Brevet FR2580742A1 — publié le 19861024

La présente invention concerne un procédé se serrage de boulonnerie, destiné en particulier à fixer avec précision la précharge appliquée au boulon au montent du serags de l'écrou, L'invention couvre en outre un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, La boulonnerie a toujours posé et pose encore de nombreux problèmes pour les utilisateurs car il s'agit de pièces complexes travaillant dans des conditions sévères et souvent limites. Le coût des incidents que sa défaillance peut provoquer est hors de proportion avec son coût intrinsèque et justifie de ce fait l'intérêt que l'on doit lui porter.Or, les expertises effectuées à la suite de défaillances d'assemblages boulonnés telles que rupture, fuite sur bride assemblée, montrent que ces incidents sont en majeure partie dus à la méconnaissance de la précharge introduite dans les assemblages à l'instant du serrage A l'heure actuelle, on ne dispose d'aucun système intégré par pilotage en temps réel de la mise en tension des boulons en fonction de leurs allongements et la procédure de serrage de précision classique est la suivante - mise en tension des boulons - contrôle de la tension de serrage par mesure de l'allongement des boulons La précharge par mise en tension des boulons constitue l'un des paramètres essentiels de l'assemblage ; en effet, une précharge judicieuse - permet au corps du boulon de ne pas travailler au cisaillement dans le cas de sollicitations tangentielles au plan d'assemblage, - assure le maintien d'une étanchéité, - conditionne les effets de desserrage spontané sous l'action de sollicitations dynamiques de cisaillement, - permet de mieux utiliser les caractéristiques mécaniques des boulons, donc d'en diminuer le diamètre et le nombre, La mise en tension des boulons peut être opérée par application d'un couple ou par allongement, Pour l'application d'un couple1 la technique la plus courante est l'utilisation d'une relation entre le couple de serrage et la tension du boulon Le diffrnt moyens de serrage sont par exemple Précision sur la précharge - clé à main + 60 % - clé à choc sans étalon nage + 60 % - clé à choc avec étalon nage périodique + 40 X - clé dynamométrique + 20 X Outre leur manque de précision très important, ces différents moyens soumettent le boulon à des contraintes de torsion lors du serrage Pour réaliser l'allongement, on met essentiellement en oeuvre la technique par canne chauffante, qui consiste à introduire une résistance électrique chauffante dans un trou foré au centre du boulon Sous l'effet de la température induite, le boulon;en se dilatant, s'allonge plus vite que les brides à assembler Un serrage manuel des écrous, puis une remise à température égale des brides et boulons permet d'assurer une précontrainte au boulon On se heurte cependant aux inconvénients suivants - temps d'intervention très long, - grande difficulté d'obtenir un préçserrage précis, dû au temps de mise en place et de fonctionnement des cannes chauffantes. Le contrôle de la précharge des boulons est généralement réalisé en mesurant leur allongement à la suite de l'opération de serrage La technique la plus utilisée à l'heure actuelle est la mesure, avant et apres serrage, de la côte d'enfoncement d'une pige solidaire du fond du boulon par rapport au sommet du goujon Cette mesure peut être effectuée par jauge de profondeur mais la précision est limitée, ou bien par comparateur mécanique mais avec difficulté de fixation et hystérisis important lors d'un cycle de serrage, condui sànt à des erreurs sur l'allongement résiduel du boulon On peut également effectuer la mesure de l'allongement par voie ultrasonore, qui consiste à transiettre une onde ultrasonore par l'intermédiaire d'un émetteur placé sur l'une des extrémités du boulon L'onde transitant dans le corps du boulon se réfléchit sur la face opposée au palpage et elle est enregistrée en retour par le même palpeur fonctionnant comme récepteur : la variation de temps de parcours de l'onde dans le boulon avant et après serrage permet de déterminer son