La fiabilité des ensembles mécaniques repose bien souvent sur la maîtrise d'assemblages vissés. Mais comment s'assurer qu'une vis est bien serrée ? La question n'est pas si simple. Plusieurs paramètres, plus ou moins faciles à maîtriser, entrent en jeu durant l'opération de serrage: certains facteurs sont liés aux pièces assemblées et aux vis utilisées (états de surface, qualité du filetage, planéité, propreté, etc.), d'autres dépendent de l'environnement (humidité, température, etc.), d'autres encore sont dus au procédé de vissage (lubrification, positionnement de la vis, etc.). Pendant plusieurs décennies, une méthode a largement dominé les autres: la mesure de l'effort appliqué lors du serrage. L'une des solutions les plus répandues consiste à mesurer le couple appliqué à l'aide de clés dynamométriques. Le procédé est simple, peu coûteux, et surtout très intuitif. Mais le résultat obtenu est entaché d'erreurs relativement importantes à cause des frottements qui s'exercent lors du serrage. D'un assemblage à un autre, l'application d'un même couple n'engendre pas forcément la même tension de serrage. « Il est possible d'appliquer un couple très élevé et d'obtenir une très faible tension dans la vis (s'il y a trop de grippage et de frottements). Et àl'in-verse, si la lubrification des pièces est importante, il est tout à fait possible d'obtenir un niveau d'effort élevé avec un très faible couple », résume BernardTollet, expert produit process assemblages vissés au Cetim (centre de Saint Etienne). Du fait que les frottements sous la tête de la vis et dans le filetage sont difficilement maîtrisables, la répétabilité n'est pas assurée. « Le couple appliqué part à 80 % dans les frottements, et à 20 % seulement dans la tension de serrage, souligne Michel Berbesson, directeur technique de la sociétéTraxx, spécialisée dans la mesure de la tension de serrage. Il suffit donc d'une variation d'à peine 10 % du coefficient de frottement pour obtenir une tension allant du simple au double ! ».

Le contrôle de la tension de serrage par ultrasons offre une meilleure précision que la traditionnelle mesure de l'effort appliqué.

Pour pallier cet inconvénient, une variante de la méthode a été développée. « Le procédé consiste à réaliser une approche au couple afin de mettre tous les éléments de l'assemblage en position, puis à réaliser un serrage angulaire. Du fait qu'elle s'affranchit des problèmes de frottement, cette méthode offre une meilleure précision que le serrage au couple », explique Patrick Beltramini, responsable aéronautique chez Stahlwille. La clé électronique Manoskop 714 que le fabricant allemand a récemment introduite, par exemple, claque automatiquement lorsque le couple ou l'angle de serrage est atteint. Le fait de disposer des deux valeurs (couple et angle) réduit les risques d'erreurs. « L'utilisateur peut croire qu'il a serré correctement une vis ou un écrou parce qu'il a atteint le bon couple de serrage, et se rendre compte, grâce à la valeur angulaire,que ce n'est pas le cas », poursuit Patrick Beltramini.

Mesurer l'allongement de la vis

Si tout le monde s'accorde sur le fait que cette méthode est plus pertinente que le serrage au couple, la solution ne fait pas pour autant l'unanimité.A côté des partisans de la mesure d'effort, nombreux sont ceux qui défendent l'idée de mesurer plutôt l'état de contraintes réel que l'on trouve dans la vis. « L'objectif du serrage est d'allonger la vis pour introduire une tension.Cette dernière est donc la seule grandeur qui nous intéresse », assure Michel Berbesson. Pour mesurer l'allongement de la vis ou du goujon sous l'effet du serrage, le procédé le plus répandu consiste à réaliser un contrôle par ultrasons. En pratique, un traducteur est placé sur la tête de la vis. L'onde ultrasonore émise se propage dans le matériau, se réfléchit sur le fond de la vis, puis retourne au traducteur. La mesure du temps de vol permet de connaître la longueur du trajet, et donc la longueur de la vis. Dans le domaine élastique, la différence entre la longueur de la vis serrée et celle de la vis au repos est directement proportionnelle à la tension induite. En mesurant l'un, on accède alors à l'autre…

