engineering-design-and-analysis
Évaluation de la qualité des soudures par la conception et les méthodes d'essai
Table of Contents
L'évaluation de la qualité des soudures est un élément essentiel de la fabrication et de la construction modernes, garantissant que les structures soudées répondent à des exigences strictes en matière de sécurité, de performance et de durabilité. L'intégrité des joints soudés a une incidence directe sur la fiabilité de tout, depuis les pipelines et les navires sous pression jusqu'aux ponts, aux navires et aux composants aérospatiaux. Une soudure défectueuse peut entraîner des défaillances catastrophiques, en particulier dans les industries comme l'aérospatiale, la construction et le pétrole & le gaz.
Comprendre la qualité des soudures et son importance
L'inspection des soudures est le processus d'évaluation de la qualité et de l'intégrité d'une soudure pour s'assurer qu'elle répond aux normes de l'industrie et aux exigences de sécurité. Elle consiste à identifier les défauts et à s'assurer que la soudure se déroulera comme prévu dans les conditions d'exploitation.
Le processus de soudage, qui est l'une des technologies industrielles essentielles dans la construction des navires, représente environ 70 % de la charge de travail et des coûts, soit environ 40 % du coût total. Compte tenu de ces investissements importants, il est essentiel d'assurer la qualité des soudures dès le départ pour des raisons économiques et de sécurité.
L'évaluation de la qualité des soudures sert à plusieurs fonctions critiques dans les applications industrielles. Elle permet de vérifier que les soudures répondent aux spécifications de conception, de s'assurer de la conformité aux codes et normes de l'industrie, d'éviter les pannes et les réparations coûteuses et de fournir de la documentation pour les programmes d'assurance de la qualité.
Méthodes de conception pour optimiser la qualité des soudures
Les méthodes de conception représentent l'approche proactive de la qualité de soudure, qui consiste à prévenir les défauts avant qu'ils ne se produisent plutôt que de les détecter après.Ces méthodes englobent la conception conjointe, la sélection des matériaux, le développement de procédés de soudage et l'optimisation des paramètres de procédé.
Considérations de conception conjointe
La conception de joints est essentielle pour obtenir des soudures de haute qualité. La géométrie de l'articulation affecte la distribution de chaleur, la profondeur de pénétration, l'accessibilité pour le soudage, et les propriétés mécaniques de la soudure finie. Les configurations communes de joints comprennent les joints de culot, les joints d'angle, les joints en T, les joints de lap et les joints de bord, chacune avec des applications spécifiques et des exigences de conception.
La conception de l'assemblage doit tenir compte de plusieurs facteurs, notamment l'épaisseur du matériau, la position de soudage, l'accessibilité des équipements de soudage, la répartition des contraintes dans la structure finie et le processus de soudage à utiliser. Les critères de conception de l'assemblage et les contraintes admissibles sont précisés dans les normes de l'industrie pour assurer l'intégrité de la structure.
Les concepteurs doivent également tenir compte des exigences d'aménagement, qui précisent les tolérances acceptables pour les écarts, l'alignement et l'inadéquation entre les composants à souder. L'aménagement insuffisant peut entraîner une fusion incomplète, une porosité excessive et d'autres défauts qui compromettent la qualité de la soudure.
Sélection et compatibilité du matériel
La sélection des matériaux joue un rôle crucial dans la qualité des soudures. Les métaux de base qui sont joints doivent être compatibles les uns avec les autres et avec le matériau de remplissage utilisé dans le processus de soudage. Les normes ASTM décrivent les caractéristiques des métaux de base et des métaux de remplissage pour s'assurer que les matériaux conviennent à leur application prévue et qu'ils fonctionnent au besoin.
Certains métaux, comme les aciers à faible teneur en carbone, sont relativement faciles à souder, tandis que d'autres, comme les alliages à haute résistance ou les combinaisons de métaux différents, exigent des procédures et des précautions spéciales.
La sélection des matériaux de remplissage est également importante. Les métaux de remplissage doivent être compatibles avec les matériaux de base et fournir les propriétés mécaniques requises dans la soudure finie. Il faut notamment faire correspondre ou surapparier la résistance du métal de base, la résistance aux fissures et la performance dans l'environnement de service prévu.
Spécifications de la procédure de soudage
Un WPS est un document officiel qui fournit des détails sur la façon de réaliser une soudure. Il s'agit d'un ensemble de lignes directrices qui aident les soudeurs à faire leur travail d'une manière qui fournira des résultats cohérents, en veillant toujours à ce que la soudure produite réponde aux critères de qualité.
Un WPS complet comprend des spécifications pour le procédé de soudage, les matériaux de base et les matériaux de remplissage, la conception et la préparation des joints, les positions de soudage, les exigences de température avant et entrepasse, la vitesse et la technique de déplacement, la composition et le débit du gaz de protection, les paramètres électriques (courant, tension, polarité) et les exigences de traitement thermique post-soudée. La conception de procédures de soudage appropriées et la détermination de la qualification des soudeurs sont les premières étapes de la recherche de soudures de qualité.
La qualification de la procédure consiste à produire des soudures d'essai conformément au WPS proposé et à les soumettre à des essais destructifs et non destructifs pour vérifier que la procédure produit des résultats acceptables. Ce n'est qu'après avoir obtenu une qualification satisfaisante que le WPS peut être utilisé pour le soudage de production.
Optimisation du paramètre de processus
Les paramètres tels que la vitesse de soudage, les vibrations, les émissions acoustiques (AE), la tension, le courant et le débit de gaz sont essentiels pour l'optimisation. La vitesse de soudage affecte l'entrée de chaleur et le refroidissement, influençant les défauts et l'intégrité.
Les facteurs d'influence de la qualité du soudage sont analysés et le mécanisme de corrélation entre les paramètres du procédé et la qualité est déterminé. Selon les résultats de l'analyse, une architecture de collecte de données stable et fiable est établie. Les éléments de la surveillance du processus de soudage sont également déterminés en fonction de la méthode de réduction de dimensionnalité des caractéristiques.