allongement, On se heurte cependant aux inconvénients suivants - Appareils très coûteux - extrémités des boulons parfaitement plans, perpendiculaires à l'axe et d'un bon état de surface, - variation des mesures en fonction de la température ambiante et de la matière des goujons, - taille minimum requise des boulons La présente invention vise donc à remédier aux inconvénients ci-dessus, en fournissant un procédé et un dispositif de serrage avec mise en tension, apportant plus parti culièrement la satisfaction des impératifs suivants - opération réalisée entièrement à froid, - réduction optimale des temps d'intervention, - robustesse et fiabilité élevée de mise en oeuvre, - serrage affranchi du facteur "erreur humaine", car entièrement automatisable en ce qui concerne la phase d'allongement des boulons, - allongement résiduel des goujons obtenu avec une précision de + 0,005 mmw Conformément au procédé selon l'invention, dans lequel on procède à un allongement préalable du boulon et l'on amène l'écrou en appui sur la surface à serrer, on établit une traction mécanique à froid sur le goujon tout en effectuant une mesure en continu de son allongement, dont on a prédéterminé une valeur à laquelle on stabilise ladite traction, on maintient cette traction stabilisée tout en ramenant l'écrou au contact de la surface à serrer dont il s'est éloigné de la valeur dudit allongement, puis l'on relache la traction Pour la mise en oeuvre du procédé tel que difigt ci-dessus, le dispositif comprend essentiellement une embase entourant concentriquement l'écrou et prenant appui sur la surface à serrer, munie à sa partie opposée à ladite surface, d'un anneau-vérin sur lequel prend appui la collerette d'une couronne solidarisée à la partie en saillie du goujon, de façon telle que l'anneau-vérin, lorsqu'il est en pression, déplace ladite collerette et effectue la traction sur le boulon par l'intermédiaire de l'embase. Suivant une autre caractéristique, un capteur de mesure de l'allongement est disposé sur l'extrémité du goujon et sa sortie est reliée à l'organe de commande de mise en pression de l'anneau-vérin > D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels les figures 1 à 3 représentent des vues schématiques illustrant les phases principales du procédé selon l'invention la figure 4 représente une vue schématique partiellement en coupe du dispositif de mise en tension selon l'invention ; la figure 5 représente une vue schématique du capteur ; et la figure 6 représente un schéma synoptique du circuit de commande pour le fonctionnement automatique du dispositif selon l'inventiont Sur ces dessins, les mêmes références désignent les mêmes éléments. En se référant aux figures 1 à 3, un boulon de référence générale 1, muni de façon connue en soi d'une pige dont le rôle sera précisé ci-après, comprend un écrou 2 destiné à serrer sur une surface 3 telle qu'une bridec Conformément à l'invention, l'extrémité du boulon est entourée d'une embase concentrique 4 prenant appui sur la surface 3, surmontée d'une couronne dont la collerette 5 est au contact de sa partie supérieure, elle-même munie d'un moyen 6 susceptible de déplacer ladite collerette en direction opposée à la surface 3, tandis que la couronne est solidarisée au goujon 7 Comme mentionné plus haut, pour le serrage, on amène dans un premier stade (figure 1), l'écrou 2 en appui sur la surface 3, de sorte que la distance séparant la base de l'écrou 2 et ladite surface est égale à zéro (0) Dans cette configuration, la distance séparant la base de la collerette 5 et la partie supérieure de l'embase 4 est également égale à zéro (O), Dans un deuxième stade (figure 2), on établit une traction mécanique sur le goujon 7 en actionnant le moyen 6 qui a pour effet de soulever la collerette 5 d'une longueur lî correspondant à l'allongement prédéterminé du boulon, cette longueur 11 se retrouvant sensiblement selon 12 entre la base de l'écrou 2 et de la surface 3 Du fait de la mesure de l'allongement effectuée en continu , par un moyen qui sera décrit ci-après et faisant intervenir la pige