Brevet FR2775787A1 — publié le 19990910

L'invention concerne un procédé de contrôle non destructif par ultra- sons d'une soudure de jonction entre deux pièces métalliques. Dans le cadre de la construction mécanique et par exemple dans le cadre de la construction de réacteurs nucléaires, on réalise des liaisons par soudure entre des pièces en acier telles que des tôles planes ou encore des viroles annulaires. Ces soudures peuvent être en particulier des soudures de jonction bout à bout de deux pièces telles que deux pièces planes ou deux viroles. Les soudures de jonction s'étendent sur toute l'épaisseur des pièces et suivant une direction des pièces qui sera désignée par la suite comme direction longitudinale de la soudure. Par exemple, dans le cas de pièces planes assemblées bout à bout, la direction longitudinale de la soudure est une direction rectiligne parallèle aux bords des pièces entre lesquelles on réalise la soudure. Dans le cas de viroles de forme annulaire, la direction longitudinale suivant laquelle s'étend la soudure est une ligne circulaire parallèle aux ex- trémités annulaires des pièces entre lesquelles on réalise la soudure. Dans tous les cas, en particulier lorsque les pièces sont des pièces épaisses d'un réacteur nucléaire, il est nécessaire de contrôler la soudure entre les pièces, de manière à pouvoir déceler les défauts que pourrait pré- senter cette soudure. Les défauts doivent être également caractérisés en ce qui concerne leur position suivant l'épaisseur des pièces et leurs dimen- sions, de manière à déterminer si une réparation est nécessaire. Les soudures de jonction de certains composants de réacteurs nu- cléaires ne doivent comporter en effet aucun défaut ou au moins aucun dé- faut pouvant évoluer pendant le fonctionnement du réacteur nucléaire. Pour effectuer le contrôle des défauts de soudure entre deux pièces métalliques, il est connu d'utiliser une méthode de contrôle non destructif par ultrasons consistant à déplacer une source d'émission d'au moins un fais- ceau ultrasonore sur une surface accessible des pièces, au voisinage de la soudure, de manière que la source d'émission ultrasonore dirige un faisceau d'ultrasons vers la soudure, dans l'épaisseur des pièces. On recueille et on enregistre les signaux d'échos qui sont dus à des défauts de la soudure. Généralement, on utilise, comme source d'émission d'ultrasons, un transducteur émetteur-récepteur qui permet de générer le faisceau ultraso- nore incident et de récupérer les signaux d'échos qui peuvent être enregis- trés et analysés par des moyens électroniques associés au transducteur émetteur-récepteur. Pour réaliser un balayage de la soudure suivant toute sa longueur et suivant toute son épaisseur, il est nécessaire de déplacer le transducteur, au contact de la surface des pièces, dans la direction longitudinale et dans une direction transversale perpendiculaire à la direction longitudinale, générale- ment de manière alternative. Afin d'améliorer la détection des défauts quelle que soit leur orienta- tion, dans toutes les zones de la soudure, et d'analyser les défauts pour déterminer leurs caractéristiques de manière plus précise, on utilise géné- ralement, de manière successive, un premier transducteur qui est déplacé au contact de la surface des pièces de manière à émettre un faisceau d'ultrasons suivant un premier angle avec la normale à la surface des pièces et un second transducteur qui est déplacé sur la surface des pièces, de ma- nière à émettre, en direction de la soudure, un second faisceau d'ultrasons faisant un second angle avec la normale à la surface des pièces sur laquelle on déplace le transducteur. Généralement, le premier transducteur comporte un élément piézo- électrique disposé de manière à émettre un faisceau d'ultrasons faisant un angle voisin de 45 avec la normale aux pièces et le second transducteur, un faisceau faisant un angle voisin de 60 avec la normale à la surface des pièces. Les opérations de contrôle qui nécessitent un balayage complet de la soudure en utilisant le premier et le second transducteurs successivement peuvent demander une longue durée d'exécution, en particulier dans le cas de très grandes pièces. En outre, les opérations utilisant