Contrôle des soudures par ultrasons : fonctionnement, sondes et détection des défauts

Le contrôle ultrasonore des soudures, généralement désigné par l’abréviation UT pour Ultrasonic Testing, est une méthode de contrôle non destructif permettant d’explorer l’intérieur d’une pièce métallique sans la découper ni la détériorer.

Son principe consiste à envoyer des ondes ultrasonores dans le matériau à l’aide d’une sonde. Lorsque ces ondes rencontrent une interface, une géométrie particulière ou une discontinuité, une partie de leur énergie peut être réfléchie vers la sonde. L’appareil transforme alors les signaux reçus en indications exploitables par le contrôleur.

Dans le domaine du soudage, l’UT est particulièrement intéressant pour rechercher certaines discontinuités internes invisibles lors d’un simple contrôle visuel. Il est utilisé sur de nombreux assemblages de chaudronnerie, de structures métalliques et de tuyauterie industrielle.

Le contrôle ultrasonore est cependant beaucoup plus qu’un appareil qui « voit dans le métal ». La géométrie de la soudure, l’épaisseur, le matériau, le type de sonde, l’angle du faisceau, le réglage de l’appareil et la compétence de l’opérateur influencent directement la détection et l’interprétation des indications.

📚 Afficher le sommaire

1. Qu’est-ce que le contrôle ultrasonore d’une soudure ?

Le contrôle ultrasonore est une méthode END utilisant des ondes acoustiques dont la fréquence est supérieure au domaine audible par l’être humain. Dans une pièce métallique, ces ondes peuvent se propager sur une certaine distance puis être réfléchies lorsqu’elles rencontrent une interface.

L’UT permet ainsi de rechercher des discontinuités situées dans l’épaisseur d’une pièce et de recueillir des informations concernant leur position et leur réponse ultrasonore.

Cette capacité distingue l’UT des méthodes principalement destinées à la surface comme le ressuage ou la magnétoscopie.

Sur une soudure, l’objectif peut notamment être de rechercher des indications liées à :

• un manque de fusion
• un manque de pénétration
• une fissure interne
• une inclusion
• certaines cavités ou porosités
• d’autres discontinuités susceptibles de réfléchir suffisamment le faisceau ultrasonore

La détectabilité dépend fortement de la taille, de la forme, de l’orientation et de la position de la discontinuité. Une grande discontinuité mal orientée par rapport au faisceau peut parfois produire une réponse moins favorable qu’une discontinuité plus petite correctement orientée.

2. Comment fonctionnent les ultrasons dans le métal ?

La sonde ultrasonore contient un élément capable de transformer une impulsion électrique en vibration mécanique. Cette vibration génère une onde qui se propage dans le matériau contrôlé.

Lorsqu’elle rencontre une interface présentant des propriétés acoustiques différentes, une partie de l’énergie ultrasonore peut être réfléchie.

Cette interface peut être :

• la face opposée de la pièce
• une surface inclinée
• la géométrie du chanfrein ou de la racine
• une discontinuité interne
• une inclusion
• une fissure

L’onde réfléchie revient vers la sonde. L’appareil mesure notamment le temps écoulé entre l’émission et la réception de l’écho. Comme la vitesse de propagation dans le matériau est connue ou définie lors du réglage, cette information permet de déterminer une distance acoustique.

Principe simplifié d’un contrôle UT

Dans les aciers courants, les ondes longitudinales et transversales n’ont pas la même vitesse de propagation. C’est l’une des raisons pour lesquelles le type de sonde et le mode d’onde utilisé doivent être correctement pris en compte lors du réglage.

3. Quel matériel utilise-t-on pour un contrôle UT ?

Un contrôle ultrasonore manuel classique nécessite plusieurs éléments travaillant ensemble.

Le matériel comprend généralement :

• un appareil de contrôle ultrasonore
• une ou plusieurs sondes adaptées
• des câbles de connexion
• un produit couplant
• des blocs de référence ou d’étalonnage
• des moyens permettant de repérer la position de la sonde sur la pièce
• les documents et procédures nécessaires à l’interprétation du contrôle

Les appareils numériques modernes peuvent afficher et mémoriser de nombreuses données. Mais l’équipement ne remplace pas la compréhension du phénomène acoustique. Le contrôleur doit toujours savoir ce que représente réellement le signal affiché.

