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Inspection par ultrasons dans l’industrie de la fonderie


Cette note d’application donne un aperçu général des applications de contrôle non destructif par ultrasons dans l’industrie de la fonderie, notamment la mesure de l’épaisseur, la recherche de défauts et le contrôle de la nodularité.


Évaluation de la qualité des moulages

Si l’art de couler du métal est pratiqué depuis des milliers d’années, ce n’est toutefois qu’au cours des dernières décennies que des outils modernes de contrôle non destructif (CND) par ultrasons ont été mis en place pour garantir l’intégrité du produit moulé. Autrefois, les ouvriers de fonderie évaluaient la qualité du moulage en la tapotant la pièce avec un marteau. La nature du son réverbéré leur permettait de déterminer si la pièce comportait un défaut ou non. Aujourd’hui, des appareils à ultrasons à base de microprocesseurs fournissent de l’information précise et beaucoup plus détaillée sur la structure interne cachée des pièces moulées ferreuses et non ferreuses.

Les mesureurs d’épaisseur à ultrasons peuvent servir à mesurer les parois de pièces creuses en fonte. Ils peuvent aussi servir à cibler les discontinuités cachées, comme les porosités, les inclusions, les vides et les fissures. L’inspection par ultrasons basée sur la vitesse de propagation des ondes ultrasonores à l’aide de mesureurs d’épaisseur ou d’appareils de recherche de défauts peut aussi servir à quantifier la nodularité graphite dans la fonte.

Les mesureurs d’épaisseur par ultrasons sont couramment utilisés pour mesurer les pièces moulées creuses de formes complexes, comme les blocs-moteurs des automobiles. Le déplacement des noyaux peut créer des pièces dont l’un des côtés est trop mince et l’autre trop épais. À l’aide d’un mesureur d’épaisseur à ultrasons, il est possible de mesurer l’épaisseur de la paroi à partir d’un seul côté de la pièce sans qu’il soit nécessaire de la découper pour y accéder.

Des vides, des porosités, des inclusions et des fissures peuvent se créer dans le métal pendant le processus de fonte. Ces conditions produisent des indications ultrasonores qui peuvent être identifiées par un inspecteur qualifié utilisant un appareil de recherche de défauts par ultrasons équipé des sondes appropriées.

La taille et la distribution des inclusions de graphite (nodularité) ont un impact majeur sur la résistance mécanique de la fonte. Le contrôle de la nodularité est particulièrement important dans l’industrie automobile et dans d’autres domaines où la sécurité du fonctionnement des composants en fonte est une préoccupation majeure. Les techniques d’inspection par ultrasons permettent d’établir une corrélation entre la nodularité et la vitesse de propagation des ultrasons. Par conséquent, elles constituent une solution de remplacement à l’examen microscopique des sections transversales de la pièce et aux tests de résistance à la traction destinés à établir le degré de nodularité.

Mesure d’épaisseur par ultrasons des pièces moulées

Il est possible de mesurer l’épaisseur des parois des pièces moulées à l’aide des mesureurs d’épaisseur 38DL PLUS™ ou 45MG d’Olympus équipés de l’option logicielle de sonde monoélément. Si l’épaisseur du métal dépasse environ 12,7 mm, il faut utiliser l’option logicielle de haute pénétration. Le choix de la sonde dépend de l'étendue d’épaisseur à mesurer et des propriétés acoustiques spécifiques au métal inspecté. Les sondes couramment utilisées sont les suivantes : M106 et M1036 (toutes les deux de 2,25 MHz), M109 et M110 (toutes les deux de 5 MHz). Pour la mesure de pièces de fonte d’une épaisseur supérieure à environ 50 mm, il est souvent recommandé d’utiliser une sonde à basse fréquence de grand diamètre, comme la sonde M101 de 500 kHz.

Le mesureur d’épaisseur 72DL PLUS™ constitue une autre option pour la mesure d’épaisseur des parois de pièces moulées. Cet appareil très rapide permet des cadences de mesure allant jusqu’à 2 kHz, en plus d’offrir un mode de vitesse et une capacité de transmission directe. Le mesureur d’épaisseur 72DL PLUS peut également être intégré dans des systèmes conçus pour contrôler la vitesse de propagation des ondes sonores dans les pièces moulées.

Procédure de mesure par ultrasons de l’épaisseur des parois des pièces moulées

Les procédures détaillées de configuration et d’étalonnage des mesureurs d’épaisseur se trouvent dans le manuel d’utilisation de chaque appareil. De plus, le choix du couplant, l’état de la surface, la géométrie de la pièce, l’étalonnage du mesureur et le bruit de diffusion peuvent influencer la précision de la mesure.

