La mesure de la tension de serrage par ultrasons : un nouveau standard dans l'industrie

Le serrage en tension

La nécessité de mesurer la tension des boulons est devenue essentielle dans de nombreux secteurs industriels, tels que l'automobile, l'énergie, le ferroviaire, l'aéronautique et l'industrie lourde. Ces domaines, qui sont particulièrement sensibles, exigent des outils de serrage et de mesure précis. En effet, la fiabilité de ces outils est cruciale pour garantir le maintien optimal des assemblages mécaniques, assurer la sécurité des opérations et prévenir les éventuelles défaillances ou ruptures.

Dans un contexte où la qualité et la performance sont des priorités absolues, la capacité à mesurer avec précision la tension des boulons revêt une importance stratégique, contribuant directement à la fiabilité et à la durabilité des équipements et des structures. Cet article se penchera sur l'utilisation des ultrasons pour mesurer la tension de serrage.

Penser en tension du bureau d'étude à l'opération de serrage

Durant l’étape de conception, considérons que le BE 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 est impossible d’établir un lien direct entre le couple et la tension rigoureusement 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 importantes : les assemblages sont surdimensionnés, le montage est donc plus difficile et plus long et la maintenance et les coûts d’exploitations conséquents. La maîtrise de la tension de serrage  permet de réduire ces facteurs, car il rétablit une continuité entre les différents services : toutes les équipes travaillent 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).

Pour en savoir plus, découvrez l'article sur la méthode de mesure du serrage.

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.

Tension (daN) = K x Allongement ultrasonore (ns)

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.