Brevet FR2575828A1 — publié le 19860711

EPROUVETTE POUR L'EVALUATION DES RESULTATS D'ESSAIS NON DESTRUCTIFS DES MATERIAUX, ELEMENT DE DEFAUT ET PROCEDE POUR PREPARER CETTE EPROUVETTE La présente invention a pour objet des éprouvettes d'évaluation des résultats non destructifs de matériaux ou pour la comparaison des résultats obtenus sur des pièces métalliques avec les résultats obtenus sur les éprouvettes et elle a en outre pour objet les éléments de défaut utilisés dans les éprouvettes et un procédé de préparation des éprouvettes. Parmi les procédés d'essais non destructifs des matériaux utilisa- bles pour le contrôle des défauts de macrostructure interne dans les pièces en matériau métallique ainsi que les cordons de soudure, la méthode aux ultrasons est à considérer comme la plus dynamique. En dehors des nombreux avantages économiques et techniques de leur utilisa- tion, il n'est pas contestable que les possibilités d'interprétation des signaux ultrasons obtenus au cours des examens et les indications fournies sur le caractère, la nature et la dimension des défauts mis en évidence dans les cordons de soudure restent en général en deçàca du niveau de qualité réclamé par les constructeurs. Au cours des examens radiographiques, les défauts dans les maté- riaux apparaissent en projection, la détermination de la taille (de la dimension) des défauts correspondant à la direction d'examen étant sujette à une certaine incertitude. Pour diminuer les défauts d'évalua- tion des procédés non destructifs ou améliorer la reproductibilité des résultats de recherche, on a mis au point diverses méthodes et celles-ci peuvent chaque fois se rapporter à l'utilisation d'un type standard. Les éprouvettes utilisées actuellement pour l'examen aux ultrasons des cordons de soudure peuvent se classer en trois groupes: - éprouvette (standardisée) selon des normes acceptées internatio- nalement, fabriquée a partir d'acier non allié de sécurité élevée et dont la configuration géométrique est indépendante du but de l'examen; éprouvette soudée présentant des caractères distinctifs dont la configuration dépend d'une manière quelconque de la pièce a essayer (matériau, surface, géométrie, etc.); - éprouvette non soudée présentant des caractères distincts dont l'épaisseur, le matériau ou les propriétés de surface sont analo- gues à celles de la pièce à essayer. L'utilisation de chacun de ces types standard peut s'appuyer sur le principe que, à l'aide des surfaces de référence pratiquées dans les éprouvettes (paroi arrière, alésage borgne perpendiculaire au faisceau du rayonnement d'ultrasons, alésage perpendiculaire à la surface d'es- sai, alésages parallèles à la surface d'essai), les signaux obtenus à l'oscilloscope peuvent, en raison de leur amplitude, se comparer avec les signaux obtenus au cours des essais. La comparaison sert à la mise au point de la technique d'essai (étalonnage géométrique et étalonnage de sensibilité) et à l'établisse- ment de la reproductibilité de leurs résultats. Les chiffres de mesure obtenus par utilisation des divers types standard indiquent seulement les intensités des signaux obtenues à partir des surfaces de référence et n'offrent pas de relations directes pour la détermination des dimen- sions effectives des défauts et de leurs caractères. Une même hauteur de signal peut -en fonction de la disposition, du type de défaut et de son orientation- signifier une différence de dimension de 200 à 300%. De ce fait, la conversion (la transformation) des résultats d'essais aux ultrasons en dimensions effectives des défauts des cordons de soudure est un problème encore non résolu par les prescriptions relatives à la construction mécanique. On connait un procédé applicable en laboratoire ou à l'échelle semiindustrielle, c'est l'holographie aux ultrasons qui, à l'aide de plusieurs oscillateurs dont on peut faire varier électroniquement l'espace sonore augmente l'exactitude de l'appréciation des défauts; toutefois, ce procédé est très onéreux. Le but de la présente invention est donc de fournir des éprouvet- tes qui permettent