Cette méthode ne manque pas d'avantages. Le principe, non intrusif, ne réclame aucune modification de l'assemblage. De plus, il est possible de mesurer le serrage de vis “brutes” sans préparation (ni dressage, ni rectifica-tion, par exemple). Enfin, le contrôle par ultrasons s'affranchit totalement des problèmes liés aux frottements. La précision s'en trouve donc accrue. « Pour donner un ordre d'idées, nous avons qualifié la méthode dans le domaine du nucléaire avec une incertitude de moins de 6 % sans préparation préalable des vis », précise Farid Belahcene, président de la société Ultra RS spécialisée dans la caractérisation de matériaux et la mesure de contraintes par ultrasons. Du fait que l'incertitude de mesure dépend de certains paramètres propres à l'application, il est difficile d'en donner une valeur type. « Il faut tenir compte notamment de la dispersion que l'on a, d'un type de vis à l'autre, sur le coefficient de proportionnalité qui relie l'allongement à la tension, indique Michel Berbesson. De plus,la précision dépend aussi de la taille de la vis.Plus elle est longue, plus le résultat est précis… Mais nous avons constaté que statistiquement,l'incertitude de mesure obtenue est en moyenne de l'ordre de 5 %. Dans le pire des cas, elle peut s'élever à 10 %. Et lorsqu'on travaille en laboratoire, dans des conditions opti-males, avec des vis préparées, etc., il est possible de descendre jusqu'à 2 % ».

Les systèmes de mesure par ultrasons sont utilisés pour des contrôles ponctuels, ou pour une surveillance continue des assemblages vissés.

Un tel procédé nécessite néanmoins quelques précautions. Il faut tout d'abord assurer le couplage entre le traducteur àul-trasons et la tête de la vis (même si de l'eau ou des traces d'huile existantes peuvent parfois suffire). De plus,la méthode ultrasonore nécessite aussi que les deux faces des vis soient parallèles. « Mais cela n'est pas vraiment problématique, car il y a en général une planéité à respecter lors de leur fabrication », nuance Farid Belahcene. Dernière contrainte, la nécessité de connaître le coefficient de proportionnalité entre l'allongement ultrasonore et la tension induite. Il existe pour cela des formules mathématiques pour obtenir automatiquement ce paramètre en fonction des caractéristiques de la vis. « Mais elles ne fonctionnent pas à tous les coups, assure Michel Berbesson. Pour connaître le vrai coefficient, il faut le mesurer » . ChezTraxx, par exemple, on conseille ainsi de réaliser un étalonnage préalable de l'assemblage afin de déterminer avec précision le coefficient de proportionnalité. Il faut pour cela soumettre le même type de vis à des efforts connus et maîtrisés (à l'aide d'une machine de traction, par exemple). Le système de mesure enregistre alors l'élongation correspondant à chaque valeur de tension, puis calcule le coefficient. L'opération n'est réalisée qu'une seule fois pour un type de vis donné. Elle permet notamment de prendre en compte les variations de la vitesse de propagation des ultrasons en fonction de la tension. De même il est nécessaire de réaliser un étalonnage supplémentaire pour s'affranchir de l'effet des variations de température.

Des capteurs “permanents”

Une autre solution, également basée sur le contrôle ultrasonore, utilise des vis instrumentées. C'est ce que propose notamment la société allemande Intellifast, représentée en France par Polymesure. Le principe repose sur la déposition sous vide d'un capteur extrêmement fin sur la tête de la vis ou en bout de filet.Trois éléments sont superposés: un film piézoélectrique, une couche de protection et une électrode (l'ensemble mesure à peine 30µm d'épaisseur pour les capteurs standard). Il suffit d'appliquer une différence de potentiel à travers une sonde posée sur l'électrode pour générer une onde ultrasonore. Ensuite, le principe est le même que dans le cas d'un contrôle par ultrasons traditionnel: la mesure du temps de vol initial (vis au repos) et du temps de vol final (vis serrée) permet de remonter à la tension recherchée au moyen d'un coefficient de proportionnalité défini lors de l'étalonnage. En pratique, l'industriel fournit au fabricant les vis à équiper. La société y dépose les capteurs et réalise l'étalonnage. Elle fournit également le système de mesure doté d'un algorithme spécifique pour la génération du signal et le post-traitement.

L'intérêt d'une telle solution consiste à disposer d'un capteur fixé à demeure sur la vis. « Le contact direct évite toute erreur de manipulation,et supprime la nécessité d'utiliser un couplant, souligne Jean-Philippe Godin, gérant de Polymesure. On obtient ainsi une très bonne répétabilité. De plus, les mesures sont facilitées. Il suffit d'amener une sonde pour générer une différence de potentiel ». Ces vis “intelligentes” peuvent même être équipées d'un code 2D Data Matrix pour mémoriser un certain nombre de paramètres (temps de vol initial de la vis non serrée, référence de la vis, identification de l'application, etc.).

