Essais par ultrasons de pièces moulées en fonte ductile pour vérifier la nodularité

Mar 25, 2023

Figure 1 : pièces moulées automobiles typiques en fonte ductile

Figure 2 : Valeurs de vitesse du son pour la fonte

Figure 3 : Instrument de contrôle par ultrasons et logiciel adapté

Figure 4 : Configuration d'essai dans une cuve d'immersion

Figure 5 : Principe de mesure de la vitesse du son

Figure 6 : Les échos de la coulée de référence sont résolus et les positions des portes sont définies.

Figure 7 : Les limites de vitesse et d'épaisseur pour la pièce moulée à tester sont calculées et saisies dans la boîte de dialogue de réglage du test par ultrasons.

Figure 8 : Le numéro de série, l'épaisseur et la vitesse de la coulée de référence sont saisis dans la boîte de dialogue d'étalonnage.

Figure 9 : Le TOF 1 est mesuré sans coulée dans l'appareil (eau uniquement).

Figure 9 : Le TOF 1 est mesuré sans coulée dans l'appareil (eau uniquement).

Figure 10 : Le TOF 2 est mesuré avec la pièce moulée en place dans l'appareil.

Figure 10 : Le TOF 2 est mesuré avec la pièce moulée en place dans l'appareil.

Figure 11 : Après un réglage réussi, la valeur mesurée s'affiche et le système indique « Calibrage OK ».

Figure 11 : Après un réglage réussi, la valeur mesurée s'affiche et le système indique « Calibrage OK ».

Figure 12 : Un opérateur chargeant manuellement une pièce coulée.

Figure 13 : Déchargement automatisé d'une pièce moulée par une unité pick-and-place.

Figure 14 : Interface opérateur montrant le graphique de tendance, les compteurs de résultats, les valeurs mesurées et les LED de séquence de test.

Figure 15 : Interface utilisateur multicanal montrant quatre canaux actifs.

Figure 16 : Interface de défaut montrant la configuration du test de stratification.

Figure 17 : Interface de défaut montrant la configuration du test d'interface.

La fonte ductile est un matériau de moulage fer-carbone dont la matrice comprend du carbone sous forme de particules de graphite nodulaire. Les nodules de graphite arrondis dans la matrice en fonte ductile offrent une plus grande résistance à la concentration de contraintes par rapport aux flocons de graphite (comme dans la fonte grise) et, par conséquent, inhibent la création de fissures.

Les composants automobiles essentiels à la sécurité moulés en fonte ductile doivent être testés pour vérifier qu'ils incluent le pourcentage correct de nodularité, car une défaillance catastrophique de l'une de ces pièces peut entraîner des dommages, des blessures et même la mort. Les fabricants utilisent régulièrement une méthode de test destructive, l'analyse de la microstructure, pour vérifier la nodularité correcte des échantillons de pièces. L'analyse de la microstructure est généralement effectuée dans le laboratoire métallurgique et, au mieux, ne représente qu'un petit échantillon de la production totale.

Étant donné que les composants automobiles moulés sont utilisés dans des applications critiques pour la sécurité, telles que les systèmes de freinage et de direction, la nodularité doit être vérifiée pour chaque composant moulé. Étant donné que l'analyse de la microstructure est une méthode destructive, cette méthode rend les composants testés inutilisables. Par conséquent, une méthode de test non destructive est privilégiée, permettant de tester 100 % des composants d'un lot de production.

La relation entre la nodularité et la vitesse acoustique dans la fonte ductile est bien connue. En général, la vitesse du son diminue à mesure que le pourcentage de nodularité diminue. Les fonderies qui produisent des pièces moulées en fonte ductile fixent des limites d'acceptation/de rejet de la vitesse du son pour s'assurer que les pièces moulées ont la nodularité requise.

Il existe une différence constante de vitesse du son entre la fonte pure, la fonte nodulaire et la fonte grise. En règle générale, le fer élémentaire pur a une vitesse d'environ 0,232 pouce/microseconde (in/µs), le fer nodulaire a une vitesse d'environ 0,222 in/µs et le fer gris a une vitesse d'environ 0,192 in/µs. Les vitesses exactes pour une application donnée varient en fonction de la composition de l'alliage, de la structure du grain et d'autres variables de processus.

