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RÉSUMÉ
Le serrage contrôlé par ultrasons des assemblages vissés revêt une importance croissante dans les secteurs industriels pour lesquels des défauts d'assemblage ou des défaillances provoqués par un serrage insuffisant, excessif ou hétérogène peuvent avoir des conséquences importantes.
Il s'agit en effet d’exploiter la relation de la variation de la vitesse des ondes ultrasonores en fonction de l’élongation de la vis afin de déterminer l'effort de serrage qui assure la rigidité d'un assemblage et lui permet de résister aux sollicitations extérieures statiques ou dynamiques, et d'en garantir l'étanchéité.
Cet article présente la technologie mise en oeuvre, le principe de mesure par ultrasons et quelques applications industrielles.
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Farid BELAHCENE : Docteur Ingénieur, fondateur de la société ULTRA RS (France)
INTRODUCTION
Les serrages insuffisants, excessifs ou hétérogènes représentent environ 30 % des défaillances statiques, et les mauvaises conditions de serrage 45 % des défaillances en fatigue. Ils sont un problème récurrent dans l’ensemble des industries : transport, raffinerie, nucléaire, construction navale, etc. avec un fort impact financier et humain.
Les assemblages vissés ou boulonnés sont au cœur de la sécurité de nombreuses structures industrielles.
Pour obtenir un assemblage fiable, il est nécessaire d’utiliser des éléments de fixation de qualité respectant des caractéristiques mécaniques normalisées, de contrôler sa mise en place en s’assurant de sa reproductibilité et de contrôler sa résistance dans le temps.
Pour optimiser la fiabilité d’un assemblage, deux phases sont nécessaires : prototype et production.
En phase prototype, l’objectif est de vérifier et valider les conditions de serrage minimales : essais de chute de l’assemblage, de chocs, de vibrations répétées et d’augmentations de la température auxquels est soumis un assemblage. Une méthode de contrôle précise est nécessaire pour vérifier les valeurs des tensions de serrage après ces essais.
En phase de production, l’objectif est de créer une spécification de l’assemblage incluant l’ensemble de ses caractéristiques et particulièrement les points suivants : pièces de l’assemblage, consigne de serrage, classe de précision, moyen de serrage, méthode de contrôle des tensions de serrage…
La validation de cette spécification doit être approuvée et validée par le bureau d’études, les méthodes et la qualité.
D’où la nécessité de maîtriser l’opération de serrage avec un outillage précis et fiable.
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- Version archivée 1 de nov. 2015 par Farid BELAHCENE
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2. Principe de la méthode de mesure
L'application d'une tension électrique sur l'élément piézoélectrique dans un transducteur fait que le matériau piézoélectrique oscille en créant des ondes sonores qui se déplacent du transducteur, à travers le liquide ou le milieu de couplage et dans la vis. Ce type d'onde ultrasonore parcourt la longueur d'une vis. La vitesse acoustique d'un matériau représente la vitesse à laquelle l’onde se déplace à travers lui. Tous les matériaux ont une vitesse acoustique représentative, ou théorique, mais la vitesse acoustique réelle peut varier d'un échantillon à l'autre du même matériau et même dans tout le matériau d'un échantillon particulier.
Il est important de réaliser que la vitesse acoustique réelle n'est pas vraiment une constante. Elle varie entre les éléments de fixation (vis, goujon, boulon) d'un matériau similaire, même lorsque la composition du matériau de l'élément de fixation est étroitement contrôlée. Cette variation résulte généralement de la contrainte résiduelle dans le matériau résultant des processus de fabrication et de traitement thermique.
Une onde ultrasonore est transmise d'un transducteur à l'extrémité d'un élément de fixation. Lorsque l'onde ultrasonore rencontre un changement brusque de densité, comme la fin de la vis (fond), la majeure partie de l'onde se reflète. Cette réflexion remonte la longueur de la vis et dans le transducteur. Lorsque l'onde fait osciller l'élément piézo-électrique, un petit signal électrique est produit. Ce signal est représenté sur l'écran de l’appareil comme une onde sinusoïdale. C'est sur cette onde sinusoïdale affichée que l'on peut voir l'événement de fin de parcours qui déclenche une mesure. Cette onde parcourant la longueur de la vis est illustrée à la figure 3.
