'étuver plus facilement les chambres à vide et de dissiper les apports de chaleur sans refroidissement ajouté... Certains alliages contenant du zinc sont à éviter car leur tension de vapeur n'est pas compatible avec l'ultravide nécessaire dans un 15 accélérateur de particule. Bien que l'aptitude au soudage des alliages d'aluminium soit généralement moins bonne que celle des aciers inoxydables, certains alliages dans la série normalisée 1000, 5000 et 6000 selon la norme européenne EN 485-2 ont de très bonnes aptitudes au soudage. 20 Afin de permettre la mise en place de joints d'étanchéité métalliques entre surfaces d'assemblage, une société américaine : Atlas Technologies, dont le siège social est située 3100 Copper Avenue à Fenton dans l'état du Michigan a développé des brides en aluminium recouverte d'une surface en acier inoxydable. La partie aluminium de la bride peut être 25 soudée sur un élément d'enveloppe d'une enceinte à vide et la surface en acier inoxydable permet d'écraser un joint métallique comme par exemple un joint en cuivre. Les brides de cette société sont largement utilisées dans des accélérateurs de particules de renom, notamment celui du CERN situé à proximité de Genève en Suisse. 30 La demanderesse a constaté des difficultés de mise en oeuvre de ces brides conduisant à un taux de rebus de l'ordre de 20% notamment du à l'apparition de fuites à la jonction inox / aluminium. Ces brides sont assemblées sur les éléments d'enveloppe des enceintes à vide par soudage par fusion, ce qui implique également des risques de porosité dans les 35 soudures. Un autre frein à l'utilisation de ces brides est leur prix élevé. 3050657 3 L'invention vise à pallier tout ou partie des problèmes cités plus haut en proposant une bride en alliage d'aluminium que l'on peut assembler 5 par soudage sur un élément d'enveloppe également en alliage d'aluminium. La bride selon l'invention présente une dureté suffisante permettant d'écraser un joint déformable. Il est possible de mettre en oeuvre un joint métallique monobloc, comme par exemple un joint en cuivre, aluminium, ou autre. Un joint comprenant une enveloppe métallique et un élément élastique interne io ou encore un joint élastomère peut également être utilisé. Un but de l'invention est d'éviter le recours à un dépôt d'acier inoxydable évitant ainsi la jonction entre acier inoxydable et aluminium. 15 A cet effet, l'invention a pour objet un composant d'assemblage d'une enceinte à vide, le composant comprenant un corps et une bride dont une surface est configurée pour presser un joint d'étanchéité contre une autre pièce mécanique. Selon l'invention, la bride est réalisée dans un alliage d'aluminium et la surface configurée pour presser un joint d'étanchéité est 20 recouverte d'un dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel. Le corps peut être un tube à section circulaire s'étendant selon un axe. La bride possède alors une forme de rondelle percée sensiblement au diamètre extérieur du tube la surface de la bride recouverte du dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel et s'étendant 25 principalement perpendiculairement à l'axe du tube. Le composant d'assemblage comprend avantageusement, à proximité de la bride, une surépaisseur disposée de façon à augmenter la section extérieure du corps sans modifier la section intérieure du corps. Selon un premier mode de réalisation du composant 30 d'assemblage, la bride et le corps forment deux pièces mécaniques réalisées séparément et configurées pour être assemblées par soudage. Dans le premier mode de réalisation, la bride et le corps peuvent être réalisés dans des alliages d'aluminium de références différentes selon la norme européenne EN 485-2. 3050657 4 Avantageusement, dans le premier mode de réalisation, la surépaisseur appartient au corps et comprend deux parties, dont une première partie s'étend dans le prolongement de la bride et dont une seconde partie s'étend au-delà de la bride le long de l'axe. Le soudage est avantageusement réalisé dans une zone en retrait par rapport à la surface. