Les appareils de contrôle de serrage par ultrasons

Le 18/09/2019 à 13:30  

L méthodes existent, selon la façon d es boulons sont partout. Ils servent à monter aussi bien des machines que des avions, des ponts que des centrales nucléaires. Mais la simplicité apparente des assemblages vissés masque souvent leur complexité réelle. Il en découle parfois une négligence aux différents stades de la vie de l'assemblage: conception, mise en œuvre et suivi. « Ce type d'assemblages est souvent le parent pauvre de l'ingénierie , estime Guilhem de Nucé, dirigeant de la société ATEC, spécialisée dans le serrage. Quand les industriels se rendent compte qu'ils ont un problème, ils ne comprennent pas toujours les phénomènes physiques en jeu ».

« Les assemblages boulonnés sont de moins en moins bien pensés en amont, ajoute Romain Barrellon, responsable technique d'affaires au Centre technique des industries mécaniques (Cetim). Le savoir-faire en termes de serrage se perd, on observe de moins bonnes conceptions, de moins bonnes réalisations, et donc de plus en plus de défaillances. » Michel Berbesson, gérant du fabricant d'appareils de mesure de serrage par ultrasons Traxx, estime que « nous sommes face à un gros retard culturel concernant le serrage ».

Le vissage a pour but d'introduire une force de tension entre deux pièces, définie par le concepteur de l'assemblage. Mais comment obtenir la force voulue? Le moyen le plus simple est de mesurer le couple appliqué sur l'écrou ou la tête de la vis. Des tables ou abaques permettent d'établir la relation entre ce couple et la tension théorique. Des outils de serrage comme les visseuses asservies ou les clés dynamométriques peuvent mesurer en direct le couple appliqué.

Se former au vissage et au contrôle

Pour assurer une bonne qualité des assemblages vissés, il est possible de se former auprès du Centre technique des industries mécaniques (Cetim).

Conception, calcul, dimensionnement, analyse de défaillance et serrage sont au programme. Les participants sont sensibilisés à ces problématiques en trois jours de formations théoriques et pratiques. « Nous proposons trois sessions de formations par an,dans nos locaux de Saint-Étienne , précise Romain Barrellon, responsable pédagogique de la formation au serrage au Cetim. Mais nous proposons aussi ces formations au sein même des entreprises. » Il est aussi possible de se former au contrôle des assemblages vissés. C'est ce que propose par exemple Traxx aux ingénieurs, techniciens et opérateurs impliqués dans la conception, le suivi ou la maintenance de produits, machines ou infrastructures. Il s'agit notamment de se familiariser avec l'usage de l'appareil de mesure Traxx-M2, mais aussi de comprendre la méthode de mesure ou le choix des capteurs.

Un serrage très dispersif

« Le serrage au couple est la méthode la plus utilisée aujourd'hui dans l'industrie », indique Romain Barrellon (Cetim). Les clés dynamométriques, qui sont des outils manuels, sont de plus en plus remplacées par les visseuses asservies, qui permettent de faire remonter diverses informations en plus du couple appliqué, comme l'angle de rotation, ou le temps de serrage. De plus, lorsqu'elles sont bien paramétrées, leur précision est supérieure à celle des ou-tils manuels, et elles offrent une meilleure traçabilité des opérations. Cependant, la méthode de serrage elle-même évolue peu.

Or, « ce type de serrage est très dispersif, souligne Romain Barrellon. Sur des liaisons identiques auxquelles on applique le même couple, on n'obtiendra jamais exactement les mêmes niveaux de tension. » En effet, divers paramètres entrent en jeu, comme les nuances d'acier, les traitements de surface, la lubrification, la présence de rouille, ou encore la qualité du filetage. Tout cela a un impact sur le coefficient de frottement. « Lorsque l'on applique un couple, la force de rotation n'est donc pas transmise à la vis à 100 % , ajoute Guilhem de Nucé (ATEC). Mais il est très difficile d'estimer la part d'effort réellement transmise. » Cela met en évidence l'importance d'un système de mesure efficace pour contrôler la tension obtenue.

Perçu comme une technique simple, le vissage est souvent négligé. S'assurer de la tension de serrage garantit la qualité de l'assemblage.