Couplant : Les surfaces rugueuses que l’on trouve généralement sur les moulages au sable nuisent au couplage des sondes, raison pour laquelle il faut toujours utiliser un couplant à haute viscosité comme le gel (Couplant D) ou la glycérine (Couplant B).

État de la surface : Lorsque la surface de couplage est très rugueuse, l’épaisseur minimale qui peut être mesurée avec une sonde donnée est augmentée en raison des réverbérations du son dans la couche de couplant. Ces réverbérations doivent être supprimées. De même, l’épaisseur maximale mesurable est réduite en raison d’un couplage sonore inefficace entre la sonde et la pièce moulée. Dans la plupart des cas, les mesures d’épaisseur peuvent être effectuées sans avoir d'abord préparé la surface, mais pour les applications difficiles, cette préparation de la surface améliore les performances.

Géométrie: Les surfaces intérieures et extérieures d’une pièce moulée doivent être approximativement parallèles ou concentriques pour permettre le contrôle par ultrasons. Lorsque le parallélisme des parois est très mauvais, les ondes sonores sont réfléchies dans la direction opposée à la sonde et aucun écho n’est visible à l’écran.

Étalonnage du mesureur : Toute mesure d’épaisseur par ultrasons ne sera précise que dans la mesure où la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore dans le matériau correspond l’étalonnage effectué dans l’appareil. La vitesse de propagation des ondes ultrasonores peut varier dans la fonte ferreuse et non ferreuse en raison des changements de la dureté et de la structure du grain et des changements de la nodularité du graphite. Dans les grandes pièces à l’intérieur desquelles les zones refroidissent à des rythmes différents, la vitesse de propagation des ondes ultrasonores peut changer dans une seule et même pièce en raison de la structure irrégulière des grains. Pour assurer la précision maximale de la mesure, il faut toujours effectuer un étalonnage de la vitesse des ondes ultrasonores sur un étalon de référence d’épaisseur connue qui présente une similitude métallurgique avec la pièce inspectée.

Bruit de diffusion : La structure à gros grains de certains métaux coulés produit un bruit de diffusion interne précédant l’écho de fond. Ce bruit de diffusion peut faire en sorte que le logiciel du mesureur d’épaisseur génère de fausses lectures, particulièrement si on utilise des configurations par défaut plutôt que des configurations personnalisées. Ce type de problèmes peut être facilement identifié simplement en observant la forme d’ondes. Le bruit de diffusion interne peut généralement être éliminé en utilisant une autre sonde de fréquence plus basse ou en réglant la fonction de gain ou de suppression des échos de l’appareil (voir les formes d’ondes du 38DL PLUS dans la Figure 1 et la Figure 2).

Figure 1. Figure 1 — Bruit de diffusion causant une lecture erronée (l’écho de fond est visible du côté droit de l’écran).

Figure 2. Figure 2 — Lecture correcte après réglage du gain et de la pente TVG (l’écho de fond est clairement affiché).

Technologie par ultrasons pour l’inspection des pièces moulées

Tous les appareils de recherche de défauts Olympus de la série EPOCH™ (EPOCH 650 et EPOCH 6LT) peuvent servir à inspecter la fonte. Les sondes à émission-réception séparées, comme celles de la série DHC, ayant des fréquences entre 1 MHz et 5 MHz, sont couramment utilisées pour ce type d’inspection, car elles permettent de diminuer les réflexions provenant du couplant emprisonné dans les aspérités de la surface et d’optimiser les réflexions provenant de discontinuités de forme irrégulière. Dans certains cas, des sondes à faisceau angulaire peuvent être utilisées pour la détection des fissures. Les systèmes d’inspection spécialisés qui effectuent un balayage automatisé utiliseront des sondes d’immersion dans la même gamme de fréquences.

Procédure de recherche de défauts par ultrasons pour les pièces moulées

La nature granulaire des pièces moulées ferreuses et non ferreuses représente un défi lors de l’inspection par ultrasons en raison des réflexions générées par les limites des grains, puisque la quantité de bruit de dispersion des grains augmente avec la taille des grains. Tout comme dans les applications de mesure d’épaisseur, la surface rugueuse que l’on trouve généralement sur les pièces moulées au sable nuit au couplage acoustique et réduit l’amplitude des échos. Ces facteurs déterminent la taille minimale des défauts qu’il est possible de trouver pendant l’inspection. C’est pourquoi il est important de prêter une attention particulière au choix de la sonde et à la configuration de l’appareil.

La procédure recommandée consiste à optimiser le choix et la configuration de la sonde. Cela s’effectue à l’aide de blocs étalons représentant des échantillons des pièces à inspecter et qui contiennent des défauts connus identifiés par des contrôles destructifs, par radiographie ou par d’autres techniques non ultrasonores. Il est alors possible de sauvegarder les indications provenant de ces défauts connus et de les comparer aux indications provenant de la pièce inspectée. Le filtrage de passe-bande qu’offrent les appareils de recherche de défauts EPOCH 650 et EPOCH 6LT est utile pour diminuer le bruit de diffusion.