le premier et le se- cond transducteurs étant distinctes et successives, il est très difficile de re- pérer et de comparer les enregistrements relatifs à un même défaut, de ma- nière à préciser ses caractéristiques. Le but de l'invention est donc de proposer un procédé de contrôle non destructif par ultrasons d'une soudure de jonction entre deux pièces métalli- ques s'étendant dans une direction des pièces appelée direction longitudi- nale, par déplacement sur une surface des pièces dans la direction longitu- dinale et dans une direction transversale sensiblement perpendiculaire a la direction longitudinale, d'une source d'émission d'au moins un faisceau d'ultrasons en direction de la soudure et enregistrement des échos dus à des défauts de la soudure, ce procédé permettant de réaliser le contrôle de manière rapide avec une bonne caractérisation des défauts. Dans ce but, on émet simultanément, à partir de la source d'émission d'ondes ultrasonores, un premier faisceau en direction de la soudure faisant un premier angle avec la normale à la surface des pièces et un second fais- ceau d'ondes ultrasonores, faisant un second angle avec la normale à la surface des pièces et, lorsqu'un écho dû à un défaut de la soudure est enre- gistré, on émet successivement le premier et le second faisceaux pour dé- terminer lequel du premier et du second faisceaux est le faisceau incident ayant fourni un écho représentatif d'un défaut et on détermine les caractéris- tiques du défaut à partir de l'écho du faisceau incident. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire à titre d'exemple, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation du procédé de contrôle de soudure suivant l'invention et un dis- positif pour réaliser ce contrôle. La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif pour réaliser le contrôle non destructif d'une soudure avec deux faisceaux ultrasonores sui- vant des inclinaisons différentes. La figure 2 est une vue en coupe et en élévation du dispositif de con- trôle en position de service pour le contrôle d'une soudure entre deux piè- ces. La figure 3 est une vue de dessus suivant 3 de la figure 2. La figure 4 est un diagramme montrant l'amplitude d'échos repré- sentatifs de défauts de la soudure, en fonction du parcours du faisceau d'ultrasons à l'intérieur des pièces. Sur la figure 1, on voit un dispositif de contrôle suivant l'invention dé- signé de manière générale par le repère 1. Le dispositif de contrôle 1 comporte un premier boîtier la renfermant un premier transducteur ultrasonore et un second boîtier 1 b renfermant un second transducteur ultrasonore, les boîtiers la et 1 b étant reliés entre eux par des dispositifs de liaison souples tels que 2 qui peuvent être constitués par exemple par des éléments en caoutchouc. Les faces inférieures du premier et du second boîtiers comportent chacune une semelle d'appui destinée à venir en contact avec une surface d'une pièce dans laquelle on désire contrôler une soudure. Les semelles d'appui des boîtiers l a et 1 b sont protégées par des pions anti-usure proté- geant les semelles, lors du déplacement des boîtiers en contact avec la pièce pour réaliser le contrôle de la soudure. Les éléments piézo-électriques des transducteurs ultrasonores dispo- ses dans le boîtier la et dans le boîtier lb sont disposés au voisinage de la surface inférieure d'appui du boîtier, de manière à émettre des faisceaux ultrasonores à l'intérieur du métal de la pièce sur laquelle on déplace le dis- positif de contrôle ultrasonore 1. Les éléments piézo-électriques du premier transducteur disposé dans le boîtier la et du second transducteur disposé dans le boîtier 1 b sont inclinés différemment par rapport à la face inférieure du boîtier destinée à venir en appui sur la pièce, de manière à émettre des faisceaux ultrasonores avec une incidence différente par rapport à la surface de la pièce. L'élément piézo-électrique du premier transducteur disposé dans le premier boîtier la est incliné de manière à émettre un faisceau dont la direction moyenne fait un angle de 45 avec la normale à la pièce sur laquelle repose le boîtier la. L'élément piézo-électrique du transducteur disposé dans le second boîtier lb est orienté