Traxx

Une autre méthode permet d'obtenir un résultat plus précis: le serrage par allongement. Pour les assemblages de gros diamètres, elle consiste à appliquer un allongement de la fixation grâce à des vérins hydrauliques, qui se traduit en effort. « Lorsque l'on relâche,on a tout de même des dispersions d'environ 20 ou 25 %, même avec un vérin de qualité », souligne Michel Berbesson (Traxx). Le matériau étant élastique, on observe nécessairement une relaxation. Pour obtenir un serrage précis, il peut donc être nécessaire de répéter l'opération plusieurs fois. Là encore, on voit l'importance du système de contrôle de serrage.

Si la mesure du couple appliqué au moment du vissage est trop imprécise, il existe une autre technique pour connaître la tension dans une vis: se baser sur son allongement. En effet, lorsque l'on serre la vis, celle-ci s'allonge en fonction de la tension qui lui est transmise. « La mesure de tension par ultrasons se développe beaucoup pour cette raison , observe Romain Barrellon (Cetim). C'est une technique qui existe depuis plus de 30 ans. La technologie est la même que l'on utilise en contrôle non destructif (CND) pour détecter par exemple des fissures, ou mesurer des épaisseurs. » Guilhem de Nucé (ATEC) estime, quant à lui, que « c'est un système de mesure non destructif, ce qui représente un gros intérêt ».

Plus précisément, cette technique consiste à mesurer le temps de vol d'une onde ultrasonore parcourant la vis. Pour cela, on mesure le temps aller-retour de l'onde réfléchie à son extrémité. « Le temps de vol, mesuré en nanosecondes, est caractéristique de l'état de charge dans la vis , explique Rodolphe Catrin, en charge des ventes et du développement commercial du fabricant de capteurs et systèmes de mesure Intellifast. Il dépend bien sûr de l'élongation de la vis, mais aussi de l'état de contrainte axiale, qui modifie la structure du matériau. » En effet, la vitesse de propagation de l'onde varie en fonction de cette structure, le temps de vol mesuré dépend donc de ce paramètre. « Pour connaître le comportement de la vis en fonction de ces paramètres, il faut donc établir un calibrage en amont », continue Rodolphe Catrin. Celui-ci est effectué, par exemple, en mettant sous tension les vis à contrôler, pour obtenir une courbe mettant le temps de vol en relation avec la tension de la vis. Cette mesure dépend aussi de la température. « Le fait de poser la main sur un goujon permet déjà de détecter une déformation infime », souligne Yannick Tregouet, chargé d'affaires chez Cathelain, qui a mis au point un boulon connecté ( voir encadré p.68 ). Il est donc important d'utiliser une sonde de température lorsque l'on mesure le temps de vol des ultrasons.

La mesure par ultrasons présente toutefois quelques limites. « Cette méthode est très dépendante de la géométrie des boulons », note Guilhem de Nucé (ATEC). Ainsi, leur surface ne doit pas être trop irrégulière, afin d'éviter les réflexions parasites. Elle doit aussi être d'une taille assez grande pour y poser le capteur. Celui-ci doit d'ailleurs être bien centré. La vis ne doit pas être trop courte, pour obtenir un temps de vol suffisant. Mais plus elle est longue, plus l'onde est atténuée. Malgré ces difficultés, les ultrasons ont de nombreux avantages. Ce type de mesure est pertinent quel que soit le mode de serrage, aussi bien à la main qu'avec une visseuse, au couple ou par allongement. Il s'applique aussi bien au moment du serrage, pour assurer que l'on a obtenu la bonne tension, que sur le long terme pour surveiller l'évolution de l'assemblage vissé.

Il est bien sûr possible d'utiliser les ultrasons pour mesurer la tension avant et après le serrage –ou desserrage– mais aussi pendant. « Des fabricants de visseuses essaient d'introduire cette mesure par ultrasons dans leurs produits, indique Romain Barrellon (Cetim). Ils en sont encore à l'étape de recherche et développement,mais cela devrait arriver sur le marché dans les années à venir. » Une visseuse ainsi équipée pourrait s'arrêter lorsque l'on obtient la ten-sion voulue, et non en fonction d'un couple programmé.