La sonde est également choisie selon la pièce et le contrôle recherché. Sa fréquence, sa dimension, son angle et sa conception influencent le faisceau obtenu et la sensibilité aux différentes indications.

4. Pourquoi faut-il utiliser un couplant ?

Lorsque l’on pose simplement une sonde sur une pièce métallique sèche, une très fine couche d’air subsiste presque toujours entre les deux surfaces. Or l’air constitue un obstacle important à la transmission de l’énergie ultrasonore entre la sonde et le métal.

Un couplant est donc appliqué entre la sonde et la pièce afin d’assurer une transmission acoustique suffisamment stable.

Selon l’application, il peut s’agir par exemple :

• d’un gel ultrasonore
• d’une solution aqueuse adaptée
• d’une huile ou d’un produit spécifique
• d’un autre couplant compatible avec le matériau et la procédure

La quantité doit être suffisante pour maintenir un contact acoustique régulier pendant le déplacement de la sonde. Une variation importante du couplage peut modifier l’amplitude des signaux et compliquer l’interprétation.

L’état de surface joue donc un rôle important. Une surface extrêmement rugueuse, très corrodée ou couverte de dépôts peut rendre le contrôle plus difficile.

5. Sondes droites et sondes angulaires : quelles différences ?

Deux grandes configurations permettent de comprendre les contrôles ultrasonores conventionnels : les sondes droites et les sondes angulaires.

Sonde droite

Avec une sonde droite classique, le faisceau pénètre principalement perpendiculairement à la surface de contrôle. Elle est notamment utile pour vérifier l’épaisseur, rechercher certaines discontinuités dans le métal de base ou examiner des zones compatibles avec cette direction de propagation.

Sonde angulaire

Pour contrôler une soudure bout à bout depuis la surface voisine du joint, il est souvent nécessaire d’introduire le faisceau sous un angle.

La sonde angulaire comporte un sabot permettant d’envoyer l’énergie ultrasonore dans la pièce selon une direction déterminée. Dans les contrôles conventionnels de nombreux assemblages en acier, elle permet notamment d’utiliser une onde transversale qui traverse la zone soudée suivant une trajectoire oblique.

Cette disposition permet d’examiner la soudure depuis différentes positions et d’intercepter des discontinuités ayant des orientations particulières.

Plusieurs angles de sondes peuvent être nécessaires pour examiner correctement une même soudure. Cela dépend notamment de l’épaisseur, de la préparation du joint et de l’orientation des discontinuités recherchées.

6. Pourquoi faut-il régler et étalonner le contrôle ?

Avant de rechercher des indications dans une soudure, le système ultrasonore doit être réglé de manière à produire des résultats exploitables et reproductibles.

Le contrôleur doit notamment connaître ou déterminer correctement :

• la base de temps
• la vitesse acoustique utilisée
• le point d’émergence d’une sonde angulaire
• l’angle réel du faisceau lorsque nécessaire
• la sensibilité du contrôle
• la plage de distance examinée
• les références utilisées pour comparer les indications

Des blocs de référence présentant des dimensions et réflecteurs connus permettent de vérifier ou d’établir certains paramètres.

La norme ISO 16811 traite notamment du réglage de la base de temps et de la sensibilité pour le contrôle ultrasonore manuel utilisant un affichage de type A.

Un appareil mal réglé peut donner une localisation erronée ou rendre une indication plus ou moins importante qu’elle ne devrait apparaître. La phase de réglage n’est donc pas une simple formalité précédant le « vrai » contrôle : elle en fait pleinement partie.

7. Comment contrôle-t-on une soudure par ultrasons ?

Lors d’un contrôle manuel conventionnel, la sonde est déplacée sur une zone déterminée à proximité du joint. L’objectif consiste à faire parcourir au faisceau ultrasonore l’ensemble du volume qui doit être examiné.

Le contrôleur combine différents mouvements :

• déplacement vers la soudure et éloignement de celle-ci
• déplacement longitudinal le long du joint
• mouvements permettant de rechercher l’amplitude maximale d’une indication
• orientation ou rotation de la sonde lorsque la technique le prévoit

La surface balayée et les positions de sondage dépendent de l’épaisseur, de la géométrie du chanfrein, de l’angle du faisceau et du volume devant être contrôlé.

