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Un
œil thermique contrôle la qualité des soudures
 Une
aciérie et un centre de recherche ont développé un
système de contrôle automatisé de la qualité
des soudures industrielles en ligne continue. Un pyromètre optique
capte la température de la soudure au sortir de la machine. La
soudure est acceptable la moyenne des températures et leur déviation
standard sur toute sa longueur restent comprises dans des valeurs préétablies.
Les études montrent une corrélation excellente avec les
techniques d'inspection traditionnelles. Le système peut aussi
détecter toute détérioration graduelle de la qualité
de la soudure et prescrire une révision préventive de la
soudeuse.
Faite correctement, la soudure est une technique permettant de joindre
deux pièces métalliques de façon résistante
et fiable et elle est largement utilisée dans l'industrie manufacturière.
Toutefois, un contrôle strict de la qualité est essentiel
pour assurer un niveau élevé et constant de la fabrication.
Traditionnellement, une soudure est testée par inspection visuelle
et par martèlement de façon à vérifier que
les deux extrémités métalliques ont correctement
fusionné. Ces tests sont efficaces, mais ils sont qualitatifs et
en partie subjectifs. Et s'il est possible de contrôler automatiquement
différents paramètres de l'opération, tels que le
courant électrique, la pression, la vitesse, etc., aucun de ces
facteurs n'est directement lié à la qualité de la
soudure terminée.
Le projet "Steel Research" (recherche sidérurgique) a
été lancé lorsque le sidérurgiste belge Cockerill
Sambre a pris contact avec le CRM, un centre de recherches métallurgiques
à Liège, afin qu'il détermine comment éviter
les interruptions de leur ligne de recuit à Kassel. Des barres
d'acier sont soudées en ligne continue sur environ un mètre
de long au cours d'un processus automatique et continu. Les soudures défectueuses
exigent l'arrêt du processus et, dans certains cas, l'installation
peut être arrêtée pour plus de 40 heures. Cockerill
Sambre voulait une méthode rapide et objective pour évaluer
la qualité des soudures ainsi qu'un moyen de contrôler l'état
de la soudeuse pour prévenir un dysfonctionnement éventuel
avant que des soudures défectueuses ne commencent à apparaître.
Imagerie thermique
Pour obtenir une soudure correcte, le métal doit être chauffé
uniformément jusqu'à la température de fusion. Dès
lors, le CRM a examiné la possibilité de contrôler
la température de la soudure au sortir de la machine. Aux températures
concernées, de 600°C à 1000°C, la soudure émet
un puissant rayonnement infrarouge. Le CRM a donc décidé
d'utiliser une caméra infrarouge pour obtenir une image thermique
de la soudure à peine produite. La caméra est montée
afin de pouvoir visualiser la soudure 50 mm derrière le point de
fusion. Elle balaie une surface de 0,5 mm de large et de 20 mm de long
sur la largeur de la soudure. Lorsque le métal sort de la machine,
la caméra enregistre ainsi de nombreux "profils" et établit
une carte de contours en deux dimensions. L'amplitude de l'émission
infrarouge étant directement liée à la température,
le CRM était en mesure d'établir une "carte thermique"
indiquant les variations de température sur la largeur et la longueur
de la soudure. Une carte classique comprend quelque 300 profils pour une
longueur d'un mètre de soudure. L'étape suivante consistait
à utiliser cette carte pour évaluer la qualité du
processus.
Le CRM devait établir que la température enregistrée
sur la carte correspondait bien à la résistance de la soudure.
Il a donc réalisé 150 échantillons de soudures de
résistance différente et les a soumis au test d'Erichsen,
au cours duquel une plaque soudée est pliée jusqu'à
ce qu'elle cède. Les tests ont montré que la température
mesurée par la caméra était un bon indicateur de
la résistance de la soudure. Ensuite, le CRM a comparé les
cartes de 4000 soudures aux résultats des tests traditionnels par
inspection visuelle et par martèlement. Il a constaté que
la carte thermique de chaque soudure pouvait être caractérisée
d'une façon simple. D'abord, on établit la moyenne des températures
maximales pour chaque profil sur la longueur de la soudure afin d'obtenir
une température moyenne pour la soudure entière. Ensuite,
on calcule la variation de la température maximale de profil à
profil, définie à partir de la déviation standard.