de manière à émettre un faisceau ultrasonore dont la direction moyenne fait un angle de 60 avec la normale à la surface de la pièce sur laquelle repose le second boîtier lb. Les liaisons souples telles que 2 entre les boîtiers la et lb permettent d'appliquer parfaitement la sur- face de la semelle d'appui des boîtiers la et lb sur une pièce, même si celle-ci présente des discontinuités ou des parties ayant des inclinaisons légèrement différentes. Sur le boîtier la, est fixé un boîtier 3 renfermant des moyens électro- niques d'alimentation des transducteurs contenus dans les boîtiers l a et 1 b et de récupération et de traitement des signaux fournis par les transducteurs qui sont des transducteurs émetteurs-récepteurs. Le boîtier 3 comporte, sur l'une de ses faces, des éléments de con- nexion électriques permettant de relier le boîtier électronique 3 et les trans- ducteurs à une unité d'alimentation et de traitement d'un type utilisé habi- tuellement pour le contrôle ultrasonore. Sur le boîtier électronique 3 est également monté un bouton de com- mutation 5 qui peut être placé dans l'une de trois positions 6a, 6b et 6c qui correspondent respectivement à l'alimentation du premier transducteur dis- posé dans le boîtier la, à l'alimentation des deux transducteurs simultané- ment et à l'alimentation du second transducteur disposé dans le second boî- tier 1 b, respectivement. On peut ainsi, en plaçant le commutateur 5 dans l'une des trois posi- tions 6a, 6b et 6c, réaliser l'émission d'un faisceau ultrasonore à 45 uni- quement, l'émission d'un faisceau à 45 et d'un faisceau à 60 simultané- ment ou encore l'émission d'un faisceau à 60 uniquement. Sur la figure 2, on a représenté une première pièce plane 7 et une seconde pièce plane 8 qui sont fixées bout à bout suivant l'un de leurs bords par une soudure de jonction 9. La soudure 9 s'étend suivant toute l'épaisseur des pièces planes 7 et 8 qui peuvent présenter une assez forte épaisseur, par exemple de l'ordre de 100 mm. De plus, comme il est visible sur la figure 3, la soudure 9 s'étend dans une direction 10, appelée direction longitudinale, qui est parallèle aux bords des plaques 7 et 8 qui sont jointes bout à bout et reliées par la soudure 9. Pour réaliser le contrôle de la soudure 9, on utilise un dispositif de contrôle 1 analogue au dispositif représenté sur la figure 1. Les faces d'appui des boîtiers la et lb du dispositif 1 sont appliquées contre la surface supérieure de l'une des pièces, par exemple la face supérieure 7a de la pièce 7 et le dispositif 1 est déplacé sur la surface de la pièce, de manière à réaliser le balayage de la soudure 9 dans la direction longitudinale 10 et sui- vant l'épaisseur de la soudure. Pour réaliser le balayage suivant l'épaisseur de la soudure, compte tenu de l'inclinaison du ou des faisceaux d'ultrasons émis par le transducteur du dispositif de contrôle 1, on déplace le dispositif de contrôle 1 dans son ensemble, en contact avec la surface supérieure 7a de la pièce 7, dans une direction transversale sensiblement perpendiculaire à la direction longitudi- nale 10 de la soudure 9. On a représenté de manière conventionnelle le balayage dans la di- rection longitudinale par la double flèche 11 sur la figure 3 et le balayage dans la direction transversale par la double flèche 12 sur la figure 2. Le boîtier électronique 3 du dispositif de contrôle ultrasonore 1 est relié à une unité 13 d'alimentation des transducteurs et de récupération et de traitement des signaux ultrasonores reçus en retour par les transduc- teurs. L'unité 13 est d'un type habituel utilisé dans le cas du contrôle ultra- sonore et comporte en particulier des moyens d'alimentation électriques des éléments piézo-électriques des transducteurs et un écran d'affichage des échos ultrasonores reçus par chacun des transducteurs. Lorsque les éléments piézo-électriques des transducteurs du disposi- tif de contrôle 1 sont excités par un courant électrique, le premier transduc- teur disposé dans le premier boîtier l a émet un faisceau ultrasonore dont la direction moyenne 14 fait un angle de 45 avec la normale à la surface 7a de la pièce au niveau du boîtier la. Le second transducteur disposé dans le second boîtier 1 b émet