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'un composant d'assemblage selon l'invention dans lequel le dépôt métallique io comprenant majoritairement du nickel est réalisé de façon chimique. Le soudage de la bride sur le corps est avantageusement réalisé par friction malaxage. Après soudage, la surface peut être usinée localement au niveau de la soudure pour former la zone en retrait. 15 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple, description illustrée par le dessin joint dans lequel : 20 la figure 1 représente en coupe un premier mode de réalisation d'un composant d'assemblage mettant en oeuvre l'invention ; les figures 2a et 2b représentent en coupe partielle un corps et une bride formant une fois assemblés le composant de la figure 1 ; les figures 3a et 3b illustrent un procédé d'assemblage du corps et 25 de la bride ; les figures 4a et 4b représentent en coupe partielle l'assemblage de deux composants tels que représentés sur la figure 1 ; les figures 5a, 5b et 5c représentent en perspective et en coupe un second mode de réalisation de composant monobloc mettant en oeuvre 30 l'invention. Par souci de clarté, les mêmes éléments porteront les mêmes repères dans les différentes figures. La figure 1 représente un composant d'assemblage mécanique 10 35 de forme tubulaire en coupe par son axe longitudinal 12. Le composant 10 3050657 5 forme un élément d'enveloppe d'une enceinte à vide destiné à être assemblé de façon étanche à un autre élément d'enveloppe. L'assemblage est réalisé au moyen d'une bride 14 comprenant une surface plane 16 qui est par exemple perpendiculaire à l'axe 12. La bride 14 possède par exemple une 5 forme de rondelle plane s'étendant essentiellement perpendiculairement à l'axe 12 entre la surface plane 16 et une autre surface 17 parallèle à la surface 16. La bride 14 comprend plusieurs perçages 18 parallèles à l'axe 12. Les perçages 18 sont répartis autour de l'axe 12. L'autre élément d'enveloppe, non représenté, à assembler à l'élément 10, possède une autre io bride symétrique de la bride 14 par rapport à la surface 16. Un joint d'étanchéité est destiné à être pressé entre la surface 16 de la bride 14 et l'autre bride. Le pressage est assuré par des boulons traversant les perçages 18 et des perçages similaires de l'autre bride. Le joint est avantageusement un joint métallique, par exemple en cuivre, qui se déforme lors du pressage 15 des deux brides l'une contre l'autre. De façon plus générale, tout joint déformable dont la dureté est inférieure à celle de la surface 16 peut être mis en oeuvre. Le choix du joint dépend principalement de l'utilisation de l'enceinte à vide. Par exemple, pour un accélérateur de particules, les joints métalliques sont à préférer à cause d'un risque de dégazage inférieur à celui 20 d'un joint élastomère. La déformation du joint assure l'étanchéité de l'assemblage au niveau des brides. La surface 16 forme avantageusement le fond d'un lamage d'axe 12. Le lamage permet de maintenir le joint d'étanchéité en place avant son pressage. La surface 16 s'étend principalement perpendiculairement à l'axe 12. Il est possible de réaliser 25 dans la surface 16 des couteaux proéminents par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe 12. Ces couteaux viennent pénétrer le joint pour améliorer l'étanchéité de l'assemblage. La déformation du joint vient remplir les imperfections des couteaux. Le composant d'assemblage 10 représenté comprend un corps 20 30 tubulaire s'étendant autour de l'axe 12. Les enceintes à vide mises en oeuvre dans un accélérateur de particules sont utilisées pour y véhiculer un faisceau de particules se déplaçant selon l'axe 12 du tube d'où la forme tubulaire du corps 20. L'invention n'est pas limitée à cette configuration et peut être mise en oeuvre pour toute autre forme de composant d'enveloppe d'une enceinte 35 à vide, composant au niveau duquel un assemblage par bride est à réaliser. 3050657 6 Selon l'invention la surface 16 est recouverte d'un dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel. Ce dépôt permet d'augmenter la dureté de la surface 16. Le dépôt de nickel peut être réalisé de façon électrolytique. 