Contrôle du couple de serrage des boulons et des assemblages vissés
Une enquête réalisée aux États-Unis auprès des responsables de services dans l’industrie automobile a révélé que 23 % des problèmes rencontrés étaient dus à des fixations lâches, et que 12 % des voitures neuves avaient des fixations desserrées. Les informations et techniques présentées ci-dessous sont destinées à aider les ingénieurs à garantir que leurs fixations filetées sont serrées à la pré-charge souhaitée.
Introduction au contrôle du couple de serrage
La recherche constante d’une meilleure qualité des assemblages vissés dans l’industrie a eu un impact sur l’évaluation de la mesure des couples de serrage sur les lignes d’assemblage. Il ne suffit plus de visser un écrou jusqu’à ce qu’il s’arrête en espérant qu’il soit suffisamment serré.
Les assemblages boulonnés peuvent être une source de préoccupation pour les ingénieurs. Un seul boulon mal serré peut entraîner la défaillance de l’assemblage dans son ensemble. Un couple de serrage trop élevé entraîne le risque de voir la tige du boulon ou le filetage se détériorer. Un couple de serrage trop faible débouche sur une tension insuffisante. Le non-respect des spécifications de serrage peut avoir des conséquences fâcheuses sur la fiabilité de l’assemblage. De telles défaillances surviennent soit lors de l’assemblage en production, soit lors de la maintenance du produit, après sa mise en service.
Les deux cas sont évidemment indésirables.
Le couple de serrage, une méthode encore très répandue
La méthode la plus courante de contrôle du serrage des fixations filetées consiste à les serrer jusqu’à atteindre un couple spécifié. Cette méthode est généralement connue sous le nom de contrôle du couple. Le principal problème lié à cette méthode est que la force de serrage ( autrement dit, la tension de serrage) générée en appliquant un couple dépend de la conception de la fixation et des conditions de frottement lors du serrage. Des paramètres qui sont difficilement, voir même impossible à maîtriser.
Malgré ces problèmes majeurs, c’est toujours le moyen le plus courant de s’assurer qu’un boulon respecte une spécification de serrage.
D’où les statistiques effrayantes, citées précédemment, sur l’industrie automobile.
Les frottements, le problème majeur du serrage au couple
Le problème avec le couple, pour contrôler indirectement la force de serrage dans la fixation, est que seule une petite partie du couple est réellement transmise en tension dans le boulon, pour l’étendre. La majorité de la force est absorbée par le frottement entre la face de l’écrou et le joint et dans les filets. Certaines fixations utilisent un insert en nylon ou ont un filetage déformé de sorte qu’un couple est nécessaire pour visser l’écrou sur un boulon non serré. Il est intéressant de noter que, pour la même tension dans le boulon, le couple de serrage requis entre les types de boulons prédominants et non prédominants varie de moins de 4 %. Le type d’écrou à couple prédominant entraîne cependant une précharge significativement inférieure (16 %). Un exemple de la répartition du couple dans la fixation pour un boulon M10 de classe de propriété 10.9 est la suivante :
Tension de serrage (étirement du boulon) : 10 %
Frottement dans les filets : 25%
Frottement sous la tête de vis : 65%
Contrôle du couple de serrage
Le contrôle du couple de serrage est connu sous le nom d’audit de couple. La plupart des grandes entreprises manufacturières réalisent des audits de qualité en interne sur leurs assemblages, incluant la vérification que les fixations filetées ont été serrées de manière à respecter les spécifications techniques.
Il existe deux approches pour auditer le couple . La première est dynamique, où le couple est mesuré directement par l’utilisation de transducteurs en ligne attachés à l’outil de serrage. La deuxième approche consiste en ce qu’un opérateur ou un inspecteur mesure le couple après que le serrage soit terminé.
Contrôle dynamique du couple de serrage
La méthode dynamique donne des résultats indépendants de la précision de lecture de l’opérateur. Généralement, des outils de serrage alimentés sont utilisés en conjonction avec un système de collecte de données informatisé. Étant donné que cette méthode permet le stockage et la récupération automatiques des données de serrage, elle peut être un outil important pour le contrôle statistique des processus. L’inconvénient de cette méthode est qu’elle est généralement coûteuse en termes de coûts et des compétences techniques nécessaires pour le support.
Contrôle du couple après l’assemblage
Il existe trois méthodes de base pour vérifier les couples appliqués aux boulons après leur installation ; à savoir, la prise de lecture sur un manomètre de couple lorsque :
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La douille commence à se déplacer de la position serrée dans le sens du serrage. Cette méthode est souvent appelée la méthode du « crack-on ».
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La douille commence à se déplacer de la position serrée dans le sens du desserrage. Cette méthode est souvent appelée la méthode du « crack-off ».
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La fixation est resserrée jusqu’à une position marquée. Avec la méthode de la « fixation marquée », la douille approche une position marquée dans le sens du serrage. Des marques claires sont d’abord tracées sur la douille et sur la surface du joint qui restera stationnaire lorsque l’écrou sera tourné. (Évitez de tracer sur les rondelles car elles peuvent tourner avec l’écrou). L’écrou est desserré d’environ 30 degrés, puis resserré de sorte que les lignes tracées coïncident.