La connaissance de la fabrication est ici très utile. Comprendre comment le joint a été préparé, assemblé et soudé permet de mieux interpréter les zones susceptibles de produire des échos géométriques ou de présenter certaines imperfections. C’est aussi pourquoi les notions développées dans nos dossiers de chaudronnerie industrielle et de soudage en tuyauterie industrielle sont directement liées au contrôle.

Une soudure n’est pas un simple bloc de métal : sa préparation, sa racine, sa surépaisseur et ses raccordements constituent autant de géométries capables d’influencer les signaux ultrasonores.

8. Comment lire un affichage A-scan ?

L’affichage traditionnel du contrôle ultrasonore conventionnel est appelé A-scan. Il représente les signaux reçus sous forme de pics ou d’échos.

De manière simplifiée :

• l’axe horizontal représente une distance acoustique ou un temps de parcours
• l’axe vertical représente l’amplitude du signal reçu

Un écho apparaissant plus loin sur l’axe horizontal correspond généralement à un trajet acoustique plus long. Sa hauteur dépend notamment de la quantité d’énergie revenue vers la sonde.

Mais il serait faux de dire qu’un écho deux fois plus haut correspond simplement à un défaut deux fois plus gros. L’amplitude dépend également :

• de l’orientation de la discontinuité
• de sa forme
• de sa distance par rapport à la sonde
• de l’atténuation du matériau
• de la divergence du faisceau
• du couplage
• du type de réflecteur

L’interprétation d’un A-scan demande donc une connaissance de l’acoustique, de la géométrie et de la procédure utilisée.

9. Comment localise-t-on une indication dans la soudure ?

L’un des grands intérêts du contrôle ultrasonore est la possibilité de déterminer où se situe approximativement une indication dans l’épaisseur et par rapport à la position de la sonde.

Avec une sonde angulaire, le contrôleur connaît notamment :

• l’angle du faisceau
• la position de la sonde
• la distance acoustique correspondant à l’écho
• l’épaisseur de la pièce

Ces informations permettent de déterminer la position géométrique du réflecteur dans le joint.

Le contrôleur peut alors chercher à savoir si l’indication se situe par exemple :

• près de la racine
• dans le volume du métal fondu
• sur un flanc de fusion
• à proximité de la surface supérieure
• dans le métal de base ou la zone adjacente

Cette localisation est particulièrement utile lorsqu’une indication doit être caractérisée ou lorsqu’une réparation localisée est envisagée.

10. Quels défauts de soudure peut-on détecter par ultrasons ?

Le contrôle ultrasonore peut détecter différents types de discontinuités internes, mais leur détectabilité dépend fortement de leur géométrie et de leur orientation.

Parmi les imperfections susceptibles de produire des indications figurent notamment :

• les manques de fusion
• certains manques de pénétration
• les fissures
• certaines inclusions
• certaines cavités ou porosités
• d’autres réflecteurs présentant une orientation favorable au faisceau

Les discontinuités planes comme certaines fissures ou certains manques de fusion peuvent produire des réponses ultrasonores importantes lorsque leur orientation réfléchit efficacement l’énergie vers la sonde.

À l’inverse, une porosité diffuse composée de petits pores répartis dans le volume produit une réponse différente. Cela montre pourquoi le contrôleur ne se contente pas de rechercher « un gros pic » : le comportement du signal aide aussi à caractériser l’indication.

Pour approfondir la nature et les causes de ces anomalies, notre section Défauts de soudage et qualité complète directement cette page. Le choix du procédé de soudage, les paramètres utilisés et la soudabilité du matériau influencent eux aussi les mécanismes pouvant conduire à certaines imperfections.

Exemples de réponses recherchées en UT

11. Tous les échos correspondent-ils à des défauts ?

Non. C’est l’un des points les plus importants pour comprendre le contrôle ultrasonore.

Un faisceau peut être réfléchi par une véritable discontinuité, mais également par la géométrie normale de la pièce.

Sur une soudure, des échos peuvent notamment provenir :

• de la racine du joint
• de la surépaisseur du cordon
• d’un changement d’épaisseur
• d’un bord ou d’une surface arrière
• d’une géométrie particulière de l’assemblage
• d’une véritable discontinuité

Le travail du contrôleur consiste donc à déterminer l’origine du signal. Il peut pour cela déplacer la sonde, modifier son orientation, rechercher l’amplitude maximale, effectuer des contrôles depuis plusieurs positions et comparer la réponse obtenue à la géométrie connue de l’assemblage.