En raison de la relation entre la vitesse du son et la nodularité, le contrôle non destructif par ultrasons est un outil idéal pour mesurer la nodularité des pièces moulées. Le système à ultrasons est réglé à l'aide de moulages "de référence" représentatifs avec des valeurs de nodularité connues. La géométrie de la pièce coulée de référence utilisée comme référence doit être dimensionnellement représentative des pièces de production qui seront testées.

Une mesure ultrasonore précise de la vitesse du son nécessite que l'épaisseur de la pièce moulée de référence au point de mesure soit mesurée avec précision à l'aide d'un micromètre ou d'un pied à coulisse. Cette valeur est entrée dans le logiciel de mesure et est utilisée pour calculer la vitesse du son. Une mesure précise de la vitesse n'est pas possible si l'épaisseur au point de test est inconnue.

Des jauges d'épaisseur à ultrasons et des détecteurs de défauts avec un transducteur à écho d'impulsion monocristallin peuvent être utilisés pour mesurer manuellement la vitesse du son. Alors que les tests manuels sont utiles pour la vérification ponctuelle et le tri de petits lots de pièces dans un mode de tri rapide, cette technique est relativement lente et sujette à la variabilité de l'opérateur par rapport à un système d'inspection automatique dédié. Les tests manuels ne sont ni souhaitables ni pratiques pour l'inspection de pièces moulées à grand volume dans une chaîne de traitement de fonderie.

L'inspection automatisée de la coulée dans la chaîne de production nécessite un système composé d'un instrument de test à ultrasons, d'un logiciel spécialement adapté, de transducteurs à ultrasons et d'un bus d'entrée/sortie numérique (IO).

En plus du matériel et du logiciel à ultrasons, le système utilise un réservoir d'immersion, des montages de test spécifiques au numéro de pièce de précision, un moyen de charger et de décharger les pièces (le chargement et le déchargement peuvent être effectués manuellement ou automatiquement par un robot ou un pick-and- unité de place), et un système de contrôle pour gérer la séquence de test et séparer les pièces moulées en fonction des résultats des tests.

Les montages de test spécifiques au numéro de pièce de précision sont montés dans le réservoir d'immersion et utilisés pour positionner les pièces moulées par rapport aux transducteurs à ultrasons. Deux transducteurs ultrasonores opposés sont configurés en mode pitch-catch (ou par transmission) ; le temps de vol entre les échos ultrasonores résultants est mesuré et la vitesse du son est calculée.

L'emplacement d'essai doit être une zone sur le moulage où se trouvent deux surfaces planes et parallèles adjacentes. La précision des mesures dépend de la géométrie de coulée reproductible et du positionnement reproductible des coulées par rapport aux transducteurs. La précision mécanique et la propreté des montages sont importantes pour maintenir des résultats de test précis. Les luminaires usés doivent éventuellement être retravaillés ou remplacés.

Le principe de base de la mesure est illustré à la Figure 5. Le temps de vol des ultrasons (TOF) entre les transducteurs émetteur et récepteur est mesuré à travers le trajet de l'eau sans moulage dans l'appareil (Figure 5 ; TOF 1). Ensuite, le temps de vol représentant la trajectoire de l'eau des deux côtés de la coulée plus le temps nécessaire au son pour effectuer un aller-retour dans la coulée (Figure 5 ; TOF 2) est mesuré. La vitesse du son est calculée sur la base de l'épaisseur de la pièce et des deux valeurs TOF mesurées.

Étant donné que la température a un impact sur la vitesse du son, les variations de la température de l'eau du réservoir d'immersion peuvent entraîner une variation correspondante de la précision des mesures de la vitesse du son. Pour minimiser cet effet, le système mesure la vitesse de l'eau après chaque test de coulée et utilise ces informations pour compenser la mesure de la vitesse de coulée, fournissant des résultats précis indépendamment des variations de température de l'eau. Les variations de température de la coulée auront également une influence sur la précision de la mesure, et si la variation est extrême, un réajustement du système est nécessaire.

Le système de mesure de la vitesse du son se règle rapidement et facilement (Figures 6–11). Les paramètres de test spécifiques au numéro de pièce peuvent être créés, stockés et rappelés pour une utilisation ultérieure. Un étalonnage périodique du système est nécessaire pour maintenir la stabilité et la précision. L'étalonnage consiste à utiliser un moulage de référence avec une nodularité correcte confirmée pour ajuster le système et à confirmer que le système rejette un deuxième moulage de référence qui a une nodularité incorrecte.