la disposition contrôlée et planifiée de divers défauts de matériaux ainsi que leur comparaison reproductible avec les défauts des pièces. Un autre but de la présente invention, c'est encore la création d'éléments de défauts a l'aide desquels on puisse préparer des éprouvet- tes ou des Jeux d'éprouvettes quelconques et dont le matériau et la forme en vue de l'examen soient a peu près les mêmes que ceux des défauts effectifs des matériaux intéressés. Le but de la présente invention est encore de mettre au point un procédé à l'aide duquel, à partir de divers éléments de défaut, on puisse préparer des éprouvettes quelconques. Ces buts sont atteints selon l'invention grace au fait que les éprouvettes sont préparées a partir d'un corps de base métallique et d'un élément ou d'éléments de défaut artificiels disposés dans celui-ci. Les éléments de défaut sont de préférence des corps non métalliques traités a chaud, frittés, avantageusement sphériques, parallélépipé- diques et cylindriques ou présentant des formes irrégulières dont la taille (les dimensions) et la répartition correspondent dans l'éprou- vette aux conditions d'utilisation de la pièce ou au but visé pour l'examen. Les éléments de défaut peuvent être des matériaux a base de corindon ou de carbure. La composition des matériaux à base de corindon est la suivante: Composition Densité (g/cm3) Dureté (HRA) A1203 minimum 99 NaO maximum 0,5 Fe203 maximum 0,4 3-4 80-90 25. SiO2 maximum 0,1 Les matériaux à base de carbure peuvent être fabriqués à partir des carbures suivants ou de leurs combinaisons quelconques. Nature du carbure Densité (g/cm3) Dureté (HRV) W2C.................. 17,15 + 5% 3 000 + 10% 30. WC .................. 15,52 + 5% 2 200 + 10% TiC.................. 4,23 + 5% 3 000 + 10% TaC.................. 14,49 + 5% 1 800 + 10% Cr2C2................6,68 + 5% 1 500 + 10% À VC.................. 5,36 + 5% 2 100 + 10% Les éléments de défaut sont opportunément sphériques, cylindrtques ou parallélepipédiques; ils peuvent cependant le cas éecheant présenter d'autres formes, par exemple irrégulières. Selon l'invention, on peut préparer les éprouvettes en formant, à partir de la masse métallique fondue, au moins une couche et en dispo- sant dans celle-ci un ou plusieurs éléments de défaut présentant la configuration et les-dimensions appropriées. Il est opportun de préparer a partir de la masse de métal fondu, au moins une couche supplémentaire de recouvrement et d'en couvrir les éléments de défaut. Le cas échéant, des éléments de défaut peuvent également être disposés dans cette (ces) couche(s) supplémentaires). L'élément de défaut ou les éléments de defaut peuvent être dispo- ses de façon telle que, après solidification et refroidissement, des cavités se forment dans les couches, l'élément ou les éléments de défaut étant placés dans la ou les cavité(s) correspondantes). On peut égale- ment introduire les éléments de défaut dans la masse fondue non encore durcie. Le cas échéant, les éléments de défaut peuvent aussi être mis en place avant la préparation de la masse fondue, et ils doivent être alors convenablement fixés d'une façon quelconque pour que la masse fondue ne puisse pas les déloger de leur emplacement. Si les éléments de défauts sont disposés dans des cavités, il est opportun que celles-ci ainsi que la surface de la couche soient netto- yees avant et/ou après l'insertion. Les couches formant les éprouvettes peuvent être préparées par fusion et coulée ou par soudure. Les éprouvettes selon l'invention peuvent avoir une forme quel- conque et contenir un ou plusieurs emplacements de défauts ou éléments de défaut artificiels disposés conformément à un plan. Etant donné que la permeabilité, la rétroconductibilité et la capacité d'absorption du rayonnement que l'on peut évaluer par radiographie des éléments de défaut sont identiques aux chiffres mesurées des inclusions non métal- liques reelles, les éprouvettes selon l'invention augmentent de façon sensible les possibilités d'évaluation des signaux obtenus lors des essais aux ultrasons et aux rayons X. Si les éléments