Une indication ultrasonore n’est donc pas automatiquement synonyme de défaut.

La norme ISO 23279 fournit notamment une méthodologie permettant de caractériser certaines indications de discontinuités en les classant comme provenant de discontinuités planes ou non planes.

12. Quelles sont les limites du contrôle ultrasonore ?

L’UT est extrêmement performant dans de nombreuses applications, mais il possède lui aussi des limites.

La première concerne le matériau. Certains matériaux présentent une structure qui diffuse ou atténue fortement les ultrasons, rendant l’examen plus difficile.

La norme ISO 17640 vise principalement le contrôle manuel de nombreux assemblages soudés métalliques de faible atténuation acoustique et, dans son domaine principal, les joints à pleine pénétration dont le métal de base et le métal fondu sont ferritiques.

Les soudures en aciers austénitiques et certains alliages à base de nickel peuvent présenter un comportement acoustique beaucoup plus complexe. Elles nécessitent des approches spécifiques. La métallurgie et la soudabilité des matériaux ne concernent donc pas uniquement la réalisation de la soudure : elles peuvent aussi influencer son contrôle.

D’autres limites sont liées à :

• la géométrie de la pièce
• l’accès disponible pour la sonde
• l’état de surface
• l’épaisseur de la pièce
• l’atténuation acoustique
• l’orientation des discontinuités
• les zones proches de la surface où certains contrôles peuvent être plus difficiles
• l’interprétation des échos géométriques
• la compétence du personnel

L’UT ne doit donc pas être considéré comme une méthode universelle capable d’identifier automatiquement tout défaut dans n’importe quelle soudure.

13. Ultrasons ou radiographie : quelle méthode choisir ?

L’UT et la radiographie industrielle sont souvent présentés comme deux méthodes permettant d’examiner l’intérieur des soudures. Elles ne fournissent cependant pas les mêmes informations et ne possèdent pas les mêmes sensibilités.

Le contrôle ultrasonore exploite la réflexion d’ondes acoustiques. La radiographie analyse quant à elle les différences d’atténuation d’un rayonnement traversant la pièce.

Il n’existe donc pas de réponse universelle à la question « UT ou radiographie ? ». Le choix dépend du matériau, de l’épaisseur, de la géométrie, du type de discontinuité recherché, des exigences applicables et des conditions d’intervention.

14. PAUT, TOFD et techniques ultrasonores avancées

Le contrôle ultrasonore conventionnel avec une sonde unique n’est qu’une partie des possibilités offertes aujourd’hui par les ultrasons industriels.

Parmi les techniques plus avancées, on rencontre notamment le PAUT (Phased Array Ultrasonic Testing), ou ultrasons multiéléments. Une sonde comporte plusieurs éléments pouvant être pilotés électroniquement afin de modifier et orienter le faisceau.

Cette technique permet notamment de réaliser des balayages électroniques et de produire des représentations facilitant l’analyse de certaines zones.

Le TOFD (Time of Flight Diffraction) repose sur un autre principe utilisant notamment la diffraction des ondes aux extrémités de certaines discontinuités. Il est particulièrement utilisé dans des applications spécialisées pour la détection et le dimensionnement.

Ces techniques demandent des équipements, procédures, réglages et qualifications spécifiques. Elles ne doivent pas être confondues avec un simple contrôle UT conventionnel.

Elles pourront faire l’objet de dossiers dédiés lorsque la rubrique CND de Steelsoudeur sera développée davantage.

15. Normes et qualification pour le contrôle UT

Le contrôle ultrasonore industriel est encadré par plusieurs normes complémentaires.

ISO 16810 décrit les principes généraux du contrôle ultrasonore des produits industriels permettant la transmission des ultrasons. Elle fournit un socle général mais ne définit pas à elle seule les plans de balayage ni les critères d’acceptation.

Pour les assemblages soudés, ISO 17640 constitue une référence centrale. Elle définit des techniques, niveaux de contrôle et règles d’évaluation pour le contrôle ultrasonore manuel de certains assemblages soudés par fusion. Son domaine principal concerne notamment les assemblages à pleine pénétration de matériaux à faible atténuation ultrasonore.

