<figure><img src="image_1.png" /></figure>

# Monitoring d'un examen ultrasonore manuel par le suivi de la mise en œuvre et l'utilisation d'un outil de tracking du traducteur pour le suivi du geste de l'opérateur et de la couverture de zone

Sylvie Bittendiebel<fnref n="1" />, Michel Cardoso<fnref n="2" />, Thomas Desrez<fnref n="2" />,

*corresponding author, E-mail: s.bittendiebel@isgroupe.com

## Résumé

Lors d'une inspection manuelle par ultrasons, un certain nombre de paramètres de mise en œuvre influents sur la qualité et la performance finale de l'examen ne sont généralement pas enregistrés. La conformité du contrôle avec la procédure ou, plus tard, une analyse de la conformité de l'inspection ne peut alors être réalisée.

Dans le cadre du projet ANR FOEHN, un dispositif de suivi optique du traducteur associé à l'enregistrement des signaux a été développé par le CEA et utilisé par l'Institut de Soudure (IS) notamment pour évaluer les facteurs humains et leur influence durant une inspection.

Durant le contrôle, les données peuvent être traitées et analysées en temps réel. Etant enregistrées, elles peuvent ensuite être exploitées dans un mode « Replay », et l'opérateur ou le formateur peut voir sur le même écran le déplacement du traducteur ultrasonore dans l'espace d'inspection ainsi que l'image des signaux ultrasons enregistrée de manière synchrone depuis le système d'inspection.

Le système permet monitorer finement la trajectoire du traducteur lors d'inspections sur des blocs de géométrie connues, dans des conditions normales de contrôle puis dans des conditions dégradées. Ces données sont utilisées pour isoler certains facteurs humains en fonction de leur origine et quantifier les effets de manière indépendante.

## 1. Introduction

Le projet FOEHN (2016-2020) a été initié par le CEA, supporté par l'ANR et l'Institut Carnot, dans le cadre de l'usine du Futur. Il s'intéresse à la prise en compte des facteurs humains et organisationnels dans le cadre des contrôles non destructifs, et en particulier de leur fiabilité. L'Institut de Soudure avait la charge de l'analyse d'impact en conditions contrôlées. Cet article présente une partie des résultats des essais menés lors de l'exécution d'un contrôle ultrason manuel réalisés avec le dispositif développé par le CEA.

## 2. Description du dispositif utilisé

Le système utilisé a été développé par le CEA List sur la base d'échange et d'un cahier des charges élaboré avec l'Institut de Soudure. Il est une première version de celui qui est présenté en [1] et est basé sur l'utilisation de tracking optique par caméras qui suivent avec précision des mires qui sont positionnées sur le traducteur. Il est illustré dans les Figures 1 et 2.

Ainsi la position du traducteur est suivie sur le plan défini par la surface de la pièce avec une précision de l'ordre de 1 mm.

### 2.1. Description des paramètres suivis et de l'affichage

Le système, via le logiciel « startrecorder » permet l'acquisition simultanée en fonction du temps de la position du traducteur sur la pièce (via les caméras optitrack) et de l'image affichée sur l'écran du poste ultrasonore. Il affiche à gauche de l'écran, une représentation simplifiée de la pièce et du contrôle avec :

- en gris foncé, la zone définie préalablement comme étant la surface sur laquelle le déplacement du traducteur sera suivi ; cela représente le résultat de la calibration effectuée au préalable (et le fichier généré peut être rappelé pour être utilisé à l'identique par tous les contrôleurs),

- en bleu, le bourrelet de soudure

- le point rouge correspond à l'origine de la cartographie

- le traducteur est représenté par un rectangle rouge

- les dernières positions prises par le traducteur sont représentées par un point noir ce qui forme la trajectoire instantanée du traducteur

- chaque position occupée par le traducteur est représentée par une ligne verte de 4.5 mm de largeur (la ½ largeur du traducteur qui correspond au pas de balayage minimum imposé par les normes et procédures et aussi à la zone correspondante dans la soudure supposément couverte par ce balayage), formant ainsi une surface plus ou moins pleine de couleur verte.

