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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 en exploitant l'effet acoustoélastique de pouvoir contrôler l'effort de serrage qui assure la rigidité d'un assemblage et lui permet de résister aux sollicitations extérieures statiques ou dynamiques, 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
Un assemblage vissé ou boulonné permet de réaliser une liaison entre deux ou plusieurs pièces d’un mécanisme. Il est primordial d’appliquer une tension de serrage adaptée afin d’éviter le décollement des pièces assemblées sous l’effet des efforts extérieurs, et de compenser les efforts additionnels éventuels dus à des vibrations, chocs...
Par exemple, il est important de maîtriser l’assemblage d’une culasse du bloc-cylindres d’un moteur de voiture. Le joint de culasse a pour fonction d’assurer l’étanchéité entre le bloc-moteur et la culasse.
Une éclisse de chemin de fer est une pièce métallique servant à raccorder deux rails consécutifs d’une voie ferrée. Les éclisses sont apposées par paire, à l’aide de boulons de serrage. La catastrophe ferroviaire de Bretigny-sur-Orge est due au desserrage des boulons reliant une éclisse aux rails.
D’autres exemples d’assemblages existent dans les industries aéronautiques (assemblage d’un train d’atterrissage d’avion), énergie éolienne (assemblage de pales sur l’arbre)...
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.
D’où la nécessité de maîtriser l’opération de serrage avec un outillage précis et fiable.
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- Version courante de mai 2020 par Farid BELAHCENE
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3. Applications et retours d’expériences
3.1 Exemples d’applications dans les secteurs nucléaire et hydraulique
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Secteur nucléaire
Un des exemples d’application de la méthode ultrasonore consiste en le contrôle de la tension de serrage dans des tourillons d’emballages destinés pour le transport des déchets radioactifs (figure 7).
La première étape a consisté à faire un étalonnage sur une maquette représentative de la configuration réelle.
Cet étalonnage est nécessaire afin de connaître le coefficient CB reliant la mesure de temps de parcours des ondes ultrasonores à la précontrainte imposée. Ce coefficient dépend du diamètre de la vis, de la longueur serrée Ls et des caractéristiques mécaniques de l’assemblage. Pour une configuration de vis donnée (diamètre, longueur en traction Ls), il faut donc réaliser un étalonnage pour connaître le coefficient CB . La vis est serrée dans le socle (figure 7) et différents niveaux croissants de chargements sont appliqués (pas à pas) avec un vérin hydraulique et mesurés avec un capteur de force. Le capteur ultrasonore est placé sur la tête de la vis pour mesurer la variation relative du temps de parcours de l’onde longitudinale.
La somme des épaisseurs Rondelle + vérin + capteur de force représente l’épaisseur de la longueur sous tension dans le tourillon.
Une fois l’étalonnage réalisé, des serrages contrôlés par ultrasons ont été réalisés sur des tourillons (figure 8).
Le but de cette étude est l’analyse des paramètres pouvant influencer un serrage contrôlé par ultrasons dans une configuration industrielle : environnement industriel, robustesse du matériel, simplification d’utilisation de la technique, optimisation du temps de contrôle...
La figure 9 représente un exemple de résultat des tensions de serrage obtenues par ultrasons : un couple de serrage de 1 500 N · m est appliqué sur chaque vis avec une clé dynamométrique et une vérification par ultrasons de la précontrainte appliquée a été réalisée.
Cette étude a montré qu’en se basant seulement...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELAHCENE (F.) - Détermination des contraintes résiduelles superficielles par méthode ultrasonore. - Thèse de doctorat, UTC, Compiègne, France (2000).
-
(2) - BELAHCENE (F.) - Détermination des contraintes résiduelles par méthode ultrasonore. - [IN 8], 10 fév. 2003.
-
(3) - MURNAGHAN (D.) - Finite deformation of an elastic solid. - John Willey, New York (1951).
-
(4) - HUGUES (D.S.), KELLY (J.L.) - Second-order elastic deformation of solid. - Physical Review, vol. 92, n° 5, p. 1145-1149 (1953).
-
(5) - MASAHIKO (H.), HIROTSUGO (O.) - Emats for science and industry. - Kluwer Academic Publishers (2003).
-
(6) - ZHOU (X.) - Études paramétriques pour la détermination des contraintes résiduelles...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Le guide technique du serrage du groupe SKF http://www.skf.com/binary/12-126662/Serrage- hydraulique_10061_FR.pdf
Le site de ULTR A-RS http://www.ultrars.com/_doc/ Appareil_de_Controle_de_serrage.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Bolted_joint http://www.sncf.com/ressources/ dp_bretigny-sur-orge_14_juillet.pdf
HAUT DE PAGE
• SF2M – Groupe français d’analyse de contraintes http://www.sf2m.asso.fr/CommissionsThematiques/Contraintes.htm
• ECRS, European Conference on Residual Stresses
• International Conference on Fatigue Damage of Structural Materials http://www.fatiguedamageconference.com/
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NF EN ISO 16047/A1...
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