Des boulons instrumentés

Certains fabricants ont fait le choix d'instrumenter les boulons pour surveiller leur serrage à long terme. C'est le cas, par exemple, d'Erreka, avec son i-Bolt équipé d'un capteur à ultrasons. Intellifast a aussi fait ce choix: « Cela augmente le coût,mais permet d'obtenir des mesures répétables, avec une précision de l'ordre de 3% », estime Rodolphe Catrin, en charge des ventes et du développement commercial de la société. Intellifast intègre aux vis des transducteurs piézoélectriques, qui émettent des ultrasons lorsqu'ils sont excités. Cette technique permet ensuite de simplement poser une sonde sur le capteur pour effectuer une nouvelle mesure. « Nous développons une fonction de surveillance automatique,nous avons déjà des prototypes dans les secteurs de l'éolien offshore,où les systèmes sont installés à demeure pour effectuer des mesures à une fréquence définie », poursuit Rodolphe Catrin.

D'autres fabricants proposent déjà des systèmes de mesure automatiques à distance pour la surveillance des assemblages, avec d'autres technologies que les ultrasons. Rotabolt, par exemple, utilise une jauge de contrainte intégrée dans l'axe d'une vis pour en mesurer l'élongation. StrainLabs commercialise un boulon connecté, dont la tension est mesurée par un capteur à Led. À chaque boulon sont assignées une tension minimale et une tension maximale, afin de déclencher des alertes. Les données sont transmises via une passerelle sans fil. En 2018, Cathelain a mis sur le marché le C-Bolt, un boulon connecté utilisant un capteur à fibre optique, fabriqué par Opsens, pour mesurer l'élongation de la vis. « La technologie optique a de nombreux avantages, explique Yannick Tregouet, chargé d'affaire chez Cathelain. Elle est insensible à la température et compatible avec les milieux à risque explosif (Atex) ».

Ces capteurs atteignent une précision d'un demi-micron. Pour équiper le boulon, « il faut effectuer un forage de la vis,coller le capteur pour le solidariser dans l'axe et l'étalonner », décrit Yannick Tregouet.

Cathelain

Il est possible d'utiliser ce système lors du serrage, pour observer l'allongement en direct en effectuant jusqu'à 1000 mesures par seconde. La seule contrainte est d'utiliser un outil laissant l'accès au haut de la vis, ou une douille adaptée. Un interrogateur optique permet de connecter 1300 capteurs et de collecter les mesures jusqu'à 3,5 kilomètres de distance.

La fibre optique est donc adaptée aux applications isolées ou marines, comme les plateformes pétrolières. L'interrogateur, tant qu'il n'est pas en zone sensible, peut lui-même être couplé à un système de communication sans fil.

Les données ainsi collectées peuvent être traitées, avec d'autres, par un logiciel plus générique, pour par exemple la maintenance prévisionnelle. L'analyse des courbes d'évolution du serrage permet de prévoir la survenue de problèmes, et donc d'éviter certains incidents. Un début de corrosion, par exemple, augmente le jeu entre le filetage et le taraudage, ce qui modifie la tension du boulon.

Instrumenter plusieurs boulons d'une même structure offre des informations complémentaires et garantit la continuité des données en cas de casse de l'un deux. « Aujourd'hui,les boulons instrumentés coûtent relativement cher,mais plus il y en aura,plus les coûts vont diminuer », estime Romain Barrellon, responsable pédagogique de la formation au serrage au Cetim. Pour certaines applications, ces systèmes peuvent d'ores et déjà constituer une solution pertinente.

C'est le cas en particulier sur des structures à risque, ou des équipements de production critiques, dont l'arrêt engendre des coûts importants. « Équiper des voitures fabriquées en série coûterait trop cher,mais cela peut intéresser par exemple les secteurs de l'éolien ou du nucléaire », illustre Romain Barrellon.

« Notre technologie est encore réservée à des utilisateurs ayant des problématiques spécifiques,chez qui la maintenance nécessite des interventions coûteuses , ajoute Yannick Tregouet (Cathelain). Nous travaillons notamment pour des secteurs où les appareils sont sous pression et à haute température.Un tiers de notre activité concerne le nucléaire,et nous cherchions une solution depuis quelques années.

La surveillance en continu par ultrasons existait,mais cette technologie n'était pas adaptée à notre activité.La fibre optique, elle,n'émet pas d'ondes,ne perturbe pas le milieu,et n'est pas perturbée. »

Le marché est encore restreint, mais ces exemples ne sont pas les seuls. Il existe aussi d'autres composants connectés permettant la surveillance d'une structure sur le long terme. On peut citer par exemple les rondelles instrumentées: placées sous la vis, elles mesurent la compression pour déduire le serrage du boulon. Pour les applications qui nécessitent ce type de surveillance, un panel de technologies est d'ores et déjà disponible.