<footnote n="1">¹Plateforme CND, Institut de Soudure, France;</footnote>

<footnote n="2">²CEA List, France</footnote>
<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1: Vue d'ensemble du système de Figure 2: Vue rapprochée des cibles montées sur le traducteur ultrason monitoring.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_3.png" /></figure>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3 : Affichage à l'écran issu de l'application développée pour le monitoring et le mode replay</figcaption></figure>

Le logiciel affiche ou calcule :

- *position*: cela correspond à la position (x;y) du traducteur sur la pièce en mm

- *coverage*: le pourcentage de surface couverte est calculé en comparant les points couverts par le traducteur (colorié en vert) et la surface totale préalablement définie (la pièce sur toute sa longueur et une certaine largeur coté B, sans tenir compte à ce stade du recul théorique suffisant)

- *speed*: la vitesse de déplacement instantanée du traducteur est calculée en comparant les différentes positions du traducteur dans le temps. La procédure et les normes imposent en général une vitesse maximale de balayage à ne

pas dépasser. Le contrôleur peut difficilement appréhender
seul cette donnée.

2.2. Description de la calibration

La calibration est faite en 3 étapes :

2.2.1. Calibration de l'origine (calibrate coordinates root)

La pointe munie de tracker (boules) est positionnée en
contact sur la pièce à l'endroit de l'origine (0) choisie pour
l'acquisition ; c'est-à-dire en bas de la pièce et au milieu de
la soudure (voir Figure 4)

2.2.2. *Calibration de la zone à balayer (calibrate acquisition)*

La pointe munie de tracker (boules) est positionnée en
contact sur la pièce aux endroits désignés sur la Figure 5
dans l'ordre 1 à 5 (largeur soudure) avec le point (1) proche
de l'origine (0) choisie pour l'acquisition. Ces points sont
également représentés sur la Figure 15.

2.2.3. *Calibration du traducteur*

La pointe munie de tracker est positionnée au contact de la
surface de palpage du traducteur monté sur le porte-
traducteur (lui-même muni de tracker) aux endroits désignés
sur la Figure 6 dans l'ordre 1 à 4.

Ainsi la surface à balayer et le traducteur sont définis dans le
repère des caméras Optitrack. Dans le logiciel, la surface à
balayer est toujours le côté bas de la soudure avec une
origine à gauche comme sur la Figure 7.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4 : a) Visualisation de l'écran correspondant à la calibration de l'origine b) sur la pièce</figcaption></figure>

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 5 : a) Visualisation de l'écran correspondant à la calibration de l'acquisition b) sur la pièce au point N°2</figcaption></figure>
<figure><img src="image_7.png" /></figure>

<figure><img src="image_8.png" /></figure>

a)

<figure><img src="image_9.png" /></figure>

b)

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 7 : Représentation de la pièce et du traducteur</figcaption></figure>

Nota : Il est à noter que la première pièce retenue n'a pas pu être utilisée dans le cadre de l'étude car elle n'était pas assez plane. En effet, elle présentait un effet de voile qui n'était pas compatible avec le logiciel de repositionnement du traducteur sur la surface de la pièce développé par le CEA.

## 3. Essais en conditions de laboratoire

### 3.1. Description des phases d'essais

Les essais présentés dans cet article se sont déroulés en 2 phases, la différence majeure étant les conditions de travail, d'abord les tests ont été fait en conditions de laboratoire puis en conditions dites dégradées.

Concrètement, les essais en conditions de laboratoire ont été menés par 5 contrôleurs certifiés UT2, sur une soudure plane posée à l'horizontal sur une table dans une pièce isolée du bruit. Le contrôleur a travaillé assis, et a réalisé un contrôle avec un traducteur 70°, basé sur une procédure d'examen transmise au moment de l'essai.

