Comment sont fabriqués les goujons (stud screws) : guide complet

La fabrication actuelle des goujons montre à quel point les procédés industriels modernes peuvent être précis. Il s’agit d’un domaine avancé de l’ingénierie qui associe la science des métaux à des procédés mécaniques de haute précision pour produire des pièces essentielles aux structures résistantes de nombreux secteurs. Cet article va au-delà des notions générales et propose une analyse technique détaillée destinée aux professionnels de l’ingénierie. Nous décomposerons l’ensemble du procédé : science des matériaux qui détermine les performances, formage et création des filets qui apportent la résistance, contrôles qualité stricts qui garantissent la fiabilité et tendances qui façonnent l’avenir du secteur. Pour les ingénieurs et les spécialistes qualité, comprendre l’évolution de la microstructure des grains pendant le roulage des filets est aussi important que le contrôle dimensionnel final. Ce guide explique donc la science à l’origine de l’une des fixations les plus importantes de l’ingénierie.

Qu’est-ce qu’un goujon ?

Avant de détailler le procédé de fabrication, il faut définir clairement les termes techniques. Un goujon, ou stud screw, est une fixation sans tête dotée d’un filetage extérieur. Contrairement à un boulon, qui possède une tête à une extrémité et s’utilise avec un écrou, un goujon est fileté à ses deux extrémités. Il peut ainsi être installé de façon permanente dans un trou taraudé à une extrémité, par exemple dans une pièce de fixation, tandis que l’autre extrémité reçoit un écrou. Cette conception convient aux applications qui exigent un alignement précis ou des démontages fréquents sans endommager le filetage du matériau de base.

Les goujons sont classés selon la conception de leur filetage et leur usage prévu :

• Goujons à filetage intégral: le filetage est continu d’une extrémité à l’autre. Ils sont utilisés pour les applications générales de bridage et de boulonnage nécessitant un contact complet du filetage.
• Goujons à extrémité courte : ils possèdent un filetage court à une extrémité, conçu pour être installé dans un trou taraudé, et un filetage plus long à l’autre extrémité pour recevoir un écrou. La différence de longueur des filetages est un point essentiel de la conception.
• Goujons à double extrémité: similaires aux goujons à extrémité filetée, mais leurs deux extrémités filetées ont la même longueur et sont séparées par une partie centrale non filetée. Ils sont utilisés pour le boulonnage de brides ou d’autres applications où deux écrous sont utilisés.
• Goujons à souder : type spécialisé conçu pour être soudé à un matériau de base, avec une extrémité chargée en flux qui facilite le soudage à l’arc.

Ces composants sont essentiels dans les environnements fortement sollicités, notamment les pipelines de pétrole et de gaz, les blocs moteurs automobiles et les grands projets de construction.

Pour garantir la clarté des spécifications, un système de désignation normalisé est utilisé. Par exemple, la désignation « M12x1.75 – 8.8 » correspond à un goujon métrique de diamètre nominal 12 mm, avec un pas de filetage gros de 1,75 mm et une classe de qualité 8.8, indiquant une résistance mécanique précise.

Analyse technique des matériaux

Le choix de la matière première est la première étape, et sans doute la plus critique, de la production des goujons. Sa composition chimique et sa microstructure déterminent les propriétés mécaniques, notamment la résistance à la traction, la dureté, la ductilité et la résistance à des facteurs environnementaux comme la corrosion et la température. Ce choix n’est pas aléatoire : il résulte d’une décision calculée en fonction de l’application finale de la fixation et des performances requises. L’ingénieur doit faire correspondre la nuance du matériau aux sollicitations de service afin de garantir l’intégrité structurelle et la sécurité à long terme.

Aciers au carbone et aciers alliés

Les aciers au carbone et les aciers alliés sont les matériaux de référence de l’industrie de la fixation grâce à leur excellent rapport résistance/coût et à leur polyvalence. Ils sont classés selon des classes de qualité (ISO 898-1) ou des nuances (ASTM).

• Classe de qualité 8.8 : acier au carbone moyen trempé et revenu, avec une résistance minimale à la traction de 800–830 MPa. C’est un choix courant pour les applications structurelles haute résistance.
• Property Class 10.9: A quenched and tempered alloy steel with a minimum tensile strength of 1040 MPa, offering higher strength for more demanding loads.
• Classe de qualité 12.9 : acier allié haute résistance, également trempé et revenu, offrant une résistance minimale à la traction de 1220 MPa pour les applications critiques fortement sollicitées.
• ASTM A193 Grade B7 : acier allié au chrome-molybdène largement utilisé à haute température et haute pression dans les brides et les appareils sous pression. Sa résistance minimale à la traction est de 860 MPa et il conserve sa résistance à température élevée.