Les installations de fabrication avancées emploient de plus en plus l'apprentissage automatique et l'intelligence artificielle pour prédire la qualité des soudures en fonction des paramètres du processus. Ces systèmes peuvent analyser de grandes quantités de données provenant de soudures antérieures afin d'identifier les modèles et les corrélations que les opérateurs humains pourraient manquer.
Normes et codes de soudage
Des normes et des codes spécifiques de soudage décrivent en détail la qualité et la sécurité des structures soudées, qui couvrent des aspects liés aux matériaux, aux procédures, aux méthodes d'essai et aux exigences de qualification, nécessaires pour diverses applications de soudage.
Normes de l'American Welding Society (AWS)
Le code AWS D1.1 est l'un des codes les plus connus pour le soudage des structures en acier. Il contient des dispositions relatives à la conception, à la fabrication, à l'inspection et à la réparation des structures en acier soudé, y compris : les critères de conception couvrant la conception de joints et les contraintes admissibles.
Les procédures de soudage préqualifiées, qui sont les procédés qui ne doivent pas être soumis à des tests de qualification. Exigences relatives aux qualifications en matière de procédure et de personnel de soudage.
Parmi les autres normes importantes du SGA, mentionnons la norme AWS D1.2 pour les structures en aluminium, la norme AWS D1.6 pour l'acier inoxydable et diverses normes pour les procédés et applications de soudage spécifiques.
Organisation internationale de normalisation (ISO)
L'ISO a élaboré des codes comme 3834 qui traitent des exigences de qualité du soudage par fusion, et ces normes ont permis d'assurer que ce type de soudage a atteint une certaine harmonie dans la plupart des pays et que les produits issus de ces activités sont des normes minimales à l'échelle mondiale Les normes ISO offrent une harmonisation internationale des exigences de qualité du soudage, facilitant le commerce mondial et garantissant des attentes de qualité cohérentes.
La norme ISO 3834 établit des exigences de qualité pour le soudage par fusion de matériaux métalliques et est organisée en plusieurs parties correspondant à différents niveaux de qualité. La norme ISO 9606 précise les essais de qualification des soudeurs, tandis que la norme ISO 15614 couvre les spécifications et les qualifications relatives aux procédures de soudage. La norme ISO 9712 prévoit des exigences relatives aux principes de qualification et de certification du personnel qui effectue des essais industriels non destructifs (NDT).
Normes spécifiques à l'industrie
De nombreuses industries ont élaboré des normes spécialisées répondant à leurs exigences uniques. L'inspection visuelle doit porter sur les critères et d'autres méthodes d'essai non destructives telles que les essais radiographiques et ultrasoniques. Les critères comprennent les niveaux d'acceptation des imperfections de soudure qui assurent le maintien de l'intégrité des tuyaux. L'API 1104 est très important pour la sécurité et l'efficacité des systèmes de pipelines pour prévenir les fuites et les défaillances.
Le Code des chaudières et des récipients à pression de l'ASME prévoit des exigences pour les équipements sous pression, tandis que les normes aérospatiales comme celles de la SAE et de l'ASTM traitent des exigences rigoureuses de la construction d'aéronefs et d'engins spatiaux.
Méthodes d'essai non destructives
Comme NDT ne modifie pas de façon permanente l'article inspecté, il s'agit d'une technique très précieuse qui peut faire économiser de l'argent et du temps en évaluation des produits, en dépannage et en recherche.
Les six méthodes NDT les plus utilisées sont les essais de courant de Foucault, de particules magnétiques, de pénétration liquide, de radiographie, d'ultrason et de vision. Chaque méthode a des capacités, des limites et des applications spécifiques, et le choix de la méthode appropriée dépend du type de défauts recherchés, des propriétés matérielles, de l'accessibilité et des considérations économiques.
Contrôle visuel
C'est la méthode NDT la plus courante utilisée dans toutes les industries et peut être utilisée à n'importe quel stade du cycle de vie d'un composant. VT est souvent la première étape du processus d'examen pour les produits tels que les pièces moulées, forges, composants usinés et éléments de soudure. L'inspection visuelle est la méthode la plus fondamentale et la plus largement utilisée pour l'évaluation de la qualité des soudures, fournissant une rétroaction immédiate sur les conditions de surface et la géométrie des soudures.
Les inspecteurs vérifient les défauts de surface tels que les fissures, la porosité, la sous-coupe et la fusion incomplète. Pour effectuer de bons examens visuels, un éclairage approprié, des aides à l'agrandissement et une connaissance suffisante des normes de soudage sont nécessaires. Les inspecteurs utilisent divers outils, y compris des loupes, des miroirs, des jauges et des dispositifs de mesure pour évaluer la qualité de la soudure.
L'inspection visuelle permet d'identifier de nombreux défauts de soudure, notamment les fissures superficielles, la porosité, la sous-coupe, le chevauchement, la fusion incomplète à la surface, l'armature excessive ou insuffisante de soudure, les inclusions de laitier de surface, les frappes d'arc et les éclaboussures.
Les appareils photo haute résolution, les sondes pour l'inspection des espaces confinés et les systèmes de balayage laser offrent des capacités améliorées. La numérisation laser peut atteindre ce niveau de précision et fournir les données numériques pour la soutenir. Ces technologies permettent des mesures plus précises et créent des enregistrements numériques permanents des résultats d'inspection.
Essais de pénétration liquide
Les tests de pénétration des liquides ou des colorants (PT) sont une méthode d'essai non destructive qui utilise les forces capillaires pour trouver des fissures ou des pores de surface et les rendre visibles. Elle peut détecter des défauts de rupture de surface tels que des fissures, des laps et de la porosité.
Le processus d'essai du pénétrant liquide comporte plusieurs étapes. Premièrement, la surface doit être soigneusement nettoyée pour éliminer tout contaminant qui pourrait empêcher le pénétrant d'entrer dans les défauts. Un pénétrant liquide, typiquement rouge ou fluorescent, est ensuite appliqué à la surface et laissé demeurer pendant une période déterminée, pendant laquelle l'action capillaire attire le pénétrant dans tout défaut de surface. Après la période d'arrêt, le pénétrant excédentaire est soigneusement retiré de la surface, et un promoteur est appliqué pour retirer le pénétrant des défauts, créant ainsi une indication visible.