Les essais en conditions dégradées ont été menés par 5 contrôleurs certifiés UT2, sur une soudure plane verticale dans un atelier de soudage soumis à un environnement bruyant. Le contrôleur a travaillé dans une position libre, et a réalisé un contrôle au bond complet avec un traducteur 60° dans un temps limité à 30 minutes et réduit à 20 minutes pendant l'essai (annonce orale 5 minutes avant la fin). La même procédure d'examen fournie pour la première phase était applicable.

Durant ces essais, les paramètres influents liés à la préparation du contrôle sont figés au maximum, en imposant aux contrôleurs de travailler sur un poste déjà réglé ; c'est-à-dire que le traducteur, la vitesse, la base de temps, les courbes amplitudes distance (CAD) étaient réglées. Les CAD décalées de x dB utiles pour l'interprétation (seuil de notation, ...), ainsi que l'épaisseur de la pièce étaient affichées sur le poste ultrasonore.

Ainsi les résultats du contrôle peuvent être analysés en isolant au maximum les facteurs humains liés à la gestuel (et notamment à la trajectoire du capteur) des autres facteurs humains liés aux réglages réalisés en amont d'un examen ultrasonore (cette analyse n'est pas inclus dans cet article et avait fait l'objet d'une phase du projet non monitorée)

### 3.2. Pièce testée et résultats de l'examen de référence

Un examen TOFD sert de contrôle de référence pour positionner les indications avant une caractérisation locale ultrasonore.

La pièce TOFD 2 est utilisée. Elle a une épaisseur de 12 mm et une longueur soudée à contrôler de 740 mm.
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 8 : TOFD 2 – face et coté accessible pour l'examen ultrasonore</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 9 : Résultat de l'examen TOFD centré réalisé avec des traducteurs 10 MHz 60°et un PCS =41 mm</figcaption></figure>

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 10 : Relevé des indications lors du contrôle de référence</figcaption></figure>

### 3.3. Résultats

#### 3.3.1. En termes de couverture de la zone à examiner

Les surfaces couvertes en fonction des contrôleurs sont illustrées dans le tableau suivant :

<table><caption>Tableau 1 : Surface couverte, en vert, en fonction des contrôleurs</caption><thead><tr><td>Contrôle</td><td>Surface couverte</td></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td></td></tr></tbody></table>

<table><tr><td>B</td><td></td></tr><tr><td>C</td><td></td></tr><tr><td>D</td><td></td></tr><tr><td>E</td><td></td></tr></table>

La surface couverte peut être comparée à la surface à couvrir afin de contrôler 100% du volume soudé au ½ bond (100% correspond à 740 mm de la longueur soudée x recul max du traducteur par rapport au bord de la soudure pour un contrôle au ½ bond, soit 30.6 mm) ; c'est le résultat dans la ligne % zone couverte corrigé du tableau ci après.

<table><caption>Tableau 2 : Temps de contrôle et zone de couverture</caption><thead><tr><td>contrôle</td><td>A</td><td>B</td><td>C</td><td>D</td><td>E</td></tr></thead><tbody><tr><td>Temps de contrôle (min:sec)</td><td>41:50</td><td>34:08</td><td>63:54</td><td>58:37</td><td>84:02</td></tr><tr><td>% zone couverte</td><td>45,6</td><td>17,5</td><td>43,9</td><td>62,1</td><td>60,8</td></tr><tr><td>% zone couverte corrigé</td><td>223</td><td>85</td><td>215</td><td>304</td><td>298</td></tr></tbody></table>

Ce qui veut dire que seul le contrôleur B a fait un contrôle à minima au ½ bond, les autres ont un contrôle à 100% au bond complet voir plus (avec 200% de % de zone couverte corrigée).

