Brevet FR2396295A1 — publié le 19790126

L'invention a trait à un dispositif de contrôle de pièces mécaniques par ultra-sons, comportant un palpeur à ultra-sons relié à un échographe et émettant un faisceau convergeant vers un foyer, des moyens de commande de déplacement du palpeur par rapport à la pièce à contrôler tel que le foyer du faisceau balaye sous incidence sensiblement normale une partie choisie de la pièce à contrôler, cette partie de pièce étant immergée conjointement avec le palpeur dans un liquide constituant milieu continu de propagation pour le faisceau. Plus particulièrement le dispositif est destiné au contrôle de cordons circulaires de soudures formés entre un tube et une plaque transversale. Il est connu de contrôler des pièces mécaniques, pour déceler la présence de défauts de continuité dans la masse de la pièce contrôlée, en dirigeant un faisceau d'ultra-sons dans la pièce et en recueillant les ultra-sons qui se réfléchissent sur les défauts de continuité. Il est classique d'utiliser un générateur d'ultrasons dit"palpeur"comportant un transducteur piézo-electrique adapté à l'émission d'un faisceau focalisé pour obtenir une locali- sation précise des défauts, le palpeur étant relié à un échographe qui fournit au transducteur des impulsions d'excitation, et reçoit de ce transducteur des impulsions correspondant aux échos ultrasonores. L'échographe comprend des moyens d'enregistrement et d'affichage des impulsions d'écho avec leur retard sur les impulsions d'excitation correspondantes, le retard fournissant une information sur la position du défaut suivant la direction de propagation du faisceau, tandis que la position relative du palpeur et de la pièce transversalement à la propagation fournit des informations correspondantes de la position du défaut parallèlement à la surface. Comme les discontinuités de vitesse de propagation des ultrasons dans les milieux traversés donnent lieu à des réflexions d'au- tant plus intenses que le rapport des vitesses de part et d'autre de la discontinuité s'éloigne de l'unité, autrement dit que les impédances itératives sont désadaptées, on utilise très généralement un liquide comme milieu de propagation du faisceau entre le palpeur et la pièce, la vitesse du son dans les liquides étant très supérieure à la vitesse de propagation dans les gaz et notamment l'air. L'emploi d'un liquide comme milieu de propagation évite des discontinuités trop marquées de vitesse de propagation aux surfaces du palpeur et de la pièce. Toutefois les vitesses de propagation dans les liquides sont en générai nettement inférieures aux vitesses de propagation dans les solides, en sorte que l'angle d'incidence du faisceau sur la surface de la pièce doit tre très inférieur à l'angle limite de réflexion totale, et pratiquement l'incidence doit tre très voisine de l'incidence normale. Il en résulte que lorsqu'il s'agit de pièces dont les surfaces au voisinage des zones à contrôler sont telles qu'il n'existe pas dans la direction normale à ces surfaces d'espace libre suffisant pour disposer le palpeur convenablement orienté, le contrôle par ultra-sons s'avère impossible, c'est le cas notamment du contrôle des cordons de soudure circulaire formés entre un tube et une pla- que transversale, dans la surface de jonction entre tube et plaque. Le contrôle du cordon de soudure par ultra-sons implique que le faisceau frappe normalement la surface interne du tube, et balaye cette surface sur une hauteur au moins égale à la profondeur de pénétration du cordon. Sauf pour des tubes de très grand diamètre, il n'est pas possible d'introduire un palpeur à l'intérieur du tube. Le contrôle par ultra-sons, permettant de localiser les défauts avec précision, n'est pas applicable dans ces conditions. L'invention a pour objet un dispositif de contrôle par ultrasons de pièces mécaniques pour lesquelles on ne dispose pas, normalement aux surfaces des zones d explorer, de dégagement où placer un palpeur avec interposition d'un liquide de couplage. Plus précisément l'invention a pour objet un dispositif de contrôle de pièces mécaniques par ultra-sons utilisable pour le contrôle de cordons de soudure circulaires formés entre un tube et