de défaut sont disposés avant la formation des couches ou avant leur durcissement, il peut être opportun de fabriquer des éléments de défaut dont la densité soit au moins égale à celle de la masse fondue, mais de préférence supérieure a celle-ci afin que les éléments de défaut ne restent pas dans la partie supérieure de la couche. Ceci peut se réaliser facilement si les éléments de défaut contiennent un noyau formé d'un matériau, de préférence métallique, plus lourd que leur matériau propre. L'invention est basée sur la découverte du fait que la disposition- des défauts artificiels correspondant aux types de défauts reconnus en cours d'examen, aux dimensions des défauts et aux positions des défauts (par exemple défaut de surface, intervalle entre les défauts) forme une base de comparaison pour le contrôle des conditions imposées aux essais non destructifs des matériaux, ce qui n'était pas possible jusqu'à maintenant. L'"'étalon" (échantillon standard) préparé sur la base du procédé peut également être une partie -spécialement définie à cette fin de l'éprouvette elle-même. En considération de ce qui précède, un des domaines de base d'application de l'étalon est la détermination exacte des dimensions ou du caractère des défauts existants dans les cordons de soudure. D'autres détails de l'invention sont expliqués a l'aide des exemples de réalisation et d'un dessin dans lequel: - la figure i représente la première phase de préparation d'une éprouvette utilisée pour les soudures bout à bout; - la figure 2 représente la deuxième phase de la préparation de la même éprouvette; - la figure 3 représente la troisième phase de préparation de l'éprouvette; - la figure 4 représente, en coupe, la phase finale de préparation de l'éprouvette; - la figure 5 représente, en coupe, une éprouvette d'une soudure d'angle; - la figure 6 représente, partiellement en coupe, une éprouvette formant barreau d'essai de résistance a la traction; et - la figure 7 représente, en coupe, une autre forme de réalisation de l'éprouvette représentée sur les figures 1 a 4, dans le plan de coupe médian de la soudure. La figure 1 montre une éprouvette 1 qui est constituée de plaques A et B en acier 52C. Les tranches se faisant vis-a-vis des pièces A et B sont biseautées et placées l'une à côté de l'autre pour la réalisation d'une liaison par soudure bout a bout en V. Sur cette figure, on peut voir la première couche du cordon de soudure 2. Le cordon 2 est réalisé par soudage à l'arc sous flux au cours duquel on emploie une électrode S2 et on emploie comme fondant une poudre à souder de désignation 10.42. Sur la figure 2, on peut voir que dans la partie finie du cor- don 2, ont été pratiqués les cavités 3, 4 et 5. La cavité 3 est sphéri- que, la cavité 4 est cylindrique et la cavité 5 épouse la configuration d'une plaque. Les cavités 3, 4 et 5 sont ici conçues de telle façon que le point supérieur de la sphère, du cylindre ou de la plaque se trouve au moins à la hauteur de la surface du cordon et, de préférence, légè- rement au-dessus de celle-ci. Comme le montre la figure 3, des éléments de défaut 6, 7 et 8 sont placés dans les cavités 3, 4 et 5. L'élément de défaut 6 est sphérique, l'élément de défaut 7 est cylindrique et l'élément de défaut 8 est parallélépipedique. On peut en outre voir que leur partie supérieure dépasse très legèrement de la surface du cordon 2. Ceci est avantageux en ce que, entre la couche de soudure recouvrant les éléments de dé- faut 6, 7 et 8 et la surface des éléments de défaut 6, 7 et 8, Il ne peut alors pas se former de bulles d'air. La figure 4 montre, en coupe, le corps de contrôle fini 1 présen- tant les éléments de défaut 6, 7 et 8 placés dans le cordon de soudure 2. On peut naturellement préparer des éprouvettes selon d'autres modes de réalisation. Dans la figure 5, par exemple, les plaques A et B de l'éprouvette 1 fabriquée en matériau KL2 entourent un cordon de soudure d'angle réalisé par soudure à l'arc avec une électrode KB12 et dans laquelle sont également disposés des éléments de défaut. Dans la coupe représentée, on