5 Néanmoins on a constaté que ce procédé de dépôt manquait d'homogénéité dans l'épaisseur du dépôt notamment lorsque la surface 16 n'est pas rigoureusement plane, par exemple lorsque des couteaux y sont réalisés. En effet, un dépôt électrolytique tend à être plus important dès qu'une rupture de forme apparait du fait d'un effet de pointe. Un dépôt chimique de nickel est io donc préférable car plus régulier en épaisseur. Ce type de dépôt d'alliage de nickel peut se faire en milieu aqueux. On peut par exemple déposer un alliage de nickel comprenant de l'ordre de 10% en masse de phosphore. Dans certaines utilisations de l'enceinte à vide, il est préférable que le dépôt soit amagnétique. Une proportion de phosphore compris entre 10% et 12% 15 permet d'obtenir cette propriété. L'épaisseur de la couche d'alliage de nickel est choisie en fonction de la dureté souhaitée pour la surface 16. La présence de phosphore tend à réduire la dureté de la couche. Pour déformer un joint en cuivre ou autre, avec une proportion de phosphore de l'ordre de 10%, une épaisseur 20 supérieure à 10pm est suffisante. Avantageusement, une épaisseur supérieure à 30pm apporte une bonne étanchéité du revêtement en alliage de nickel. Cette étanchéité est utile du fait de la différence de couple galvanique entre l'aluminium le nickel et le cuivre risquant d'entrainer un risque d'oxydation de l'aluminium en cas de porosité de la couche d'alliage 25 de nickel. Des essais en interne sur une couche d'alliage de nickel de 30pm ont montré une dureté Vickers mesurée selon la norme EN-ISO 6507-1 comprise entre 23 et 27 HRC. Des essais comparables sur une bride réalisée en acier inoxydable de type 316L ont donné des valeurs comprises 30 entre 22 et 30 HRC. Ceci montre bien qu'un dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel fait sur une bride en alliage d'aluminium permet d'obtenir une dureté comparable à celle d'une bride réalisée en acier inoxydable massif. Afin d'améliorer la reprise, vers le corps 20, d'efforts encaissés par 35 la bride 14, il est possible d'augmenter l'épaisseur du corps 20 au niveau de 3050657 7 sa jonction avec la bride 14. Plus précisément, le corps 20 peut s'étendre le long de l'axe 12 avec une section intérieure constante au voisinage de la bride 14. A proximité de la bride 14, le corps 20 peut comprendre une surépaisseur 21 disposée de façon à augmenter sa section extérieure sans 5 modifier la section intérieure. Comme on l'a évoqué plus haut, il est avantageux de réaliser le corps 20 et la bride 14 en alliage d'aluminium. Dans le premier mode de réalisation, le corps 20 et la bride 14 sont être réalisés séparément et assemblés par soudage. Dans le cas d'un assemblage soudé, il est io préférable que le corps 20 et la bride 14 soient réalisés dans le même alliage ou dans des alliages de composition voisine afin d'améliorer l'homogénéité du cordon de soudure. La surépaisseur 21 permet de faciliter la réalisation de l'assemblage par soudage. La surépaisseur 21 peut comprendre deux 15 parties 21a et 21b. La partie 21b s'étend dans le prolongement de la bride 14 entre les surfaces 16 et 17. La partie 21a s'étend au-delà de la bride 14 et de sa surface 17, le long de l'axe 12. La section extérieure de la partie 21b est plus grande que la section extérieure de la partie 21a. 20 Les figures 2a et 2b représentent respectivement le corps 20 et la bride 14 avant leur assemblage et à distance l'un de l'autre. La surface 16 peut s'étendre à la fois sur la bride 14 et sur le corps 20. Afin d'assurer un positionnement reproductible de la bride 14 sur le corps 20, par exemple pour assurer l'alignement des deux parties de la 25 surface 16 l'une appartenant au corps et l'autre à la bride 14, il est possible de réaliser un épaulement 23 dans le corps 20 sur lequel vient prendre appui une face correspondante 24 de la bride 14. Le soudage de la bride 14 et du corps 20 peut être réalisé par fusion locale de la bride 14 et du corps 20. Pour l'aluminium, on peut 30 notamment utiliser un procédé de soudage à l'arc avec une électrode non fusible sous atmosphère de gaz neutre connu dans la littérature anglo-saxonne sous l'acronyme TIG pour « Tungsten Inert Gas ». Ce procédé impose des alliages d'aluminium spécifiquement adaptés au soudage. Ces alliages ont généralement des caractéristiques mécaniques plus faibles que 35 d'autres. De plus, le soudage par fusion et entraine des déformations des 3050657 8 pièces soudées et des porosités qui peuvent être préjudiciables à la