L’examen des soudures par ultrasons

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On a bientôt terminé avec les cours de Jean MATON concernant le contrôle des soudures. Cet avant dernier chapitre parle du contrôle par ultrasons et suit le cours sur la radiographie . Vous pouvez aussi voir le sommaire .

10-4-6 Examen par ultrasons (UT) EN 1714-10

La méthode repose sur la propagation d’une onde vibratoire engendrée par un palpeur piézo-électrique. Elle est réfléchie dès lors qu’elle rencontre un milieu différent de la nature du milieu de propagation.

Sommaire:
  • 1. Principe
  • 2. Vitesse de propagation
  • 3. Mise en œuvre
  • 4. Variantes
  • 5. Mise en œuvre
  • 6. Domaine d’application
  • 7. Avantages et inconvénients
  • –a) Avantages
  • –b) Inconvénients
  • 8. Comparaison des méthodes classiques de CND
  • 9. Tendances

1. Principe


Schéma contrôle par ultrasons
Schéma contrôle par ultrasons

Les ultrasons sont des ondes élastiques, tout comme les sons audibles; ils ne diffèrent de ceux-ci que par leur domaine de fréquence. Si ces ondes ultrasonores sont envoyées perpendiculairement à la surface d’une pièce à faces parallèles, ces ondes vont se réfléchir sur la paroi opposée et revenir vers le cristal qui va transmettre le signal à l’appareil à ultrasons.

Un défaut ses signale par l’apparition d’un écho intermédiaire et/ou par une atténuation de l’écho de fond.

Applications classiques : Vérification de l’épaisseur d’une tôle, recherche de doublures et ségrégations.
Le temps nécessaire à l’onde pour parcourir le trajet aller-retour dans la pièce est le même que pour détecter un défaut. Connaissant le temps du parcours, on sait facilement trouver la position du défaut ou le fond de la pièce, si on connaît la vitesse de propagation des ondes dans ce matériau.

Le temps (t) est représenté sur un tube cathodique, c’est la distance entre l’impulsion de départ et l’écho ou la distance entre 2 échos qui se suivent (FIG 10-23). Si on règle l’équipement afin que la valeur (en mm) corresponde à un certain écartement, lu en mm, sur le tube à rayon cathodique soit t/2, il ne reste qu’à lire directement la valeur de la position du défaut ou du fond de la pièce sur l’appareil.


Vitesse des ondes en fonction des matériaux
Vitesse des ondes en fonction des matériaux

2. Vitesse de propagation:

Les ondes sonores et US se déplacent grâce à un support, qu’il soit gazeux, liquide, ou solide. Lorsque la direction du déplacement des particules de ce support est la même que celle de la propagation des ondes, on a des ondes longitudinales (ou de compression). Si les particules se déplacent perpendiculairement à la direction de propagation des ondes, on a des ondes transversales (ou de cisaillement).

Notons que ces ondes transversales n’existent pas dans les milieux gazeux et liquide.
Les vitesses de propagation dans les métaux sont fonction du module d’élasticité longitudinale (E) pour les ondes longitudinales (L) et (G) pour les ondes transversales (T), ainsi que leur masse volumique. Le tableau donne la vitesse de propagation dans les milieux les plus usuels.
Toute onde est un phénomène périodique ayant une certaine fréquence (f > à 20 kHz), c’est-à-dire un nombre de cycles par seconde et une certaine longueur d’onde (?) qui est la distance pour parcourir une onde. La vitesse de propagation d’une onde est dès lors : v = ? x f
Les US en milieu homogène se propagent en ligne droite et à vitesse constante, qui ne dépendra que du milieu de propagation et du type d’onde employé.

Exemple: Une onde longitudinale a, dans l’acier, une vitesse de 5960 m/s (FIG 10-23). Si nous utilisons une fréquence de 4 Mhz, la longueur d’onde est égale à ? = = 1,49 mm

Le pouvoir de détection d’une onde US est liée à la longueur de l’onde. Plus celle-ci est petite, plus le pouvoir de détection est élevé. On utilise donc des ondes à hautes fréquences (0,25 à 25 Mhz). Pour les contrôles les plus courants, les fréquences varient entre 1 et 4 Mhz.

