Coller du métal sur du métal sans soudage : qu’est-ce qui détermine la résistance d’un assemblage collé ?
Coller du métal sur du métal peut, dans certaines applications industrielles, constituer une alternative au soudage ou aux fixations mécaniques. Mais quelle résistance peut réellement offrir un assemblage collé ? La réponse ne dépend pas uniquement de la résistance de l’adhésif utilisé.
Les performances finales résultent de l’ensemble du système d’assemblage : le support métallique, la préparation des surfaces, l’adhésif, la géométrie de l’assemblage, l’application et les sollicitations en service.
Un produit présentant une résistance mécanique élevée sur sa fiche technique ne garantit donc pas automatiquement un assemblage solide. Une géométrie défavorable ou une préparation de surface insuffisante peut avoir davantage d’influence sur le résultat final que la résistance théorique de l’adhésif lui-même.
Peut-on coller solidement du métal sur du métal ?
Oui. Avec des adhésifs structuraux adaptés, des pièces métalliques peuvent être assemblées de manière solide et durable. Ces adhésifs sont conçus pour transférer les efforts d’une surface à l’autre et peuvent notamment être utilisés pour le collage de plaques, de supports, de brides ou d’autres composants métalliques.
Contrairement au soudage traditionnel, le soudage à froid, également appelé cold bonding ou collage à froid, ne nécessite pas de faire fondre localement le métal pour réaliser l’assemblage. Il n’y a donc pas de zone affectée thermiquement comme lors d’un soudage et aucun travail à chaud n’est nécessaire pour créer la liaison.
Les efforts peuvent également être répartis sur une surface collée relativement importante plutôt que d’être concentrés uniquement au niveau d’un cordon de soudure ou de quelques points de fixation mécanique.
Cela ne signifie toutefois pas que le collage est systématiquement plus performant ou plus adapté que le soudage. La solution appropriée dépend de la construction, des sollicitations, des conditions de service et de la manière dont l’assemblage peut être conçu.
De quoi dépend la résistance d’un assemblage collé ?
La résistance d’un assemblage métal sur métal ne dépend pas uniquement de la résistance à la traction ou au cisaillement de l’adhésif. La préparation des surfaces, la géométrie de l’assemblage, la direction des efforts, la surface de recouvrement, l’épaisseur du joint de colle, le choix du matériau, le durcissement et les conditions de service influencent également ses performances.
Il ne suffit donc pas de se demander : quelle est la résistance de cette colle pour métal ? Une question au moins aussi importante est : comment cette résistance sera-t-elle sollicitée dans l’assemblage réel ?
1. La préparation des surfaces : la base d’une bonne adhérence
Un adhésif ne peut fonctionner correctement que s’il peut effectivement adhérer au support. L’huile, les graisses, les produits de corrosion, les saletés, les anciens revêtements et d’autres contaminants peuvent former une barrière entre l’adhésif et le métal.
La préparation d’une surface métallique comprend donc généralement un nettoyage et un dégraissage, suivis d’une préparation des surfaces mécanique appropriée. Selon le support et le système adhésif, cela peut notamment impliquer un ponçage, un meulage ou un décapage par projection d’abrasif.
Un profil de surface adapté favorise l’adhérence. L’objectif n’est toutefois pas simplement de rendre la surface aussi rugueuse que possible. La préparation doit être compatible avec le matériau du support et avec le système de collage utilisé.
Après la préparation, il faut également éviter autant que possible toute nouvelle contamination de la surface avant l’application de l’adhésif.
Lorsqu’un assemblage collé se rompt, l’emplacement de la rupture peut fournir des informations importantes. Si l’adhésif se détache directement du métal, on parle de rupture adhésive à l’interface. Si la rupture se produit dans la masse de l’adhésif et qu’une couche de matériau reste présente sur les deux surfaces, il s’agit d’une rupture cohésive.
Cette distinction peut aider à identifier l’origine d’une défaillance.
2. La conception de l’assemblage
La géométrie de l’assemblage est l’un des facteurs les plus importants dans le collage structural. Un même adhésif peut se comporter très différemment dans deux assemblages conçus de manière différente.
Les assemblages collés sont généralement plus favorables lorsque les efforts peuvent être répartis sur une surface aussi grande et aussi régulière que possible. Les configurations dans lesquelles les contraintes sont fortement concentrées sur un bord sont, au contraire, plus défavorables.
Sollicitation en cisaillement
En cisaillement, les deux surfaces collées ont tendance à glisser l’une par rapport à l’autre. Une partie importante de la surface collée peut alors participer au transfert des efforts.
Un assemblage à recouvrement peut donc constituer une géométrie intéressante pour le collage structural.
Cela ne signifie toutefois pas que les contraintes sont parfaitement uniformes sur toute la longueur du recouvrement. Des concentrations de contraintes plus élevées peuvent notamment apparaître aux extrémités de l’assemblage.
Sollicitation en traction
Dans le cas d’une traction pure, les deux surfaces sont tirées perpendiculairement l’une par rapport à l’autre tandis que l’effort est réparti sur la surface collée.