peut voir un élément de défaut cylindrique 7. Selon l'invention, on peut également préparer des barreaux d'es- sai. Un tel barreau est représenté sur la figure 6 et il est également constitué seulement des pièces A et B qui sont reliées par le cordon de soudure 2. Dans le cordon de soudure 2, sont disposés les éléments de défaut 7 et 8. La partie moyenne de l'éprouvette est pourvue d'un col, de manière connue en sol. La figure 7 montre, en coupe, le cordon de soudure d'une éprou- vette préparée selon un plan dans lequel sont indiqués les emplacements des defauts i à 14 disposés dans les différentes couches du cordon de soudure. La disposition des emplacements des défauts 1-14 ressort du dessin et le tableau en-dessous du dessin indique le type et les dimen- sions des éléments de défaut G, H, L placés aux différents points de défaut, pour cinq éprouvettes différentes A-E. L'éprouvette complexe ainsi réalisée peut être utilisée pour la mise en oeuvre de nombreux essais. Les éléments de défaut représentés sur les figures 1 à 4 sont formés d'un matériau composite fritté contenant 99,5% de corindon, 0,26% d'oxyde de sodium, 0,2% de Fe203 et 0,04% d'oxyde de silicium. Ils sont fabriqués selon une technique de frittage bien connue: le matériau composite préparé sous la forme d'un mélange de poudres est moulé par pressage et chauffé ensuite à une température de 1 500 a I 700 C. La densité des éléments de défaut ainsi obtenus est de 3 à 4 g/cm3, leur dureté de 80 a 90 HRA. On peut naturellement préparer des éléments de défauts aussi à partir d'autres matériaux composites, par exemple a partir de carbures. On peut utiliser a cette fin du carbure de tungstène, de titane, de tantale, de chrome ou de vanadium en toute combinaison choisie. Les éléments de défaut représentés sur les figures 5 et 6 sont formés de 40% de W2C, 40% de TiC et 20% de TaC. La préparation de ces éléments de défaut se fait également selon une technique de frittage connue. La plage des dimensions avantageuses des éléments de défaut indiqués dans les exemples est comprise dans le cas d'une forme sphéri- que ou d'une forme irrégulière entre 1 et 15 mm de diamètre, pour une forme cylindrique entre 1 et 15 mm de diamètre et 1 et 40 mm de lon- gueur, cependant que les plaques peuvent présenter des dimensions de 2 à x 2 à 40 x 1 à 5 mm. Les éprouvettes peuvent être préparées par soudure ou par coulée. Si les éprouvettes sont préparées par soudure, la préparation de la soudure ne réclame pas de procédé particulier et on la réalise fondamen- talement par la technique habituelle de préparation des cordons de soudure de pièces à assembler. La disposition des éléments de défaut doit être choisie de façon telle que les éléments soient placés dans la couche de soudure corres- pondant à la profondeur prévue pour le défaut et soient entourés par le métal d'apport de la soudure. Apres la mise en place par soudure des éléments, il faut également terminer le soudage de la couche de soudure intéressée. Bien que dans les exemples représentés, les éléments de défaut soient disposés dans les diverses cavités ménagées dans les couches solidifiées, ceci n'est évidemment pas l'unique façon de les mettre en place. Le processus peut en fait être simplifié par l'insertion directe des éléments de défaut dans la masse de métal fondu, ce qui peut se faire pendant ou imnmédiatement après la préparation de la masse fondue. Mais, étant donné que le matériau constituant les éléments de défaut est en règle générale plus léger que celui de la masse fondue, les éléments de défaut introduits dans la masse de métal fondu flotte à la surface du bain de métal fondu. Pour cette raison, il est avantageux dans ce cas de réaliser des éléments de défaut dont la densité soit au moins égale a celle de la masse de métal fondu. Une solution de ce problème consiste à disposer à l'intérieur des éléments de défaut un noyau métallique qui donne la densité voulue à l'élément de défaut. L'épaisseur du matériau entourant le noyau suffit alors pour pouvoir identifier l'élément de défaut au cours de l'essai. - Le cas