Vis, rivet, soudure ou collage : à quoi sert un assemblage fileté

Ce que coûte vraiment le filetage

Mieux vaut en dresser la liste sans détour : chaque point est ailleurs sur ce site un sujet d’ingénierie à part entière, et l’on peut facilement les rencontrer un par un sans remarquer qu’ils ont une cause commune.

• Un trou, et un trou libre concentre les contraintes. La solution de Kirsch de 1898 donne un facteur 3 au bord d’un trou circulaire dans une plaque infinie en traction uniaxiale, rapporté à la contrainte à distance. Prudence avec ce chiffre : rapporté à la section nette, il tend vers 2 à mesure que le trou grandit par rapport à la largeur, si bien que citer « 3 » sans préciser à quelle contrainte on le rapporte ne veut pas dire grand-chose. Ce qui reste, c’est la forme du problème – un trou libre est un endroit où la contrainte dépasse la moyenne, et un assemblage qui n’avait pas besoin de trou n’en a jamais créé
• La précharge est de l’énergie stockée, et elle fuit. L’écrasement des surfaces de contact et les mouvements transversaux la réduisent tous deux, et la vitesse dépend de facteurs que l’on ne maîtrise pas forcément ; c’est pourquoi la longueur serrée s’avère être une variable de conception et non un reste
• Le montage devient un procédé contrôlé. Un couple de serrage, parfois une séquence, parfois un resserrage – et le couple est un mauvais indicateur de l’effort de serrage que l’on voulait réellement
• Le coût par assemblage, ce sont les pièces plus la pose plus le contrôle, répétés pour chaque unité que l’on fabriquera jamais

Ce que chaque solution apporte, et ce qu’elle coûte

C’est à la ligne du rivet qu’une comparaison bien rangée déraille d’ordinaire. Un rivet a lui aussi besoin d’un trou, mais il le remplit, et sa pose développe à la fois un effort de serrage et des contraintes résiduelles autour du trou – ce n’est donc ni un trou libre ni un assemblage sans précharge. Ce qui lui manque, c’est un filet qui puisse se dévisser, et un chiffre que l’on puisse inscrire sur un plan.

La question qui tranche

La résistance réduit la liste avant tout le reste – une colle sollicitée en pelage, une soudure sur un matériau non soudable, un clipsage à une température où le polymère se relaxe sont tous écartés pour une question de capacité, pas de préférence. Mais dès que plusieurs procédés franchissent ce filtre, la résistance cesse en général de décider, et la question devient :

• Combien de fois cet assemblage sera-t-il ouvert pendant la vie du produit ?
• L’effort de serrage remplit-il une fonction ? Assurer l’étanchéité d’un joint, transmettre une charge transversale par frottement, maintenir un contact électrique, tenir un assemblage sous une charge variable. Il n’a pas besoin d’être écrit sur le plan pour agir – mais si personne ne sait dire à quoi il sert, mieux vaut le savoir avant de débattre des valeurs de couple
• Par qui, et avec quels outils ? Un assemblage ouvert une fois en usine avec une presse est un autre problème qu’un assemblage ouvert par un technicien sur une échelle
• Que se passe-t-il en fin de vie ? Si la réponse est un recycleur qui sépare les matériaux, c’est une véritable ouverture, et peut-être la seule

Puis les deux raisons de votre choix commencent à se contrarier

On choisit une vis pour sa démontabilité, puis l’assemblage se desserre, et la réponse est un frein-filet. Cela mérite qu’on s’y arrête, car un produit de freinage fort sur une vis rend une partie de la propriété pour laquelle on a payé.

Parfois, c’est exactement ce qu’il faut – un grade démontable tient contre les vibrations et se démonte encore avec des outils à main. Un grade fort n’est pas non plus une catastrophe ; les fabricants prescrivent un chauffage localisé et des outils à main pour le retirer. Mais il vaut la peine de remarquer ce qui s’est passé : l’assemblage devient plus difficile à ouvrir, alors que c’est précisément pour cela que le filetage avait été acheté, et de toute façon le frein-filet ne traite qu’une des deux façons dont une vis se desserre. Si la réponse dérive sans cesse vers la permanence, la question à reposer est de savoir s’il fallait vraiment l’ouvrir.

