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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 7 615 − 1 Collage des matériaux Mécanismes. Classiﬁcation des colles par Philippe COGNARD Ingénieur de l’École supérieure de physique et de chimie industrielles de Paris Directeur commercial à la société Bostik Findley Expert près les tribunaux usqu’à la seconde Guerre mondiale, l’assemblage des matériaux s’effectuait principalement par des moyens mécaniques : boulons, vis, rivets, brasage (des métaux), couture (des cuirs et textiles). Seuls la fabrication de meubles et l’emballage faisaient un peu appel au collage. C’est au cours de cette guerre que l’assemblage par collage a pris son essor. D’une part, le développement de nouveaux produits chimiques apportant de nouvelles propriétés d’adhérence, de durcissement nécessaire au contrôle de la prise des colles, de durabilité, entre autres, a permis d’adapter cette technique d’assemblage à d’autres applications. D’autre part, le collage a tiré partie du développement de l’industrie aéronautique en temps de guerre, les construc- teurs américains et anglais commençant à utiliser cette technique pour la fabri- cation d’éléments de structure d’avions en grandes séries. 1. Collage structural comparé aux autres méthodes d’assemblage............................................................................................ BM 7 615 - 2 2. Sollicitations. Forme et dimensionnement des joints.................. — 7 3. Mécanismes du collage : principes théoriques .............................. — 7 3.1 Déﬁnitions ................................................................................................... — 7 3.2 Adhésion ..................................................................................................... — 7 3.2.1 Mouillage............................................................................................ — 7 3.2.2 Adsorption physique ......................................................................... — 11 3.2.3 Forces de liaisons chimiques............................................................ — 11 3.2.4 Inﬂuence de la distance adhésif-substrat ........................................ — 11 3.3 Développement de la cohésion : prise de la colle ................................... — 12 3.4 Conclusions................................................................................................. — 12 4. Conception et calcul des joints collés.............................................. — 12 5. Principales familles de colles et adhésifs........................................ — 12 5.1 Adhésifs époxydes ..................................................................................... — 13 5.2 Adhésifs polyuréthanes réactifs................................................................ — 14 5.3 Colles thermodurcissables (UF , PF , MF , RF)............................................... — 15 5.4 Adhésifs à base de monomères polymérisables..................................... — 15 5.4.1 Adhésifs cyanoacrylates ................................................................... — 15 5.4.2 Adhésifs anaérobies.......................................................................... — 16 5.5 Adhésifs acryliques structuraux ou acryliques modiﬁés ........................ — 17 5.6 Adhésifs hot melts ou thermofusibles...................................................... — 18 5.7 Plastisols PVC.............................................................................................. — 19 5.8 Adhésifs élastomères, colles contact au néoprène ................................. — 19 5.9 Colles émulsions vinyliques et copolymères........................................... — 20 Pour en savoir plus ........................................................................... Doc. BM 7617 J COLLAGE DES MATÉRIAUX _______________________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. BM 7 615 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique Le marché du collage s’est alors élargi aux autres secteurs industriels. Ainsi, le marché français des colles et adhésifs est passé de quelque 5 000 t/an en 1920 à 400 000 t/an en 2000. L ’objet de cet article est l’étude des mécanismes d’adhérence, des caractéris- tiques des produits, des règles générales de conception, les principaux types de colles, adhésifs et produits d’étanchéité destinés à l’assemblage solide et per- manent des principaux matériaux structuraux ou semi-structuraux (métaux, matières plastiques, bois, verre, élastomères...). Cet article constitue la première partie d’un ensemble consacré au collage des matériaux : — Collage des matériaux. Mécanismes. Classification des colles [BM 7 615] ; — Collage des matériaux. Caractéristiques et mise en œuvre des colles [BM 7 616] ; — Collage des matériaux. Pour en savoir plus [BM 7 617]. Le collage des matériaux fait également l’objet de plusieurs articles spécialisés dans la collec- tion des Techniques de l’Ingénieur auxquels le lecteur pourra se reporter. Nota : L ’abréviation CND est utilisée pour contrôle non destructif. 