réalisation d'une enceinte à vide Pour pallier ces inconvénients, la bride 14 et le corps 20 sont avantageusement soudés par friction malaxage. Ce procédé de soudage, 5 illustré à l'aide des figures 3a et 3b, consiste à assembler la bride 14 et le corps 20 en les amenant dans un état pâteux grâce à un pion 25 en rotation. Le soudage par friction malaxage permet d'assembler des alliages d'aluminium différents non soudable par fusion et sans déformation. Il est possible de mettre en oeuvre pour la bride un alliage d'aluminium ayant de io meilleures caractéristiques mécaniques que celle d'un alliage d'aluminium élaboré pour le soudage. Il est bien entendu possible d'assembler une bride en alliage non élaboré pour le soudage sur un corps qui, quant à lui est prévu pour le soudage afin d'y rapporter par soudage d'autres partie de l'enceinte à vide. 15 La figure 3a représente en perspective le pion 25 en rotation sur la surface 16 à l'interface entre la bride 14 et le corps 20. La figure 3b représente en coupe l'opération de soudage par friction malaxage. Le pion 25 comprend un doigt conique 26 destiné à pénétrer dans la matière à l'interface entre les deux pièces à souder. En début d'opération, le doigt 26 20 est appuyé sur la surface 16. Durant l'opération de soudage, une enclume 27 est disposée sous la bride 14 à en appui contre la surface 17 pour reprendre l'effort exercé par le pion 25. Lorsque la partie 21b de la surépaisseur 21 est présente, l'enclume 27 prend appui à la fois sur la bride 14 et sur le corps 20 par sa partie 21b. 25 La rotation du pion 25 génère un échauffement de la surface 16 dont le matériau devient pâteux. Le ramollissement des pièces à souder permet au doigt 26 de pénétrer dans l'interface entre la bride 14 et le corps 20. Le pion 26 parcourt l'ensemble de l'interface pour effectuer le soudage complet. Des essais concluants ont été réalisés avec une vitesse de rotation 30 du pion 25 de 1100 tr/min, un effort de 6 à 8 kN et une avance de 400 mm/min. Différents matériaux ont été testés, par exemple une bride 14 et un corps 20, tous deux en alliage d'aluminium de type 6083. Pour mémoire, les références des alliages d'aluminium sot issus de la norme européenne EN 485-2. Un autre essai concluant a été réalisé avec des 35 alliages différents, par exemple un alliage 6083 pour le corps 20 et un alliage 3050657 9 2017 pour la bride 14. Les alliages de la série 6000 (alliages d'aluminium contenant du magnésium et du silicium) sont connus pour leur aptitude à la déformation. Ils sont bien adaptés pour réaliser des profilés tels que le corps 20 formant un tube s'étendant selon son axe 12. Les alliages de la série 5 2000 (alliages d'aluminium contenant du cuivre) sont connus pour leur aptitude à l'usinage, ce qui facilite la fabrication de la bride 14. Ils sont aussi connus pour leurs caractéristiques mécaniques, notamment résistance élastique et résistance à la rupture, supérieures à celles des alliages de la série 6000. Le soudage par friction malaxage permet l'assemblage d'alliages io d'aluminium de séries différentes, même lorsque ceux-ci ne sont pas spécifiquement conçus pour le soudage. On peut ainsi profiter des propriétés mécaniques utiles pour la réalisation du corps 20 par étirage et les propriétés mécaniques utiles pour la réalisation de la bride 14 par usinage. Il est bien entendu possible de choisir d'autres séries d'alliage d'aluminium en fonction is du besoin. Les figures 4a et 4b représentent deux composants 10 assemblés par leur bride 14. Le joint pressé entre les surfaces 16 des deux brides porte la référence 28 et un boulon d'assemblage, la référence 30. Sur la figure 4a, 20 des couteaux 32, réalisés dans chacune des brides 14, permettent de déformer localement le joint 28. Alternativement sur la figure 4b, les surfaces 16 sont planes et des couteaux 33 sont réalisés dans le joint 28 de façon à être écrasés par les surfaces 16. Les couteaux 32 ou 33 permettent d'augmenter localement la pression dans l'assemblage entre deux brides 14 25 entre lesquelles un joint 28 est interposé. Cette pression locale améliore l'étanchéité de l'assemblage, ce qui est utile pour la réalisation d'une enceinte à vide. Le soudage du corps 20 et de la bride 14 est réalisé dans une zone 34 en retrait par rapport à la surface 16 revêtue du dépôt d'alliage de 30 nickel. Ce retrait est notamment utile lorsque le corps 20 et la bride 14 sont soudés par friction malaxage. Lors de la fin de l'opération de soudage, le pion 25 est extrait du composant 10 et peut déformer localement le composant 10. La déformation se situe alors dans la zone en retrait 34 et ne perturbe pas le pressage du joint 28. 