Là où la vis l’emporte vraiment

• Accès pour l’entretien – tout ce qu’un technicien ouvre, tout ce qui passe en réparation sous garantie
• Réglage – un alignement à régler après le montage, ou à reprendre plus tard
• Matériaux différents qui ne se soudent pas, quand une colle exigerait une polymérisation pour laquelle la ligne n’a pas le temps
• Démontage réglementé – batteries et autres composants qui doivent être séparables en fin de vie
• Petites séries, où l’outillage des clips ou les gabarits de soudage ne s’amortissent pas

Dans chacun de ces cas, le filetage achète quelque chose de précis. C’est le test : nommez ce à quoi sert la démontabilité avant de dérouler la spécification (en anglais), car le reste de cet ordre de décision suppose que cette question a reçu une réponse.

Cet article traite de l’étape 1 : support. L’ordre complet est support, filetage, tête, empreinte, finition et documentation. L’article anglais Specifying a screw explique pourquoi le modifier entraîne une reprise.

Questions fréquentes

Quand ne faut-il pas utiliser de vis ?

Quand aucune des deux choses pour lesquelles le filetage est bon n’est utilisée. Le filetage permet de démonter et remonter un assemblage avec des outils ordinaires, et de régler l’effort de serrage sur une valeur choisie par quelqu’un. L’essentiel du coût est engagé dans tous les cas : un trou, une précharge qu’il faut établir puis maintenir face à l’écrasement des surfaces de contact et aux mouvements, et un serrage qu’il faut contrôler. Si l’assemblage est monté une fois et jamais entretenu, et que personne ne sait dire à quoi sert son effort de serrage, on paie le filetage sans l’utiliser.

Un rivet évite-t-il la concentration de contraintes que crée une vis ?

Pas la même. Un rivet a besoin d’un trou, mais il le remplit, et sa pose développe un effort de serrage et des contraintes résiduelles autour du trou – le résultat du trou libre ne se transpose donc pas directement. La solution de Kirsch de 1898 donne un facteur 3 au bord d’un trou circulaire libre dans une plaque infinie en traction uniaxiale, rapporté à la contrainte à distance ; rapporté à la section nette, il tend vers 2 à mesure que le trou grandit par rapport à la largeur. Un assemblage riveté porte bien un effort de serrage. Ce qui lui manque, c’est un filet qui puisse se dévisser, ou une valeur de précharge que l’on puisse spécifier et vérifier.

Pourquoi la soudure ou le collage évitent-ils le problème du trou ?

Ils évitent le trou de fixation, ce qui n’est pas la même chose qu’éviter la concentration de contraintes. Une soudure a les siennes, au pied et à la racine du cordon, et les fissures de fatigue des assemblages soudés s’y amorcent presque toujours – sans compter une zone affectée thermiquement, des déformations et des limites sur les matériaux et les géométries assemblables. Une colle répartit la charge sur une surface plutôt que sur un bord de trou, et le fait payer en préparation de surface, temps de polymérisation, limites de température, d’humidité et de fluage, faiblesse en pelage et en clivage, et un joint difficile à contrôler une fois réalisé.

Le recours au frein-filet signifie-t-il que l’assemblage n’aurait pas dû être vissé ?

Parfois, et c’est une question plutôt qu’un verdict. Un grade démontable qui tient un assemblage contre les vibrations est une conception raisonnable, et même les grades forts se retirent – les fabricants prescrivent un chauffage localisé avec des outils à main. Mais en ajouter un rend l’assemblage plus difficile à ouvrir, ce qui est l’une des deux choses pour lesquelles le filetage avait été acheté ; si la spécification dérive sans cesse vers la permanence, il vaut la peine de se demander s’il fallait vraiment l’ouvrir.

Qu’est-ce qui départage les procédés ?

La résistance réduit d’abord la liste – une colle sollicitée en pelage, une soudure sur un matériau non soudable, un clipsage à une température où le polymère se relaxe sont écartés pour une question de capacité. Dès que plusieurs procédés franchissent ce filtre, tout dépend du nombre d’ouvertures sur la vie du produit, de qui ouvre et avec quels outils, et de la fonction éventuelle de l’effort de serrage, comme l’étanchéité ou la transmission d’une charge par frottement. Un assemblage ouvert une fois en usine avec une presse est un autre problème qu’un assemblage ouvert par un technicien sur une échelle, et la séparation pour recyclage en fin de vie compte comme une ouverture, même si c’est la seule.

Références

• Concentrations de contraintes aux trous — la solution de Kirsch (1898)
• TWI — dans les assemblages soudés, les fissures de fatigue s’amorcent au pied ou à la racine du cordon
• VDI 2230 Blatt 1 — calcul systématique des assemblages vissés fortement sollicités