Cette configuration peut également être relativement favorable pour un adhésif, à condition que la conception de l’assemblage évite que la sollicitation se transforme localement en pelage ou en clivage.
Sollicitations en pelage et en clivage
Lors d’une sollicitation en pelage ou en clivage, l’effort se concentre davantage sur un bord de l’assemblage.
Au lieu que l’ensemble de la surface collée reprenne simultanément la charge, la rupture peut commencer localement sur le bord du joint. Les contraintes locales peuvent alors être nettement plus élevées.
C’est pourquoi, lorsque cela est possible, les assemblages collés sont conçus afin de favoriser le cisaillement, la compression ou une traction bien répartie, tout en limitant autant que possible les sollicitations de pelage et de clivage.
Prenons l’exemple d’un support métallique. Si sa géométrie fait en sorte que la charge tente de décoller le support à partir d’un seul côté, l’adhésif est soumis à une sollicitation défavorable. Une autre orientation, une bride supplémentaire ou un recouvrement mieux dimensionné peut permettre de transférer une plus grande partie de l’effort en cisaillement sur la surface collée.
3. La surface collée et la longueur de recouvrement
Une surface de collage plus importante peut offrir davantage de surface pour transférer les efforts. Il serait toutefois trop simple d’en conclure que doubler la surface collée permet automatiquement de doubler la résistance de l’assemblage.
Les contraintes ne sont en effet pas toujours réparties uniformément dans un joint collé.
Dans un assemblage à recouvrement, des concentrations de contraintes peuvent par exemple apparaître aux extrémités. Leur importance dépend notamment de la géométrie, de la rigidité et de l’épaisseur des composants ainsi que des propriétés de l’adhésif.
Lors de la conception, il faut donc considérer non seulement le nombre de centimètres carrés disponibles, mais surtout la manière dont les efforts traversent réellement l’assemblage.
4. L’épaisseur du joint de colle
L’épaisseur de la couche d’adhésif, ou bond line thickness, fait elle aussi partie de la conception de l’assemblage.
Appliquer davantage d’adhésif entre deux pièces métalliques ne signifie pas automatiquement créer une liaison plus résistante. Les propriétés mécaniques et la répartition des contraintes peuvent évoluer lorsque le joint devient plus épais ou plus mince.
Inversement, la couche la plus fine possible n’est pas systématiquement la meilleure solution.
L’épaisseur appropriée dépend notamment du type d’adhésif, des surfaces, de la géométrie et de l’application. Pour les assemblages structuraux, les spécifications et données de conception du système adhésif concerné doivent donc être prises en compte.
5. Choisir le bon adhésif pour l’application
Lors du choix d’une colle industrielle pour métal, il peut être tentant de sélectionner simplement le produit présentant la valeur de résistance la plus élevée sur sa fiche technique.
Pour concevoir un assemblage fiable, davantage de paramètres doivent être pris en compte.
Il faut notamment considérer :
- Le type de métal ou la combinaison de matériaux
- La direction et l’intensité des efforts
- Les charges statiques ou cycliques
- La température en service
- Les variations de température
- L’humidité ou l’immersion
- L’exposition aux produits chimiques
- Les vibrations et les impacts
- Le temps de travail disponible
- Les conditions pendant l’application
Une résistance élevée au cisaillement mesurée en laboratoire ne signifie par exemple pas automatiquement que le même adhésif constitue le meilleur choix pour un assemblage principalement soumis au pelage, à des températures élevées ou à des sollicitations cycliques.
Une valeur indiquée sur une fiche technique décrit une propriété du matériau dans des conditions d’essai déterminées. Elle ne correspond pas directement à la charge admissible de n’importe quel assemblage.
6. L’application et le durcissement
Même un assemblage correctement conçu utilisant un adhésif approprié peut présenter de moins bonnes performances lorsque l’application n’est pas réalisée correctement.
Pour les systèmes bicomposants, le respect du rapport de mélange et une homogénéisation complète des composants sont notamment importants. L’adhésif doit également assurer un bon contact avec les deux surfaces préparées.
Pendant l’assemblage, les composants doivent rester dans la position prévue.
Une pression excessive peut, dans certains cas, expulser une quantité trop importante d’adhésif hors du joint. À l’inverse, un contact insuffisant peut entraîner des vides ou une épaisseur de colle irrégulière.
Le durcissement fait lui aussi partie intégrante du processus. L’assemblage doit atteindre un degré de durcissement suffisant avant d’être soumis aux sollicitations prévues. La durée nécessaire dépend du produit utilisé et notamment de la température ambiante.
7. Température, produits chimiques et autres conditions de service
Un assemblage ne doit pas seulement être suffisamment résistant au moment de sa réalisation. Il doit continuer à remplir sa fonction dans les conditions auxquelles il sera exposé pendant son utilisation.
Un assemblage peut par exemple subir quotidiennement des variations de température. Lorsque deux matériaux présentent des coefficients de dilatation différents, ils peuvent se dilater et se contracter différemment, ce qui introduit des contraintes supplémentaires dans le joint.
L’humidité, les produits chimiques, les vibrations, les impacts et les sollicitations mécaniques variables peuvent également jouer un rôle.
