Le contrôle par ultrasons multi-éléments (PAUT) est une méthode de contrôle non destructif avancée. Elle permet d’inspecter des matériaux pour détecter des défauts en utilisant un ensemble de petites sondes ultrasonores, sans endommager le composant. Contrairement aux tests conventionnels à sonde unique, vous n’avez pas à déplacer la sonde.
Elle reste en place pendant que vous dirigez le faisceau sonore par voie électronique, permettant une focalisation précise du faisceau.
Si vous avez déjà eu à vérifier des géométries complexes ou de grandes surfaces rapidement, le PAUT offre des acquisitions plus rapides et bien plus détaillées que les méthodes traditionnelles.
Dans cet article, je vais vous expliquer le fonctionnement de l’inspection par ultrasons à commande de phase multiéléments.
Nous aborderons les principes fondamentaux, comme les paramètres de déphasage et les lois de commande qui contrôlent le faisceau, ainsi que les techniques incluant le balayage sectoriel.
Vous découvrirez également les principaux composants matériels et leurs applications les plus courantes.
Si vous souhaitez d’abord réviser les bases, consultez notre guide sur ce qu’est le contrôle par ultrasons et comment il fonctionne.
Il constitue une bonne base pour comprendre le contrôle par ultrasons en général.
Sommaire
Qu’est-ce que le Contrôle par Ultrasons Multi-éléments ?
Le contrôle par ultrasons multiéléments (PAUT) est une méthode d’inspection qui repose sur une sonde composée de nombreux petits éléments ultrasonores.
L’acronyme PAUT signifie « Phased Array Ultrasonic Testing » en anglais.
Avec les techniques plus anciennes, vous deviez faire glisser physiquement une sonde unique sur une surface.
Le PAUT fonctionne différemment.
Il vous permet de diriger le faisceau ultrasonore électroniquement, vous donnant un contrôle précis sans déplacer la sonde.
Le nom technique révèle son fonctionnement.
Le « multi-éléments » désigne l’ensemble des éléments de la sonde.
En ajustant le timing, vous pouvez façonner et diriger le faisceau exactement là où vous en avez besoin. Ce processus s’appuie sur les principes fondamentaux de la physique des ondes, où les perturbations acoustiques interfèrent pour concentrer l’énergie.
Développement Historique
Cette technologie a d’abord été développée dans le domaine médical au milieu du XXe siècle, où les médecins l’utilisaient pour l’imagerie échographique.
Il a fallu du temps pour que le contrôle non destructif industriel l’adopte, car les premiers systèmes étaient tout simplement trop complexes et coûteux pour la plupart des équipes.
Une fois que les ordinateurs sont devenus plus puissants et que les coûts de fabrication ont baissé, le PAUT s’est imposé comme un outil performant pour les inspections.
Aujourd’hui, vous le trouverez utilisé dans de nombreux secteurs exigeants comme la construction, les pipelines et la production d’énergie pour vérifier la qualité des matériaux.
Cependant, il n’est pas encore largement adopté, car c’est un outil de contrôle très coûteux comparé aux alternatives.
Composants Clés
Au cœur de tout système PAUT se trouve la sonde.
Ce composant contient l’ensemble des éléments en cristaux piézoélectriques qui transforment les signaux électriques en ondes ultrasonores.
Les éléments sont maintenus séparés les uns des autres pour éviter les interférences à l’intérieur de la sonde.
Les sondes sont disponibles en plusieurs configurations : réseaux linéaires, matriciels ou circulaires.
Pour la plupart des applications industrielles, comme l’inspection des cordons de soudure par ultrasons multiéléments, vous utiliserez probablement un réseau linéaire contenant entre 16 et 32 éléments.
Cette sonde se connecte à l’unité principale au moyen de câbles spécialisés, mais des options sans fil sont également disponibles.
Comment Fonctionne la Focalisation Électronique du Faisceau
Vous dirigez et façonnez le faisceau ultrasonore dans la technologie multiéléments sans déplacer la sonde.
C’est la grande différence du PAUT par rapport aux méthodes anciennes : cela vous permet d’inspecter les pièces plus rapidement et avec plus de détails.
Cependant, vous avez besoin d’un timing précis et de la compréhension des principes fondamentaux de la physique des ondes pour diriger les ondes sonores exactement où vous le souhaitez.