Les figures 3 et 4 illustrent une inspection typique de la porosité dans une pièce en fonte d’une épaisseur de 40 mm effectuée avec l’appareil de recherche de défauts EPOCH 650 et une sonde à émission-réception séparées DHC709-RM (5 MHz, diamètre de 12,7 mm). La figure 3 illustre l’écho de fond de la pièce du côté droit de l’écran, ainsi que le bruit de surface de bas niveau et le bruit de grain typiques sur la ligne de la base de temps. La figure 4 illustre une indication provenant d’un vide, facilement identifiable par rapport au bruit de fond.

Figure 3. Zone sans défauts

Figure 4. Indication de porosité

Même si l’application la plus courante de recherche de défauts dans les pièces en fonte concerne les vides, la porosité et les inclusions, certains inspecteurs s’attardent aussi à rechercher des fissures ou des fractures. Les procédures de recherche de fissures doivent toujours être élaborées en tenant compte de la géométrie particulière de la pièce, ainsi que de l’emplacement, de la taille et de l’orientation des fissures que l’on s’attend à trouver. De même, les procédures de recherche de fissures doivent utiliser des blocs étalons appropriés contenant des défauts connus ou artificiellement induits. Les sondes à faisceau droit sont utilisées lorsque la fissure est parallèle à la surface de la sonde, et les sondes à faisceau angulaire sont utilisées lorsque la fissure est perpendiculaire ou inclinée par rapport à la surface de couplage. Comme la vitesse de propagation des ultrasons dans la fonte et les pièces en fonte non ferreuse est basse, les angles de réfraction réels des sabots conçus pour être utilisés sur l’acier seront aussi plus faibles. Ces angles doivent être recalculés au moyen de la loi de Snell lorsque des sabots pour l’acier conventionnel sont utilisés sur d’autres types de matériaux.

Mesure de la nodularité des pièces moulées

Les mesureurs d’épaisseur de précision d’Olympus sont recommandés pour les tests de nodularité, car ils peuvent fournir une lecture directe de la vitesse de propagation des ondes sonores basée sur une épaisseur de pièce donnée. Ces appareils comprennent les mesureurs d’épaisseur 72DL PLUS, 38DL PLUS et 45MG avec le logiciel Single Element. Nous recommandons d’utiliser ces mesureurs avec l’option logicielle de haute pénétration dès lors que l’épaisseur de métal dépasse environ 12,5 mm. Il est aussi possible d’utiliser l’un des appareils de recherche de défauts de la série EPOCH d’Olympus et d’obtenir de l’information sur la vitesse de propagation en effectuant une procédure d’étalonnage de la vitesse. Apprenez en plus sur la mesure de la nodularité en consultant notre note d’application Mesurer le niveau de nodularité dans la fonte.

Olympus IMS

Produits utilisés pour cette application

Portable et facile à utiliser, le mesureur d’épaisseur à ultrasons 72DL PLUS™ peut fournir très rapidement des mesures d’épaisseur précises. Compatible avec les sondes monoéléments d’une fréquence allant jusqu’à 125 MHz, cet appareil novateur est parfaitement adapté à la mesure de l’épaisseur des matériaux ultrafins, notamment les peintures multicouches, les revêtements et le plastique. Le logiciel de mesure multicouche peut afficher simultanément l’épaisseur de six couches distinctes.

L’appareil portable de recherche de défauts par ultrasons EPOCH 6LT est optimisé pour le fonctionnement à une seule main et offre une excellente performance pour les applications nécessitant un accès par cordes requérant une très grande portabilité. Ergonomique et léger, l’appareil est parfaitement adapté à la main de l’utilisateur et peut être attaché à la jambe pour faciliter les inspections nécessitant un accès par cordes.
L’EPOCH 650 est un appareil de recherche de défauts par ultrasons conventionnels très performant adapté à un grand nombre d’applications. Cet appareil intuitif et robuste remplace le populaire appareil de recherche de défauts EPOCH 600. Il est aussi doté de fonctionnalités supplémentaires.
Le 45MG est un mesureur d’épaisseur à ultrasons de pointe équipé de série de multiples fonctions de mesure et d’options logicielles. Cet outil de mesure d’épaisseur unique est compatible avec notre gamme complète de sondes de mesure d’épaisseur monoéléments et à émission-réception séparées.
Polyvalent, le mesureur d’épaisseur 38DL PLUS peut être combiné à des sondes à émission-réception séparées pour la mesure de l’épaisseur de tuyaux corrodés, ou à une sonde monoélément pour la mesure très précise de l’épaisseur de matériaux minces ou multicouches.
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