Le serrage par ultrasons

Le serrage par ultrasons pour les nuls

La mesure de la tension de serrage par ultrasons

La mesure de tension de serrage par ultrasons est une technique industrielle qui permet de connaître avec précision l’état de serrage d’un boulon, autrement dit la force induite par le serrage dans celui-ci . Cette force étant couramment exprimée en kN.


De part sa précision et sa fiabilité cette technique a de nombreuses applications dans l’industrie . Elle permet de maîtriser le serrage d’assemblages vissés, de suivre un assemblage vissé sur le long terme et de contrôler le comportement d’un boulon en temps réel.

La méthode du serrage par ultrasons


Le principe de mesure est très simple.
Il consiste à mesurer l’élongation de la vis sous l’effet de la tension induite par le serrage.
Lors du serrage d’une vis, celle-ci s’allonge proportionnellement à l’effort appliqué, conformément à la loi de Hooke.
Ainsi la mesure de l’allongement de la vis permet de connaître la tension de serrage présente dans la vis et ainsi l’effort installé dans l’assemblage.
Comment mesurer cette élongation ?
En émettant des ultrasons dans la vis. La vis serrée étant plus longue que la vis au repos, les ultrasons vont mettre plus de temps à se propager dans la vis serrée, ayant plus de longueur à parcourir.
De cette variation de temps de parcours de l’onde (le temps de vol des ultrasons) il est possible de déduire la tension de serrage présente dans la vis.

vis-liaison

Mise en place de la technique

La technique s’apparente à celle du contrôle par ultrasons.
Une onde ultrasonore est émise par un traducteur placé sur la tête de la vis à contrôler et se propage dans le matériau.Cette onde ultrasonore va se propager longitudinalement dans le matériau.
Puis le transducteur va se comporter 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 système chronomètre le temps de propagation des ondes.
L’élongation ultrasonore est donc l’allongement du temps de vol des ultrasons dans la vis.

C’est le principe du sonar, mais la grande vitesse de propagation des ultrasons
(environ 5800 m.s-1 dans l’acier) et la résolution recherchée sur l’allongement
(quelques ?m) nécessite une résolution de mesure du temps de l’ordre de la
nanoseconde (10 – 9 s).

Le rapport de proportionnalité entre l’élongation ultrasonore (grandeur que l’on me-
sure) et la tension induite (grandeur que l’on cherche à connaître) va être établi par
un étalonnage préalable de l’assemblage. Phase qui permettra de définir le coefficient de proportionnalité K qui relie la tension induite dans la vis et l’allongement ultrasonore.

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

Avantage et précision de la mesure

Cette technique est performante sur toutes les vis/ tiges. Elle fonctionne fréquemment sur des vis brutes / non rectifiées.
La technique fonctionne sur des vis de longueur variable : de 5 mm à 14 m et de diamètre allant de 3 mm à 300mm.
C’est une méthode non-intrusive : la mesure de tension de serrage ne modifie ni l’état ni la nature de l’assemblage.

Précision et causes d’incertitudes


Des perturbations physiques vont limiter la précision réelle de la mesure :

  • Les causes d’incertitudes
  • Modifications des échos dues aux différences de positionnement du traducteur, par exemple en rotation sur lui-même
  • Planéité et parallélisme imparfaits des faces d’entrée et de fond
  • Forme irrégulière du fond de la vis
  • Dispersions de métallurgie entre vis de même type ( partageant le même
  • étalonnage)
  • Incertitude sur la mesure de la température réelle de la pièce, ou gradient de température variable et mal maîtrisé.
boulons

Les applications courantes dans l’industrie


Cette technique est rependue dans tous les secteurs industriels tel que l’automobile, le ferroviaire, l’industrie lourde, l’énergie, l’aéronautique. Les besoins en sécurité et en qualité sont grandissants dans ces secteurs , cette méthode se développe fortement depuis le début des années 1990.

Quelques exemples d’applications

  • Serrer l’ensemble des boulons d’un assemblage à la tension
    Cela consiste à mesurer la tension de serrage indépendamment de l’outil utilisé pour serrer les boulons (visseuse, clé dynamométrique ou tendeur hydraulique). Il est question ici d’asservir le serrage à la mesure de la tension : durant le serrage, quelque soit l’outil utilisé pour serrer, l’attention est portée au suivi de l’évolution de la tension directement sur l’appareil de mesure.
  • À long terme : contrôler la tension de serrage présente dans les vis à chaque instant. Suivre le comportement d’un assemblage vissé sur 1 an, 5 ans, 10 ans. Cette méthode est répandue dans les services de maintenance, de suivi de qualité…
  • Observer le comportement d’un assemblage vissé en temps réel. Cela permet d’étudier le comportement d’un assemblage vissé « en action » . Cela permet de connaitre les variations de forces auxquelles sont soumises les vis et d’en déduire les limites mécaniques de l’assemblage.
  • Surveillance continue : Il est possible de surveiller le comportement d’un assemblage en permanence, le traducteur et le système restant à demeure. Cette méthode permet de détecter les problèmes avant qu’ils ne surviennent sur des assemblages particulièrement critiques, et d’éviter ainsi des casses dangereuses et/ou coûteuses.
  • Vérifier la qualité des assemblages vissés par le contrôle de la tension installée par les robots de serrage sur chaine de montage.

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