Les méthodologies de balayage diverses ont pu être constatées :

* Demi bond et bond en même temps, caractérisation dans la foulée

* 1er passage rapide et retour sur les zones douteuses pour caractérisation

* Demi bond avec caractérisation sur toute la longueur puis bond complet

* Demi bond jusqu'à une indication puis caractérisation et reprise de la même zone au bond complet avant de continuer

* Demi bond avec caractérisation sur toute la longueur puis bond complet puis demi bond et bond en même temps
Aucune stratégie de balayage n'induit d'écart significatif sur la détection et l'évaluation des indications permettant de préconiser l'une par rapport à l'autre.

Enfin, le temps de contrôle, libre dans cette phase, varie de ½ heure à un peu plus 1h 20 minutes entre les contrôleurs, corrélée essentiellement avec l'expérience propre du contrôleur.

### 3.3.2. *En termes de relevé d'indication*

Une analyse fine des fichiers issues du monitoring, associé au tableau de relevé des indications rendu par chaque contrôleur a été faite pour chacune des 7 indications présentes.

Les indications non ponctuelles ont été toutes relevées par tous les contrôleurs (sauf une) ; les principales différences relèvent de l'application diverse de la règle de regroupement des indications qui étaient présente dans la procédure applicable.

Durant ces essais, 2 erreurs humaines ont été mises en évidence.

* Une indication visible sur le A-scan lors du monitoring n'a pas été détectée (voir Figure 11) : Aucun arrêt dans le mouvement du balayage du traducteur observé au niveau de l'indication suggérant un manque d'attention sur l'écran d'affichage du poste ultrasonore à cet instant – après 39 minutes de contrôle)

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 11 : Indication N° 7 non relevée par le contrôleur « E »</figcaption></figure>

* Une amplitude maximale a été mal relevée dans le tableau de relevé d'indication (voir Figure 12) : Le monitoring montre bien que le contrôleur a utilisé la fonction freeze pour relever l'indication. Alors que l'amplitude maximale est de CAD-5dB, il a relevé CAD-7dB dans le tableau d'indication

<figure><img src="image_15.png" /></figure>

Figure 12 : Indication N° 3 au moment où l'écran est gelé pour le relevé d'indication par le contrôleur « C »

Cependant, la dispersion sur l'amplitude maximale relevée vs l'amplitude maximale de référence de l'indication est faible (de l'ordre de 2 dB). Cela est le résultat de la fiabilisation du contrôle par l'imposition du réglage du poste ultrasonore (notamment en termes de CAD).

## 4. Essais en conditions dégradées

### 4.1. Pièce testée et résultats de l'examen de référence

Pour cette seconde phase, c'est la pièce DEMO qui est utilisée. Elle a une épaisseur de 15 mm et une longueur soudée à contrôler de 800 mm.

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Figure 13 : Examen TOFD 10MHz PCS 50 mm</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Figure 14 : Relevé des indications lors du contrôle de référence</figcaption></figure>
<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Figure 15 : Pièce « DEMO » utilisée pour le test en conditions dégradées</figcaption></figure>

## 4.2. Résultats

### 4.2.1. En termes de couverture de la zone à examiner

Les surfaces couvertes en fonction des contrôleurs, illustrées dans le tableau suivant.

<table><caption>Tableau 3 : Surface couverte en fonction des contrôleurs en conditions dégradées</caption><thead><tr><th>Contrôle</th><th>Surface couverte</th></tr></thead><tbody><tr><td>A</td><td></td></tr><tr><td>B</td><td></td></tr><tr><td>C</td><td></td></tr><tr><td>D</td><td></td></tr><tr><td>E</td><td></td></tr></tbody></table>

Légende : Les traits verticaux bleu foncé représentent les zones où se situent les indications (A max)

La surface couverte peut être comparée à la surface à couvrir afin de contrôler 100% du volume soudé au bond complet (100% correspond à 800 mm de la longueur soudée x recul max du traducteur par rapport au bord de la soudure pour un contrôle au bond complet, soit 47.5 mm) ; c'est le résultat dans la ligne % zone couverte corrigé du tableau ci après.