Les tests de pénétration liquide sont une technique polyvalente qui peut être utilisée pour inspecter n'importe quelle surface, quelle que soit sa forme ou sa taille. C'est un processus rapide et facile qui ne nécessite aucun équipement spécial ou inspection de contact étroit, ce qui en fait une technique d'essai rentable.
Il existe deux types principaux de systèmes de pénétration : le pénétration de colorant visible et le pénétration fluorescent. Le pénétration de colorant visible utilise un colorant rouge vif qui contraste avec le fond du développeur blanc, tandis que le pénétration fluorescent nécessite une lumière ultraviolette pour l'observation, mais offre une plus grande sensibilité pour détecter des défauts très fins. Le choix entre les systèmes dépend des exigences d'application et de l'environnement d'inspection.
Essai de particules magnétiques
Les deux méthodes permettent de créer des lignes de flux magnétique qui modifient en présence d'impuretés. Cette méthode est limitée aux matériaux ferromagnétiques mais est très efficace pour détecter les défauts de surface et de quasi-surface de l'acier et d'autres matériaux magnétiques.
Le processus d'essai des particules magnétiques consiste à magnétiser le composant inspecté, soit avec un aimant permanent, un électroaimant, soit en passant le courant électrique à travers ou autour de la pièce. Lorsqu'un champ magnétique rencontre une discontinuité telle qu'une fissure, les lignes de flux magnétique sont déformées, créant un champ de fuite à la surface. Les particules magnétiques, appliquées comme poudre sèche ou suspendues dans un liquide, sont attirées par ces champs de fuite, s'accumulant à des endroits défectueux et les rendant visibles pour l'inspecteur.
Les essais de particules magnétiques peuvent détecter divers types de défauts, notamment les fissures de surface, les fissures de surface (à une profondeur limitée), le manque de fusion, la porosité près de la surface et les inclusions. La méthode est particulièrement efficace pour détecter les fissures orientées perpendiculairement à la direction du champ magnétique.
Comme les tests de pénétration liquide, les tests de particules magnétiques peuvent utiliser des particules visibles ou fluorescentes. Les particules fluorescentes vues sous la lumière ultraviolette offrent une sensibilité plus élevée, tandis que les particules visibles (souvent noires ou rouges) sont plus pratiques pour les applications sur le terrain.
Essais radiographiques
Les essais de radiographie peuvent détecter des défauts cachés dans la soudure, qui peuvent ne pas être visibles à la surface. L'image radiographique produite montre l'intérieur de la soudure, révélant d'éventuels défauts ou discontinuités. Cette méthode fournit un enregistrement permanent de la structure interne et est particulièrement utile pour les applications critiques.
La source de rayonnement est placée d'un côté de la soudure testée et le film de détection «photographique» est placé de l'autre côté de la soudure. Comme le rayonnement passe par les discontinuités de soudure agissent comme des réducteurs de densité permettant plus de rayonnement à travers eux. Le niveau élevé de rayonnement apparaît comme une couleur plus foncée sur le film. Le radiographe résultant fournit une image bidimensionnelle de la structure de soudure tridimensionnelle.
Les essais radiographiques peuvent détecter une large gamme de défauts internes, notamment la porosité, les inclusions de laitier, le manque de fusion, le manque de pénétration, les fissures et les défauts volumétriques. La méthode est particulièrement efficace pour détecter les défauts qui créent des différences significatives dans la densité ou l'épaisseur du matériau.
Les systèmes numériques offrent des avantages, notamment la disponibilité immédiate de l'image, des capacités améliorées de traitement de l'image, l'élimination du traitement chimique et la facilité de stockage et de transmission de l'image. La radioscopie numérique (DR) et le travail avec des plaques d'imagerie sont de plus en plus populaires, mais d'autres techniques d'imagerie telles que Phased Array (UT) offrent également du matériel d'image pouvant être évalué numériquement.
La sécurité est un élément essentiel des essais radiographiques en raison des rayonnements ionisants en cause. Des protocoles stricts régissent la sécurité radiologique, y compris les zones d'accès contrôlé, la surveillance des rayonnements et la dosimétrie du personnel.
Essais à ultrasons
Les ondes sonores à haute fréquence sont envoyées dans un métal à l'aide d'une sonde émettrice. Si les ondes se trouvent en discontinuité, elles rebondissent et retournent à la sonde où elles sont détectées. La taille et l'emplacement de la discontinuité sont affichés sur un écran de surveillance.
Les essais à ultrasons utilisent le principe selon lequel une discontinuité dans la soudure modifie la propagation du son à ultrasons à travers le métal. La méthode repose sur la transmission d'ondes sonores à haute fréquence (généralement de 0,5 à 25 MHz) à travers le matériau inspecté. Lorsque ces ondes rencontrent une limite entre des matériaux ayant des propriétés acoustiques différentes, comme une fissure ou une inclusion, une partie de l'énergie est réfléchie au transducteur.
Plusieurs techniques d'essais ultrasoniques sont disponibles pour l'inspection des soudures. Les essais ultrasoniques conventionnels utilisent des transducteurs à simple élément et des techniques de faisceaux d'angle pour inspecter les soudures. Les essais ultrasoniques à réseaux échelonnés (PAUT) utilisent des transducteurs à éléments multiples qui peuvent être dirigés et ciblés électroniquement, offrant des capacités accrues pour des géométries complexes et une caractérisation améliorée des défauts.
La diffraction du temps de vol (TODD) est une technique ultrasonore avancée particulièrement efficace pour détecter et dimensionner les défauts planaires tels que les fissures. La TODD utilise deux capteurs positionnés sur les côtés opposés de la soudure, l'un transmettant des impulsions ultrasoniques et l'autre recevant des signaux diffractés des embouts de défauts.
Les essais à ultrasons offrent plusieurs avantages, notamment une grande sensibilité aux défauts de surface et aux défauts internes, la capacité de déterminer la profondeur et la taille des défauts, les résultats immédiats et la portabilité des équipements. Cependant, la méthode exige des opérateurs compétents, une préparation et un couplage appropriés de la surface et un étalonnage en utilisant des normes de référence.