Paramètres de Déphasage et Mécanismes de Retard
Vous gérez la focalisation du faisceau en utilisant les paramètres de déphasage.
Ce sont des instructions de commande qui indiquent à chaque élément du réseau le moment auquel déclencher son impulsion.
Le concept est simple en apparence, mais demande une grande précision lors de l’exécution.
En introduisant de petits retards temporels aux impulsions de chaque élément, les perturbations acoustiques résultantes se combinent et créent un faisceau focalisé dirigé précisément où vous en avez besoin.
Ces paramètres de déphasage nécessitent une précision extrême, car les circuits de timing fonctionnent à l’échelle de la nanoseconde.
Cette précision vous permet d’ajuster à la fois l’angle du faisceau et la profondeur de focalisation pour correspondre à la géométrie de votre pièce.
Avec les retards appropriés, vous pouvez adapter l’inspection à la forme spécifique de votre composant pour obtenir de meilleurs résultats.
Génération du Front d’Onde
Lorsque chaque élément individuel du réseau est activé et transmet une impulsion ultrasonore, il génère une perturbation acoustique qui se propage en expansion sphérique dans toutes les directions à partir de la source ponctuelle.
Bien que les impulsions individuelles restent relativement inefficaces lorsqu’elles agissent seules, elles deviennent considérablement plus puissantes lorsqu’elles sont précisément synchronisées à l’aide des paramètres de déphasage.
Cela permet aux ondes de converger et de s’amplifier mutuellement pour produire un faisceau unique et concentré qui peut être dirigé avec précision vers un emplacement cible spécifique.
La taille de votre point focal est déterminée par le nombre d’éléments actifs.
Ce paramètre représente le nombre d’éléments qui sont activés simultanément. Puisque l’augmentation du nombre d’éléments déclenchés produit un point focal progressivement plus serré, vous disposez de la capacité à façonner dynamiquement le faisceau résultant pour détecter et caractériser une grande variété de défauts matériels.
Cependant, il est important de noter que cette capacité de focalisation fonctionne de manière optimale uniquement dans le champ proche de la sonde. Au-delà de cette zone, le faisceau diverge et les avantages de la focalisation diminuent considérablement.
Principes de Fonctionnement et Techniques
Vous gérez la génération et la réception des ultrasons différemment avec les outils multiéléments qu’avec les anciens à élément unique.
Un système PAUT déclenche des groupes d’éléments à la fois, généralement en impulsant 4 à 32 éléments ensemble.
Dans une tâche courante comme l’inspection des cordons de soudure par ultrasons multiéléments, vous en utiliserez environ 16 par exemple.
Vous devez chronométrer soigneusement l’impulsion de chaque élément afin que les ondes sonores se combinent en un seul faisceau focalisé.
Lorsque cette énergie frappe votre composant, la physique prend le relais, peu importe comment vous avez créé l’onde.
Voici un aperçu des techniques disponibles.
Balayage Sectoriel et Direction du Faisceau
Le balayage sectoriel, ou balayage sectoriel, est l’une des techniques les plus utilisées.
Il balaie le faisceau ultrasonore à travers différents angles avec un seul groupe d’éléments, un peu comme un projecteur.
Vous pouvez vérifier une zone de 40 à 70 degrés sans déplacer la sonde. C’est la direction du faisceau en action.
Cela aide lorsque les pièces ont des formes complexes ou des endroits difficiles d’accès, vous permettant de choisir l’angle qui vous donne la meilleure chance de repérer les défauts.
Balayage Électronique
Le balayage électronique accélère considérablement les opérations.
Il reproduit ce que vous faites lorsque vous déplacez manuellement une sonde UT, mais ici, rien ne bouge physiquement.
L’instrument active des groupes d’éléments l’un après l’autre le long de la sonde. Cela envoie le faisceau à travers la zone que vous inspectez.
Vous couvrez de grandes surfaces rapidement et pouvez le coupler avec la focalisation électronique du faisceau pour maintenir une résolution nette.
Méthode de Focalisation Totale
Vous voulez des images plus nettes ?
Utilisez la méthode de focalisation totale (TFM).
Elle ne crée pas un seul faisceau. Au lieu de cela, la TFM prend des données brutes de toutes les paires émetteur-récepteur du réseau.
Votre système divise la zone d’inspection en une grille de minuscules pixels et calcule les bons retards temporels pour focaliser le son sur chacun d’eux.