Si les fabricants de visseuses n'en sont pas encore à l'étape de commercialisation, les fabricants de systèmes de contrôle par ultrasons, eux, proposent déjà des solutions pour mesurer pendant le serrage. Si cette manœuvre est effectuée avec une clé laissant accès à la tête de la vis, il est facile d'y apposer le capteur à ultrasons en même temps. Si ça n'est pas le cas, il faut alors une douille compatible. Intellifast, qui a fait le choix d'intégrer ses capteurs à la tête des vis, propose par exemple la clé dynamométrique E-Torc II, assurant le contact entre le capteur et la sonde nécessaire à la mesure par ultrasons. « Cette clé permet de mesurer en même temps le couple, la force et l'angle », souligne Rodolphe Catrin.

Traxx propose une douille instrumentée, qui vise à remplacer les clés dynamométriques. Le capteur y est intégré pour être en contact avec la tête de la vis. « L'opérateur voit donc la tension augmenter au fur et à mesure qu'il serre, illustre Michel Berbesson. Cela pourrait même être effectué par un robot, mais la plupart des clients n'en sont pas encore là. » Le fabricant propose pour cela un logiciel spécifique, Tightening Management Software (TMS), intégré dans son appareil de contrôleTraxx-M2. « Ce logiciel assiste les opérateurs pour serrer une série de boulons en plusieurs fois, dans l'ordre, et indique lorsque la tension voulue est atteinte », ajoute le gérant de Traxx. Chaque entreprise ayant ses propres vis,il n'est pas possible de proposer une douille standard pour instrumenter l'étape de serrage.Traxx se base donc sur les douilles de ses clients, qu'il adapte à la mesure.

En déposant une sonde sur l'extrémité d'une vis, on mesure le temps de vol d'un signal ultrasonore dans le matériau. On en déduit alors la tension dans le boulon.

Momento

Pour le suivi d'un assemblage à long terme, le principe de mesure reste le même. Mais il faut un système capable de garder en mémoire une quantité suffisante de mesures et un maximum d'informations annexes. « Notre appareil peut garder en mémoire des millions de vis , note Michel Berbesson. Il peut aussi archiver le nom des opérateurs, ou l'heure des interventions. » Pour effectuer un tel suivi, il est possible de numéroter les vis sur un plan. Mais d'autres méthodes d'identification se développent, comme les codes-barres ou les puces RFID. « Elles sont arrivées à des prix suffisamment bas pour cette application , relève Michel Berbesson. À la demande de nos clients,nous proposons donc un petit lecteur permettant à notre appareil de mesure d'identifier la vis. » Les appareils de mesure par ultrasons sont peu nombreux sur le marché, comparativement aux outils dynamométriques. « Certains sont identiques, mais vendus sous différentes marques de revendeurs », observe Romain Barrellon (Cetim). C'est le cas notamment de certains fabricants de systèmes de serrage, qui commercialisent aussi des appareils de mesure. Si le principe de la mesure ne varie pas d'un appareil à l'autre, on peut toutefois distinguer dif-férentes façons de la mettre en œuvre, qui nécessitent plus ou moins de préparation des vis. « Lorsque nous intervenons, nous découvrons sur place l'état du boulon, explique Guilhem de Nucé (ATEC). Il faut parfois légèrement abraser la tête de la vis pour avoir une surface plane et éviter les défauts. » ATEC utilise et distribue l'appareil Delta Sigma de Resonic Instruments, qui utilise une pastille apposée sur la vis et excitée par un capteur.

Assurer une bonne adhérence

Pour Intellifast, instrumenter les vis avec un capteur permanent nécessite d'assurer « une qualité de surface particulière, qui implique parfois un fraisage local », précise Rodolphe Catrin. Le capteur est électro-déposé sous vide, pour assurer une meilleure adhérence qu'avec l'usage de colle et une meilleure résistance aux hautes températures. La colle peut toutefois être utilisée dans certains cas, par exemple si l'installation doit être faite très rapidement. Installer des capteurs permanents permet de s'affranchir de certains aléas de la mesure, comme le positionnement du capteur ou la couche de gel entre celui-ci et la vis –des paramètres pouvant induire de fortes variations de la mesure.

Les appareils de mesure se différencient notamment par leur ergonomie. Leurs interfaces sont, par exemple, plus ou moins intuitives à prendre en main.