Le couple dans les trois méthodes doit être appliqué de manière lente et délibérée afin que les effets dynamiques sur la lecture du manomètre soient minimisés. Il faut toujours s’assurer que l’élément non-rotatif, généralement le boulon, est maintenu en sécurité lors de la vérification des couples. La lecture du couple doit être vérifiée dès que possible après l’opération de serrage et avant tout processus ultérieur tel que la peinture, le chauffage, etc. Les lectures de couple dépendent des coefficients de frottement présents sous la face de l’écrou et dans les filets. Si les fixations sont laissées trop longtemps ou soumises à des conditions environnementales différentes avant la vérification, le frottement et, par conséquent, les valeurs de couple peuvent varier. Cette variation peut également être causée par l’enfoncement (déformation plastique) des filets et de la surface de la face de l’écrou / du joint, ce qui se produit. Cet enfoncement entraîne une réduction de la tension du boulon et affecte le couple de serrage. Les valeurs de couple peuvent varier jusqu’à 20 % si les boulons restent en place pendant deux jours.
Ces méthodes sont archaïques et n’assurent en rien le bon contrôle du serrage. TRAXX ne recommande en aucun cas de se soumettre à ce genre de méthodes qui sont très éloignées des exigences de précision de l’industrie.
Méthodes "crack-on" et "crack-off" de contrôle
Avec les méthodes « crack-on » et « crack-off », il existe deux façons de vérifier le couple de rupture. La première est manuelle, l’opérateur « sent » le point de rupture. La seconde est électronique, en utilisant une clé dynamométrique avec jauge de contrainte et en enregistrant automatiquement le couple de rupture. La méthode automatique élimine la variabilité de l’opérateur qui se produit, mais reste toutefois une méthode obsolète et osons le dire, moyenâgeuse.
Méthode de la fixation marquée pour contrôler le couple
La méthode la plus cohérente et la plus précise pour vérifier les couples appliqués après l’installation est la méthode de la « fixation marquée ».
La spécification du couple de serrage est d’une importance cruciale pour déterminer la fiabilité du joint. Différents filetages et finitions de surface des joints ont un effet sur le couple de serrage. Les fixations spéciales, telles que celles ayant un couple prédominant, des têtes à bride ou des tiges réduites, nécessitent également une considération particulière lors de la détermination du couple de serrage. Les fixations à couple prédominant utilisent un insert en nylon ou ont un filetage déformé de sorte qu’un couple est nécessaire pour visser l’écrou sur un boulon non serré. Pour les écrous tournant librement, le couple prédominant est nul.
Filetages verrouillés par adhésif
Il a été démontré par des essais approfondis que le verrouillage du filetage mâle à femelle par adhésif confère à l’assemblage fixé une excellente résistance au desserrage par vibration. L’adhésif peut être appliqué sous forme liquide au stade de l’assemblage, ou les filetages peuvent avoir été préalablement revêtus d’un adhésif anaérobie qui durcit une fois les pièces assemblées.
La plupart des adhésifs de verrouillage des filetages tendent à afficher un coefficient de frottement des filetages plus élevé que ce qui est normalement présent dans les filetages, et une légère caractéristique de couple prédominant sera également présente. Le durcissement complet de l’adhésif est généralement atteint en 24 heures, mais dépend de la finition appliquée à la fixation, de l’écart de liaison et de la température ambiante. Avec l’adhésif appliqué sous forme liquide, un activateur peut être utilisé pour raccourcir le temps de durcissement.
La mesure du couple d’assemblage, dynamiquement, au stade de l’assemblage ne pose aucun problème lors de l’utilisation d’un adhésif pour verrouiller les filetages. Des problèmes surviennent cependant lorsque le couple d’assemblage doit être vérifié après l’assemblage. L’utilisation de l’une des trois méthodes d’audit de couple des filetages qui ont été collés par adhésif pose problème. Si le collage durci est rompu pour vérifier le couple, la résistance aux vibrations de l’assemblage de la fixation peut être altérée. De plus, l’adhésif durci dans les filetages augmente les caractéristiques de frottement du filetage de sorte que lors du resserrage, moins de couple est consacré à obtenir la pré charge et plus à contrecarrer le frottement. Pour ces raisons, aucune des trois méthodes d’audit de couple post-assemblage n’est adaptée aux filetages qui ont été collés ensemble par adhésif.
Une méthode courante de vérification de la spécification de l’assemblage consiste à resserrer le joint jusqu’au couple spécifié tout en vérifiant que l’élément mâle ne se déplace pas par rapport à l’élément femelle. L’effet de l’adhésif est d’augmenter le couple d’assemblage de sorte que le couple de rupture est de 10 % à 30 % supérieur à la valeur du couple d’assemblage.
Pour conclure, l’application d’un adhésif évite dans certains desserrages, mais complique la maintenance et le contrôle du serrage des assemblages vissés. C’est pourquoi TRAXX recommande dans la plupart des cas, la méthode de la mesure de tension de serrage à l’aide d’appareil à ultrasons, tel que le TRAXX-M2.
En quoi consiste le contrôle couple de serrage par la méthode des 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).
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 avec une précision pouvant atteindre 2 % sur la tension réelle ! Une vraie avancée dans le domaine du contrôle du serrage !