C’est ainsi que vous obtenez une image détaillée et précise de la zone.
Acquisition et Affichage des Données
Votre système PAUT recueille des informations en envoyant des faisceaux ultrasonores à des intervalles de temps précis. Il capture des centaines de signaux à la fois, collectant un grand volume de données brutes.
Si vous traitez ces données correctement pour créer des images claires, cela vous donnera une vue en temps réel à l’intérieur du matériau, ce qui est un excellent moyen d’améliorer votre évaluation qualité.
Ce processus crée également un enregistrement permanent et traçable de l’inspection.
Pour plus de précision, vous pouvez attacher un encodeur à la sonde. Il enregistre la position physique exacte de chaque mesure, reliant les données visuelles à un emplacement spécifique sur le composant.
Exigences Logicielles
Les performances du système reposent sur son logiciel, c’est ce qui gère le travail complexe.
Il calcule le timing complexe, connu sous le nom de paramètres de déphasage et lois de commande, pour diriger et focaliser le faisceau ultrasonore précisément là où vous en avez besoin. Le logiciel gère également l’étalonnage de chaque élément de la sonde et organise les données pour une présentation claire.
Bien que la première configuration nécessite une mise en place minutieuse, vous pouvez enregistrer les paramètres dans un fichier. Cette fonctionnalité vous permet de recharger une configuration complète en quelques secondes, ce qui est un avantage important pour les tâches de routine.
Types de Balayage et Imagerie
Le logiciel convertit les signaux collectés en images qui montrent une coupe transversale de l’objet en temps réel. Il existe plusieurs types de balayages :
- Les balayages linéaires déplacent le faisceau électroniquement le long de la sonde.
- Les balayages sectoriels utilisent la direction du faisceau pour balayer une gamme d’angles à partir d’un seul point.
Cette technique, appelée balayage sectoriel, produit une image en forme d’éventail idéale pour examiner les cordons de soudure et les géométries complexes.
Cette focalisation électronique du faisceau fournit une représentation claire en coupe du composant, rendant l’interprétation beaucoup plus facile qu’avec les méthodes conventionnelles.
Pour en savoir plus sur les normes d’imagerie, consultez les ressources de contrôle non destructif d’organisations comme ASNT.
Applications Industrielles pour l’Inspection Multiéléments
Vous pouvez compter sur le contrôle par ultrasons multiéléments pour vérifier les matériaux sans avoir à les détruire.
C’est flexible, donc cela fonctionne bien pour de nombreuses pièces dans de nombreuses industries différentes. Vous repérerez les défauts dans vos cordons de soudure, vérifierez la qualité des rivets et trouverez des problèmes comme les fissures, les vides ou les piqûres qui proviennent de la corrosion.
Voici un aperçu rapide.
Examen des Soudures
Pour les inspections des cordons de soudure, le PAUT est excellent pour les travaux difficiles comme les récipients sous pression et les pipelines. Il trouve les défauts courants tels qu’une mauvaise fusion, la porosité ou les inclusions de scories.
Vous pouvez ajuster l’angle du faisceau pour correspondre à la forme du cordon de soudure, ce qui rend la détection plus fiable. Le processus suit des normes comme ASTM E2700 pour les tests de contact.
Mesure d’Épaisseur et de Corrosion
Le PAUT mesure également l’épaisseur du matériau avec précision.
Cela vous aide à suivre les dommages causés par la corrosion ou l’érosion au fil du temps. Vous pouvez cartographier la perte de matériau sur de grandes surfaces pour obtenir une image complète.
Par exemple, il est utilisé pour vérifier les tuyaux sous leurs supports, où la rouille peut facilement se cacher. Les données que vous obtenez vous aident à déterminer si un composant est toujours sûr ou nécessite des réparations.
Autres Applications
Vous pouvez utiliser le PAUT pour bien plus que les cordons de soudure et la corrosion. Il est utilisé pour vérifier les roues et essieux de train dans l’industrie ferroviaire.
La technologie est également pratique pour examiner les matériaux composites et cartographier les adhésifs dans les joints collés. Que vous soyez sur un chantier de construction ou dans une centrale électrique, elle fournit de bonnes données pour les contrôles qualité et la planification de vos travaux de maintenance.
Modes de Mise en Œuvre
Les systèmes multiéléments vous offrent une flexibilité dans la façon dont vous les utilisez.