une plaque transversale. L'invention a également pour objet un dispositif de contrôle de cordons de soudure circulaires permettant un contrôle précis, rapide et facile à mettre en oeuvre. L'invention a encore pour objet un dispositif de contrôle de cordons de soudure annulaires à très grande pénétration et épaisseur réduites, tels que des cordons de soudure effectués par faisceau électronique. A ces effets l'invention propose un dispositif pour le contrôle par ultra-sons de pièces mécaniques, comportant un palpeur à ultrasons relié à un échographe et émettant un faisceau convergeant vers un foyer, des moyens de commande de déplacement du palpeur par rapport à la pièce à contrôler, tel que le foyer du faisceau balaye sous incidence normale une partie choisie de la surface de la pièce, et un récipient de confinement d'un liquide constituant milieu continu de propagation pour le faisceau entre palpeur et pièce, dispositif destiné au contrôle de cordon de soudure circulaire formé entre un tube et une plaque transversale, caractérisé en ce qu'il comprend un mandrin cylindrique de centrage adapté à pené- trer en coulissement étanche dans ledit tube, des moyens d'entretoise disposés entre le mandrin et le palpeur en maintenant entre eux une distance constante avec le faisceau coaxial au mandrin, les moyens d'entretoise comportant un évidement de passage du faisceau et dans cet évidement un bloc réflecteur avec une face plane inclinée à 45 sur l'axe à distance du palpeur, telle que le foyer du faisceau réfléchi se situe par rapport à l'axe du mandrin à une distance sensiblement égale au rayon de celui-ci, et une embase adaptée à reposer sur ladite plaque transversale par l'intermédiai- re d'un joint d'etanchéité et formant alors partie du récipient de confinement, lesdits moyens de commande de déplacement agissant entre l'embase et lesdits moyens d'entretoise en rotation et translation suivant l'axe du mandrin. Grâce à ces dispositions le foyer du faisceau réfléchi est situé sensiblement sur la paroi intérieure du tube et peut explorer le cordon de soudure sur toute sa hauteur et son étendue périphéri- que par le jeu des moyens de commande de déplacement. Le palpeur est disposé à l'extérieur du tube qui peut tre d'un diamètre très inférieur à celui de ce palpeur. Le mandrin de centrage assure que les moyens d'entretoise et l'axe du faisceau d'ultra-sons restent très sensiblement coaxiaux au tube qui forme référence de position. Le bloc réflecteur, à distance constante du palpeur, reçoit sur sa face inclinée à 45 le faisceau axial émis par le palpeur dans l'evidement axial et réfléchit le faisceau à 90 , c'est-à-dire suivant un rayon du tube, le foyer du faisceau réfléchi étant à distance constante de l'axe. Le liquide de couplage formant milieu de propagation est confiné à 1intérieur du tube par le mandrin de centrage formant joint étanche, et à l'intérieur du tube par l'embase et son joint d'étanchéité sur la plaque. De préférence les moyens de déplacement comprennent une vis mère tubulaire fixée axialement sur les moyens d'entretoise, et. une noix coopérant avec la vis mère et fixée à l'embase. Des moyens de commande de rotation de la vis mère provoquent un déplacement hélicotdal des moyens d'entretoise, du palpeur et du bloc réflecteur par rapport à l'embase et au cordon de soudure qui est ainsi balayé. De préférence les moyens d'entraînement en rotation sont constitués d'un jeu de deux pignons, l'un fixé en rotation sur les moyens d'entretoise et l'autre tourillonné sur l'embase, les pignons restant en prise sur toute la course de translation des moyens d'entretoise. En disposition préférée les moyens d'entretoise sont libres en rotation axiale par rapport au mandrin de centrage et au palpeur. Ni le mandrin, ni le palpeur ne sont astreints à tourner lors de l'exploration du cordon de soudure. Il est de plus préféré que le palpeur soit libre en translation et fixé en rotation par rapport d l'embase, de sorte que les câbles de liaison à l'échographe ne soient pas soumis à des torsions. Dans une disposition préférée destinée au contrôle des cordons de soudure entre une plaque transversale et une multiplicité de tubes parallèles en arrangement