Essais actuels de Eddy
L'essai du courant de l'Eddy est une méthode NDT électromagnétique particulièrement utile pour détecter les défauts de surface et de surface proche des matériaux conducteurs. La méthode fonctionne en induisant des courants électriques (courants de l'Eddy) dans le matériau inspecté à l'aide d'un champ magnétique alternatif.
Les essais de courant de l'Eddy sont très sensibles aux fissures de surface et peuvent détecter les défauts par des revêtements fins. La méthode est rapide et ne nécessite pas de contact direct avec la surface ou les agents de couplage. Cependant, les essais de courant de l'Eddy se limitent aux matériaux conducteurs et ont une profondeur de pénétration limitée, généralement de quelques millimètres.
Les essais de courant de Foucault dans l'inspection des soudures sont notamment des essais de fissures de surface, de mesure de l'épaisseur du revêtement, de tri des matériaux basés sur la conductivité et de détection de la corrosion.
Essais d'émissions acoustiques
Contrairement aux autres méthodes NDT qui appliquent de l'énergie au composant inspecté, les essais acoustiques d'émission (EAE) sont une méthode passive qui détecte les ondes de contrainte générées par le matériau lui-même lorsqu'il est soumis à une contrainte.
Lorsqu'un matériau subit une déformation ou des dommages, comme la croissance de fissures ou la déformation plastique, il libère de l'énergie sous forme d'ondes de contrainte qui se propagent à travers le matériau. Les transducteurs sensibles placés sur la surface détectent ces ondes, qui sont ensuite analysées pour localiser et caractériser la source.
Les techniques de soudage peuvent également être activement surveillées avec des techniques d'émission acoustique avant la production pour concevoir le meilleur ensemble de paramètres à utiliser pour joindre correctement deux matériaux.Cette application démontre comment l'AET peut être utilisé non seulement pour l'inspection mais aussi pour l'optimisation des processus et le contrôle de qualité pendant la soudure.
Technologies de pointe et nouvelles de TDN
Le domaine des essais non destructifs continue d'évoluer avec l'émergence régulière de nouvelles technologies et méthodes. Cet article donne un aperçu complet des diverses techniques NDT pour le soudage WAAM et la fusion, y compris l'émission acoustique par laser-ultrason avec un microphone optique aéroporté, la spectroscopie optique d'émission, la spectroscopie de dégradation induite par laser, la détection par opto-ultrasonique laser double, la thermographie et aussi la détection en cours de processus par la surveillance du courant de soudure avec un oscilloscope.
Les tests thermographiques utilisent des caméras infrarouges pour détecter les variations de température qui peuvent indiquer des défauts ou des anomalies dans les structures soudées. La méthode permet de déceler le manque de fusion, la porosité et d'autres défauts en détectant les signatures thermiques qu'ils créent. La thermographie est particulièrement utile pour le balayage rapide de grandes surfaces et peut être appliquée pendant le soudage pour la surveillance de la qualité en temps réel.
Les systèmes d'inspection au laser gagnent en popularité pour leur capacité à fournir des mesures rapides et précises de la géométrie de soudure et à détecter les défauts de surface.Ces tests ont montré clairement que la numérisation au laser pourrait produire des résultats similaires à la section et à la macro-échiquidation, mais avec plus de rapidité et de précision et la capacité de saisir des données supplémentaires.
L'intelligence artificielle et l'apprentissage machine sont de plus en plus intégrés dans les systèmes NDT pour améliorer la détection et la caractérisation des défauts. La recherche dans la détection des défauts de soudure vise à développer une méthode non destructive d'évaluation de la qualité des soudures basée sur l'observation de la soudure avec une caméra RGB. Des techniques d'apprentissage profond ont été largement utilisées dans le domaine de la détection des défauts de soudure ces derniers temps, mais la majorité d'entre eux utilisent, par exemple, des images à rayons X. Ces systèmes avancés peuvent analyser les données d'inspection plus rapidement et de manière plus cohérente que les opérateurs humains, améliorant à la fois l'efficacité et la fiabilité.
Méthodes d'essai destructive
Bien que les méthodes d'essai non destructives soient préférées pour l'inspection de la production parce qu'elles permettent à des composants de rester en service, les essais destructifs jouent un rôle essentiel dans l'évaluation de la qualité des soudures. L'inconvénient des essais destructifs est que, comme le nom l'indique, l'objet d'essai est détruit pendant le processus. Par conséquent, des méthodes d'essai ont été élaborées pour fournir l'information requise de l'objet d'essai sans le rendre impropre au service.
Les essais destructifs sont principalement utilisés pour la qualification des procédés, la qualification des soudeurs, la vérification de la qualité de la production par échantillonnage, l'analyse des défaillances et la recherche et le développement.
Essais de traction
Les essais de traction permettent d'évaluer la résistance des joints soudés en soumettant les éprouvettes à des charges de traction croissantes jusqu'à ce qu'il y ait rupture. L'essai mesure la résistance ultime à la traction, la résistance à l'élasticité et l'allongement, en fournissant des données quantitatives sur les propriétés mécaniques de la soudure.
Les essais de traction transversale évaluent la résistance de l'ensemble du joint soudé, y compris le métal de soudure, la zone affectée par la chaleur et le métal de base. L'échantillon est chargé perpendiculairement à l'axe de soudure, et une défaillance peut survenir dans l'une de ces régions. L'emplacement de la défaillance fournit des informations sur la résistance relative des différentes zones du joint soudé.
Essai de la courbe
Cette méthode de contrôle de soudure destructrice implique de plier une pièce de soudure à un rayon de coude prédéterminé. Les tests de pliage guidés sont utilisés pour évaluer la ductilité et l'intégrité structurelle de certains types de joints soudés. Les tests de soudure sont parmi les tests de destruction les plus courants pour la qualification de soudure et fournissent des informations précieuses sur la soudabilité et la ductilité.
Plusieurs types de tests de courbure sont utilisés selon la configuration de l'articulation et les exigences de l'épreuve. Les tests de courbure de la face plient l'échantillon avec la face de soudure en tension, révélant des défauts sur la surface de soudure. Les tests de courbure de la racine plient l'échantillon avec la racine de soudure en tension, en détectant le manque de pénétration et d'autres défauts de racine.