3. Mise en œuvre

a) Ensemble du système: L’ensemble de contrôle US comporte:

  • Un générateur de signal électrique
  • Une unité émettrice d’ondes (ex. cristal piézoélectrique)
  • Un couplant pour le palpeur émetteur
  • L’échantillon à tester
  • Un couplant pour le palpeur récepteur
  • Une unité réceptrice des ondes (ex. cristal piézoélectrique)
  • Un indicateur électrique type oscillographe cathodique, accompagné parfois d’un enregistreur analogique ou numérique (Fig 10-25)


Schémas pour Ultrasons
Schémas pour Ultrasons

4. Variantes

a) Le contrôle par méthode TOFD (Time Of Flight Diffraction) : Il consiste à contrôler une soudure en utilisant deux palpeurs positionnés de part et d’autre de la soudure, fonctionnant en transmission. Les palpeurs sont choisis de telle manière que le faisceau soit très divergent et qu’il
 » Insonifie  » le plus grand volume possible de la soudure, si ce n’est la totalité de celle-ci. Si une discontinuité est présente dans cette soudure, celle-ci va diffracter une partie de l’énergie suivant les lois habituelles de l’acoustique. C’est cette énergie diffractée qui va être récupérée par le palpeur de réception et qui va servir à localiser la discontinuité (Fig 10-26).

b) La technologie multiéléments (Phased Array) : Elle consiste à utiliser des palpeurs divisés en plusieurs petits palpeurs élémentaires et à exciter chacun de ces traducteurs élémentaires avec un écart de temps (retard) qui va permettre de créer un faisceau par interférence constructives. On peut ainsi créer des faisceaux inclinés ou focalisés avec des palpeurs au contact sur des surfaces droites.
En modifiant d’un tir à l’autre ces retards, le faisceau pourra être soit déplacé, soit modifié dans sa direction. On crée ainsi un phénomène de  » balayage  » qui est soit un balayage linéaire, soit un balayage sectoriel. De plus, on peut superposer à cela une focalisation électronique sans déplacer le palpeur ou sans adapter sa surface d’entrée. Ces technologies sont directement issues des technologies médicales et ont été adaptées aux problèmes industriels et aux matériaux industriels.

Dans le contrôle des soudures, le contrôle par technique  » Phased Array  » présente l’avantage de supprimer le mouvement de va vient traditionnel du palpeur. En effet, celui-ci est remplacé par un balayage électronique en utilisant des palpeurs comportant quelques 64 éléments qui vont couvrir la totalité de la soudure. Un autre élément intéressant peut être de remplacer le contrôle sous plusieurs incidences successives (45°, 60°, 70°) par un seul passage avec balayage sectoriel qui couvrira l’ensemble des angles entre 45 et 70° par exemple.


Palpeur pour ultrasons
Palpeur pour ultrasons

5. Mise en œuvre

L’opérateur déplace le palpeur sur la sur la surface de la pièce à contrôler (préalablement enduite d’un produit de couplage) selon un mode opératoire appelé plan de sondage qui permet d’assurer l’exploration de tout ou partie de la pièce à contrôler.
Pendant cette exploration, l’opérateur doit surveiller l’apparition d’échos sur l’écran de contrôle (par ex: écran d’oscilloscope) dont la position (qui permet de localiser le réflecteur) et l’amplitude (qui permet d’estimer l’importance du défaut) sont révélateurs d’anomalies. Lorsque le seuil de prise en compte est atteint, il est alors nécessaire de caractériser l’anomalie à l’aide d’une pièce de référence (témoin) afin d’identifier la nature du défaut.
Après cet essai, il sera réalisé un PV d’examen – contrôle magnétoscopique).