1. Collage structural comparé aux autres méthodes d’assemblage Nous ne parlerons ici que du collage structural, qui consiste à utiliser des colles et adhésifs à hautes performances (solidité, cohésion élevées, résistance à la chaleur et à d’autres sollicitations et performances mécaniques élevées), aﬁn d’obtenir des assembla- ges durables dont la solidité est comparable à celle des matériaux constitutifs (métaux, plastiques, bois, verre...), et du collage semi- structural (déﬁni comme donnant des résistances au cisaillement de 4 à 10 MPa et des performances physico-chimiques moyennes). I Positionnement du collage La ﬁgure 1 positionne le collage par rapport aux autres métho- des d’assemblage des matériaux : — le tableau 1 compare les différentes méthodes d’assemblage des métaux : assemblage mécanique, soudage, brasage et collage ; — le tableau 2 indique comment choisir la méthode la plus appropriée pour l’assemblage des matières plastiques : collage, soudure (thermique, aux solvants, aux ultrasons, par induction, etc.) selon les plastiques à assembler. Figure 1 – Positionnement du collage par rapport aux autres méthodes d’assemblage Procédé de fabrication Assemblage Assemblage mécanique Assemblage thermique Assemblage physique/chimique Autres procédés de fabrication Séparable Pression Pression Fasteners Clips Vissage Rivetage Pliage Agrafage Sertissage Déformation Brasage Soudage Autoadhésif Collage Coulée remplissage Séparable Séparable Non ou difficilement séparable Non séparable Non séparable ______________________________________________________________________________________________________________ COLLAGE DES MATÉRIAUX Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique BM 7 615 − 3 (0) Tableau 1 – Comparaison des diverses méthodes d’assemblage des métaux Caractéristiques de l’assemblage Soudure autogène Brasage Assemblage mécanique (vis, rivets, boulons) Collage Métaux et matériaux pouvant être assemblés Métaux identiques difficile pour certains matériaux (Al, Ti). Métaux différents éventuel- lement. Matériaux différents (métal/métal, métal/plas- tique, plastique/bois...). Tous matériaux différents. Formes et dimensions des pièces Surfaces grandes, moyennes, petites (par cordon de soudure). Permet un assemblage bout à bout. Surfaces toutes dimen- sions. Permet un assemblage bout à bout. Pièces de toutes formes mais avec un dimensionne- ment et une conception adéquate préalable des par- ties à assembler. Pièces de toutes formes et toutes dimensions, mais le joint doit travailler en cisaillement uniquement. Pas d’assemblage bout à bout. Exemples typiques de pièces assemblées Plaques, à plat ou en angle, cornières, renforts. Plaques, à plat ou en angle, cornières, renforts, petites pièces (électronique). Brides, capots, angles, tôles. Renfort, pièces de révolu- tion, cornières, encas- trements à plat. Planéité des pièces, surfa- çage, usinage des pièces, préparation des surfaces Seule la partie soudée doit avoir une configuration adaptée (fraisée...). Seule la partie soudée doit avoir une configuration adaptée (fraisée...). Préfluxage. Nécessité de percer des trous et tarauder les pièces. Bonne planéité nécessaire à l’endroit de l’assemblage. Pièces planes et parallèles à l’endroit de l’assemblage. Traitement de surface du métal. Impossibilités Certains métaux ou alliages ne peuvent pas être soudés (fonte, cuivre, bronze, zinc). Certains assemblages de deux métaux différents sont impossibles (...). Difficulté avec les petites pièces (mais technique utili- sée en horlogerie) et avec les matériaux ne pouvant pas être usinés, percés. Aucune impossibilité. Permanence de l’assem- blage, démontage, répara- tion Assemblage permanent. Assemblage destiné à être permanent (mais que l’on peut dessouder). Assemblage aisément démontable. Réparation facile. Permanent. Non démontable. Répartition des contraintes (cf. figure 2) Parfois irrégulière. Bonne. Contraintes concentrées à l’endroit des trous, vis, rivets et boulons. Excellente répartition des contraintes de cisaillement sur toute la surface, mais mauvaise dans le cas du cli- vage ou du pelage. Résistance mécanique Peut être très élevée. Peut être très élevée. Peut être très élevée. Élevée en cisaillement. Faible en clivage ou pelage. Résistance à la fatigue, aux vibrations Bonne mais doit être étu- diée. Bonne mais doit être étu- diée. Les assemblages peuvent se desserrer lorsqu’ils sont soumis aux vibrations. Excellente résistance à la fatigue. Apparence Bonne mais cordons de soudures apparents et fai- sant relief. Légère distorsion des tôles. Bonnes mais cordons de soudures apparents et fai- sant relief. Possible distorsion légère des pièces. Saillie des têtes de rivets et boulons. Permet d’obtenir des surfa- ces lisses. Joints invisibles. Surfaces non marquées. Poids Neutre vis-à-vis du poids. Globalement neutre vis-à-vis du poids. Alourdit la structure (impor- tant en aéronautique). Permet de réduire le poids des structures assemblées grâce à l’utilisation de pièces plus minces. Résistance à la chaleur Très haute résistance (égale à celle des métaux assem- blés). Résistance élevée (égale à celle du métal d’apport). Très haute résistance (égale à celles des métaux en pré- sence). Limitée (température maxi- male de 120 °C pour les col- les époxydes et de 300 °C pour les colles thermosta- bles). Résistance à l’eau, à la corrosion Excellente. Très peu de risque de corro- sion. Bonne. L’eau n’a pratiquement pas d’action sur les assemblages. Possibilité de corrosion bimétallique. Risque de corrosion si les assemblages sont sous ten- sion. Équipement, outillage nécessaires Poste de soudure avec bou- teilles de gaz. Poste de soudure moins onéreux que pour la sou- dure. Manuel, simple. Simple pour collages à froid. Système de chauffe pour collage à chaud. Main-d’œuvre Doit être qualifiée. Doit être qualifiée. Peu qualifiée. Doit être qualifiée. Soigneuse dans la prépara- tion. Contrôles de fabrication Contrôles non destructifs (CND) : examen visuel, essai d’étanchéité, radiogra- phie (à rayons X notam- ment), ultrasons, etc. CND : examen visuel, essai d’étanchéité, radiographie (à rayons X notamment), ultrasons, etc. Contrôle visuel (présence des vis, boulons, rivets), vérification du serrage des vis et boulons. Simples. Diverses méthodes : — éprouvettes suiveuses : — tractionnement ; — CND : examen visuel, essai d’étanchéité, radiogra- uploads/Industriel/ bm7615-pdf.pdf