Le contrôle du serrage par ultrasons

Trois options sont disponibles pour le contrôle du serrage par ultrasons : la sonde de mesure avec un liquide de couplage, les vis équipées d'un capteur piézoélectrique collé et les vis instrumentées à un capteur permanent.

Table des matières

Le contrôle du serrage par ultrasons

Il est important de rappeler que le serrage par vissage vise à établir une tension d’assemblage entre deux pièces, assurant ainsi leur maintien en condition statique ou face à des sollicitations dynamiques. Dans ce processus, les pièces assemblées et le boulon agissent comme des ressorts de différentes rigidités. Lorsqu’une force est appliquée, les pièces sont comprimées, et le boulon est étiré. Par la suite, autour de cette position d’équilibre, les sollicitations engendrent des forces alternatives sur le boulon et l’assemblage. Les instruments de contrôle de serrage par ultrasons sont utilisés pour surveiller l’effort d’assemblage au moment du serrage, ainsi que son évolution au fil du temps.

Pourquoi contrôler la tension 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.

Quels enjeux dans la mesure du serrage par ultrasons ?

Certains assemblages, en raison de leur conception et des contraintes d’utilisation, doivent être contrôlés pour vérifier la tension appliquée lors du serrage ainsi que pendant la durée de vie du système complet. Parmi les technologies existantes, la mesure par ultrasons appliquée aux vis est celle qui offre la plus grande précision.
Cet enjeu revêt une grande importance, car cette méthode permet d’optimiser la conception tout en assurant la sécurité de fonctionnement de l’équipement. Les retombées sont positives, notamment en termes de réduction des coûts liés à une panne, à une rupture ou même au coût de fabrication du produit.
La technologie de contrôle de la tension de serrage par ultrasons fait partie des nombreux moyens de mesure disponibles. Sur le plan mécanique, la longueur des boulons augmente conformément à la loi de Hooke. Un effet plus significatif est la diminution de la vitesse du son à travers la matière. Ainsi, en utilisant les ultrasons, il est possible de mesurer les effets conjugués de la réduction de leur vitesse de propagation et de l’augmentation de l’allongement du boulon. Cela conduit à mesurer un accroissement du temps de trajet de ces ultrasons, sur lequel est appliquée une compensation liée aux effets de la température.

Les différentes méthodes ultrasons

Dans le cadre de cette technologie, diverses variantes sont disponibles pour la génération des ultrasons et la mesure de la tension de serrage, notamment :

  • Utilisation d’une sonde de mesure avec un liquide de couplage.
  • Mise en place de vis instrumentées équipées d’un capteur piézoélectrique collé.
  • Adoption de vis instrumentées avec un capteur permanent.

La méthode avec sonde de mesure et liquide couplant : un must

La méthode du contrôle du serrage par ultrasons utilisant une sonde de mesure et un liquide de couplage, repose sur le principe suivant : le signal électrique émis par la sonde est acheminé vers le boulon via le liquide de couplage, induisant la génération d’une onde ultrasonore.

Cette méthode repose sur la transmission efficace du signal électrique par le liquide de couplage, qui agit comme un médium facilitant la propagation des ondes ultrasonores. Cette transmission permet de mesurer la tension de serrage du boulon, fournissant des données précises sur l’état de l’assemblage.

L’approche où l’opérateur rapproche et retire la sonde au moment approprié offre une flexibilité d’utilisation, facilitant le processus de mesure. Cependant, elle demande une vigilance constante de la part de l’opérateur pour garantir la stabilité de la sonde et la présence correcte du liquide de couplage, facteurs déterminants pour des mesures précises et fiables. L’expérience montre que l’opérateur effectue parfaitement cette tâche après seulement quelques mesures.

De plus cette méthode permet de suivre l’évolution de chacune des vis dans le temps car les datas de serrage de chaque boulon sont enregistrées dans l’appareil de contrôle de serrage ce qui permet une traçabilité exemplaire de chaque opération de serrage.
L’article qui détaille cette méthode est à consulter sur notre site.