régulier, l'embase comporte une collerette débordante avec au moins une lumière excentrée, à une distance de l'axe correspondant à un écartement entre deux tubes proches l'un de l'autre dans l'arrangement, en sorte que le mandrin étant introduit dans l'un des tubes précités et un bouchon cylindrique avec un ergot saillant axial étant ajusté dans l'autre, l'ergot s'engage dans la lumière de la collerette. On peut ainsi mettre en place rapidement et aisément le dispositif successivement dans les tubes pour contrôler les cordons de soudure respectifs. On conçoit que le contrôle des cordons de soudure d'appareillages tels que des échangeurs de centrales thermiques, pouvant comporter des faisceaux de plusieurs milliers de tubes, a avantage à tre effectué rapidement sur chaque cordon contrôlé, pour assurer une fiabilité convenable de l'appareillage à un coût raisonnable. De préférence l'embase comporte des ajutages d'entrée et de sortie du liquide utilisé comme milieu de propagation, pour assurer une circulation du liquide dans le récipient de confinement sensiblement étanche formé conjointement par le tube, le mandrin et l'embase. On assure ainsi un remplissage rapide du récipient de confinement. Dans son aspect général, l'invention propose un dispositif de contrôle par ultra-sons de pièces mécaniques, comportant un palpeur relié d un échographe et émettant un faisceau convergeant vers un foyer, des moyens de commande de déplacement du palpeur par rapport à la pièce, tels que le foyer balaye sous incidence normale une partie choisie de la pièce à contrôler, cette partie étant immergée conjointement avec le palpeur dans un liquide formant milieu continu de propagation, caractérisé en ce qu'il comprend un bloc réflecteur avec une face plane interposée sur le trajet du faisceau dans le liquide sous un angle d'incidence supérieur à l'angle limite de réflexion totale des ultra-sons à l'interface liquide bloc réflecteur, en sorte que la propagation des ultra-sons dans le liquide suive un trajet dévié angulairement. Cette disposition permet d'obtenir une incidence normale des ultra-sons dans la zone à explorer de la pièce, alors que lion ne dispose pas dans une direction normale à cette zone de l'espace nécessaire pour disposer le palpeur convenablement orienté distance telle que le foyer soit sur la pièce. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront d'ailleurs de la description qui va suivre, à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente schématiquement un dispositif selon 1'invention la figure 2 représente un dispositif selon l'invention prévu pour le contrôle de cordons de soudure d'un faisceau de tubes dans une plaque transversale. Selon la forme de réalisation choisie et représentée figure 1, un tube 1 à paroi relativement mince a été fixé en extrémité, A force, dans une plaque transversale épaisse 2. Une soudure, circulaire, a été exécutée par bombardement avec un faisceau électronque parallèlement à l'axe du tube 1, donnant naissance à un cordon annulaire 3, avec une pénétration nettement supérieure à l'épais- seur de la paroi du tube 1, tout en n'intéressant qu'une zone peu étendue de la paroi du tube 1 et de la plaque transversale 2 suivant le diamètre du tube. Pour contrôler le cordon de soudure 3 par échographie ultrasonore, le dispositif 10 dans son ensemble a été mis en place et comporte un mandrin de centrage 11, cylindrique, coulissant avec un faible jeu dans le tube 1. Des joints toriques 12 et 13 forment étanchéité entre le mandrin 11 et le tube 1, et parfont le centrage axial du mandrin 11 dans le tube 1. Une broche 14, ajustée pivotante suivant l'axe du mandrin 11, sans jeu axial, se prolonge par un tube entretoise 15, coaxial 4 la broche 14. Un joint torique 16 assure l'étanchéité entre broche 14 et mandrin 11. Un bloc réflecteur 17, en métal dense et à module d'élasticité élevée, comme un acier inoxydable ou du tungstène, de façon à posséder une impédance itérative élevée pour les ultra-sons, est disposé dans l'axe du tube entretoise 15 et vissé dans la broche 14. Ce bloc réflecteur 17 possède une face plane 17a polie et inclinée à 45 sur l'axe. A hauteur de la face plane 17a un évidement 18 