6. Domaine d’application

Le contrôle par ultrasons est applicable à de nombreux matériaux pourvu qu’ils ne présentent ni une trop forte atténuation ni une anisotropie importante. Les matériaux métalliques, thermoplastiques composites, céramiques peuvent être contrôlés par ce procédé. Les ultrasons permettent la détection de tous défauts engendrant une variation locale des propriétés ultrasonores de la pièce. Le contrôle des soudures peut être effectué entre -20 et 150 °C. Il existe des solutions en dehors de cette gamme mais plus complexe à mettre en œuvre.

Le contrôle ultrasonore est notamment utilisé pour le contrôle :

  • Des pièces moulées : retassures, vermiculures, variations locales de structure, ségrégations, porosités….
  • Des pièces forgées : retassures, criques, repli de forge. L’orientation du faisceau ultrasonore doit prendre en compte le fibrage de la pièce.
  • Des produits laminés et étirés : dédoublures, ségrégations repliures
  • En service : Les défauts apparaissent en service tels que fissures ou corrosions peuvent être détectés par ultrasons. Cependant les fissures de fatigue peuvent ne pas être détectées si elles sont trop resserrées mais aussi les fissures de corrosion sous tension en raison des produits qu’elles contiennent.
  • Des soudures avant et après traitement thermique. Le contrôle par ultrasons peut être appliqué avec profit aux soudures réalisées sur les aciers non alliés et faiblement alliés de nuance ferritique ainsi que sur les alliages légers.

Le contrôle des soudures sur aciers austénitiques est réalisable, mais nécessite la mise au point d’une procédure particulière.

Avant soudage, il est nécessaire d’effectuer pour les tôles et produits forgés, un contrôle par ultrasons pour détecter des défauts pouvant gêner le contrôle après soudage (délaminage, ségrégation, anisotropie, dans le cas des tôles; retassures, criques, repli de forges pour les produits forgés).
Pendant le soudage, le contrôle ultrasonore peut être effectué, mais difficile de mettre car le remplissage partiel de la soudure peut gêner le contrôle.
Après soudage, le contrôle ultrasonore est bien adapté pour le contrôle des épaisseurs d’assemblages soudés comprises entre 8 et 100 mm, mais est adaptable en dehors de cette fourchette. Grâce aux techniques d’examen mise en œuvre, tous les types de soudure peuvent être examinées (bout à bout, d’angle et à recouvrement).

7. Avantages et inconvénients

a) Avantages
  • Contrôle possible de compacité de la totalité d’un volume donné
  • Positionnement des indications détectées dans l’épaisseur
  • Haute sensibilité de détection des défauts, notamment pour la recherche des défauts plans
  • Localisation et dimensionnements des défauts
  • Examen à partir d’une seule face souvent suffisant
  • Détection instantanée, se prête bien à l’automatisation
  • Transportabilité
b) Inconvénients
  • Pour les contrôles manuels, une grande expérience des opérateurs est requise
  • Méthode impliquant un très haut niveau de technicité
  • Sensible à la géométrie (formes, rugosité, zones mortes)
  • Assujetti à un couplage pièce / palpeur
  • Nécessite absolument l’utilisation de blocs de référence difficiles à fabriquer
  • Sensible à la nature et à l’orientation des défauts
  • Technique souvent très coûteuse (investissement, temps de contrôle)

8. Comparaison des méthodes classiques de CND


Comparaison des procédés de contrôle
Comparaison des procédés de contrôle

9. Tendances

L’échographie par ultrasons est une des méthodes les plus répandues pour détecter les défauts internes d’une pièce ou examiner l’intégrité d’une structure. C’est une technique qui a fait ses preuves, mais qui souffre d’un inconvénient, il est nécessaire d’avoir un milieu couplant entre les palpeurs à ultrasons et la pièce à contrôler. Depuis quelques années, on assiste à la mise au point de contrôles sans contact utilisant la technique du couplage air ou électromagnétisme ou encore Laser (distance du palpeur ou traducteur et la pièce comprise entre 1 à 3 m pour cette dernière méthode).

Le cours précédent sur la radiographie , le cours précédent sur l'étanchéité des soudures et le sommaire .

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