Derrière chaque train d'engrenages qui tourne sans à-coup se cache une pièce d'acier que l'acheteur ne voit presque jamais directement : le matériau à l'intérieur de l'ébauche. Retassage de fonderie, criques de forge, replis, inclusions et criques de trempe n'apparaissent sur aucun dessin d'engrenage fini, et pourtant chacun d'eux peut mettre fin à un arbre mené, à un pignon de laminoir ou à un étage d'éolienne des mois avant la durée de vie calculée. Le magnétoscopage et le ressuage captent ce qui se trouve à la surface ou à très faible profondeur, mais les défauts enfouis quelques millimètres sous la peau leur restent invisibles, et ce sont précisément ceux qui rompent sous fatigue. Le contrôle par ultrasons, UT, est la réponse industrielle habituelle pour regarder dans le volume d'une ébauche d'engrenage en acier ou d'un engrenage fini sans le découper. Ce guide explique comment fonctionne concrètement la méthode impulsion-écho, quels types de défauts internes elle peut ou non trouver, sur quelles normes s'appuient acheteurs et ateliers, comment lire un rapport UT pour distinguer une vraie acceptation d'un simple tampon, et enfin quoi écrire dans votre ordre pour que l'inspection payée soit réellement celle que vous recevez.
Le contrôle ultrasonore impulsion-écho envoie de courtes bouffées de son haute fréquence, typiquement entre un et dix mégahertz, d'une sonde piézoélectrique vers la pièce à travers une fine couche de couplant, glycérine, gel ou huile, qui chasse l'air entre la face du transducteur et l'acier. Le son se propage dans l'acier homogène à une vitesse à peu près constante d'environ cinq mille neuf cents mètres par seconde, jusqu'à rencontrer une frontière d'impédance acoustique différente. À cette frontière, une partie de l'énergie revient directement vers la sonde et une partie continue plus loin. Sur l'écran de l'appareil, la première impulsion verticale est l'écho de surface initial, souvent appelé impulsion principale, et l'écho de la face opposée de la pièce, l'écho de fond, arrive plus tard et marque le trajet sonore complet. Tout réflecteur interne, pore, crique ou train de laitier, se situe entre la sonde et le fond et produit son propre écho à une position de l'axe horizontal qui correspond directement à la profondeur, car la profondeur égale la vitesse du son multipliée par la moitié du temps de parcours mesuré. Plus l'écho est haut à l'écran, et plus il se compare à un réflecteur de référence de dimension connue, trou à fond plat par exemple, plus le défaut est jugé grand. Des fréquences de sonde plus élevées donnent une résolution en profondeur plus fine et une sensibilité aux petits défauts, mais elles s'atténuent plus vite dans l'acier moulé ou forgé à gros grains, si bien que les sections épaisses ou grenues retombent souvent à deux ou deux virgule vingt-cinq mégahertz, tandis que les zones finies et fines acceptent cinq ou davantage. Déplacer la sonde à la main le long de la dent, de l'alésage, du moyeu et de la toile selon un motif régulier, et comparer chaque écho à une courbe distance-amplitude étalonnée, voilà comment le technicien décide si une réponse est un vrai défaut plan ou simplement de la géométrie, une clavette, un rayon ou un changement de section.
L'UT vise le volume de l'engrenage, et les défauts possibles dépendent de la façon dont l'ébauche a été faite. Dans les ébauches moulées, les caractéristiques internes dangereuses sont les retassures, la microretassure, les soufflures de gaz et les inclusions non métalliques, amas de laitier ou de sable qui coupent le trajet sonore et renvoient des échos larges et flous. Dans les ébauches forgées, l'UT cherche les criques de forge, les éclatements, les replis et les plis, typiquement formés aux extrémités ou dans les sections lourdes où la déformation fut inégale, ainsi que les trains d'inclusions non métalliques alignés sur le sens du fibrage. Après traitement thermique, l'UT est reprise, parce que la trempe peut introduire des criques de durcissement qui commencent au fond de la toile ou à la racine de la dent et ne percent jamais la surface avant que l'engrenage ne faille en service. Le choix de la méthode non destructive selon l'emplacement se justifie simplement. Le magnétoscopage et le ressuage réagissent aux discontinuités de surface ou immédiatement sous la surface, ce sont donc les outils justes pour les criques de rectification, les criques de trempe ouvertes à la peau, les plis d'usinage et les replis de forge superficiels. Ils sont bon marché, rapides et sensibles en surface, mais une cavité ou une crique enterrée à quarante millimètres dans un moyeu ne laisse nulle trace. La radiographie traverse elle aussi le volume, mais elle capture mal les défauts plans orientés, comme une fine crique de fatigue parallèle au faisceau. L'UT est donc la méthode volumétrique de référence pour les engrenages lourds : elle atteint la profondeur, est sensible aux réflecteurs plans et se pratique en atelier sans film, zone de radioprotection ni longs délais de traitement.
