Pourquoi les boulons se desserrent-ils ?

Les boulons sont des fixations de choix pour de multiples secteurs et applications pour la simple raison qu’ils sont faciles à démanteler. Mais cela les rend aussi plus vulnérables à l’auto-desserrage et à la perte de précharge.

En fonction de l’application, le desserrage de boulons peut avoir des conséquences importantes. Un boulon desserré entraîne l’arrêt de toute une usine de production et coûte à la société des milliers, tandis que dans d’autres applications, des boulons desserrés posent un problème de sécurité important. Mais quelles sont les principales causes du desserrage d’un boulon ? D’une manière générale, il existe deux principaux types de desserrage d’un boulon : le desserrage spontané et le relâchement.

« LES PRINCIPALES CAUSES et les conséquences de pannes dépendent de l’objectif de l’assemblage boulonné, de l’environnement et normalement du secteur, affirme Georg Dinger de la société Siegenia-Aubi KG, qui a étudié en profondeur les causes et les effets de l’auto-desserrage. « Par exemple, le secteur de la pétrochimie est essentiellement concerné par les problèmes de corrosion, tandis que le desserrage par fatigue et vibrations sont en général des préoccupations secondaires. Le secteur de l’automobile, par contre, citera probablement l’auto-desserrage et la corrosion comme les deux principaux problèmes. Les préoccupations essentielles de l’industrie de l’acier de construction sont le glissement du joint et la corrosion, alors que l’auto-desserrage et la fuite sont moins fréquents. Le secteur aérospatial nommerait probablement la fatigue comme première cause. »

« Les déplacements relatifs répétés entre les surfaces de contact, sous l’influence du couple de la tige, résultant du couple du pas de filetage, peut conduire à une rotation progressive du boulon ou de l’écrou, poursuit Dinger. » « Cela provoque une perte de précharge et par conséquent une perte de la fonction de l’assemblage boulonné. L’effet est bien connu, mais la prévention est habituellement réalisée à titre expérimental, seulement après occurrence d’auto- desserrages.

» POUR PRÉVENIR LE desserrage spontané, il convient d’éliminer le glissement entre les parties assemblées ou au moins de le réduire en dessous d'un niveau critique. Cela peut être fait en augmentant la tension axiale, en augmentant la friction entre les pièces de serrage, ou en réduisant la charge cyclique, par exemple, les chocs, les vibrations ou les charges thermiques cycliques.

Principales causes du desserrage de boulons

• Desserange spontané
• Relâchement

Une autre méthode courante est d’augmenter la friction entre les filetages des boulons. Il y a un grand nombre de méthodes pour faire cela, certaines sont efficaces, avec toutefois quelques inconvénients. La colle ou les adhésifs peuvent être des méthodes à base de friction efficaces, mais la colle séchée peut poser problème lorsqu’il s’agit de démonter ou de retirer un boulon.

Par ailleurs, augmenter la friction entre les filetages diminuerait la précharge réalisable à un niveau de couple précis. Le fil à freiner est utilisé couramment dans le secteur de l’aviation.

LA FATIGUE EST un dommage permanent ou une déformation dans le boulon et les pièces de serrage. Elle est causée par une perte de précharge résultant de l’ouverture de l’assemblage. Il existe deux mécanismes de base causant la perte de précharge - le desserrage spontané et le relâchement.

Le desserrage spontané, ou auto-desserrage rotatif, se produit surtout lorsqu’un boulon tourne et se desserre suite à un choc, une vibration ou à des charges dynamiques. Même une légère rotation peut être suffisante pour qu’un assemblage boulonné perde toute sa précharge. C’est la cause la plus fréquente du desserrage d'un boulon. Le relâchement est dû à trois mécanismes : le tassement, le fluage et la relaxation.

Le tassement est critique lorsqu’il survient à la suite de charges dynamiques. Il s’agit d’une déformation permanente du matériel de serrage lorsque l’assemblage est sujet à une augmentation de contraintes provenant de charges de travail dynamiques, explique Harlen Seow, Directeur technique chez Nord-Lock. « La plupart des pièces d’un assemblage boulonné reviennent à leur forme initiale après avoir été relâchées si la contrainte exercée sur les pièces n’a pas dépassé leur limite élastique. Certains matériaux de la surface de contact, comme la peinture se déformeront très probablement de manière permanente, dit-il et il continue ainsi :

« Si les matériaux se tassent, ne serait-ce que de quelques micromètres, l’allongement du boulon diminuera et conduira à une perte de précharge.