2.1 Théorie de l’acoustoélasticité
La détermination des contraintes par ultrasons est basée sur la dépendance entre la vitesse de propagation des ondes ultrasonores et l’état de contrainte dans le matériau. Lorsqu’un matériau est soumis à une contrainte, on constate une variation de la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore. Cette variation est due à des effets élastiques non linéaires formalisés par Murnaghan ...
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Principe de la méthode de mesure
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELAHCENE (F.) - Détermination des contraintes résiduelles superficielles par méthode ultrasonore. - - Thèse de doctorat, UTC, Compiègne, France (2000).
-
(2) - MURNAGHAN (D.) - Finite deformation of an elastic solid. - - John Willey, New York (1951).
-
(3) - HUGUES (D.S.), KELLY (J.L.) - Second-order elastic deformation of solid. - - Physical Review, vol. 92, n° 5, p. 1145-1149 (1953).
-
(4) - MASAHIKO (H.), HIROTSUGO (O.) - Emats for science and industry. - - Kluwer Academic Publishers (2003).
-
(5) - ZHOU (X.) - Études paramétriques pour la détermination des contraintes résiduelles par la méthode ultrasonore. - - Thèse de doctorat, UTT, France (2006).
-
(6) - KOSHTI (A.) - Ultrasonic...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
Éléments de fixation – Essais couple/tension – Amendement 1 - NF EN ISO 16047/A1 - 01-13
-
Éléments de fixation. Assemblages vissés. Conception, calcul et conditions de montage - FD E 25-030 - 08-84
-
Articles de boulonnerie d’usage général. Spécifications techniques. Réception. Commande. Livraison - NF E 27-005 - 10-69
-
Éléments de fixation. Essais de fatigue sous charge axiale - NF E 27-009 - 10-69
-
Boulons à serrage contrôlé destinés à l’exécution des constructions métalliques. Spécifications techniques. Conditions de commande, de contrôle et de livraison - NF E 27-701 - 10-84
-
Boulons à serrage contrôlé destinés à l’exécution des constructions métalliques. Essai d’aptitude à l’emploi de boulons - NF E 27-702 - 10-84
-
Aciers spéciaux aptes aux traitements thermiques...
ANNEXES
US8037772B2. Thread forming fasteners for ultrasonic load measurement and control.
EP787980B1. Measuring a load on a part and monitoring the integrity of the part | Belastungsmessung eines Elementes und Überwachung seiner Integrität | Mesure de la charge dans une pièce et surveillance de l’intégrité de cette pièce.
US5301574A. Hydraulic wrench and piston has rack gear meshed with reciprocal sector gear comprising pivoted pawl.
US20120253703A1. Torque displaying system for digital display type torque testing instrument, has warning unit that provides signal if computed or magnified value is equal to preset value, or is approaching or greater than limit value.
US20120191378A1. Apparatus for controlling, tracking and measuring locking force and tightening torque on fastener provided by tightening tool, has identifier electrically connected to connector and transmitting device identification code to connector.
CA1327640C. Torque control for fluid-powered torque wrench monitors fluid pressure and feeds data to computer which determines whether preset torque has been reached.
WO2008025922A2. Chucking portion`s axial preloading controlling method for example screw, involves comparing difference between initial length and final length of extension portion with respect to threshold, after preloading is completed.
FR2684585A1. Ultrasonic distance measuring appts. for screw or drilling equipment uses sleeve containing automatic centring truncated cone and magnet for mechanical decoupling of ultrasonic transmitter/receiver.
US5152182A. Torque measuring appts. for screw type closures, for example bottles tests for torque required to cause relative motion of two rotatably coupled members regardless of direction of rotation.
WO2010124150A3. Apparatus that’s to say torque power tool, for tightening or loosening fastener for example screw, has first force-transmitting element and second force-transmitting element transferring reaction force during operation.
WO2013032963A1. Apparatus...
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