Aciers inoxydables

Pour les applications qui exigent une résistance à la corrosion, les aciers inoxydables sont le premier choix. L’ajout de chrome, généralement supérieur à 10,5 %, crée en surface une couche d’oxyde protectrice qui protège l’acier contre les agressions de l’environnement.

• Acier inoxydable 304 (A2) : membre de la famille austénitique, c’est l’acier inoxydable le plus courant. Il offre une excellente résistance à la corrosion dans de nombreux environnements atmosphériques. Sa résistance à la traction typique est comprise entre 500 et 700 MPa. Il ne résiste pas aux milieux chlorurés.
• Acier inoxydable 316 (A4) : également austénitique, mais allié au molybdène. Cet élément renforce fortement la résistance aux chlorures, ce qui en fait le matériau privilégié pour les applications marines, côtières et de traitement chimique. Sa résistance mécanique est similaire à celle de l’acier inoxydable 304.

Alliages spéciaux

Dans les environnements extrêmes, caractérisés par des températures exceptionnellement élevées, une corrosion chimique agressive ou un besoin de rapport résistance/poids élevé, on spécifie des alliages spéciaux.

• Inconel (par ex. 625, 718) : superalliage à base de nickel-chrome qui présente une résistance exceptionnelle et une excellente résistance à l’oxydation jusqu’à 1000 °C (1800 °F).
• Titane : connu pour son rapport résistance/poids élevé et son excellente résistance à la corrosion, notamment aux chlorures. Il est utilisé dans les secteurs aéronautique et maritime lorsque le poids est un facteur déterminant.

Tableau 1 : analyse comparative des matériaux courants pour goujons

Le plan de fabrication

La transformation d’un simple fil d’acier en un goujon à haute intégrité est un procédé en plusieurs étapes dans lequel chaque étape est contrôlée avec précision pour s’appuyer sur la précédente. La séquence vise non seulement à donner sa forme à la pièce, mais aussi à améliorer ses propriétés mécaniques.

1. Préparation de la matière première

Le procédé commence par de grandes bobines de fil machine. Ce fil est d’abord tréfilé à travers une série de filières afin de réduire son diamètre à la dimension précise requise pour la taille de goujon concernée. Ce tréfilage commence également à écrouir le matériau. Après le tréfilage, le fil peut subir un recuit — un processus de traitement thermique qui adoucit l’acier, soulage les contraintes internes et améliore son aptitude à être formé lors des opérations de mise en forme suivantes.

2. Formage/frappe à froid

Pour les goujons qui nécessitent une section centrale non filetée ou une collerette particulière, l’étape suivante est le formage à froid, également appelé frappe à froid. Des longueurs de fil coupées, ou ébauches, sont introduites dans une machine où un système de matrice et de poinçon applique une pression extrême pour façonner le métal à température ambiante. Il s’agit d’un procédé de forgeage, et non de coupe. Son principal avantage réside dans son effet sur l’écoulement des grains du matériau. Au lieu d’être coupée, la structure granulaire interne du métal est forcée de suivre les contours de la matrice, ce qui produit un composant plus résistant et plus durable, doté d’une meilleure résistance à la fatigue.

3. Formation des filets : roulage ou coupe

Il s’agit de l’étape de fabrication la plus critique, car elle définit la résistance finale et la fiabilité du goujon. Deux méthodes principales sont utilisées : le filetage par enlèvement de matière et le roulage des filets.

Le filetage par enlèvement de matière est un procédé d’usinage traditionnel dans lequel un outil de coupe retire de la matière de l’ébauche pour créer le profil du filet. Bien qu’efficace pour réaliser des filetages sur mesure ou de très grand diamètre, il présente un inconvénient d’ingénierie important : il coupe l’écoulement des grains du matériau. Cela crée des concentrations de contraintes, en particulier au fond du filet, qui peuvent devenir des points d’amorçage de fissures de fatigue sous des charges répétées.

Le roulage des filets est un procédé de formage à froid. L’ébauche non filetée, dont le diamètre sur flancs est défini, est roulée entre deux ou trois filières en acier trempé. Ces filières présentent le profil négatif du filet et, sous une pression considérable, déplacent la matière pour former les fonds et les sommets du filet. Cette méthode ne retire aucune matière. Elle déforme plastiquement la surface et offre plusieurs avantages essentiels :

• L’écoulement ininterrompu des grains suit le contour du filet, ce qui augmente considérablement la résistance.
• Le procédé crée des contraintes résiduelles de compression au fond du filet, qui s’opposent aux charges de service en traction et augmentent fortement la durée de vie en fatigue — jusqu’à 30 % ou davantage par rapport aux filets usinés.
• L’action de roulage polit la surface du filet et produit une finition plus lisse et plus dure, qui réduit le frottement et le grippage.