est pratiqué dans le tube entretoise 15. Un évent 19 traverse la paroi du tube entretoise 15 à la jonction à la broche 14. A sa partie supérieure (selon la représentation de la figure 1) le tube entretoise 15 s'élargit pour former un tube 20, compor- tant un filetage 20a à pas fin surmonté d'un pignon denté 21. Sur la tranche d'extrémité du tube 20 repose une douille 22 avec un rebord emprisonné sous une couronne 23 vissée sur le tube 20, pour former butée tournante. La douille 22 est usinée intérieurement pour recevoir un palpeur ultra-sonore 24 de type classique utilisé pour le contrôle par échographie. Le palpeur 24 comporte un moyen de focalisation pour le faisceau ultra-sonore émis, et la distance focale dans l'eau est telle que, après réflexion sur la face 17a du bloc réflecteur 17, le foyer se trouve sensiblement sur la paroi externe du tube 1. Le filetage 20a du tube 20 est en prise dans une noix filetée 25, en saillie radiale interne d'une embase 26, qui repose sur la face supérieure de la plaque 2 par un joint torique 27. Le mandrin 11, le tube 1 et la plaque 2, et l'envase 26 jusqu'à la noix 25 définissant une enceinte sensiblement étanche, communiquant par l'videment 18 et l'évent 19 avec la cavité interne du tube entretoise 15 et du tube 20. Des ajutages d'entrée 28 et de sortie 29 piqués dans l'embase 26 permettent la circulation d'un courant d'eau qui remplit l'enceinte précédemment définie. Le pignon 21 engrène avec un pignon 30, entraîné par un arbre 31 tourillonnant dans des paliers 32 et 33 formant corps avec l'embase 26, qui se prolonge au-delà de la noix 25 par un cylindre 34. L'arbre 31 peut tre mis en rotation par un micromoteur à réducteur de type courant, non représenté. Le pignon 30 est plus long que le pignon 21, en sorte que ces pignons restent en prise quel que soit l'enfoncement du filetage 20a dans la noix 25. A l'extrémité du cylindre 34 est monté un couvercle 35, au travers duquel passe la douille 22. Une clavette 36 immobilise en rotation la douille 22 par rapport au couvercle 35. Pour effectuer un contrôle, on met en place le dispositif 10, le filetage 20a étant de préférence vissé à fond dans la noix 25, en enfonçant le mandrin 11 dans le tube 1 jusqu'à contact de l'embase 26 avec la plaque 2. On injecte de l'eau par l'ajutage 28 en ménageant à l'ajutage 29 une contrepression correspondant à quelques centimètres d'eau, de manière à obtenir un remplissage convenable des cavités internes du tube entretoise 15 et du tube 20, ainsi que de l'enceinte définie par l'embase 26 et le tube 1. On met en marche alors l'échographe, puis le moteur couple à l'arbre 31, dans le sens qui va provoquer le dévissage du filetage 20a dans la noix 25 (lorsqu'au départ le filetage 20a est vissé à fond). On observe les indications données par l'échographe pendant que le foyer du faisceau ultra-sonore balaye en hélice la surface intérieure du tube 1, en correspondance avec la progression du filetage 20a dans la noix 25, ce filetage agissant en vis mère. L'observation des échos des impulsions ultra-sonores émises par le palpeur 24 fait apparaître un premier écho très marqué correspondant à une réflexion à l'interface eau-paroi interne du tube 1 ; tant que le foyer du faisceau ultra-sonore est en dessous du cordon de soudure 3, le premier écho est suivi d'une succession d'échos secondaires d'intensité décroissante et régulièrement espacés, correspondant aux aller et retour des impulsions ultrasonores dans l'épaisseur de la paroi du tube 1, ces impulsions se réfléchissant sur l'interface entre tube 1 et plaque 2, et sur l'interface tube 1-eau. Lorsque le foyer du faisceau arrive à hauteur du cordon de soudure 3, et dans la mesure où la fusion du tube 1 et de la plaque 2 est convenable, ces échos secondaires s'atténuent jusqu'à ne plus se distinguer du bruit de fond. L'émer- sion du faisceau hors du tube 1 se signale par un déplacement significatif du premier écho. On conçoit que, bien que la figure 1 représente le dispositif avec son axe vertical pour des commodités de dessin, l'orientation de l'axe du dispositif est quelconque, et ne dépend que des facilités de présentation de l'ensemble tube 1-plaque transversale 2. La figure 