Il existe de nombreux types de tests de virage, mais ils sont le plus souvent utilisés dans les tests de formation et de qualification. En poussant les soudures à une limite de contrainte, elles seraient presque certainement exposées sur le terrain, les inspecteurs de soudure peuvent s'assurer que les soudeurs sont prêts à pratiquer leur métier sur la chose "réelle".
Essais d'impact
Les essais de choc, généralement effectués à l'aide de spécimens Charpy V-notch, évaluent la ténacité et la résistance à la rupture fragile des joints soudés. L'essai mesure l'énergie absorbée lorsqu'un spécimen encoché est heurté par un marteau de pendule, fournissant des informations sur la capacité du matériau à résister à une charge soudaine et à une propagation de fissures.
Les essais d'impact sont particulièrement importants pour les applications où les soudures peuvent être soumises à de basses températures ou à une charge dynamique. L'essai peut être effectué sur des échantillons de métal soudé, de zone affectée par la chaleur ou de métal de base pour évaluer la ténacité dans différentes régions du joint soudé.
Examen macro-économique et micro-examen
Une méthode (destructive) consiste en une analyse microscopique d'une section de soudure. L'examen métallographique des sections de soudure fournit des informations détaillées sur la structure de soudure, la fusion, la pénétration et la présence de défauts qui peuvent ne pas être détectables par d'autres moyens.
L'examen macro consiste à couper, monter et polir une section transversale de la soudure, puis à l'enfiler avec des produits chimiques appropriés pour révéler la structure de la soudure. Cet examen peut identifier le manque de fusion, la pénétration incomplète, la porosité, les inclusions, les fissures et autres défauts. Il permet également de mesurer les dimensions de soudure, la profondeur de pénétration et la largeur de zone affectée par la chaleur.
L'examen microscopique utilise la microscopie optique ou électronique pour examiner la microstructure de soudure à grossissement élevé. Cet examen détaillé révèle la structure du grain, la composition de la phase, les précipités et d'autres caractéristiques métallurgiques qui affectent les propriétés de soudure.
Essai de dureté
Les tests de dureté sont une méthode rapide et relativement simple pour évaluer les propriétés mécaniques des soudures. Différentes méthodes sont disponibles, y compris Brinell, Rockwell et Vickers tests, chacun adapté à différentes applications et conditions de matériau. Les tests de dureté peuvent être effectués sur le métal de soudure, la zone affectée par la chaleur, et le métal de base pour créer un profil de dureté à travers l'articulation soudée.
Les valeurs de dureté sont en corrélation avec d'autres propriétés mécaniques telles que la résistance à la traction, ce qui fait de la dureté un outil de criblage utile. La dureté excessive dans la zone affectée par la chaleur peut indiquer une sensibilité aux fissures, tandis que la dureté insuffisante peut indiquer une résistance inadéquate.
Essai de dureté de la fracture
Les essais de résistance à la rupture évaluent la résistance des joints soudés à la propagation des fissures dans diverses conditions de chargement.Ces essais sont plus sophistiqués que les essais de choc simples et fournissent des mesures quantitatives de résistance à la rupture, comme le facteur d'intensité de contrainte critique (KIC) ou le déplacement d'ouverture de la pointe de fissure (CTOD).
Diverses méthodes d'essai de résistance à la rupture sont disponibles, notamment des essais de tension compacte, des essais de pliage à encoche unique et des essais CTOD. Le choix de la méthode d'essai dépend de l'épaisseur du matériau, des conditions de service prévues et des codes ou normes applicables.
Surveillance des soudures et contrôle de la qualité en temps réel
Les méthodes de surveillance des soudures garantissent la qualité et la justesse de la soudure pendant la soudure. Le terme est généralement appliqué à la surveillance automatisée à des fins de qualité de soudure et secondairement à des fins de contrôle des processus, comme le guidage robotisé basé sur la vision.
Dans le cas de soudures critiques à haute contrainte ou à haute sécurité, une surveillance de la soudure sera utilisée pour confirmer les paramètres de soudage spécifiés (courant arc, tension de déplacement, entrée de chaleur, etc.) qui sont respectés par rapport à ceux indiqués dans la procédure de soudage.
Surveillance des paramètres du processus
Les paramètres tels que le courant, la tension, la vitesse d'alimentation du fil, la vitesse de déplacement et le débit de gaz sont suivis et comparés à des gammes spécifiées. Les écarts par rapport aux paramètres acceptables déclenchent des alarmes ou des corrections automatiques, assurant une qualité de soudure constante.
Contrairement aux systèmes qui enregistrent les informations pour l'étude ultérieure ou l'utilisation de rayons X ou d'ultrasons pour vérifier les échantillons, la technologie SIP examine le signal électrique et détecte les défauts lorsqu'ils se produisent. Les blocs de données de 4 000 points de données électriques sont collectés quatre fois par seconde et convertis en images de signature.
Systèmes de surveillance axés sur la vision
Les caméras à grande vitesse peuvent capturer des images détaillées de la piscine de soudure, de l'arc et de la zone environnante, tandis que les algorithmes de traitement des images analysent ces images pour identifier des problèmes tels que la porosité, le manque de fusion ou la forme de perles inappropriée.
Les systèmes de vision avancés peuvent mesurer les dimensions de soudure, suivre la position de joint pour le soudage robotique et fournir des rétroactions pour les systèmes de contrôle adaptatifs. Certains systèmes utilisent plusieurs caméras ou techniques d'imagerie spécialisées comme la thermographie infrarouge pour assurer une surveillance complète.
Intégration des capteurs et analyse des données
Les systèmes modernes de surveillance des soudures intègrent des données provenant de plusieurs capteurs pour fournir une évaluation complète de la qualité. Outre les paramètres électriques et les systèmes de vision, les capteurs peuvent surveiller les émissions acoustiques, les vibrations, la température et d'autres variables de processus.
Les algorithmes avancés d'analyse des données et d'apprentissage automatique traitent les données du capteur pour identifier les modèles, prédire les résultats de qualité et optimiser les paramètres du processus.Ces systèmes peuvent apprendre à partir de données historiques pour améliorer leurs performances au fil du temps, s'adapter à des matériaux spécifiques, des configurations de joints et des processus de soudage.