Votre choix de méthode dépend des besoins spécifiques de l’inspection, en équilibrant la vitesse, l’accès aux composants, le budget et la sécurité.
Vous avez trois options principales : manuelle, semi-automatisée ou entièrement automatisée.
Inspection Manuelle
Pour les vérifications rapides ou l’inspection de pièces aux formes complexes, l’inspection manuelle est un choix pratique.
Dans ce mode libre, un technicien déplace la sonde sur la surface du composant à la main. La sonde peut être utilisée avec un couplant, fixée à un sabot rigide ou logée dans une sonde à roulettes pour un balayage plus fluide.
Cette approche vous donne une excellente portabilité et fournit un retour immédiat en temps réel.
Systèmes Encodés et Automatisés
Les systèmes semi-automatisés, également appelés systèmes encodés, apportent plus de précision au balayage manuel.
Un encodeur attaché à la sonde enregistre sa position exacte. Ce processus stocke et cartographie toutes les données d’inspection avec précision. Avoir ces données vous aide à tracer les résultats et à répéter les inspections facilement.
Les systèmes entièrement automatisés utilisent des scanners motorisés pour améliorer la productivité et la sécurité. Ces scanners peuvent utiliser des roues magnétiques pour se déplacer le long des pipelines ou employer des bras multi-axes pour les pièces complexes, déplaçant la sonde automatiquement.
Cette méthode maintient les opérateurs hors des environnements potentiellement dangereux et fournit des résultats hautement reproductibles pour les inspections à grande échelle.
Configuration et Étalonnage
Lorsque vous démarrez avec un système de contrôle par ultrasons multiéléments, vous voulez absolument le configurer correctement, car cela conduit à de meilleures inspections.
Le processus est similaire au contrôle par ultrasons que vous connaissez peut-être déjà. Mais le PAUT a plusieurs éléments, donc cela nécessite un peu plus d’attention lors de la configuration et de l’étalonnage.
Vous pouvez commencer par les bases auxquelles vous êtes habitué, puis les ajuster pour votre tâche exacte.
Sélection des Paramètres
Si vous avez déjà fait du contrôle conventionnel, le début semble le même.
Choisissez votre fréquence de test, la taille du nombre d’éléments actifs, la longueur focale et l’angle d’incidence, en utilisant les valeurs de votre travail avec une sonde unique.
Ensuite, vous ajustez les paramètres de déphasage, également appelés lois de commande, pour gérer la focalisation électronique du faisceau. Cela vous aide à adapter l’inspection au matériau. Vous devez penser à sa vitesse du son et à combien le signal s’affaiblit.
Pour les cordons de soudure épais en acier au carbone, vous utiliseriez une fréquence plus basse et un nombre d’éléments actifs plus important que pour les pièces minces en acier inoxydable.
Normes et Qualification
Étalonnez correctement et respectez les normes de l’industrie. Cette approche vous donne des résultats en lesquels vous pouvez avoir confiance (et votre client / responsable qualité l’exigera de toute façon).
Il existe de nombreuses normes internationales à suivre, et vos ingénieurs méthodes vous fourniront celles que les opérateurs doivent suivre. Voici quelques exemples :
- ASTM International offre des règles solides, comme E2491, qui aident à vérifier les caractéristiques de votre système multiéléments.
- Pour des tâches comme le dimensionnement des fissures des cordons de soudure, renseignez-vous sur les qualifications telles que l’examen API QUSE-Phased Array.
Étalonnez toujours d’abord avec un bloc de démonstration avant d’inspecter. Cela garantit que chaque élément du réseau fonctionne et que les retards temporels s’alignent correctement.
Conclusion
Le contrôle par ultrasons multiéléments est une façon plus intelligente d’inspecter les matériaux.
Vous utilisez une sonde avec de nombreux petits éléments, et un ordinateur applique ce qu’on appelle les paramètres de déphasage ou lois de commande pour chronométrer chaque impulsion parfaitement. Cela crée un faisceau que vous pouvez diriger et focaliser avec la focalisation électronique du faisceau, donc vous n’avez pas à balayer manuellement.
Ce contrôle électronique vous donne de réels avantages en vitesse et précision.
Avec le balayage sectoriel, vous pouvez diriger le faisceau sur de grandes surfaces ou dans des pièces complexes très rapidement.