mentionnée plus haut, on stabilise automatiquement l'effort de traction lorsque cette valeur lî 12 est atteinte Dans un troisième stade (figure 3), on maintient l'effort de traction selon l'allongement ll, tout en ramenant l'écrou 2 par vissage manuel en appui sur la surface 3, la distance séparant la base de l'écrou et ladite surface étant ainsi ramenée à zéro (0) On relâche alors l'effort de traction, le serrage étant effectué dans les conditions optimales de précharge, à froid, avec facilité et rapidités En se référant à la figure 4, le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé expliqué ci-dessus comprend l'embase 4 concentrique au boulon 1 d'axe A-A et munie d'une ouverture latérale 8 permettant le vissage manuel de l'écrou 2, éventuellement au moyen d'une broche pouvant être introduite dans les orifices 9 de l'écrous L'embase 4 est surmontée par la collerette 5 de la couronne dont la partie interne 10 est vissée sur le goujon 7 et constitue un adaptateur de filetage La partie supérieure de l'embase 4 est munie du moyen de référence générale 6 mentionné plus haut, rapporté au-dessus de la face latérale de ladite embase et lconsstiit un anneau-vérin pour le soulèvement de la couronne et la traction sur le boulon L'anneau-vérin comprend un corps de vérin 11 muni d'une gorge circulaire 12 sur le fond de laquelle est disposé un tore creux 13 en matière élastomère sur lequel prend appui un piston mobile circulaire 14 solidaire de guides 15 pour un mouvement de translation parallèle à l'axe A-A, Le tore 13 comprend une entrée de fluide 16 reliée à un raccord convenable 17 ménagé dans le corps 11 La membrane du tore 13 étant déformable, on conçoit que l'introduction d'un fluide sous pression à son entrée 16 soulève le piston circulaire 14 et assure la traction sur le boulon I1 y a lieu de noter que l'agencement de l'anneau-vérin ne requiert pas une finition poussée des surfaces et supprime les phénomènes d'extrusion généralement constatés dans les cas d'étanchéité par joint torique Par ailleurs, la pression exercée est directement fonction de la surface mise en pression par le tore et de l'effort de traction à appliquer Comme mentionné plus haut, on mesure en continu l'allongement du boulon pendant le déroulement du procédé de serrage, l'effort de traction étant stabilisé lorsque l'allongement optimal prédéterminé est atteint.A cet effet, et en se référant à la figure 5, il est avantageux, conformément à l'invention, de mettre en oeuvre un capteur du type à courant de Foucault, de référence générale 18, rendu solidaire de l'extrémité 7 du boulon et dont une sonde 19 est placée en regard de l'extrémité d'une pige fixe 20 prenant appui au fond dudit boulon Le capteur est essentiellement constitué d'une bobine 21 alimentée par une tension alternative constante Des courants de Foucault se développent entre la bobine 21 et la pige 20 > Lorsque la distance 13 entre bobine et pige augmente, les pertes par courant de Foucault diminuent, ce qui entraine une diminution du courant d'alimentation proportionnelle à la variation de dis tance : le phénomène inverse se produit lorsque la distance diminue. En se référant à la figure 6, l'alimentation en fluide de l'outillage de serrage 6 constitué par l'anneau- vérin est, par exemple, assurée par une pompe électrique haute pression 22, par l'intermédiaire d'une électrovanne 23 placée entre la sortie haute pression de la pompe et l'outillage de serrage L'ensemble du circuit est géré par une unité centrale 24 reliée à un organe d'affichage 25 et à une console de liaison 26 elle-même reliée aux différents organes, à savoir : la sortie d'un amplificateur 27 des signaux issus du capteur 19, l'électrovanne 23 ; la pompe 22 ; une seconde électrovanne 28 de purge du circuit de fluide avec retour à une bâche 29, I1 y a lieu de noter que ce circuit peut commander une pluralité de moyens de serrage, par exemple quarante, auquel cas les lignes représentées avec un pointillé entre la console 26, l'amplificateur 27 et l'électrovanne 23 ainsi qu'entre cette dernière et les moyens 6, sont