Une soudure est considérée comme acceptable si la température
moyenne et la déviation standard de la température restent
dans une fourchette déterminée.
L'ordinateur conserve les données des 2000 dernières soudures
et alerte l'opérateur s'il se produit une modification de la température
de la soudure qui indiquerait une détérioration du processus.
Une réparation adéquate peut être faite avant que
la qualité ne devienne inacceptable.
Le système fonctionnait correctement, mais il y avait plusieurs
problèmes pratiques à régler. La caméra était
volumineuse et encombrante et nécessitait l'utilisation de miroirs
pour visualiser la soudure sans obstruer l'accès pour la maintenance.
Le mécanisme de balayage de la caméra utilisait des prismes
rotatifs qui exigeront une attention régulière et la fenêtre
optique était salie par la fumée des soudures et demandait
un nettoyage fréquent. A cette proximité du point de soudure,
la caméra subissait des interférences électriques.
Cette formule s'avérait finalement inutilement compliquée
et très coûteuse.
La solution du pyromètre
Lorsque le projet initial s'acheva en 1992, le CRM demanda des fonds supplémentaires
à l'Union européenne pour parvenir à une version
moins coûteuse et plus performante du système de façon
à ce qu'il puisse être commercialisé. Le nouvel équipement,
qui est développé depuis 1994, utilise un pyromètre
optique au lieu d'une caméra.
Un pyromètre est un instrument simple qui mesure la température
en captant directement l'amplitude de le rayonnement thermique d'un objet.
A la place de la caméra, une lentille oriente la radiation vers
une fibre optique de 3 mètres qui le transmet à un détecteur
infrarouge installé à une certaine distance dans une cabine
blindée. Le signal émis par le détecteur est transmis
par un autre relais optique à l'ordinateur qui contrôle le
processus de soudure. L'opérateur peut visualiser la "signature"
thermique de chaque soudure et voir si elle répond aux critères
d'acceptation, qui sont les mêmes que pour le système à
caméra infrarouge.
A la différence de la caméra, le pyromètre n'effectue
pas un balayage optique de la soudure pour établir un profil, mais
capte le rayonnement d'un point circulaire fixe de 10mm. Cela signifie
qu'il capte la température moyenne de la soudure, plutôt
qu'un profil détaillé. Les chercheurs étaient préoccupés
par la vulnérabilité du système à un positionnement
imprécis, car les électrodes de la soudeuse sont changées
chaque semaine, ce qui modifie légèrement la position de
la ligne centrale de la soudure. Mais, finalement, cela ne semble pas
poser de problème dans la pratique. Non seulement le pyromètre
est moins coûteux que la caméra, mais il est moins encombrant.
Les fibres optiques ne sont pas sensibles aux interférences électriques,
et le système dans son ensemble est plus simple à installer
et plus facile à entretenir.
Les partenaires s'apprêtent à réaliser un système
similaire applicable aux installations d'étamage. Dans ce type
de soudure, le métal est si fin (0,1-0,3mm) que le test du martèlement
l'endommagerait. Les températures plus basses, 350-500°C, requièrent
un autre type de détecteur pour le pyromètre, mais, pour
l'essentiel, le système fonctionnera de la même manière.
De nombreuses entreprises ont manifesté un intérêt
pour ce système, mais le CRM étant un centre de recherche,
il ne participe pas à sa fabrication. Il envisage de concéder
une licence d'exploitation à la société belge IRM
en vue de la production commerciale du système. Les sidérurgistes
ne sont pas les seuls utilisateurs potentiels de ce dispositif. Il devrait
aussi intéresser un grand nombre de firmes de l'industrie manufacturière
où le contrôle de la qualité des soudures est important.
Article
issu du programme européen : Technologies
industrielles et des matériaux (BRITE-EURAM/CRAFT/SMT)
http://europa.eu.int/comm/research/success/fr/success_fr.html
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