un faisceau ultrasonore dont la direction moyenne 15 fait un angle de 60 avec la normale à la surface 7a de la pièce 7, au niveau du second boîtier 1 b. Bien entendu, il est possible également de réaliser le balayage de la soudure en plaçant le dispositif de contrôle sur la surface supérieure de la seconde pièce 8, de manière à diriger les faisceaux ultrasonores vers la soudure 9. Dans le cas o la soudure 9 présente un défaut 16 à une profondeur P sous la surface supérieure des pièces, un tel défaut doit être détecté lors du contrôle ultrasonore et ses caractéristiques doivent être déterminées, en particulier la profondeur P du défaut sous la surface des pièces et la lon- gueur L du défaut suivant la direction longitudinale 10 de la soudure (voir figure 3). Pour effectuer le contrôle par le procédé suivant l'invention, dans un premier temps, on place le commutateur 5 du dispositif de contrôle dans sa position centrale 6b et on alimente les transducteurs, de manière à émettre simultanément un faisceau d'ondes ultrasonores dirigé à 45 et un faisceau d'ondes ultrasonores dirigé à 60 , par rapport à la normale à la surface des pièces. On déplace le transducteur sur l'une des surfaces des pièces, au voisinage de la soudure 9 (par exemple sur la surface supérieure 7a de la pièce 7), de manière à réaliser un balayage de la soudure dans la direction longitudinale (balayage longitudinal représenté par la double flèche 11) et un balayage de la soudure suivant son épaisseur (balayage dans la direction transversale 12). Au cours du balayage, les faisceaux d'ondes ultrasonores de direction moyenne 14 et 15 réalisent un balayage de l'une au moins des surfaces de jonction de la soudure 9. Dans le cas o un défaut 16 est présent dans une zone de la sou- dure, à un certain moment du balayage, comme représenté sur la figure 2, l'un des faisceaux (par exemple le faisceau de direction moyenne 15 à 60 ) est incident sur la zone de la soudure comportant le défaut 16. Le signal d'écho représentatif du défaut est alors émis et affiché sur l'écran de l'unité d'exploitation 13 du contrôle ultrasonore. On arrête le balayage dans la position permettant d'obtenir le signal d'écho à son amplitude maximale. On place alors le commutateur successi- vement sur les positions 6a et 6c, de manière à identifier le faisceau incident ayant donné lieu à un signal d'écho représentatif du défaut. Dans le cas représenté sur la figure 2, la commutation dans la posi- tion 6c permet d'obtenir le signal d'écho correspondant au faisceau incident à 60 . On peut alors calculer la profondeur P du défaut et on détermine la longueur L de ce défaut par balayage longitudinal, le commutateur étant maintenu sur la position 6c. De manière à améliorer la détermination du défaut, on déplace le dis- positif de contrôle ultrasonore 1 dans la direction du balayage transversal, jusqu'à la position 1' représentée en traits interrompus sur la figure 2, pour laquelle le faisceau incident d'ultrasons à 45 fournit un écho représentatif du défaut 16. On vérifie par le calcul les valeurs caractéristiques du défaut fournies à partir du faisceau à 45 . Sur la figure 4, on a représenté l'écho 17 obtenu à partir du faisceau à et l'écho 18 obtenu à partir du faisceau incident à 45 , pour un même défaut 16. Du fait que la longueur du parcours du faisceau d'ultrasons à I'intérieur de la pièce 7 est plus faible dans le cas du faisceau incident à 45 , cette longueur étant inférieure à 70 mm, I'amplitude de l'écho à 45 (80 % de l'amplitude du faisceau émis) est supérieure à l'amplitude de l'écho à 60 (60 % de l'amplitude d'émission), le parcours des faisceaux d'ultrasons dans la pièce 7 étant alors supérieur à 90 mm. Les caractéristiques du défaut qui peuvent être déterminées à partir des mesures ultrasonores sont en particulier la profondeur P et la longueur L du défaut et l'amplitude de l'écho. Après avoir détecté et caractérisé un défaut, on poursuit le balayage de la soudure en utilisant simultanément les faisceaux d'ondes ultrasonores à 45 et à 60 en replaçant le commutateur sur la position centrale 6b. Pour la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, on peut utiliser un dispositif dont les boîtiers ont une longueur dans la