» Le fluage est une déformation permanente qui intervient à la suite d’une longue exposition à de hauts niveaux de contrainte en dessous de la limite élastique des matériaux d’assemblage. Il est plus important dans des applications de hautes températures.

La relaxation se produit lorsque la micro-structure des matériaux de l’assemblage se restructure, convertissant la déformation élastique existante en déformation plastique sur une longue période de temps. Contrairement au tassement et au fluage, la longueur de serrage ne change pas, ce qui la rend difficile à détecter. « Une bonne méthode pour mesurer la perte de précharge est de mesurer la longueur du boulon après une période de fonctionnement et de la comparer à celle immédiatement après le serrage, ajoute Seow. » « Mais cela ne permettra pas de détecter la relaxation, ce qui est plus problématique encore.

» LA CLÉ POUR éviter la fatigue est une bonne conception, laquelle a pris de plus en plus d’importance ces dernières années, en raison des demandes croissantes de nombreux assemblages boulonnés et de l’utilisation de plus en plus fréquente de matériaux ultra-légers. Il est important de ne pas se concentrer uniquement sur la capacité de résistance à la traction des boulons, car on néglige alors d’autres paramètres, tels que l’élasticité et la raideur, qui sont aussi importants.

« Une bonne conception d’assemblage est essentielle pour atteindre un assemblage d’ancrage à friction haute résistance avec un niveau de précharge élevé, et partant un haute résistance au glissement sur toute la durée de vie, affirme Dinger. » « Jusqu’à aujourd’hui, les ingénieurs de conception mettaient l’accent sur la panne avec ruptures de boulons. D’autres mécanismes de pannes sont devenus de plus en plus importants alors que la performance augmente et que le poids des assemblages baisse. Les mécanismes de relaxation de précharge et d’auto- desserrage sont de plus en plus courants dans les conceptions ultra-légères.

» En fonction du boulon et de son application, ainsi que de la cause de la perte de précharge, il existe de nombreuses autres possibilités de conception plus efficaces d’assemblages boulonnés.

« S’IL EXISTE UNE CHARGE thermique, l’assemblage peut être optimisé en choisissant des matériaux avec un même coefficient d’expansion thermique pour les pièces de serrage, affirme Dinger. » « Pour contribuer à minimiser le tassement et maintenir une forte précharge durant le fonctionnement, il est possible de réduire la rugosité entre les surfaces de contact. Prendre des mesures telles que des perforations de diamètres fins ou des surfaces dentées peut contribuer à minimiser le déplacement relatif. »

« En général, déclare Seow, un bon assemblage boulonné est fait de boulons très élastiques et de pièces de serrage très raides, et il y a diverses manière d’y parvenir. Une des méthodes pour améliorer l’élasticité du boulon est d’avoir une grande longueur de serrage. Mais si le boulon présente une bride dont la longueur de serrage ne peut pas être longue, il faut alors modifier la conception et utiliser un plus grand nombre de boulons plus petits. Au lieu d’utiliser cinq boulons, utilisez-en dix plus petits pour augmenter l’élasticité de l’assemblage. »

Globalement, le meilleur assemblage boulonné implique de faire jouer de multiples variables et possibilités de conception.

Précharge

Ce terme a de numbreux sens en ingénierie. Tension (charge) créée dans une fixation lorsque celle-ci est totalement serrée. Alors que le boulon s’allonge, les composants entre le boulon et l’écrou se compressent et augmentent la charge de serrage jusqu’à la fin du processus de serrage.

Test de Junker

Les recherches sur les causes de l’auto-desserrage durent depuis près de 60 ans, mais c’est le travail novateur de l’ingénieur allemand Gerhard Junker dans les années 60 qui est à la base des méthodes et des théories modernes de prévention de l’autodesserrage.
Sa méthodologie de test utilisée pour déterminer à quel moment une fixation tourne et se desserre lorsqu’elle est sujette à des vibrations
est universellement connue sous le nom de Test de Junker et a été adoptée comme norme internationale, p. ex. DIN 65151.