<table><caption>Tableau 4 : Temps de contrôle et zone de couverture</caption><thead><tr><th>contrôle</th><th>A</th><th>B</th><th>C</th><th>D</th><th>E</th></tr></thead><tbody><tr><td>Temps de contrôle (min:sec)</td><td>20 :24</td><td>21 :03</td><td>28 :04</td><td>16 :24</td><td>24 :43</td></tr><tr><td>% zone couverte</td><td>10.6</td><td>11.8</td><td>14.3</td><td>23</td><td>38.7</td></tr><tr><td>% zone couverte corrigé</td><td>32.35</td><td>35.99</td><td>43.6</td><td>70.15</td><td>118</td></tr></tbody></table>

Pour des temps de contrôle équivalent, les surfaces couvertes sont très variables et un seul contrôleur atteint les 100% de surface contrôlée. Le geste est très, voir trop rapide ; si on s'en réfère à la vitesse maximale du déplacement de 150 mm/s communément admise pour un contrôle ultrason manuel (qui est matérialisé sur la cartographie en rouge à la place de vert quand la vitesse est supérieure à la limite), le recouvrement parfois insuffisant (des zones non couvertes sont constatées) ; toutefois, les zones correspondant aux défauts sont bien couvertes par tous les contrôleurs (au niveau des traits bleus foncés du Tableau 3).

Les diverses méthodologies de balayage constatées en phase 1, en laboratoire, sont retrouvées ici. Pour cet exercice, l'expérience semble jouer un rôle important car il est constaté que certains font un 1er passage rapide afin de déterminer les zones d'intérêt. Dans un contexte où le temps est limité, cela consiste à prioriser les zones d'intérêt et à ne pas « perdre » de temps dans les zones où l'intérêt est moindre.

### 4.2.2. En termes de relevé d'indication

Une analyse fine des fichiers issues du monitoring, associé au tableau de relevé des indications rendu par chaque contrôleur a été faite pour chacune des 2 indications présentes.

Comme durant les essais en laboratoire, la dispersion sur l'amplitude maximale relevée vs l'amplitude maximale de référence de l'indication est faible (de l'ordre de 2 dB) due à la fiabilisation du contrôle par l'imposition du réglage du poste ultrasonore (notamment en termes de CAD).

La première indication est caractérisée par 3 contrôleurs sur 5, un ne l'a pas relevée (la zone a été repérée mais l'indication n'a jamais dépassée le seuil de notation), le second l'a relevée (en position et longueur) sans avoir le temps de caractériser l'amplitude (indiquée uniquement supérieure au seuil de notation).
La seconde indication est bien relevée par tous les
contrôleurs.

4.2.3. *En termes de posture et de gestion du stress*

L'expérience du contrôleur a clairement joué un rôle dans
la gestion du stress lié à la position du contrôle ainsi qu'au
temps limité. « C » a le moins d'expérience de terrain en
contrôle ultrason manuel et a eu du mal à finir son
examen, tandis que d'autres comme « B » et « D »,
contrôleurs aguerris, ont eu le temps de bien finir le
balayage et de « peaufiner » leur rapport sans laisser
transparaitre de stress, notamment lors de l'annonce de
réduction du temps de contrôle.

Par rapport aux tests en laboratoire, cette phase a aussi
permis d'étudier le comportement des contrôleurs et
d'aborder l'adaptation de leur gestuelle par rapport à
l'environnement de travail.

Il est constaté que 2 contrôleurs ont eu le réflexe
d'aménager le poste de travail (par l'ajout d'un tabouret ou
d'une caisse pouvant servir de table pour le poste
ultrasonore) ou de mettre des bouchons d'oreille. Au
contraire, 3 contrôleurs ont subi les contraintes qui leur
étaient imposées sans chercher à les modifier.
Aménagement ou non, 2 contrôleurs ont présenté avant la
fin du contrôle des signes de gènes au niveau de leur
posture.