La norme définit plusieurs niveaux de contrôle correspondant à différentes probabilités de détection des imperfections. Le niveau applicable dépend des exigences du contrôle.

ISO 11666 définit des niveaux d’acceptation ultrasonores pour certains joints soudés à pleine pénétration en aciers ferritiques contrôlés selon ISO 17640.

ISO 23279 concerne la caractérisation des discontinuités détectées par ultrasons et permet notamment de classer certaines indications comme provenant de discontinuités planes ou non planes.

ISO 16811 traite du réglage de la base de temps et de la sensibilité des appareils ultrasonores manuels utilisant un affichage A-scan.

ISO 17635 fournit quant à elle les règles générales concernant le choix des méthodes END des assemblages soudés métalliques.

Enfin, ISO 9712 couvre la qualification et la certification du personnel effectuant différents essais non destructifs, notamment le contrôle ultrasonore.

Principales références associées au contrôle ultrasonore

FAQ : contrôle ultrasonore des soudures

Comment fonctionne le contrôle ultrasonore d’une soudure ?

Une sonde envoie des ondes ultrasonores dans le matériau. Lorsqu’elles rencontrent une interface ou une discontinuité, une partie de leur énergie peut être réfléchie vers la sonde. L’appareil affiche alors un signal que le contrôleur utilise pour rechercher et localiser l’indication.

Quels défauts peut-on détecter avec les ultrasons ?

L’UT peut notamment détecter certains manques de fusion, manques de pénétration, fissures, inclusions et autres discontinuités internes. La détectabilité dépend fortement de leur taille, de leur forme et surtout de leur orientation par rapport au faisceau ultrasonore.

Pourquoi met-on du gel sous une sonde ultrasonore ?

Le gel sert de couplant entre la sonde et la pièce. Il élimine la couche d’air qui empêcherait une transmission efficace de l’énergie ultrasonore dans le métal et permet de maintenir un couplage stable pendant le balayage.

Pourquoi utilise-t-on une sonde angulaire sur une soudure ?

Une sonde angulaire permet d’introduire le faisceau obliquement dans la pièce et d’explorer le volume de la soudure depuis la surface située à côté du joint. Plusieurs angles peuvent être utilisés selon la géométrie, l’épaisseur et les discontinuités recherchées.

Un gros écho ultrasonore signifie-t-il qu’il existe un gros défaut ?

Pas nécessairement. L’amplitude dépend également de l’orientation, de la forme et de la distance du réflecteur, du faisceau, de l’atténuation et du couplage. L’écho doit donc être caractérisé et évalué selon la procédure applicable.

Peut-on contrôler toutes les soudures par ultrasons ?

Non. La géométrie, l’épaisseur, l’accessibilité et les propriétés acoustiques du matériau peuvent rendre certains contrôles difficiles ou nécessiter une technique spécifique. Les soudures austénitiques et certains alliages présentent notamment des particularités acoustiques importantes.

Quelle est la différence entre ultrasons et radiographie ?

Les ultrasons analysent la propagation et la réflexion d’ondes acoustiques dans le matériau. La radiographie utilise des rayons X ou gamma traversant la pièce pour produire une image liée aux variations d’atténuation. Les deux méthodes possèdent des sensibilités et des contraintes différentes.

Qu’est-ce que le PAUT ?

Le PAUT est une technique ultrasonore utilisant une sonde multiéléments dont les éléments peuvent être pilotés électroniquement. Elle permet notamment de contrôler l’orientation et le balayage du faisceau et de produire des représentations plus riches que l’UT conventionnel.

Ressources externes sur le contrôle ultrasonore

Pour approfondir les principes généraux de l’UT, le contrôle des assemblages soudés et l’évaluation des indications, plusieurs normes constituent des références importantes :

• ISO 16810 – Principes généraux du contrôle ultrasonore.
• ISO 16811 – Réglage de la sensibilité et de la base de temps.
• ISO 17640 – Techniques, niveaux de contrôle et évaluation des assemblages soudés par ultrasons.
• ISO 11666 – Niveaux d’acceptation pour certains contrôles ultrasonores de soudures.
• ISO 23279 – Caractérisation des discontinuités détectées par ultrasons dans les soudures.
• ISO 17635 – Règles générales pour les essais non destructifs des assemblages soudés métalliques.