2 représente un dispositif de contrôle selon l'in- vention, spécialement adapté au contrôle des soudures d'un faisceau de tubes 101, 101', 10l", 101"'sur une plaque transversale épaisse 102, pour constituer un échangeur de chaleur pour centrale thermi- que. L'échangeur complet peut comprendre de l'ordre de 3000tubes de diamètre compris entre 14 et, 30 mm avec une épaisseur de paroi de l'ordre de 1 à 2 mm, tandis que les plaques transversales d'extré- mité ont une épaisseur qui-peut atteindre 300 à 400 mm. Le dispositif de contrôle 110 comprend, comme le dispositif représenté figure 1, un mandrin de centrage 111, un tube entretoise 115 où est logé un bloc réflecteur 117, un palpeur à ultra-sons 124 et une embase 126. Cette embase 126 est munie d'une collerette 140 qui déborde l'embase et comporte des lumières excentrées 141, oblongues dans la direction radiale, l'excentrement de la lumière 141 par rapport à l'axe du dispositif 110 correspondant à l'entraxe des tubes 101 et 101"', proches l'un de l'autre. On a disposé dans le tube 101"'un bouchon 142, comportant un simbleau cylindrique 143 avec un joint torique enfoncé à force dans le tube 101"". Un ergot 144 coaxial au simbleau 143 fait saillie hors du tube 101"'et est engagé dans la lumière 141, avec un faible jeu latéral, en sorte de s'opposer au pivotement de la collerette 140 et de l'embase 126, lors de la rotation du tube entretoise 115 pour l'exploration du cordon de soudure entre tube 101 et plaque 102. Le faisceau de tube étant prévu à arrangement régulier, on conçoit que, quel que soit le tube 101 choisi dans le faisceau, il existe au moins un tube 101"'à distance convenable, l'allongement de la lumière 141 dans la direction radiale compensant les irrégu- larités inévitables d'entraxe. On appréciera que ces dispositions permettent une mise en place très rapide du dispositif de contrôle, de manière à ne pas allonger de façon excessive le contrôle général des soudures par des manoeuvres constituant des temps morts. Le contrôle d'un cordon de soudure s'effectue en quelques minutes pour les opérations actives, et il n'est pas souhaitable que les opérations accessoi- res de mise en place allongent excessivement cette durée, en raison du grand nombre de contrôles à effectuer. Bien entendu, on peut adopter des méthodes de contrôle par échantillonnage y toutefois, en raison de la fiabilité élevée nécessaire pour des appareillages du genre des échangeurs de chaleur, le nombre de cordons de soudure à contrôler reste élevé, ce qui conduit à une durée de contrôle complet importante. On remarquera qu'indépendamment des dispositions de balayage circulaire permettant le contrôle de cordons de soudure circulaires entre un tube et une plaque transversale, l'usage d'un bloc réflec- teur dans le trajet du faisceau d'un palpeur ultra-sonore permet le contrôle de pièces mécaniques de formes telles que l'incidence normale du faisceau émis directement par le palpeur n'est pas possible ; un bloc réflecteur permet des déviations du faisceau suivant des angles de réflexion qui s'approchent du double du complément de l'angle d'incidence limite en réflexion totale. En effet, la vitesse de propagation des ultra-sons dans les solides est supérieure à la vitesse de propagation dans les liquides utilisés généralement comme milieux de propagation, ce qui signifie que l'indice de réfraction sonore des solides est inférieur à celui des liquides. La vitesse de propagation des ultra-sons dans l'eau est d'environ 1480 m/s, dans un acier de l'ordre de 5900 m/s, dans le tungstène de 5400 m/s et dans le glucinium de 13400 m/s ; les incidences limites de réflexion totale à l'interface de l'eau et des métaux précités sont respectivement de 14 5, 16 et 6,3 . On peut donc obtenir des déviations angulaires jusqu'à respectivement 151 , 148 et 167 . On notera que pour obtenir des réflexions effectives élevées il est nécessaire que les irrégularités de surface des blocs réflecteurs soient nettement inférieures en moyenne à la longueur d'onde des ultra-sons dans le bloc. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux exemples décrits, mais en embrasse toutes les variantes d'exécution ou d'application. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour le contrôle par ultra-sons de pièces mécaniques, comportant un palpeur à ultra-sons relié à un échographe et émettant un faisceau convergeant vers un foyer, des moyens de commande de déplacement du palpeur par rapport à la pièce à contrô- ler, tel que le foyer du faisceau balaye sous incidence normale une partie choisie de la surface de la pièce, et un récipient de confinement d'un liquide constituant milieu continu de propagation pour le faisceau entre palpeur et pièce, dispositif destiné au contrôle de cordon de soudure circulaire formé entre un tube et une plaque transversale, caractérisé en ce qu'il comprend un mandrin cylindrique de centrage adapté à pénétrer en coulissement étanche dans ledit tube, des moyens d'entretoise disposés entre le mandrin et le palpeur en maintenant entre eux une distance constante avec le faisceau coaxial au mandrin, les moyens d'entretoise comportant un évidement de passage du faisceau et dans cet évidement un bloc réflecteur avec une face plane inclinée à 45 sur l'axe à distance du palpeur, telle que-le foyer du faisceau réfléchi se situe par rapport à l'axe du mandrin à une distance sensiblement égale au rayon de celui-ci, et une embase adaptée à reposer sur ladite plaque transversale par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéité et formant alors partie du récipient de confinement, lesdits moyens de commande de déplacement agissant entre l'embase et lesdits moyens d'entretoise en rotation et translation suivant l'axe du mandrin. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de déplacement comprennent une vis mère tubulaire fixée axialement sur les moyens d'entretoise, une noix coopérant avec ladite vis mère et fixée à l'embase, et des moyens de commande de rotation de la vis mère. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande de rotation comprennent un premier pignon solidaire en rotation avec ladite vis mère et un second pignon engrenant avec le premier et monté sur un arbre pivotant dans des paliers solidaires de l'embase, les pignons étant adaptés à rester en prise sur toute la course de translation des moyens d'entretoise. 4. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entretoise sont libres en rotation axiale par rapport au mandrin de centrage et au palpeur. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le palpeur, libre en translation, est fixé en rotation par rapport à l'embase. 6, Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 5, destiné au contrôle des cordons de soudure entre une plaque transversale et une multiplicité de tubes parallèles en arrangement régulier, caractérisé en ce que ladite embase comporte une collerette débordante avec au moins une lumière excentrée à une distance de l'axe correspondant à un écartement entre deux tubes proches l'un de l'autre dans 1'arrangement, en sorte que ledit mandrin étant introduit dans l'un des tubes précités et un bouchon cylin- drique avec un ergot saillant axial étant ajusté dans l'autre, ledit ergot s'engage dans ladite lumière. 7. Dispositif selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit récipient de confinement formé conjoin- tement par ledit tube, le mandrin et ladite embase et sensiblement étanche comporte des ajutages d'entrée et de sortie dudit liquide traversant ladite embase. 8. Dispositif de contrôle de pièce mécanique par ultra-son, comportant un-palpeur à ultra-son relié à un échographe et émettant t un faisceau convergeant vers un foyer, des moyens de commande de déplacement du palpeur par rapport à la pièce à contrôler tels que le foyer du faisceau balaye sous incidence sensiblement normale une partie choisie de la pièce à contrôler, cette partie de la pièce étant immergée conjointement avec le palpeur dans un liquide constituant milieu continu de propagation pour le faisceau, carac térisé en ce qu'il comprend un bloc réflecteur avec une face plane interposée sur le trajet du faisceau dans ledit liquide sous un angle d'incidence supérieur à l'angle limite de réflexion totale des ultra-sons à l'interface liquide-bloc réflecteur, en sorte que la propagation des ultra-sons dans le liquide suive un trajet dévié angulairement.