échéant, la fixation des éléments de défaut selon l'inven- tion peut être du type amovible ou provisoire. Ceci est notamment important dans le cas o les éléments de défaut doivent être mis en place avant la préparation de la couche de métal fondu. La fixation peut se faire à l'aide d'un fil métallique à point de fusion élevé, par fixation magnétique ou d'une autre façon. Le matériau de l'éprouvette doit être contrôlé avant la soudure par une méthode a ultrasons. Pour le matériau de l'éprouvette, c'est la norme de qualité valable pour le matériau de la pièce qui est détermi- nante. Le cordon de soudure doit être vérifié par radiographie couche par couche. Le but de l'examen est que le contrôle de l'intégrité des éléments de défauts permette d'assurer en continu la réalisation de l'éprouvette et que le contrôle des autres parties de la soudure per- mette de maîtriser en continu l'absence de défaut dans le cordon de soudure. Dans le cas o l'élément de défaut est endommagé ou si des défauts naturels ont été introduits dans le cordon de soudure, celui-ci doit être réparé par utilisation de la technologie indiquée pour la pièce initiale. La liaison par soudure de l'éprouvette terminée doit également être vérifiée par une méthode aux ultrasons. Avec l'aide des éléments de défaut présentant des dimensions et une disposition prédéterminées, l'utilisation d'une éprouvette augmente la fiabilité du contrôle du cordon de soudure. On peut établir une relation directe entre le résultat de l'essai non destructif de matériaux (groupe de signaux d'ultrasons, voiles radiographiques dus aux défauts, etc.) et les dimensions des défauts. On peut réduire l'utilisation des procédés d'essai non destructif des matériaux qui, par leur nature, sont complémentaires. L'application de la méthode radiographique coûteuse généralement souhaitée en tant que complément de l'essai aux ultrasons peut donc être sensiblement réduite, et le cas échéant, même supprimée. Aux endroits o les examens radiographiques ne peuvent pas être réalisés ou ne peuvent l'être que de façon limitée (par exemple dans le cas des vérifications périodiques du circuit primaire des centrales nucléaires), les dommages économiques résultant des incertitudes de l'interprétation des résultats du contrôle par ultrasons peuvent être très importants, étant donné qu'une prolongation des temps d'arrêt et la mise en oeuvre de réparations inutiles peuvent être extrêmement coûteu- ses. Le procédé peut s'employer aussi bien pour la vérification ma- nuelle que pour la vérification mécanisée par ultrasons. Il peut égale- ment influencer fondamentalement le principe de la vérification des cordons de soudure aux ultrasons étant donné que, au lieu de prendre pour base des grandeurs de mesure ne présentant aucune relation directe avec les cordons de soudure, on peut se servir, pour la comparaison des groupes de signaux d'examen, de ceux qui correspondent au pouvoir de réflexion des éléments de défaut réels lors des examens. Les éléments de défaut peuvent également être disposés dans les cordons de soudure eux-mêmes qui sont destinés à l'examen. Apres étalon- nage de la sensibilité du contrôle radiographique ou aux ultrasons, les "défauts" peuvent être éliminés. Les exigences posées au contrôle interne radiographique ou autre des matériaux (courant induit et essai magnétique) peuvent également être satisfaites au moyen des éprouvettes selon l'invention. Les solutions apportées par l'invention conviennent également à la mise au point de l'interprétation des signaux et d'une technique d'essai optimum par ultrasons et par radiographie. REVENDICATIONS 1.- Eprouvette pour l'évaluation des résultats d'essais non destructifs des matériaux ou pour la comparaison des résultats mesurés sur des pièces métalliques avec les résultats mesurés sur des éprou- vettes, caractérisée en ce que l'éprouvette (1) est constituée d'un corps de base métallique et d'au moins un élément de défaut artificiel disposé dans cette éprouvette. 2.- Eprouvette selon la revendication 1, caractérisée en ce celle-ci comporte plusieurs éléments de défaut (6, 7, 8) constitués par des corps non métalliques frittés. 