Tableau 2 : comparaison technique : roulage des filets et filetage par enlèvement de matière

4. Traitement thermique

Pour les goujons en acier au carbone ou en acier allié qui doivent présenter une résistance élevée (par exemple classes 8.8, 10.9 et 12.9), le traitement thermique est une étape obligatoire. Le procédé comprend généralement une trempe et un revenu. Les goujons sont chauffés à une température d’austénitisation (environ 850 à 900 °C), puis refroidis rapidement (trempés) dans l’huile ou l’eau. Cette opération crée une structure martensitique très dure mais fragile. Pour rétablir la flexibilité et la ténacité, ils sont ensuite revenus : réchauffés à une température plus basse et maintenus pendant une durée précise avant refroidissement. Cette dernière étape maîtrise précisément le compromis entre dureté et ténacité afin d’atteindre la classe de propriété visée.

5. Finition de surface et revêtement

La dernière étape de fabrication est l’application d’un revêtement de surface. Elle répond à deux objectifs principaux : la protection contre la corrosion et la modification du frottement.

• Zingage : un revêtement courant et économique qui offre une protection anticorrosion sacrificielle.
• Galvanisation à chaud : procédé dans lequel les goujons sont immergés dans du zinc en fusion, créant un revêtement épais, durable et très résistant à la corrosion, souvent utilisé pour les applications structurelles extérieures.
• Revêtement phosphaté : il offre une résistance modérée à la corrosion et constitue une excellente base pour la lubrification ou la peinture, tout en aidant à maîtriser le frottement lors du serrage.

Garantie de l’intégrité et de la qualité

Dans les applications critiques, la défaillance d’un seul goujon peut avoir des conséquences catastrophiques. Un programme d’assurance qualité (AQ) rigoureux n’est donc pas facultatif : il fait partie intégrante de la production des goujons. Son objectif est de vérifier que chaque lot respecte les spécifications dimensionnelles, mécaniques et matière précises exigées par les normes internationales.

Inspection dimensionnelle et visuelle

C’est la première ligne de défense. Chaque lot de goujons est inspecté pour vérifier sa conformité aux spécifications géométriques. Le contrôle porte notamment sur les diamètres majeur et mineur, le pas du filet et la longueur totale, à l’aide d’outils tels que des pieds à coulisse et des micromètres. Pour les profils de filetage, des jauges de filetage conformes/non conformes spécialisées vérifient l’ajustement et l’interchangeabilité. Des comparateurs optiques et des systèmes de vision avancés peuvent fournir une analyse sans contact encore plus détaillée de la forme du filet.

Test des propriétés mécaniques

Pour vérifier la réussite de la sélection du matériau et des traitements thermiques, des essais destructifs sont réalisés sur un échantillon statistique de chaque lot de production. Ils confirment que la fixation peut supporter les charges spécifiées.

• Essai de traction : un goujon est soumis à une traction dans une machine d’essai afin de déterminer sa résistance ultime à la traction (contrainte maximale qu’il peut supporter) et sa limite d’élasticité (contrainte à laquelle il commence à se déformer de façon permanente).
• Essai de charge d’épreuve : il s’agit d’un essai de traction critique, conçu pour être non destructif. Le goujon est soumis à une charge déterminée — généralement autour de 90 % de sa limite d’élasticité — pendant une courte durée. Après déchargement, il ne doit présenter aucun signe d’allongement permanent. L’essai prouve que la fixation peut supporter sa charge de calcul sans se rompre.
• Essai de dureté (Rockwell/Vickers) : cet essai mesure la résistance de la matière à la déformation plastique localisée. Il s’agit d’un moyen rapide et efficace de vérifier la réussite du traitement thermique, car la dureté est directement liée à la résistance à la traction pour une matière donnée.

Contrôle non destructif (CND)

Pour les applications à haute intégrité, des méthodes END sont utilisées pour détecter les défauts de surface invisibles à l’œil nu, tels que les fissures ou les replis susceptibles d’entraîner une défaillance prématurée. Le contrôle par magnétoscopie (MPI) est couramment utilisé pour des matériaux ferromagnétiques tels que les aciers au carbone et les aciers alliés. Le goujon est magnétisé et des particules de fer sont appliquées sur sa surface. Tout défaut débouchant en surface perturbe le champ magnétique, ce qui provoque l’accumulation des particules et révèle le défaut.