Sur des équipements dynamiques, la fatigue constitue un autre facteur important. Une charge qu’un assemblage supporte sans problème une seule fois peut produire un effet différent lorsqu’elle est répétée des milliers ou des millions de fois.
Les conditions de fonctionnement doivent donc idéalement être prises en compte dès la conception de l’assemblage et le choix du matériau, et non uniquement après la sélection de l’adhésif.
Quand le collage du métal peut-il remplacer le soudage ?
Coller du métal sans soudage peut être intéressant lorsqu’il est possible de concevoir un assemblage adapté et lorsque les travaux à chaud sont indésirables, difficiles ou soumis à des restrictions.
Cela peut notamment être le cas lorsque :
- Les travaux à chaud doivent être évités
- La déformation provoquée par un apport local de chaleur n’est pas souhaitable
- Des éléments métalliques relativement minces doivent être assemblés
- Différents matériaux doivent être reliés
- Une surface de contact suffisante permet de répartir les efforts
- Un équipement existant doit être modifié ou réparé sur site
Lors d’un soudage traditionnel, les matériaux sont localement affectés par la chaleur. Avec un adhésif polymérisable à froid, cet apport thermique n’est pas nécessaire pour créer l’assemblage.
Un assemblage collé répond toutefois à d’autres principes de conception qu’un assemblage soudé. Remplacer directement une soudure existante par un adhésif sans réévaluer la géométrie et les efforts appliqués n’est donc pas une bonne approche de conception.
Collage métal sur métal avec Belzona
Belzona propose différents composites polymérisables à froid destinés à la réparation et à l’assemblage de composants métalliques. Cette approche est également appelée cold bonding, collage à froid ou soudage à froid : les pièces métalliques sont assemblées au moyen d’un adhésif sans apport de chaleur nécessaire à la création de la liaison.
Le collage à froid peut notamment être utilisé pour fixer des plaques métalliques, des supports et d’autres composants. Dans le domaine de la maintenance industrielle, il peut également faire partie d’une réparation lors de laquelle du métal existant est reconstruit, réparé ou associé à un nouveau composant métallique.
Le collage n’est donc pas uniquement une méthode d’assemblage destinée aux constructions neuves. Il peut également s’intégrer dans une réparation de composants métalliques sur des équipements existants.
La méthode appropriée dépend fortement de l’application. La reconstruction d’un métal corrodé ou endommagé n’impose pas les mêmes exigences au matériau qu’un assemblage collé conçu pour transmettre en permanence des efforts mécaniques.
Il est donc important de déterminer d’abord la fonction de la réparation ou de l’assemblage, puis de choisir le système en fonction de cette fonction.
Pour les assemblages structuraux spécifiquement conçus, Belzona 7311 peut être utilisé comme adhésif structural bicomposant. Lors de la sélection et de la conception d’un tel assemblage, il faut notamment tenir compte des sollicitations en cisaillement, en traction ou en clivage, ainsi que des charges cycliques.
Les données mécaniques et d’adhérence d’un produit peuvent être utiles pour les calculs d’ingénierie, mais elles doivent toujours être interprétées dans le contexte de la méthode d’essai utilisée et de la construction réelle.
Pour les applications critiques, la géométrie et les sollicitations doivent donc être prises en compte dans la conception de l’assemblage. Lorsque cela est nécessaire, des données de matériau peuvent être utilisées pour des calculs d’ingénierie ou des méthodes de modélisation telles que l’analyse par éléments finis (FEA).
Cela illustre un principe essentiel du collage structural : il ne suffit pas de déterminer si l’adhésif lui-même est suffisamment résistant. Il faut avant tout déterminer si l’ensemble de l’assemblage est adapté aux efforts et aux conditions rencontrés en service.
Un assemblage solide ne dépend pas uniquement de la colle
Le collage métal sur métal permet de réaliser des assemblages résistants, mais leur résistance finale ne peut pas être déduite d’une seule valeur figurant sur une fiche technique.
Un assemblage fiable repose sur la combinaison suivante :
Support adapté + préparation correcte des surfaces + adhésif approprié + géométrie correctement conçue + application et durcissement maîtrisés + évaluation des sollicitations réelles en service.
Pour les applications structurales ou soumises à des charges critiques, l’assemblage complet doit donc être évalué.
Connaître à l’avance les efforts, les températures, l’exposition chimique et les autres conditions de fonctionnement permet non seulement de sélectionner un adhésif approprié, mais surtout de concevoir un assemblage dans lequel le matériau peut réellement exploiter ses propriétés.
Coller du métal dans votre application
Vous envisagez de coller du métal sur du métal dans le cadre d’une réparation, d’une modification ou d’un nouvel assemblage ? Il est alors préférable de ne pas commencer uniquement par le choix d’un adhésif, mais par l’analyse de l’application complète.
Le support, la géométrie, les sollicitations et les conditions de service déterminent ensemble quelle solution peut convenir. Perspect Belgique peut vous accompagner avec des conseils techniques concernant le choix du matériau, la préparation des surfaces et la mise en œuvre de l’assemblage.