Les défauts courants de soudure et leur détection
Dans la fabrication de fils et d'additifs à l'arc (WAAM) et le soudage par fusion, divers défauts tels que porosité, fissures, déformation et absence de fusion peuvent survenir pendant le processus de fabrication. Ils ont un impact important sur les propriétés mécaniques et peuvent également conduire à la défaillance des pièces fabriquées pendant le service.
Porosité
La porosité est constituée de poches de gaz ou de vides piégés dans le métal de soudure pendant la solidification. Ces défauts peuvent être sphériques (pores isolés) ou allongés (trous de vers) et peuvent survenir individuellement ou en grappes. La porosité réduit la surface de section efficace de la soudure et peut servir de concentrateurs de contraintes, réduisant ainsi la durée de vie et la résistance à la fatigue.
Les causes de porosité comprennent les métaux communs ou les matériaux de remplissage contaminés, la couverture de gaz de protection insuffisante, l'humidité excessive dans les flux ou les électrodes, la technique de soudage inadéquate et la vitesse de soudage élevée. La porosité de surface peut être détectée par inspection visuelle, tandis que la porosité interne nécessite des essais radiographiques ou ultrasoniques.
Craquages
Les fissures peuvent se produire dans le métal de soudure, la zone affectée par la chaleur ou le métal de base et peuvent être orientées longitudinalement, transversalement ou sous différents angles. Elles peuvent se former pendant le soudage (fissures chaudes) ou après le refroidissement (fissures froides).
Les fissures à chaud résultent généralement de contraintes de rétrécissement de solidification en combinaison avec des constituants à faible fusion ou une contrainte excessive. Les fissures à froid, aussi appelées fissures induites par l'hydrogène, se forment après que la soudure a refroidi et sont associées à la contamination par l'hydrogène, à une dureté élevée dans la zone affectée par la chaleur et aux contraintes résiduelles.
La détection des fissures nécessite une inspection minutieuse par des méthodes appropriées. Les fissures de surface peuvent être détectées par inspection visuelle, par test de pénétration liquide ou par test de particules magnétiques. Les fissures internes nécessitent des tests radiographiques ou ultrasoniques. En raison de leur nature planaire, les fissures peuvent être difficiles à détecter par radiographie à moins d'être correctement orientées.
Manque de fusion et de pénétration incomplète
Le manque de fusion survient lorsque le métal de soudure ne fusionne pas complètement avec le métal de base ou avec les passages de soudure précédents. Ce défaut crée une discontinuité plane qui peut agir comme une faille de type fissure, réduisant significativement la résistance à la résistance et à la fatigue des articulations.
Ces défauts résultent généralement d'une induction de chaleur insuffisante, d'une mauvaise préparation des joints, d'une technique de soudage incorrecte ou d'une contamination des surfaces des joints. L'absence de fusion à la surface peut être détectée par inspection visuelle, mais l'absence interne de fusion nécessite des essais ultrasoniques ou radiographiques.
Inclusions
Les inclusions sont des matériaux étrangers piégés dans le métal de soudure, le plus souvent des scories provenant d'électrodes recouvertes de flux ou de soudage à l'arc submergé. D'autres types d'inclusions comprennent le tungstène des électrodes de soudage TIG, des oxydes et d'autres contaminants.
Les inclusions de laitier résultent généralement d'un nettoyage inadéquat entre les passes de soudure, une technique de soudage inappropriée, ou une forme de perles de soudure défavorable qui piège le laitier. Les inclusions de tungstène se produisent lorsque l'électrode contacte le bassin de soudure ou lorsque le courant excessif provoque l'érosion de l'électrode.
Sous-coups et chevauchements
Le sous-coup est une rainure fondue dans le métal de base à l'orteil de la soudure qui n'est pas remplie par le métal de soudure. Ce défaut crée une concentration de contrainte et réduit l'épaisseur efficace de la gorge des soudures de filet ou la section transversale des soudures de rainure.
Le chevauchement se produit lorsque le métal de soudure s'écoule sur la surface du métal de base sans s'y affranchir. Ce défaut crée une concentration de contrainte et peut emprisonner des scories ou d'autres contaminants. Le chevauchement résulte généralement d'une apport thermique insuffisant, d'une technique de soudage inadéquate ou d'un dépôt de métal de remplissage excessif.
Programmes d'assurance de la qualité et documentation
Une évaluation efficace de la qualité des soudures exige plus que des méthodes d'essai; elle exige un programme complet d'assurance de la qualité qui intègre la conception, la production, l'inspection et la documentation.
Systèmes de gestion de la qualité
Les systèmes de gestion de la qualité constituent le cadre de contrôle de tous les aspects de la qualité du soudage. Ces systèmes suivent généralement des normes comme ISO 9001 pour la gestion générale de la qualité ou ISO 3834 pour la qualité du soudage.
Le système de gestion de la qualité définit les responsabilités et les pouvoirs, établit des objectifs de qualité et fournit des mécanismes de surveillance et d'amélioration du rendement. Les vérifications régulières vérifient que le système est suivi et identifient les possibilités d'amélioration.
Plans d'inspection et d'essai
Les plans d'inspection et d'essai (PTI) précisent les inspections et les essais qui seront effectués, le moment où ils seront effectués, les critères d'acceptation applicables et la documentation requise. Bien que les étapes spécifiques d'une inspection de soudure varient selon le travail et le type de matériaux de soudage utilisés, il est important de noter ici que les contrôles et les règlements sont importants aux trois étapes du processus de soudage : avant, pendant et après la soudure.
Les PTI comprennent généralement les inspections présoudées des matériaux, la préparation conjointe et l'aménagement; la surveillance en cours des paramètres de soudage et l'inspection visuelle; et les essais de NDT et destructifs après soudure, au besoin. Le plan précise les points de maintien où les travaux ne peuvent se poursuivre tant que l'inspection n'est pas terminée et que l'acceptation est documentée.
Qualification et certification du personnel
L'application réussie et uniforme des techniques d'essai non destructive dépend fortement de la formation, de l'expérience et de l'intégrité du personnel. Le personnel qui participe à l'application des méthodes de TDN industrielle et à l'interprétation des résultats doit être certifié et, dans certains secteurs industriels, la certification est appliquée par la loi ou par les codes et normes appliqués.