multiples et équipées d'un convertisseur à balayage appropriés Lors d'une mise en traction, les modules de commande des capteurs reçoivent en retour par la ligne 30 (figure 5) de chaque sonde une information leur permettant de délivrer un signal proportionnel à la variation de distance sonde/cible > i'es signaux sont alors dirigés vers un convertisseur analogique qui les analyse en temps réel. Lorsque la valeur lue par cet organe atteint la valeur d'allongement prédéterminée et programmée sur l'unité centrale 24, l'électrovanne 23 alimentant le serrage est automatiquement fermées De manière avantageuse, un boitier de surveillance permet de visualiser sur écran l'allongement du boulon lors de la montée en pression, ainsi que l'allongement résiduel après relâchement de la pression, La précision de l'affichage est de 1 micron I1 y a lieu de noter par ailleurs que la mise en place des capteurs peut être faite d'une manière très imprécise, car un zéro de mesure est réalisé automatiquement au niveau de ltélectronique. En outre, du fait d'une très bonne stabilité de l'étalonnage des capteurs dans le temps, on peut contrôler une éventuelle relaxation des boulons dans le temps par remise en place du capteur et vérification de l'allongementb Outre la précision obtenue grâce au procédé et au dispositif selon l'invention, on obtient une grande sécurité du personnel, par un matériel automatique ne nécessitant qu'une présence humaine minimale dans les zones dangereuses, par exemple fortement contaminées, dans le cas des centrales nucléaires, I1 est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre explicatif mais nullement limitatif et qu'on pourra y apporter toute modification utile, notamment dans le domaine des équivalences techniques, sans sortir de son cadre > REVENDICATIONS 1 Procédé de serrage de boulonnerie, dans lequel on procède à un allongement préalable du boulon et n amène l'écrou en appui sur la surface à serrer (3), caractérisé par le fait qu'on effectue une traction mécanique à froid sur le goujon (X) tout en effectuant une mesure en continu de son allongement, dont on a prédéterminé une valeur à laquelle on stabilise ladite traction, on maintient cette traction stabilisée tout en ramenant l'écrou au contact de ladite surface, dont il s'est éloigné de la valeur dudit allongement, puis on relâche la traction 2 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend- une embase (4) entourant concentriquement l'écrou (2) et prenant appui sur la surface à serrer (3), munie à sa partie opposée à ladite surface d'un anneau-vérin sur lequel prend appui la collerette (5) d'une couronne solidarisée à la partie en saillie du goujon, de façon telle que l'anneau-vérin, lorsqu'il est en pression, déplace ladite collerette et effectue la traction sur le boulon par l'intermédiaire de l'embase 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un capteur de mesure (18) de l'allongement disposé sur l'extrémité du goujon et dont la sortie (30) est reliée à l'organe de commande de mise en pression de l'anneau-vérin > 4.Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'anneau-vérin est rapporté à la partie supérieure de l'embase (4) et qu'il comprend un corps (11) muni d'une gorge circulaire (12) sur le fond de laquelle est disposé un tore creux (13) déformable sur lequel prend appui un piston mobile circulaire (14) au contact de la collerette (5), le tore étant muni d'une entrée (16) de fluide-de pression 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que le capteur est du type à courant de Foucault et qu'il comprend une sonde (19) solidaire de l'extrémité du boulon et disposée en regard de l'extrémité d'une pige fixe (20) prenant appui au fond du boulon, 6, Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que la sortie (30) de la sonde est reliée à un circuit de commande automatique comprenant notamment une unite centrale (24) de programmation de la valeur prédéterminée de l'allongement du boulon et une commande (23) de mise sous pression, de stabilisation et de relâchement de ladite pression sur l'anneau-vérin >