Alors que les écarts en termes de détection et de
caractérisation étaient faibles lors des tests réalisés en
conditions de laboratoire avec un poste ultrasonore réglé,
le test en conditions dégradées a permis de relever des
différences entre les contrôleurs liées dans l'ordre

* en premier et en facteur prédominant à la gestion du temps.

* en second, à la position verticale de la pièce (qui a semblé problématique pour une à 2 personnes)

* en dernier (voir sans conséquence), à l'ambiance bruyante.

**5. Conclusions**

Cette étude a permis de balayer les grands aspects d'un
contrôle ultrasonore manuel en lien avec les facteurs
humains. Cela a permis d'illustrer à une petite échelle (le
nombre de contrôleur ayant participé à l'étude étant limité
à 5 personnes) des phénomènes peut être déjà connus mais
mal quantifiés qui affectent la fiabilité d'une examen
ultrasonore.

Même si ce n'est pas l'objet principal de cet article, les
essais ont démontrés l'importance de la procédure
d'examen. Des problèmes dans l'application de la
procédure ont été constatés. Dans le cadre de cet article, ils
concernent l'application des critères de regroupement des
indications.

L'importance de la gestuelle associée notamment au relevé
de l'amplitude maximale de l'indication, essentielle à la
caractérisation en contrôle UT manuel a été démontré.

Les écarts constatés en termes de méthodologie de
balayage (1er passage rapide puis retour sur les zones
suspectes vs passage systématique ½ bond puis bond ou
passage systématique jusqu'au bond complet et
caractérisation dans la foulée) n'ont pas conduit à des
écarts significatifs dans le résultat de l'examen ultrasonore
en conditions de laboratoire. Toutefois, celle-ci et
notamment la manière dont elle est adaptée à la contrainte
de temps conduit à des écarts lors des essais en conditions
dégradées.

En effet, la régularité et la vitesse de palpage sont
fortement dégradées lors de cette phase d'essai, conduisant
à des plus grands écarts entre les contrôleurs dans la
caractérisation et même la détection des indications.

Les facteurs de stress ajoutés n'ont pas tous eu le même
impact sur les contrôleurs, ils pourraient être classés du
plus important au moins important de la façon suivante :

- temps contraint

- posture (pièce verticale)

- ambiance

Durant ces essais, le monitoring a permis de revenir a
posteriori sur les zones suspectes en rejouant le contrôle et
a permis de :

- constater des fautes d'inattention (le contrôleur ne regarde pas l'écran du poste ultrasonore au moment où un signal d'indication s'affiche),

- analyser la gestuelle associée à une décision de non
notation ou de classification conforme/ non conforme
d'une indication.

Ainsi afin de limiter l'influence des facteurs humains dans
le cadre d'un examen ultrasonore, il pourrait être judicieux
de :

* travailler avec des CAD déjà chargées dans le
poste ultrasonore

* imposer un gain de transfert à utiliser (en particulier dans le cadre de suivi en service)

De plus, l'outil de monitoring du déplacement du
traducteur sur la pièce peut être utile dans un contexte de
surveillance ou dans le cadre de contrôle de soudure
critique pour être capable de vérifier / démontrer la
couverture de zone et de réanalyser les étapes de prises de
décision.

Il sera à adapter pour être capable de monitorer les 2 accès
d'une soudure sur des géométries plus complexe de type
soudure circulaire par exemple.

**Remerciements**

Ce travail a bénéficié d'une aide de l'Etat gérée par
l'Agence Nationale de la Recherche ainsi que du soutien
de l'Institut Carnot.
References

[1] M. Cardoso, Système d’assistance à l’opérateur pour les contrôles non destructive UT manuels, Journées Cofrend, 2023