Vous obtenez des données plus fiables et pouvez trouver des défauts cachés avec plus de confiance, le tout sans les problèmes de sécurité de la radiographie.
Mais ce n’est pas adapté à tous les travaux.
Le coût initial est plus élevé que le contrôle conventionnel, et vous aurez besoin d’une formation spécialisée pour obtenir de bons résultats.
Cela fonctionne très bien pour l’inspection des cordons de soudure par ultrasons multiéléments et la cartographie de corrosion. Pour d’autres tâches, comme trouver des fissures de surface, différentes méthodes pourraient mieux vous servir.
Pour tirer le meilleur parti du PAUT, vous avez besoin d’un opérateur qualifié qui sélectionne les bons paramètres et adapte la technique au travail. Alors que les logiciels s’améliorent et que des méthodes comme la méthode de focalisation totale (TFM) deviennent courantes, cette technologie devient encore plus puissante et plus facile à utiliser.
Utilisez-vous le PAUT au travail ?
Questions Fréquentes
Qu’est-ce que le Contrôle par Ultrasons Multiéléments (PAUT) ?
Le contrôle par ultrasons à commande de phase multiéléments (PAUT) est une méthode de contrôle non destructif avancée. Il utilise une sonde multi-éléments pour générer, diriger et focaliser les faisceaux ultrasonores électroniquement, inspectant les matériaux sans mouvement physique de la sonde. Cela diffère considérablement du contrôle par ultrasons conventionnel à élément unique, offrant des capacités améliorées.
Comment le PAUT Crée-t-il et Contrôle-t-il les Faisceaux Ultrasonores ?
Le PAUT crée et contrôle les faisceaux en impulsant individuellement chaque élément de sa sonde avec des retards temporels précisément calculés. Ces retards manipulent les ondes sonores, les amenant à interférer de manière constructive et à former un faisceau focalisé qui peut être dirigé vers différents angles et profondeurs dans le matériau inspecté.
Quels Types de Défauts le PAUT Peut-il Détecter Efficacement dans les Matériaux ?
Le PAUT est très efficace pour détecter divers défauts dans les matériaux. Il peut identifier les fissures, les vides, la porosité et les inclusions de scories dans les cordons de soudure. Il excelle également dans la cartographie de la corrosion et la mesure d’épaisseur, permettant l’évaluation de la perte de matériau et des modèles d’érosion dans les composants comme les pipelines et les récipients sous pression.
Comment la Focalisation Électronique du Faisceau Améliore-t-elle les Capacités d’Inspection PAUT ?
La focalisation électronique du faisceau améliore les capacités PAUT en contrôlant précisément où l’énergie ultrasonore converge dans un matériau. En appliquant des retards temporels spécifiques, le PAUT focalise le faisceau à des profondeurs et des angles choisis, améliorant le rapport signal/bruit. Cela permet une caractérisation et un dimensionnement plus précis des défauts dans la zone d’inspection.
Quelles Sont les Principales Considérations pour l’Équipement et la Formation PAUT ?
L’équipement PAUT implique généralement un coût initial plus élevé que les systèmes de contrôle conventionnels. De plus, sa complexité nécessite que les opérateurs suivent une formation spécialisée au-delà de la certification de contrôle par ultrasons standard. Bien que la courbe d’apprentissage pour la configuration et l’interprétation existe, les gains d’efficacité peuvent conduire à un coût total de possession inférieur au fil du temps.
Comment les Paramètres de Déphasage Influencent-ils les Performances d’un Système PAUT ?
Les paramètres de déphasage sont des ensembles critiques de paramètres logiciels et matériels qui contrôlent précisément les caractéristiques du faisceau PAUT. Ils dictent les retards temporels appliqués à chaque élément, déterminant où le faisceau se focalisera et à quel angle. Des paramètres de déphasage correctement définis sont essentiels pour optimiser la sensibilité acoustique et l’efficacité de l’inspection.
Dans Quels Secteurs Industriels le PAUT Est-il Largement Utilisé pour l’Assurance Qualité ?
Le PAUT est largement utilisé dans divers secteurs industriels pour l’assurance qualité. Il est extensivement utilisé dans la construction, le pétrole et le gaz (pour les pipelines et les récipients sous pression), la production d’énergie et le transport (pour l’inspection du matériel roulant). Il excelle dans les examens des cordons de soudure, la cartographie de corrosion et l’inspection des matériaux composites.