En dépit de l’efficacité de cette méthode, nous notons que d’autres techniques peuvent contourner l’utilisation du liquide de couplage. Ces alternatives peuvent être explorées en fonction des besoins spécifiques de l’application, mais la méthode traditionnelle avec liquide de couplage reste largement adoptée en raison de sa fiabilité, sa rapidité de mise en place et de sa précision dans la mesure de la tension de serrage.

Les vis instrumentées avec capteur piézoélectrique collé : une méthode de labo

La méthode de contrôle du serrage par ultrasons avec des vis instrumentées ( avec capteur piézoélectrique collé) implique l’application manuelle d’un capteur/générateur piézoélectrique directement sur la vis. Dans ce scénario, la colle utilisée remplit la fonction de liquide couplant. Une fois que le capteur est en place, sa position ne nécessite plus d’attention particulière. On peut ensuite approcher la sonde de mesure et générer l’onde ultrasonore pour évaluer la tension d’assemblage.

L’installation de ce type de capteur est généralement simple. Cependant, elle n’est pas adaptée à une utilisation fréquente en milieu industriel ni à des processus de production complexes, car la mise en place de cette méthode sur chacune des vis de l’assemblage peut prendre du temps. De plus, cette approche peut être limitée lorsque la tête de la vis n’est pas accessible pendant le serrage en raison de la configuration ou de la structure des pièces à assembler.

Cette méthode, bien qu’efficace pour des tests en laboratoire, se révèle obsolète et inefficace pour des applications sur site industriel nécessitant le serrage de nombreuses vis et boulons. Certes, elle peut être pertinente dans des situations impliquant un petit nombre de vis à serrer, mais son inefficacité en termes de rapidité et de praticité la rend moins adaptée pour des environnements industriels exigeants, privilégiant ainsi des alternatives, comme les appareils de mesure avec sonde et couplant,  plus efficaces et adaptées à des conditions de production intensives.

un ensemble de vis instrumentées de différentes tailles

Les vis instrumentées avec capteur permanent : une aberration économique

La méthode de contrôle du serrage par ultrasons avec vis instrumentées (avec capteur permanent)  implique l’installation permanente d’un capteur/générateur directement sur la vis. Ce capteur est créé par le dépôt de fines couches métalliques dans un four à électrodéposition sous vide, devenant ainsi une composante intégrale de la vis sans être intrusif, car son épaisseur n’excède généralement que 30 à 120 microns.
Pour générer le signal ultrasonore nécessaire à la mesure, il est essentiel de mettre en contact une sonde de mesure avec le capteur. Cette sonde peut être amovible, permettant une utilisation flexible, ou demeurer en permanence sur le boulon. Cependant, cette méthode exige une préparation minutieuse, car chaque vis doit être équipée d’un capteur permanent. Cette opération peut représenter un coût substantiel et nécessite un investissement en temps considérable.
Cette approche coûteuse et chronophage en termes de préparation offre l’avantage de fournir une mesure continue de la tension de serrage avec peu d’erreur étant donné que le capteur est intégré de manière permanente à la vis. Cependant, sa pertinence dépend largement des exigences spécifiques de l’application et de la fréquence d’utilisation de cette méthode dans un contexte donné.

Tableau comparatif des 3 méthodes :

 

Sonde & liquide couplant

Vis avec capteur collé

Vis avec capteur permanent

Erreur due au couplant

Moyen

OK

OK

Utilisation des propriétés matériaux

OK

OK

OK

Erreur opérateur

Moyen

OK

OK

Mesure en maintenance

OK

Moyen

Moyen

Influence de la température

OK

OK

OK

Traçabilité

OK

Moyen

1OK

Précision

OK

OK

OK

Préparation

OK

Mauvais

Mauvais

Coût additionnel

OK

Moyen

Mauvais