Norbar

Le fabricantTraxx a, lui, fait le choix de s'affranchir de la modification des vis, en proposant un appareil capable d'effectuer des mesures sur n'importe quelle surface. « Il y a toujours des cas par-ticuliers, mais cela fonctionne 9 fois sur 10. Cela évite les surcoûts, facilite l'utilisation pour l'opérateur et évite d'attaquer le revêtement anticorrosion, argumente Michel Berbesson. Comme nous ne nous consacrons qu'à cette technologie, nous l'avons peaufinée en ce sens au fil des années. » Le capteur est un cylindre semblable à un dé à coudre, que l'on pose sur la tête de la vis. Il se décline en une vingtaine de références, selon une gamme de fréquences allant de 1 à 20MHz, en fonction de la longueur de la vis, mais aussi selon différentes tailles qui peuvent aller jusqu'à 3mm de diamètre pour les endroits très confinés.

Faciliter la mesure pour les opérateurs de terrain

D'autres paramètres sont à prendre en compte, notamment lorsque l'on souhaite effectuer un suivi à long terme. « Si l'on fait une nouvelle mesure avec un nouveau capteur, on n'obtient pas un résultat absolu , prévient Guilhem de Nucé (ATEC). Notamment parce que le capteur n'est jamais placé exactement au même en-droit. » L'installation d'une pastille ou d'un capteur sur la vis permet d'éviter ou, en tout cas, de minimiser ces variations d'une mesure à l'autre. La longueur du câble ou l'épaisseur de gel sont aussi des éléments susceptibles de faire varier le résultat. Contre ces incertitudes, Traxx propose un système à double écho. Il s'agit de mesurer le temps écoulé entre le retour de deux échos de fond, traités indépendamment. Cela revient à mesurer un aller-retour du signal entre les deux faces de la vis, sans sortir du matériau. Le résultat est donc indépendant des variations liées aux conditions de la mesure.

Fixer un capteur directement sur la vis permet d'assurer que la mesure est toujours faite dans les mêmes conditions.

Intellifast

L'ergonomie est un autre facteur permettant de différencier les appareils de mesure. « Nous proposons un écran tactile avec une interface graphique claire », indique Michel Berbesson (Traxx). L'objectif est de faciliter la mesure pour les opérateurs de terrain. L'entreprise propose également des adaptations de son logiciel à des besoins spécifiques, comme la personnalisation de l'interface ou l'ajout de fonctions comme la recherche de défauts, toujours grâce aux ultrasons.ATEC a choisi de travailler avec le Delta Sigma de Resonic Instruments pour sa simplicité d'utilisation. « Leur appareil a été conçu par opposition à d'autres systèmes du marché,qui sont un casse-tête à utiliser », souligne Guilhem de Nucé. « Lorsqu'un assemblage est bien conçu et bien réalisé, avec des vis de bonne facture, il est robuste et l'on observe peu de défaillances, indique Romain Barrellon (Cetim). Le serrage paraît simple,donc le sujet est plus souvent négligé que d'autres tech-niques d'assemblage, comme le soudage. » De plus, le départ en retraite des personnels entraîne une perte de savoir dans les entreprises.La recherche de la réduction des coûts est aussi un facteur susceptible de nuire à la qualité des assemblages vissés, en donnant la priorité aux vis moins chères. Parfois, ce sont les problématiques d'allègement des structures, qui contribuent à des liaisons boulonnées moins robustes. Le contrôle par ultrasons est une technique permettant d'apporter plus de précision dans le serrage, et donc plus de robustesse dans les assemblages. Mais attention: elle ne suffit pas à pallier les faiblesses de la conception ou des matériaux, et elle ne doit pas être un prétexte pour négliger ces éléments!

Achat ou service ?

Certains fabricants ou fournisseurs de systèmes de mesure par ultrasons proposent aussi des services. Vaut-il mieux investir dans un appareil, ou demander une intervention ponctuelle? « Généralement,nos services sont sollicités lorsqu'une entreprise a un problème urgent, observe Michel Berbesson, dirigeant de la société Traxx. Il ne s'agit pas uniquement de mesure,mais aussi de conseil pour comprendre et résoudre ce problème. » Ces interventions sont souvent l'occasion de mettre en lumière des problèmes dans la mise en œuvre ou le suivi du serrage, problèmes qui peuvent justifier l'achat d'un appareil afin d'éviter le recours récurrent à un service de mesure.