direction longitudinale de balayage au plus égale à 80 mm, une hauteur de 40 mm et une épais- seur dans la direction transversale de l'ordre de 28 mm pour une largeur de contact du boîtier dans la direction transversale de l'ordre de 26 mm. Les transducteurs ultrasonores ont une fréquence d'émission de 2 + 0,2 MHz. L'angle de propagation du faisceau d'ondes ultrasonores doit être dé- fini à + 2 près. L'angle de bigle du transducteur, c'est-à-dire l'angle de la direction moyenne du faisceau avec la normale à la surface du transducteur doit être nul à + 2 près. Les éléments piézo-électriques des transducteurs sont constitués par des pastilles carrées ou rectangulaires ayant des dimensions voisines de mm. Avant de mettre en ceuvre le dispositif pour mettre en oeuvre le pro- cédé suivant l'invention, on vérifie la sensibilité des transducteurs qui doivent permettre d'obtenir un écho ayant une amplitude supérieure à 25 % pour un défaut constitué sous la forme d'un trou cylindrique de diamètre 2 mm situé à 150 mm de profondeur à l'intérieur des pièces, le réglage du gain par le boîtier électronique étant tel que le signal d'écho ait une amplitude de 80 % pour un défaut constitué par un trou cylindrique de 2 mm à 25 mm de pro- fondeur. Les transducteurs et les moyens d'exploitation des mesures sont tels que le rapport signal/bruit S/B soit supérieur ou égal à 20 dB, le transducteur étant excité sous une tension de 100 volts avec un gain en réception de 50 dB. Le procédé et le dispositif suivant l'invention permettent donc de réa- liser de manière plus rapide le contrôle d'une soudure par balayage de la soudure suivant sa longueur et suivant son épaisseur à l'intérieur de pièces dont la soudure réalise la jonction. Le procédé permet également de caractériser les défauts détectés, de manière précise. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. C'est ainsi qu'on peut utiliser un dispositif de contrôle pouvant réaliser simultanément l'émission d'un premier et d'un second faisceaux dont les angles avec la normale à la surface des pièces soient différents de 45 et 600, . On utilisera de préférence un premier transducteur émettant un pre- mier faisceau ayant un angle d'incidence avec la normale à la surface des pièces compris entre 35 et 50 et généralement voisin de 45 et un second transducteur émettant un second faisceau avec un angle d'incidence com- pris entre 500 et 80 et généralement voisin de 60 . On peut effectuer le contrôle en réalisant simplement la détection du défaut en utilisant simultanément les deux faisceaux d'orientations différen- tes, puis le repérage du faisceau incident ayant donné naissance à un écho relatif à un défaut, sans rechercher une seconde position du dispositif de contrôle permettant de repérer le défaut avec le faisceau ayant la seconde orientation. Le procédé suivant l'invention peut s'appliquer non seulement au contrôle de soudures de pièces planes mais encore au contrôle de soudures bout à bout de pièces annulaires. Dans ce cas, les surfaces d'appui des boî- tiers des transducteurs et les éléments d'émission piézo-électriques sont adaptés à la forme de la surface cylindrique des pièces sur lesquelles on déplace le dispositif de contrôle par ultrasons. L'invention s'applique non seulement dans le cas du contrôle par ul- trasons des soudures de composants de réacteurs nucléaires, mais égale- ment dans le cas de tout composant d'ensembles mécaniques comportant des soudures entre des pièces épaisses. REVENDICATIONS 1 - Procédé de contrôle non destructif par ultrasons d'une soudure (9) de jonction entre deux pièces métalliques (7, 8), s'étendant dans une direc- tion (10) des pièces, appelée direction longitudinale, par déplacement sur une surface (7a) des pièces (7, 8), dans la direction longitudinale (10) et dans une direction transversale sensiblement perpendiculaire àa la direction longitudinale (10), d'une source (1) d'émission d'au moins un faisceau d'ultrasons en direction de la soudure (9) et enregistrement des échos (17, 18) dus à des défauts (16) de la soudure (9), caractérisé par le fait qu'on émet simultanément, à partir de la source d'émission d'ondes ultrasonores (1), un premier faisceau d'ondes ultrasonores (14) en direction de la soudure (9), faisant un premier angle avec la normale à la surface (7a) des pièces (7, 8) et un second faisceau d'ondes ultrasonores (15), faisant un second angle avec la normale à la surface (7a) des pièces (7, 8) et que, lorsqu'un écho (17, 18) dû à un défaut (16) de la soudure (9) est enregistré, on émet suc- cessivement le premier et le second faisceaux (14, 15) pour déterminer le- quel du premier et du second faisceaux (14, 15) est le faisceau incident ayant fourni un écho (17, 18) représentatif du défaut (16) et on détermine les caractéristiques du défaut, à partir de l'écho (17, 18) du faisceau incident. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par le fait qu'après avoir déterminé les caractéristiques du défaut (16) à partir de l'écho (17) du faisceau incident, on déplace la source d'émission (1) du faisceau d'ultrasons dans la direction transversale, à partir de la première position pour laquelle on a obtenu le premier écho (17) fourni par le faisceau inci- dent, jusqu'à une seconde position pour laquelle on obtient un second écho (18) fourni par l'un du second et du premier faisceaux d'ultrasons qui n'était pas le faisceau incident dans la première position de la source d'émission et on vérifie les caractéristiques du défaut (16) obtenues à partir du second écho (18). 3.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, ca- ractérisé par le fait qu'on détermine l'une au moins des caractéristiques sui- vantes du défaut (16): profondeur du défaut sous la surface (7a) des pièces (7, 8), longueur (L) du défaut dans la direction longitudinale (10), amplitude du signal d'écho (17, 18). 4.- Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, ca- ractérisé par le fait que le premier angle d'inclinaison du premier faisceau (14) est compris entre 35 et 50 et généralement voisin de 45 et que le second angle d'inclinaison du second faisceau (15) est compris entre 50 et et généralement voisin de 60 . 5.- Dispositif de contrôle non destructif par ultrasons d'une soudure (9) de jonction entre deux pièces métalliques (7, 8) s'étendant dans une di- rection des pièces (7, 8), appelée direction longitudinale (10), par déplace- ment sur une surface (7a) des pièces (7, 8) dans la direction longitudinale (10) et dans une direction transversale perpendiculaire à la direction longitu- dinale (10) d'une source d'émission (1) d'au moins un faisceau d'ultrasons en direction de la soudure (9) et enregistrement des échos (17, 18) dus à des défauts (16) de la soudure (9), caractérisé par le fait qu'il comporte: - un premier et un second boîtiers (la, 1 b) renfermant respectivement un premier et un second transducteurs d'ultrasons reliés entre eux par des éléments de liaison souples (2) et comportant des surfaces d'appui sur la surface (7a) des pièces (7, 8), les éléments souples (2) permettant de faire varier l'orientation relative des surfaces d'appui du premier et du second boîtiers (la, lb), - un boîtier électronique (3) d'alimentation des transducteurs, pour la production de faisceaux ultrasonores et de récupération et de traitement des signaux ultrasonores reçus par les transducteurs, fixé sur l'un des boîtiers (la, lb), - un commutateur (5) monté sur le boîtier électronique (3) comportant trois positions (6a, 6b, 6c) correspondant à l'alimentation d'un premier trans- ducteur, l'alimentation simultanée d'un premier et d'un second transducteurs et l'alimentation du second transducteur uniquement, respectivement, et - une unité (13) d'alimentation des transducteurs ultrasonores et de traitement des signaux ultrasonores reçus par les transducteurs reliés élec- triquement au boîtier électronique (3). 6.- Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que le premier transducteur disposé dans le premier boîtier (la) du dispositif de contrôle est orienté de manière à émettre un faisceau d'ultrasons dont la direction moyenne fait un angle voisin de 45 avec la normale à la surface d'appui du premier boîtier (la) et le second transducteur disposé dans le second boîtier (lb) est disposé de manière à émettre un faisceau d'ondes ultrasonores dont la direction moyenne fait un angle voisin de 60 avec la normale à la surface d'appui du second boîtier (lb).