Les résultats UT ne valent que la norme contre laquelle on les juge, et le premier niveau de maîtrise est la personne qui effectue le balayage. La pratique industrielle exige normalement que les opérateurs détiennent une certification telle que l'ISO 9712 ou le schéma national équivalent, en contrôle ultrasonore à un niveau adapté, le niveau deux pouvant évaluer et signaler les indications, le niveau trois étant responsable de l'approbation des modes opératoires et de l'interprétation. Pour les engrenages en acier forgé, les acheteurs citent couramment des cadres d'acceptation tirés de normes comme l'EN 10228-3 pour les pièces forgées en acier, l'ASTM A388 pour les grosses pièces forgées, ou l'ISO 4992-2 pour les pièces moulées et forgées en acier utilisées dans les réducteurs, selon le secteur et le marché final. Pour les ébauches moulées, la famille pertinente est souvent l'EN 12680 partie trois pour les pièces moulées utilisées dans les machines telles que les engrenages, avec les clauses matériaux qui figurent dans les normes de dimensionnement des engrenages. Dans chaque norme, la pièce se voit attribuer une classe de qualité ou un niveau d'acceptation, du plus souple au plus strict, et les indications sont évaluées par rapport à des courbes de référence étalonnées, comme la courbe distance-amplitude, qui compense la chute naturelle de hauteur d'écho à mesure que le réflecteur s'enfonce dans l'acier. Une indication est décrite par sa taille équivalente, exprimée sous forme du diamètre d'un trou à fond plat qui donnerait la même hauteur d'écho, et par sa longueur indiquée quand un réflecteur plan de type crique est balayé le long de son grand axe. Tout ce qui dépasse la courbe de référence, ou dépasse la longueur indiquée autorisée, entre dans la zone de refus de cette classe ; tout ce qui est en dessous est acceptable pour ce service.
Un rapport UT que vous ne savez pas interpréter vaut, pour l'achat, à peu près autant que pas de rapport du tout. La première chose à vérifier est le périmètre : quelles faces, alésages, moyeux, toiles et zones de dents ont été balayés, avec quelle sonde et à quelle fréquence, et quelle part de la surface a réellement été couverte. Un rapport qui se contente d'indiquer que le contrôle ultrasonore a été réussi, sans lister les zones balayées, vous demande de faire confiance à la parole de l'atelier sur la couverture, et c'est exactement là que sont coupés les coins. Ensuite, toute indication enregistrée doit porter une position en profondeur mesurée depuis la surface balayée et une position axiale ou circonférentielle autour de l'engrenage, afin que vous puissiez distinguer si le réflecteur se trouve dans une zone de racine sollicitée, dans une toile peu chargée ou dans une zone de couronne non critique. Le rapport doit indiquer la taille équivalente et la longueur indiquée de chaque indication, la classe d'acceptation appliquée, et une conclusion claire d'acceptation ou de refus contre cette classe. La crédibilité vient de la cohérence : numéro de certification et niveau de l'opérateur, modèle de l'appareil et numéros de série de la sonde, date d'étalonnage, bloc de référence utilisé, date et heure du balayage doivent tous figurer, et le rapport doit correspondre au numéro de coulée ou au numéro de série de l'engrenage lui-même. Si un rapport ne montre aucune indication sur une pièce moulée qui porte visiblement des traces d'évent de masselotte, ou cite une classe de qualité qui n'apparaît jamais sur votre dessin, traitez-le comme un document à questionner plutôt que comme une preuve de matériau sain.
Mettre l'UT dans votre consultation, plutôt que de la découvrir au contrôle final, voilà comment rendre prévisibles le surcoût et la pénalité de délai. Indiquez explicitement la norme et la classe d'acceptation : référez-vous à l'EN 10228-3, l'ASTM A388 ou au cadre que votre client final reconnaît, et nommez le niveau que vous exigez, au lieu de demander l'UT comme si un seul niveau convenait à tout. Indiquez le moment du contrôle : la plupart des acheteurs demandent l'UT sur l'ébauche brute forgée ou moulée avant tout usinage coûteux, puis de nouveau après traitement thermique et idéalement avant la rectification finale, pour qu'une crique de trempe soit trouvée avant de devenir une ferraille à la dernière opération. Indiquez la couverture : un balayage à cent pour cent du moyeu, de la toile et de la zone des dents, ou un plan d'échantillonnage convenu pour le lot de production, et précisez quelles surfaces doivent être balayées. Indiquez si le rapport doit inclure, pour chaque indication enregistrable, la position dimensionnelle, la taille équivalente et la longueur indiquée. Indiquez si le contrôle doit être témoigné par un tiers indépendant, une société de classification, un inspecteur du propriétaire ou un laboratoire accrédité, et si vous souhaitez l'impression brute de l'écho jointe au rapport. Enfin, demandez comment l'UT affecte le prix et le délai : un balayage volumétrique complet avec témoignage tiers sur une lourde ébauche ajoute à la fois des heures d'inspection et du temps calendaire, et la réserver dès la consultation permet à l'atelier de planifier la fenêtre de balayage, la préparation de la surface de couplage et les blocs d'étalonnage avant même l'arrivée de la pièce forgée.
Le contrôle ultrasonore ne remplace pas le contrôle dimensionnel, les essais de dureté ni les contrôles visuels de surface qui composent le dossier de réception d'un engrenage. Il ajoute la seule information que ces méthodes ne peuvent vous donner : une déclaration sur le volume interne de l'acier que vous achetez. Quand la méthode, la norme, la qualification de l'opérateur, la couverture et les indications signalées sont toutes écrites, recoupées et liées au numéro de série de la pièce, l'UT devient une preuve de niveau contractuel plutôt qu'une vague promesse de bon matériau. Si vous achetez des engrenages pour laminoirs, entraînements miniers, engrenages marins, équipements énergétiques ou tout service où un moyeu éclaté ou une crique de trempe cachée arrêterait une ligne de production, spécifier l'UT impulsion-écho avec une classe d'acceptation nommée dans la consultation est un petit coût face à l'arrêt qu'un seul défaut enfoui peut provoquer.