D’après l’expérience acquise sur le terrain, la fragilisation par l’hydrogène est l’un des modes de défaillance les plus dangereux. Elle peut se produire lors du nettoyage acide ou de l’électrodéposition, lorsque des atomes d’hydrogène diffusent dans le réseau cristallin de l’acier. La matière haute résistance devient alors fragile et sujette à une rupture brutale et catastrophique sous charge, souvent bien en dessous de sa résistance de calcul. Pour prévenir ce risque, une étape essentielle du contrôle qualité consiste à effectuer un dégazage après placage, généralement à 190–220 °C pendant plusieurs heures, afin d’éliminer l’hydrogène absorbé. La vérification de ce dégazage par une maîtrise rigoureuse du procédé et une documentation complète est indispensable pour tout goujon haute résistance revêtu. Les normes clés applicables à ces méthodes d’essai comprennent l’ISO 898-1 pour les propriétés mécaniques et l’ASTM F606, norme d’essai des fixations.

Tableau 3 : essais essentiels de contrôle qualité pour les goujons à haute intégrité

L’avenir des fixations

Le secteur de la production des goujons n’est pas statique. Il évolue constamment sous l’effet de la demande de performances supérieures, d’une fiabilité accrue et d’une meilleure efficacité de fabrication. Plusieurs tendances clés façonnent l’avenir de cette industrie fondamentale.

Précision grâce à l’usinage CNC

Le formage à froid et le roulage des filets sont idéaux pour la production en série, tandis que l’usinage CNC (commande numérique par ordinateur) offre une précision et une flexibilité inégalées pour les applications spécialisées. Pour les petites séries, les géométries très complexes ou les goujons de très grand diamètre pour lesquels les matrices de roulage sont peu pratiques, les centres de tournage et de fraisage CNC peuvent produire des pièces avec des tolérances extrêmement serrées. Cette solution permet de fabriquer des fixations sur mesure en alliages spéciaux pour des secteurs comme l’aéronautique et les sports mécaniques.

L’essor des fixations intelligentes

Une évolution majeure consiste à intégrer directement la technologie des capteurs dans les fixations. Des goujons « intelligents » peuvent recevoir des jauges de contrainte ou des capteurs piézoélectriques intégrés, qui permettent de surveiller en temps réel la force de serrage d’un assemblage boulonné. Cette technologie est précieuse pour les applications critiques telles que les pales d’éoliennes, les ponts et les machines industrielles, car elle permet une maintenance prédictive en détectant toute perte de précharge avant qu’elle n’entraîne la défaillance de l’assemblage.

Industrie 4.0 : automatisation et données

Les principes de l’industrie 4.0 transforment la production des goujons et orientent les usines vers des environnements automatisés pilotés par les données.

• Inspection optique automatisée : des caméras haute vitesse associées à des algorithmes d’intelligence artificielle peuvent désormais inspecter 100 % des pièces produites et détecter les défauts dimensionnels ou de surface bien plus rapidement et régulièrement que des inspecteurs humains.
• Surveillance du procédé : des capteurs installés sur les machines de roulage des filets et de frappe peuvent surveiller en temps réel les forces, les températures et les vibrations. Ces données permettent de prévoir l’usure des outils, d’ajuster automatiquement les paramètres du procédé et d’éviter la production de pièces non conformes.
• Full Traceability: By laser-marking each batch or even individual studs with a unique identifier, manufacturers can create a complete digital record. This “digital thread” links a specific fastener back to its raw material heat number, manufacturing date, machine parameters, and all test de contrôle de la qualité résultats, offrant un niveau inédit de responsabilité et de traçabilité pour les composants critiques.

Synthèse scientifique

La fabrication de goujons de haute qualité est loin d’être une simple production de pièces standard. Elle associe de manière sophistiquée la science des matériaux, l’ingénierie mécanique et la métrologie. Les performances et la fiabilité du composant final ne sont pas le fruit du hasard : ce sont des propriétés conçues et intégrées à chaque étape. L’ensemble du procédé forme une chaîne de dépendances : le choix du matériau détermine les performances potentielles, le roulage des filets renforce la résistance intrinsèque et la durée de vie en fatigue, et un programme rigoureux d’assurance qualité vérifie que le résultat final satisfait aux normes exigeantes de l’ingénierie moderne. Ces composants apparemment simples sont les piliers discrets et essentiels qui garantissent la sécurité et la fiabilité des structures et machines les plus critiques au monde.

• ASME - Société américaine des ingénieurs en mécanique https://www.asme.org/
• ASM International – société savante des matériaux https://www.asminternational.org/
• ASTM International https://www.astm.org/
• Institut des fixations industrielles (IFI) https://indfast.org/
• NFDA – Association nationale des distributeurs de fixations https://www.nfda-fastener.org/
• Manufacturing Global https://manufacturingglobal.com/
• Manufacturing.net https://www.manufacturing.net/
• Blog de la National Association of Manufacturers (Shopfloor) https://www.nam.org/
• Blog de Jabil Manufacturing https://www.jabil.com/blog
• Blog de MacroFab Manufacturing https://www.macrofab.com/blog/

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• Vis à six pans creux
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