Lorsque le réglage est terminé, le système passe en mode test et les pièces moulées de production peuvent maintenant être testées. Le signal Ready for Test sur le bus IO numérique indique à l'opérateur ou au système mécanique que la première coulée peut être chargée. Les utilisateurs peuvent atteindre un taux d'inspection de 15 à 30 pièces moulées par minute, la principale contrainte étant le chargement et le déchargement des pièces moulées.

Une par une, les pièces moulées sont chargées dans le montage dans le réservoir. Le logiciel reconnaît la présence des moulages en fonction des échos ultrasonores générés lors du chargement du moulage et déclenche automatiquement chaque mesure. Les mesures sont comparées aux valeurs limites de vitesse et d'épaisseur prédéfinies, et le système génère une décision d'acceptation ou de rejet à la fois comme indication sur l'écran et comme signal de sortie vers le système de contrôle. Après les tests, les pièces moulées sont déchargées de l'appareil et séparées en groupes d'acceptation et de rejet.

Pendant les tests de production, la séquence de test peut être observée via les LED sur l'interface. La pièce prête pour la pièce, la pièce en position et la décision de tri d'acceptation/rejet sont affichées sur les LED et signalées sur le bus IO numérique. Les mesures numériques de vitesse, d'épaisseur et de vitesse de l'eau sont affichées pour chaque coulée testée. Les valeurs mesurées pour chaque coulée sont tracées sur un graphique de tendance. Les pièces acceptées et rejetées ainsi que le nombre total de pièces testées sont comptés et affichés par un compteur de pièces sur l'interface opérateur. Les résultats des tests peuvent être exportés dans un fichier CSV pour une documentation et une analyse hors ligne.

Les systèmes multicanaux permettent des mesures multiples sur la même coulée ainsi que des mesures simultanées dans des lignes de traitement indépendantes. Avec un fonctionnement par canal indépendant, l'opérateur peut arrêter et ajuster un canal pendant que les autres canaux continuent à tester.

En plus de la mesure de la vitesse du son et de l'épaisseur, il est également possible de dédier des canaux sélectionnés pour effectuer des tests de défauts d'écho d'impulsion en parallèle à la mesure de la vitesse du son. Généralement, il existe deux types de tests de défauts appliqués aux pièces moulées.

La détection de stratification est utilisée pour détecter les défauts laminaires dans la section transversale d'une pièce à l'aide d'une porte de rejet positionnée entre les échos ultrasonores de la paroi avant et arrière de la pièce moulée. Les pièces moulées qui présentent une perte d'écho de la paroi avant ou de la paroi arrière, ou des signaux positifs qui dépassent le niveau de la porte de défaut, seront étiquetées défectueuses et la pièce moulée peut être rejetée.

La confirmation de la fonction de coulée surveille la position de l'écho de la paroi avant à l'intérieur d'une porte prédéfinie pour surveiller les défauts de coulée tels que le coulage court (manque de matériau à un certain emplacement de coulée) et la torsion (distorsion mécanique de la pièce). Les pièces moulées qui présentent une perte de l'écho de la paroi avant seront étiquetées comme défectueuses et la pièce moulée pourra être rejetée.

Les tests par ultrasons fournissent une méthode fiable pour mesurer la vitesse du son et, par conséquent, vérifier la nodularité des pièces en fonte ductile coulée. L'intégration de la mesure par ultrasons dans un système de test automatisé dans une ligne de production de fonderie permet une inspection rapide et fiable de 100 % des pièces de production coulées. Des montages mécaniques précis sont nécessaires pour assurer un positionnement cohérent des pièces moulées par rapport aux transducteurs à ultrasons. Le logiciel d'application permet aux utilisateurs de régler facilement le système et fournit des résultats de test stables et précis. En plus de la mesure de la vitesse du son, certains défauts de coulée peuvent également être détectés à l'aide de transducteurs dédiés et d'un canal dédié aux défauts.

Ronald B. Peoples est ingénieur principal d'applications – systèmes et intégration chez Olympus Corp. of the Americas. Pour plus d'informations, appelez le (814) 470-0169, envoyez un e-mail à [email protected] ou visitez www.olympus-ims.com.