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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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4. Conclusions
Le contrôle précis de la tension de serrage est souvent perçu comme une opération secondaire dans la conception des équipements mécaniques et pourtant le serrage, insuffisant, excessif ou hétérogène est la cause d’environ 30 % des défaillances statiques, et les mauvaises conditions de serrage sont la cause d’environ 45 % des défaillances en fatigue.
Par conséquent, l’opération de serrage doit être maîtrisée grâce à des instruments de mesure, précis, fiables, faciles à mettre en œuvre, permettant un serrage homogène sur tous les boulons avec un minimum d’opérations.
L’ultrason est une des techniques permettant de répondre à cette problématique. La détermination des tensions de serrage par ultrasons est assurée par des dispositifs expérimentaux, qui ont été conçus de manière à affiner la méthodologie de mesure du temps de parcours (vitesse) de l’onde ultrasonore.
Les choix qui ont été faits au niveau des éléments du dispositif expérimental sont les suivants :
-
l’utilisation de deux allers-retours (mesure différentielle) au niveau des signaux ultrasonores permettant d’obtenir une meilleure reproductibilité de mesures ;
-
les étalonnages de l’effet acoustoélastique permettant de choisir l’onde longitudinale pour les mesures ;
-
l’utilisation de programmes informatiques permettant le traitement efficace des signaux de mesures, afin de minimiser l’erreur et d’améliorer la rapidité d’acquisition.
Néanmoins, il reste encore à faire évoluer la technique de serrage contrôlé par ultrasons pour répondre aux spécificités de certains secteurs. C’est le cas du secteur du pétrole et gaz, pour lesquels il est nécessaire de développer des outils adaptés à un environnement explosif (ATEX), ou du secteur nucléaire qui nécessite le développement d’outils étanches et pilotables à distance.
Enfin, à l’avenir, d’autres défis techniques devront être relevés, afin de pouvoir appliquer la méthode ultrasonore sur des vis avec une tête creuse, une tête bombée et sur des vis en acier inox de petite taille.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BELAHCENE (F.) - Détermination des contraintes résiduelles superficielles par méthode ultrasonore. - Thèse de doctorat, UTC, Compiègne, France (2000).
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(2) - BELAHCENE (F.) - Détermination des contraintes résiduelles par méthode ultrasonore. - [IN 8], 10 fév. 2003.
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(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).
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(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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