La mesure de la tension de serrage par ultrasons
La mesure de la tension de serrage des boulons constitue aujourd'hui un besoin universel au sein de l'industrie, dans des domaines variés tels que la fabrication automobile, la production d'énergie, l'industrie ferroviaire, l'aéronautique, ainsi que l'industrie lourde. Ces secteurs, exigeants requièrent une grande précision en matière d'instruments de serrage et de mesure de celui-ci. En effet, la fiabilité de ces instruments est cruciale pour garantir le maintien optimal des assemblages mécaniques, assurer la sécurité des opérations et prévenir toute défaillance potentielle. Dans un contexte où les exigences de qualité et de performance sont au cœur des préoccupations, la capacité à mesurer avec précision la tension de serrage des boulons revêt une importance stratégique, contribuant directement à la robustesse et à la durabilité des équipements et des structures. Aujourd'hui, nous nous interesserons à la mesure de la tension par l'usage des ultrasons.
Raisonner en tension : du bureau d'étude jusqu'à l'opération de serrage
En partant de l’étape de conception, considérons que le Bureau d’Études détermine le dimensionnement de son assemblage ainsi que les matériaux qui le composent afin de répondre, notamment, à des objectifs de tenue mécanique. Cette démarche se base sur la notion de tension de serrage. Lors de la définition des méthodes d’assemblage, dans 90 % des cas, le processus de serrage est mis en œuvre en appliquant un couple de serrage. Malgré l’existence d’abaques et de formules de calcul, il n’est pas toujours aisé d’établir un lien direct entre le couple et la tension, car de nombreux paramètres peuvent entraîner des dispersions significatives dans la tension appliquée (plage et dispersion du coefficient de frottement principalement et dispersion liée à la précision de l'outil). Cet écart conceptuel et opérationnel provoque une rupture dans le processus de développement et d’industrialisation des produits. Pour pallier à cette discontinuité, les concepteurs doublent, par précaution, leurs marges de sécurité sur toutes les pièces qu’ils dessinent et les vis qu’ils prescrivent. Les conséquences sont coûteuses :
– Les assemblages sont surdimensionnés
– Le montage est donc plus difficile et plus long
– La maintenance et les coûts d’exploitations sont plus conséquents.
La maîtrise du serrage en tension permet de réduire ces facteurs, car il rétablit une continuité entre les différents services : toutes les équipes raisonnent en tension.
En quoi consiste la mesure du serrage par les ultrasons ?
Le principe de mesure est simple. Il implique la mesure de l'allongement de la vis ou du goujon sous l'influence de la tension générée par le serrage. Étant donné que cette élongation est proportionnelle à la tension (en supposant, pour l'instant, que l'on se limite au domaine élastique), il devient possible de déduire la tension en appliquant simplement un coefficient.
Le traducteur ultrasonore posé sur la tête de la vis ou du goujon agit comme un émetteur qui transforme l’impulsion électrique fournie par le système de mesure en une onde ultrasonore qui va se propager longitudinalement dans le matériau de la vis. Ensuite, comme un récepteur qui va recueillir l’onde ultrasonore très affaiblie qui s’est réfléchie sur le fond de la vis, pour la transformer en un signal électrique qui sera traité par le système de mesure.
Le traducteur ultrasonore, placé sur la tête de la vis ou du goujon, exécute cette opération, qui est répétée à une fréquence de plusieurs centaines ou milliers de fois par seconde.
À chaque "tir", le système de mesure chronomètre le temps écoulé entre l'émission de l'impulsion et le retour de son écho. Bien que le principe soit similaire à celui du sonar, la vitesse élevée de propagation des ultrasons (environ 5800 m.s-1 dans l'acier) et la résolution requise pour l'allongement (quelques micromètres) exigent une résolution de mesure du temps de l'ordre de la nanoseconde (1E-9 s).
La longueur ultrasonore : le concept central
On dénomme "longueur ultrasonore" le temps mesuré par le système. Il n'est pas impératif de connaître avec précision la vitesse de propagation des ultrasons dans le matériau. À l'état initial, au repos, une longueur ultrasonore Li est mesurée. Après serrage, à l'état final, une longueur ultrasonore Lf est mesurée. Cette élongation ultrasonore (Lf - Li) résulte de deux facteurs : l'allongement mécanique de la vis et la diminution de la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore due à la tension introduite dans le matériau.
En général, l'effet de la vitesse prédomine largement et est variable selon le matériau. Bien que le système ne puisse pas distinguer ces deux causes, des recherches, dont celles du CETIM en France sur une période de quarante ans, ont démontré que leur combinaison est proportionnelle à la tension, rendant ainsi la méthode applicable.
Le rapport de proportionnalité entre l'élongation ultrasonore (la grandeur mesurée) et la tension induite (la grandeur recherchée) est établi par un étalonnage préalable de l'assemblage. Une maquette représentative de l'assemblage (avec le même type de vis et sur la même longueur serrée), est soumise à des efforts calibrés, par exemple sur une machine de traction. Pour chaque valeur de tension mesurée par la machine de traction, le système de mesure enregistre l'élongation ultrasonore correspondante. Le système calcule alors et enregistre le coefficient de proportionnalité K, exprimé en daN.ns-1 ou kN.ns-1.
Tension (daN) = K x Allongement ultrasonore (ns)
Pour aller plus loin, consultez la méthode de la mesure de tension par ultrasons expliquée en détail.
Le système de mesure TRAXX-M2
L'appareil TRAXX-M2 est l'un des systèmes qui permet de réaliser ces mesures. Le TRAXX-M2 est un système de mesure de tension de serrage par ultrasons qui permet de contrôler avec une très grande précision le serrage d’assemblages vissés. Il permet de maîtriser la qualité des assemblages sur site et de contrôler le serrage de liaisons vissées.
Il est conçu pour être employé sur site industriel étant portable, robuste et IP64. Il performe sur tout types de boulons et fonctionne même avec des vis brutes, non rectifiées. Il effectue également une correction de température sur les mesures. L'avantage de ce système est qu'il procède de manière non-intrusive : la mesure ne modifie pas l’état de l’assemblage ni la nature de la vis, à la différence des solutions des vis instrumentées avec capteur piézo-électrique ou avec capteur permanant et des vis à fibre optique.
In fine, deux avantages se dessinent à utiliser un système de mesure de tension de serrage :
– En conception, le système permet de tester la résistance des assemblages et d’observer leurs propriétés et leurs limites mécaniques. In fine, cela se traduit par un perfectionnement et parfois un allègement du design des pièces à assembler.
– Au montage, l’utilisation du système permet de contrôler que la tension installée entre les pièces est conforme à celle prescrite par les équipes en conception.
Prestations de mesures clef en main
Vous souhaitez mesurer les tensions de vos assemblages vissés ? Etre formés à la mesure ? En savoir plus sur l'appareil de mesure Traxx M2 ?