3.- Eprouvette selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les éléments de défaut (6, 7, 8) présentent des dimensions et une répartition correspondant & l'utilisation de la pièce ou au but de l'essai. 4.Elément de défaut pour la préparation de l'éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que sa composition est la suivante: A1203................minimum 99 NaO.......... ...... maximum 0,5 20. Fe2O3....... maximum 0,4 S1O2.......... maximum 0,1 5.- Elément de défaut selon la revendication 4, caractérisé en ce..CLMF: que sa dureté est de 8-90 HRA. 6.- Elément de défaut selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que sa densité est de 3 à 4 g/cm3. 7.- Elément de défaut pour la préparation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il est formé de carbures métalliques. 8.- Elément de défaut selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il contient un ou plusieurs des carbures métalliques suivants: W2C TaC WC Cr2C2 TiC VC 9.- Elément de défaut selon la revendication 8, caractérisé en ce que sa densité est de 5 à 20 g/cm3. 10.- Elément de défaut selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que sa dureté est de 2 000 à 3 000 HV. 11,- Elément de défaut selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est sphérique. 12.- Elément de défaut selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est cylindrique. 13.- Elément de défaut selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il est parallélépipédique. 14.- Elément de défaut selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'il présente une forme irrégulière. 15.- Elément de défaut selon l'une quelconque des revendications 4 a 14, caractérisé en ce qu'il contient un noyau en matériau plus dense que son matériau propre. 16.- Elément de défaut selon la revendication 15, caractérisé en ce que le noyau est formé d'un matériau métallique. 17.- Procédé de préparation d'une éprouvette selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, à partir d'une masse métallique fondue, on forme au moins une couche et que l'on place dans cette couche au moins un élément de défaut présentant une forme et une disposition correspondant à la forme et à la disposition du ou des défauts à examiner. 18.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que, à partir de la masse métallique fondue, on forme au moins une couche de recouvrement dont on sont recouvre le ou les éléments de défaut. 19.- Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que des éléments de défaut sont insérés également dans la couche de recouvrement et que l'on ajoute, le cas échéant, d'autres couches de recouvrement renfermant ou non des éléments de défaut. 20.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le ou les éléments de défaut sont disposés de telle façon qu!après solidifica- tion et refroidissement, des cavités soient formées dans la couche de métal fondu, le ou les éléments de défaut étant alors insérés dans la ou les cavités correspondantes. 21.- Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce qu'on nettoie, avant ou après l'insertion du ou des éléments de défaut, la surface de la couche et/ou la paroi de la (des) cavité(s). 22.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que le ou les éléments de defaut sont disposes de telle sorte qu'ils soient mis en place, avant la solidification et le refroidissement, dans la masse de métal fondu formant la couche. 23.- Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que le ou les éléments de défaut sont mis en place avant la préparation de la couche de métal fondu. 24.- Procédé selon la revendication 23, caractérisé en ce que le ou les éléments de défaut sont fixés avant la préparation de la couche de métal fondu. 25.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 24, caractérisé en ce que les couches sont préparées par fusion et coulée. 26.- Procédé selon l'une quelconque des revendications 17 à 25, caractérisé en ce que les couches métalliques sont préparées par sou- dure.