Les programmes de qualification des soudeurs vérifient que les soudeurs peuvent produire des soudures acceptables en utilisant des procédures spécifiques. La qualification consiste généralement à produire des soudures d'essai qui sont soumises à une inspection visuelle, à une TDN et à des tests de destruction.
Les programmes de qualification et de certification des inspecteurs veillent à ce que le personnel d'inspection possède les connaissances, les compétences et l'acuité visuelle nécessaires pour s'acquitter de ses fonctions. Il existe divers systèmes de certification, dont l'inspecteur de soudage certifié AWS (Inspecteur de soudage certifié AWS), la certification ASNT NDT et la certification ISO 9712 pour le personnel de la NDT.
Documentation et traçabilité
La documentation complète fournit des preuves que les exigences de qualité ont été satisfaites et permet la traçabilité tout au long du cycle de vie du produit. La documentation comprend généralement les certifications des matériaux et les rapports d'essais, les spécifications des procédures de soudage et les dossiers de qualification, les dossiers de qualification des soudeurs, les rapports d'inspection et d'essais, les rapports de non-conformité et les mesures correctives, et les dossiers de documentation de qualité finale.
Les systèmes numériques permettent un accès en temps réel à des données de qualité, à des rapports automatisés et à l'intégration avec d'autres systèmes commerciaux. La chaîne de blocs et d'autres technologies émergentes peuvent améliorer la traçabilité et la sécurité des documents de qualité critiques.
Demandes de l'industrie et considérations spéciales
Différentes industries ont des exigences uniques pour l'évaluation de la qualité des soudures en fonction de leurs applications spécifiques, de leur environnement d'exploitation et de leurs cadres réglementaires.
Récipients à pression et tuyauterie
Le Code ASME sur les chaudières et les récipients à pression prévoit des exigences complètes en matière de conception, de fabrication, d'inspection et d'essai. L'examen radiographique ou ultrasonore est généralement nécessaire pour les soudures à maintien de la pression, avec l'étendue de l'examen selon la catégorie de service et les conditions de conception.
Les conditions particulières de soudage des récipients sous pression comprennent le traitement thermique postsoudé pour réduire les contraintes résiduelles et améliorer la ténacité, les essais d'impact pour vérifier la ténacité adéquate à la température minimale de conception et les essais hydrostatiques ou pneumatiques pour vérifier l'intégrité de la pression.
Construction en acier de construction
La construction en acier de construction, y compris les bâtiments, les ponts et autres infrastructures, repose fortement sur les connexions soudées. AWS D1.1 garantirait que les structures en acier, par l'intermédiaire des fabricants, possèdent les conditions de résistance et de performance en matière de sécurité et de fiabilité.
L'inspection visuelle est la principale méthode de contrôle de la qualité pour la plupart des soudures structurales, complétée par des essais par ultrasons ou par particules magnétiques pour les connexions critiques. Les critères d'acceptation tiennent compte du type de chargement (statique ou cyclique) et de l'accessibilité de la connexion pour l'inspection et l'entretien.
Applications aérospatiales
La soudure aérospatiale exige les normes de qualité les plus élevées en raison de la nature critique des structures d'aéronefs et d'engins spatiaux et des environnements de fonctionnement rigoureux auxquels ils se heurtent. Les exigences de qualité dépassent généralement celles des autres industries, avec une tolérance zéro pour de nombreux types de défauts.
Les procédés spéciaux tels que le soudage par faisceau d'électrons et le soudage au laser sont courants dans les applications aérospatiales, nécessitant des techniques d'inspection spécialisées. Les approches de conception basées sur la mécanique de fracture nécessitent une caractérisation détaillée des défauts et des propriétés des matériaux.
Industrie nucléaire
La construction et l'entretien des centrales nucléaires comportent certaines des exigences les plus rigoureuses en matière de qualité des soudures dans toute industrie.Les conséquences potentielles de la défaillance et de l'environnement radioactif posent des défis uniques.
Les exigences en matière de qualification du personnel dépassent celles des autres industries et toutes les activités d'inspection sont soumises à une vérification indépendante. Les exigences en matière de documentation sont exhaustives, les registres étant tenus pour la vie de l'usine.
Construction navale et structures offshore
La construction navale et la fabrication de structures en mer comportent de grandes quantités de soudure dans des conditions difficiles. L'environnement marin crée des conditions de charge de corrosion et de fatigue uniques qui doivent être prises en compte dans les exigences de qualité.
Les systèmes automatisés de soudage et d'inspection sont de plus en plus utilisés pour améliorer la productivité et la qualité. Les considérations de fatigue sont particulièrement importantes pour les structures en mer soumises à une charge d'onde, exigeant une attention particulière au profil de soudure et l'élimination des défauts qui pourraient servir de sites d'initiation de fissures de fatigue.
Tendances futures de l'évaluation de la qualité des soudures
Le domaine de l'évaluation de la qualité des soudures continue d'évoluer en fonction de l'évolution de la technologie et des besoins de l'industrie.
Digitalisation et industrie 4.0
La transformation numérique de la fabrication révolutionne l'évaluation de la qualité des soudures. Les systèmes d'inspection numérique génèrent de grandes quantités de données qui peuvent être analysées pour identifier les tendances, prédire les résultats de qualité et optimiser les processus.
L'intégration des données d'inspection à d'autres systèmes de fabrication crée des possibilités de contrôle de la qualité en boucle fermée. Les résultats d'inspection peuvent automatiquement déclencher des mesures correctives, mettre à jour les paramètres du processus ou les composants du drapeau pour des essais supplémentaires.
Intelligence artificielle et apprentissage automatique
Les systèmes d'IA peuvent analyser les images d'inspection plus rapidement et plus régulièrement que les opérateurs humains, en identifiant les modèles subtils qui pourraient être manqués par l'analyse conventionnelle. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent prédire la qualité des soudures en fonction des paramètres du processus, permettant un contrôle proactif de la qualité.