3050657 Alternativement, il est possible de réaliser l'opération de soudage puis de ré usiner le corps 20 et la bride 14 au niveau du cordon de soudure pour former la zone en retrait 34. 5 Les figures 5a et 5b représentent en perspective un second mode de réalisation d'un composant d'assemblage 40 selon l'invention. La figure 5c représente en coupe le composant 40. A la différence du premier mode de réalisation, le composant d'assemblage 40 est monobloc. On retrouve un corps 42 et deux brides 44 et 46. La surface 16 de la bride 44 est plane io comme la bride 14 représentée sur la figure 4b. La bride 46 comprend, quant à elle, un couteau 32 comme la bride 14 représentée sur la figure 4a. Le corps 42 et les deux brides 44 et 46 sont par exemple réalisés par usinage dans un même bloc d'alliage d'aluminium. Comme dans le premier mode de réalisation on retrouve sur chacune des brides 44 et 46, la surface 16 recouverte d'un dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel. REVENDICATIONS1. Composant d'assemblage (10) d'une enceinte à vide, le composant comprenant un corps (20 ; 42) et une bride (14 ; 44, 46) dont une surface (16) est configurée pour presser un joint d'étanchéité (28) contre une autre pièce mécanique (10), caractérisé en ce que la bride (14 ; 44, 46) est réalisée dans un alliage d'aluminium et en ce que la surface (16) est recouverte d'un dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel. 2. Composant d'assemblage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps (20 ; 42) est un tube à section circulaire s'étendant selon io un axe (12) et en ce que la bride (14 ; 44, 46) possède une forme de rondelle percée sensiblement au diamètre extérieur du tube (20 ; 42), la surface de la bride (14 ; 44) recouverte du dépôt métallique comprenant majoritairement du nickel et s'étendant principalement perpendiculairement à l'axe (12) du tube (20 ; 42). 15 3. Composant d'assemblage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, à proximité de la bride (14), une surépaisseur (21) disposée de façon à augmenter la section extérieure du corps (20 ; 42) sans modifier la section intérieure du corps (20 ; 42). 4. Composant d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la bride (14) et le corps (20) forment deux pièces mécaniques réalisées séparément et configurées pour être assemblées par soudage. 5. Composant d'assemblage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bride (14) et le corps (20) sont réalisés dans des alliages d'aluminium de références différentes selon la norme européenne EN 485-2. 30 6. Composant d'assemblage selon l'une des revendications 4 ou 5 en tant que revendication dépendante de la revendication 3, caractérisé en ce que la surépaisseur (21) appartient au corps (20) et comprend deux parties, dont une première partie (21b) s'étend dans le prolongement de la 20 25 3050657 12 bride (14) et dont une seconde partie (21a) s'étend au-delà de la bride (14) le long de l'axe (12). 7. Composant d'assemblage selon l'une des revendications 4 à 6, 5 caractérisé en ce que le soudage est réalisé dans une zone (34) en retrait par rapport à la surface (16). 8. Procédé de réalisation d'un composant d'assemblage selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dépôt io métallique comprenant majoritairement du nickel est réalisé de façon chimique. 9. Procédé selon la revendication 8 de réalisation d'un composant d'assemblage selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé 15 en ce que le soudage de la bride (14) sur le corps (20) est réalisé par friction malaxage. 10. Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9 de réalisation d'un composant d'assemblage selon la revendication 7 caractérisé en ce 20 qu'après soudage, la surface (16) est usinée localement au niveau de la soudure pour former la zone en retrait (34).