Détecteurs de défauts par ultrasons (UT)

Les détecteurs de défauts par ultrasons (UT) sont des instruments de contrôle non destructif (CND) dédiés à la détection de fissures, de manques de fusion, d’inclusions, de porosités et de défauts internes dans les soudures, les pièces moulées, les pièces forgées, les produits laminés et d’autres produits métalliques. Ils émettent des impulsions ultrasonores (fréquences de 0,5 à 15 MHz) qui se propagent dans le matériau ; les réflexions provenant des discontinuités internes sont captées par le même traducteur ou par un second, puis analysées pour déterminer la position, la taille et le type du défaut. On les utilise pour la réception des constructions soudées (ponts, appareils à pression, gazoducs), pour les contrôles de réception de pièces forgées et moulées, pour les inspections périodiques d’installations industrielles et pour la qualification du personnel CND.

Le principe UT

Le principe repose sur la propagation d’ondes élastiques à haute fréquence (ultrasons) dans le matériau. Un traducteur piézoélectrique (généralement PZT) émet des impulsions ultrasonores très brèves (dixièmes de µs) qui pénètrent dans le matériau par l’intermédiaire d’un couplant (gel, eau, huile, afin d’assurer la transmission acoustique entre le traducteur et la pièce). Les ondes se propagent à une vitesse connue (par exemple 5920 m/s pour les ondes longitudinales dans l’acier) et se réfléchissent sur chaque discontinuité interne (fissures, inclusions) ou sur la face opposée. Le même traducteur (en mode pulse-echo) ou un second traducteur (mode pitch-catch) détecte les réflexions, et l’électronique analyse les signaux dans le domaine temporel (A-scan).

Types de détecteurs de défauts

Les détecteurs de défauts modernes sont des instruments portatifs compacts dotés d’un A-scan en temps réel, de portes pour la détection automatique des échos de défaut, de l’étalonnage de la linéarité verticale (amplitude) et horizontale (temps/distance), de fonctions DAC (Distance Amplitude Correction) pour l’évaluation de défauts situés à différentes distances du traducteur, de TVG (Time Varied Gain) pour compenser l’atténuation du matériau et de fonctions AVG/DGS pour le dimensionnement des défauts. Les modèles les plus évolués intègrent le Phased Array UT (traducteurs multiéléments et balayage électronique du faisceau), le TOFD (Time-Of-Flight Diffraction), ainsi que les B-scan et C-scan pour la cartographie des défauts.

Traducteurs et sondes

Les traducteurs UT se distinguent par : la fréquence (0,5 à 1 MHz pour les pièces épaisses et atténuantes comme les fontes ; 2 à 5 MHz pour les applications courantes sur acier ; 10 à 15 MHz pour les mesures de haute précision sur matériaux minces) ; la géométrie (contact direct – monoélément, double élément, twin-line ; en angle – 45°, 60°, 70° pour le contrôle des soudures ; immersion) ; les dimensions (de quelques mm à plusieurs dizaines de mm de diamètre) ; le mode de couplage (contact avec couplant ; immersion dans l’eau ; air-coupled pour les applications spéciales). Le choix du traducteur découle du matériau, de l’épaisseur, du type de défauts attendus et de la technique d’inspection.

Applications

Les applications industrielles sont variées : contrôle des soudures (recherche de fissures, de manques de fusion, d’inclusions de laitier et de porosités – selon des normes sectorielles telles que l’EN 17640 pour les UT sur soudures) ; réception de pièces forgées et moulées (maîtrise des porosités centrales et des ségrégations) ; inspections en service de tuyauteries, d’appareils à pression et de réservoirs (recherche de fissures de fatigue et de corrosion localisée) ; contrôle des roues et essieux ferroviaires pour prévenir les défaillances catastrophiques ; inspections aéronautiques (essais de composants structuraux en alliage léger) ; R&D dans le domaine des matériaux.

Normes de référence

Les normes principales sont : ISO 9712 (qualification du personnel CND, niveaux 1-2-3) ; ISO 17640 (UT des soudures) ; ASTM E164 (UT par contact) ; EN 12668 (caractérisation des appareils UT) ; EN 583 (parties 1 à 6, mode opératoire UT). Les qualifications de personnel propres aux applications aérospatiales suivent la NAS 410. L’étalonnage des appareils UT s’effectue avec des blocs de référence V1 (linéarité et étalonnage de base) et V2 (applications à petit angle). Les traducteurs se vérifient avec des blocs dédiés pour l’amplitude, la fréquence et la largeur d’impulsion.

Critères de choix

Le choix du détecteur de défauts dépend de : l’application (UT simple, Phased Array ou TOFD) ; la plage d’épaisseurs et les matériaux à inspecter ; la portabilité (appareils compacts pour l’intervention sur site, appareils de paillasse pour le laboratoire) ; l’affichage A-scan seul ou également B/C-scan et imagerie 3D ; la conformité aux normes sectorielles (aérospatial, énergie, nucléaire) ; le logiciel d’analyse et de génération de rapports ASNT/EN 17637 ; le service d’assistance et de qualification des appareils.