Le capteur étant toujours sur place,il autorise une surveillance continue du comportement d'un assemblage. Les opérations de maintenance sont donc facilitées. Quant à la précision, elle est, là encore, difficile à chiffrer. Polymesure annonce des résultats à ± 20 % dans les cas les plus défavorables, jusqu'à 1% dans des conditions optimales (en réalisant une courbe d'étalonnage spécifique à chaque vis), et de l'ordre de 5% en règle générale dans de l'acier. Comme les vis instrumentées sont amenées à subir les mêmes contraintes que l'assemblage, elles sont conçues pour résister aux environnements difficiles (il existe des modèles hautes températures utilisables jusqu'à 320 °C, d'autres résistants à la corrosion, etc.). Enfin « il est possible de raccorder aussi cette mesure à des clés d'assemblage, afin de piloter le serrage avec la tension, et non pas suivant le couple ou l'angle », ajoute Jean-Philippe Godin.

Précisons que l'on peut aussi installer certains systèmes à ultrasons “traditionnels” à demeure sur l'assemblage afin de réaliser une surveillance continue. Dans ce cas, « la vis n'est pas modifiée, précise Michel Berbesson. De plus,la colle utilisée pour fixer le traducteur peut servir de couplant ». Enfin certains capteurs de mesure du couple et de l'angle autorisent aussi un contrôle en continu. « Il existe par exemple des couplemètres que l'on fixe sur des visseuses utilisées en production.Ces capteurs,installés à demeure, délivrent une information sur le couple et l'angle. Il est possible également d'employer des modèles sans contact (et donc sans entretien), qui autorisent une transmission sans fil entre la partie tournante et les éléments fixes », indique Olivier Clerc, chef de produit Mesure industrielle chez Scaime.

Peu de concurrence

La mesure du couple (ou du couple associé à l'angle), la mesure par ultrasons à l'aide de traducteurs et le contrôle ultrasonore au moyen de vis instrumentées, représentent les trois grandes familles de solutions les plus utilisées dans l'industrie. Entre ces trois procédés, il y a relativement peu de concurrence. Chacun répond plutôt à des attentes spécifiques. Prenons l'exemple des clés dynamométriques. « Il est vrai que l'idéal consiste à réaliser une mesure d'allongement (par ultrasons, comparateurs, ou autres). Mais ces méthodes sont difficilement applicables en maintenance, elles demandent certaines précautions lors de leur mise en œuvre, et sont relativement onéreuses. Les clés au couple et à l'angle, en revanche, sont des outils simples et bon marché.Chez Stahlwille,par exemple, nous proposons des modèles électroniques pour moins de 1 000 euros ! Quant à la précision de ces instruments, elle est intermédiaire entre celle des clés au couple,et celle des systèmes de mesure d'allongement. Pour ces différentes raisons, le serrage à l'angle est très répandu.C'est le cas par exemple dans la fabrication automobile », souligne Patrick Beltramini. Pour Olivier Clerc (Scaime), il y a aussi une question de vitesse de mesure. « Les couplemètres sont privilégiés en milieu industriel lorsqu'il y a des cadences à tenir.Les précisions sont moins élevées qu'un contrôle par ultrasons,mais le contrôle est plus rapide, et il ne nécessite pas de réaliser des mesures avant et après serrage. Entre ces deux procédés, la finalité n'est pas tout à fait la même. Les couplemètres que l'on fixe sur une visseuse,par exemple,sont des outils de gestion de production. Alors que les systèmes à ultrasons sont davantage des solutions de contrôle, que l'on va par exemple utiliser enfin de chaîne pour s'assurer qu'un serrage est conforme », explique le chef de produit. « Il est vrai qu'en ligne, à haute cadence, les systèmes de mesure par ultrasons sont pénalisés par l'alimentation en couplant et son élimination, reconnaît Michel Berbesson. Mais ces instruments ne servent pas qu'à contrôler un serrage. Ils peuvent aussi effectuer l'opération : l'indication de la tension fournie permet à l'opérateur d'arrêter de serrer au bon moment ». Il est vrai que la solution a un coût. Il faut compter en moyenne aux environs de 25 000 euros. « Cependant la tension de serrage est l'unique grandeur pertinente pour contrôler et maîtriser la qualité de tout assemblage vissé », poursuit Michel Berbesson.

Les clés dynamométriques délivrant à la fois la valeur du couple et de l'angle offrent une meilleure précision que le serrage au couple.