Les techniques d'apprentissage profond sont particulièrement efficaces pour la détection des défauts par image. Les réseaux neuronaux convolutionnels peuvent être formés pour reconnaître divers types de défauts dans les images d'inspection radiographique, ultrasonore ou visuelle.
Technologies avancées de capteurs
Les nouvelles technologies de détection augmentent les capacités des systèmes de surveillance et d'inspection des soudures. L'imagerie hyperspectrale permet de détecter des variations subtiles de la composition et de la température des matériaux qui indiquent des problèmes de qualité.
La miniaturisation des capteurs permet l'inspection dans des endroits auparavant inaccessibles. Les réseaux de capteurs sans fil peuvent surveiller simultanément plusieurs emplacements, offrant une couverture complète des grandes structures. L'intégration de plusieurs types de capteurs fournit des informations plus complètes sur la qualité de soudure que n'importe quel capteur ne pourrait atteindre.
Inspection automatisée et robotique
Les systèmes robotiques peuvent effectuer des tâches d'inspection répétitives avec plus de cohérence que les opérateurs humains, tout en recueillant des données plus complètes. Les systèmes automatisés peuvent inspecter les soudures pendant la production sans interrompre le flux de travail, permettant ainsi une rétroaction en temps réel de qualité.
Les drones et les robots rampants permettent d'inspecter de grandes structures telles que des ponts, des navires et des réservoirs de stockage, avec un besoin réduit d'échafaudage et d'équipement d'accès. Ces systèmes peuvent transporter divers capteurs d'inspection et fonctionner dans des environnements qui seraient dangereux ou inaccessibles aux inspecteurs humains.
Qualité prédictive et assurance numérique
L'avenir de l'évaluation de la qualité des soudures se dirige vers des approches prédictives qui préviennent les défauts plutôt que de les détecter après qu'ils se produisent.
Les concepts d'assurance numérique utilisent la collecte et l'analyse de données complètes tout au long du cycle de vie du produit pour assurer une vérification continue de la qualité. Plutôt que de se fier uniquement à des inspections périodiques, les systèmes d'assurance numérique surveillent continuellement l'état et les performances, en prédisant quand l'entretien ou le remplacement seront nécessaires.
Meilleures pratiques pour l'évaluation de la qualité des soudures
La mise en oeuvre d'une évaluation efficace de la qualité des soudures exige de s'intéresser à de nombreux facteurs, au-delà de la simple sélection de méthodes d'essai appropriées, et les pratiques exemplaires suivantes peuvent aider les organisations à obtenir des résultats cohérents et de grande qualité.
Élaborer des plans de qualité détaillés
La planification de la qualité devrait commencer au début du projet et impliquer tous les intervenants. Le plan de qualité devrait définir les codes et les normes applicables, préciser les exigences en matière d'inspection et d'essai, définir les critères d'acceptation, établir les points de détention et les points témoins et attribuer les responsabilités en matière d'activités de qualité.
Investir dans la formation et le perfectionnement du personnel
La qualité dépend en fin de compte des gens.Les organisations devraient investir dans des programmes de formation complets pour les soudeurs, les inspecteurs et le personnel de qualité. La formation devrait couvrir non seulement les compétences techniques, mais aussi la sensibilisation à la qualité et l'importance de suivre les procédures.
Entretien et étalonnage du matériel
Les programmes d'étalonnage devraient suivre les recommandations du fabricant de l'équipement et les normes applicables. Les dossiers d'étalonnage et d'entretien devraient être tenus pour démontrer la fiabilité de l'équipement.
Utiliser plusieurs méthodes d'inspection lorsque cela est approprié
Chaque technique NDT a ses propres avantages et limitations et est capable de détecter des défauts spécifiques et est utilisée pour des matériaux spécifiques. Ainsi, différents NDT doivent être combinés pour surveiller le processus de soudage WAAM et de fusion. Aucune méthode d'inspection unique ne peut détecter tous les défauts possibles. L'utilisation de méthodes complémentaires fournit une assurance plus complète de la qualité de soudure.
Mettre en oeuvre des programmes d'amélioration continue
L'analyse des données sur les défauts afin de cerner les tendances et les causes profondes permet d'améliorer de façon ciblée les procédures, la formation ou l'équipement. Les vérifications régulières permettent de déterminer les possibilités d'amélioration du système de qualité lui-même.
Tirer parti de la technologie de façon appropriée
Les organisations devraient évaluer les nouvelles technologies en fonction de leurs besoins et de leurs capacités spécifiques, en veillant à ce que le personnel soit bien formé et que la technologie s'intègre efficacement aux systèmes existants. En commençant par les programmes pilotes, les organisations peuvent acquérir de l'expérience et perfectionner la mise en oeuvre avant le déploiement à grande échelle.
Conclusion
L'évaluation de la qualité des soudures par des méthodes de conception et d'essai est une discipline complète qui combine des approches proactives de conception avec des procédures d'inspection et d'essai rigoureuses. L'essai des soudures non destructives est un élément important du contrôle de la qualité pour les processus de soudage et de maintenance.
L'évaluation de la qualité des soudures est efficace, d'abord par une conception réfléchie qui minimise le risque de défauts par une conception conjointe appropriée, la sélection des matériaux et l'élaboration des procédures. Les programmes d'assurance de la qualité complets garantissent que le personnel qualifié suit des procédures éprouvées et que les inspections et les essais appropriés vérifient la conformité aux exigences.
Les entreprises qui investissent dans des programmes de qualité robustes, adoptent de nouvelles technologies et favorisent une culture d'amélioration continue seront les mieux placées pour répondre à ces exigences en évolution. Que ce soit dans le domaine de la construction, de la fabrication, de l'aérospatiale ou dans tout autre domaine qui repose sur des structures soudées, il est essentiel de comprendre et de mettre en oeuvre des méthodes efficaces d'évaluation de la qualité des soudures pour assurer la sécurité, la fiabilité et la performance.
Pour plus d'information sur les normes de soudage et les exigences de qualité, visitez le site Web de la Société américaine de soudage. Des ressources supplémentaires sur les essais non destructifs peuvent être trouvées par le biais du American Society for Nondestructive Testing. Le Organisation internationale de normalisation offre un accès aux normes internationales de soudage.