Si l'on ne parviendra pas à trouver un terrain d'entente entre les partisans de chaque solution, il est possible tout de même de dégager quelques règles générales. En présence d'un assemblage critique, ou lorsqu'on recherche un certain niveau de précision pour maîtriser parfaitement le serrage (c'est le cas par exemple dès que la sécurité des personnes est en jeu), le contrôle par ultrasons semble incontournable. Pour Bernard Tollet (Cetim), « il faut surtout se battre pour faire accepter l'idée qu'il n'y a pas que le couple ! Ce que nous tâchons de faire comprendre, c'est que l'effort installé est le seul critère pertinent. Et faute de mieux, il est possible d'aller vers un suivi du couple,mais à condition que les conditions d'assemblages vissés soient conformes à ce qui était prévu (qu'il n'y ait pas de grippage intempestif, pas de variations importantes dans les frottements présents, etc.) ». Reste à changer les mentalités… Pour beaucoup, l'obstacle à la généralisation des systèmes à ultrasons est en effet d'ordre culturel, en raison de la solide habitude des industriels à serrer au couple. Il faut dire aussi que les systèmes à ultrasons étaient à l'origine des appareils relativement complexes que l'on ne pouvait utiliser sans une très grande rigueur. Mais les fabricants ont beaucoup travaillé sur l'ergonomie et l'accessibilité de leurs instruments. « Ces appareils s'adressent aux opérateurs. Il n'est pas nécessaire d'être un spécialiste du serrage pour les utiliser. En général, une formation d'un jour ou deux suffit », souligne Farid Belahcene.

Entre les deux solutions de contrôle ultrasonore (avec des traducteurs “classiques” ou des capteurs déposés sur les vis), il semble là aussi que les champs d'application soient complémentaires. « Il y a une réelle tendance à utiliser les vis instrumentées, constate Henri Walaszek, expert référent contrôle non destructif au Cetim (centre de Senlis). La solution est intéressante pour les équipements de haut niveau qui nécessitent une qualité importante de serrage. Elle se développe notamment dans le secteur de l'aéronautique, où on l'utilise par exemple pour valider les procédés sur des maquettes ». Un tel procédé nécessite bien sûr d'équiper les vis avant le serrage. On lui reproche donc les coûts supplémentaires qu'il engendre au niveau de la préparation des vis et de l'étalonnage. « Mais ce que l'on perd d'un côté est gagné de l'autre, notamment en termes de simplicité de mise en œuvre, et de répétabilité de la mesure », nuance Jean-Philippe Godin (Polymesure). Le coût, quant à lui, dépend du volume de vis. Chez Intellifast par exemple, il s'élève à près de 20 euros pour chaque capteur (en plus du coût de la vis) pour moins de 100 vis de 12mm de diamètre. Pour 10 000 vis, il faut compter 4 euros par capteur. Reste ensuite à ajouter le coût du système de mesure (de l'ordre de 12 000 euros).A ce prix, « on dispose d'un capteur à demeure sur lequel on peut revenir n'importe quand pour effectuer des mesures, sans aucune installation ou préparation supplémentaire. De plus, on n'équipe généralement pas toutes les vis d'un assemblage… », indique Jean-Philippe Godin. Bien sûr la méthode est là aussi peu adaptée à un contrôle à hautes cadences. On la privilégie plutôt pour surveiller en continu des installations comprenant des assemblages sensibles, ou dans des environnements exigeants.

Certains procédés de contrôle de serrage consistent à équiper les vis de capteurs extrêmement fins déposés sous vide. La solution surveille à demeure les assemblages sensibles.

D'un autre côté, les appareils à ultrasons plus classiques offrent d'autres arguments. Sur des vis déjà en place au sein d'un assemblage existant, par exemple, la méthode est plus facile à mettre en œuvre. Par ailleurs, « ces instruments s'appliquent à toute vis, sans surcoût. Et ils peuvent, eux aussi, être utilisés pour une surveillance continue » , rappelle Michel Berbesson. « C'est effectivement réalisable,mais en pratique,on ne le fait pas souvent, nuance Henri Walaszek. Le couplage risque de ne pas se maintenir, et la structure peut être soumise à d'importantes contraintes (vibrations, températures, etc.) ». Pour surveiller un assemblage dans le temps, on réalise plus souvent des contrôles ponctuels, tout en prenant soin d'enregistrer l'état initial des différentes vis. En l'état actuel de la technique, il n'est pas possible en effet de savoir, sans aucun historique de l'assemblage et en appliquant simplement un traducteur ultrasonore sur les différentes vis,si elles sont toujours correctement serrées ou pas. Le seul moyen consiste à desserrer et à resserrer les vis concernées. A moins qu'un procédé de mesure absolu ne voit le jour dans les années qui viennent…