Mosaics, contrôle de soudures austénitiques

La simulation d’une méthode de Contrôle Non Destructif présente un certain nombre d’intérêts pour un utilisateur : réduction des coûts et optimisation des performances dans la mise au point des méthodes de contrôle et dans leur qualification, aide à l’interprétation des résultats et à la compréhension des phénomènes physiques.
Dans le cas du contrôle des soudures austénitiques, les études menées jusqu’à présent ont été restreintes à des configurations 2D et à un procédé de soudage spécifique (à l’électrode enrobée). Or, les nouvelles applications industrielles présentent des géométries et des matériaux de plus en plus complexes, dont l’étude nécessite la prise en compte de configurations 3D.

L'objectif du projet est de développer et valider des outils de simulation adaptés au contrôle ultrasonore des soudures austénitiques pour des configurations 3D, afin de fiabiliser les contrôles non destructifs de ce type de soudures présentes sur les installations d'EDF et de DCNS. Le projet fera, entre autres, émerger au sein de la plate-forme CIVA un nouveau module pour la modélisation du Contrôle Non Destructif des soudures austénitiques.

 

 

Les soudures, présentes sur les installations d’EDF et les constructions de DCNS, sont soumises à des sollicitations mécaniques et thermiques qui peuvent générer l’apparition de défauts en service qu’il est primordial, pour des raisons de sûreté, de pouvoir détecter de façon fiable. Cependant, les soudures multi-passes austénitiques sont caractérisées par des structures à la fois anisotropes et hétérogènes qui engendrent de nombreuses perturbations du faisceau ultrasonore lors d’une inspection. C’est pourquoi, actuellement, les procédés industriels existants présentent des limites pour le contrôle de ce type de matériau, et le projet MOSAICS a pour objectif de faire disparaître ces limites.

 

 

OPTIMISATION DES TECHNIQUES DE CONTRÔLES

La simulation permet le développement et l’optimisation de techniques de contrôles. Elle est amenée à jouer un rôle de plus en plus important en tant qu’aide à la conception de capteurs, de soutien à la qualification technique et à la démonstration de performances, d’expertise et d’aide au diagnostic de défauts. Dans le cas des soudures austénitiques, la simulation peut également être utilisée comme aide à la préconisation d’une procédure de soudage. En effet, des études paramétriques peuvent permettre d’orienter le choix de certains paramètres (enchaînement des passes par exemple) qui influent sur la propagation ultrasonore.

 

RÉDUIRE LE NOMBRE D'ESSAIS EXPÉRIMENTAUX

Pour répondre aux objectifs ambitieux du projet, la simulation doit pouvoir traiter des configurations d’inspections industrielles réalistes, c’est-à-dire prenant en compte l’ensemble des paramètres mis en jeu lors du contrôle (matériaux, défauts, capteurs, géométries). La possibilité de lancer des études paramétriques en faisant varier les valeurs de ces paramètres influents présente un autre intérêt de la simulation, car cela permet de réduire le nombre d’essais expérimentaux et donc de maquettes à réaliser pour les démonstrations de performances. Enfin, les différents types de visualisation des résultats du calcul sont très utiles pour comprendre l’origine des différents phénomènes perturbateurs, comme par exemple la présence d’échos ultrasonores parasites.

CODES EXISTANTS et en cours de développement

En France, deux codes de simulation complémentaires sont développés pour traiter la problématique du contrôle ultrasonore des métaux polycristallins à structure à la fois anisotrope et hétérogène.

 

• D’une part, le code aux éléments finis ATHENA, développé par EDF R&D, permet d’étudier la propagation dans ces matériaux ainsi que l’interaction du faisceau avec des défauts de forme complexe. L’intérêt d’un code « exact » aux éléments finis est de permettre la simulation de tous les phénomènes de propagation et d’interaction, y compris les phénomènes de conversion de mode pouvant générer des échos parasites. Seule la version 2D est opérationnelle, ce qui constitue la limite actuelle du code. Une version 3D est développée dans le cadre du projet. Elle prend en compte l'anisotropie du matériau dans toutes les directions mais permet également de modéliser des capteurs et des défauts avec des caractéristiques 3D.

• D’autre part, le logiciel CIVA, développé par le CEA, propose des modules de calcul de champ et de calcul d’échos basés sur des formulations semi-analytiques. Ces modules permettent entre autre de définir des configurations de calcul 3D complexes en termes de défauts, de traducteurs et de géométries. La prise en compte de soudures austénitiques est également possible, avec des limites d’application liées aux hypothèses simplificatrices imposées par les méthodes semi-analytiques. En particulier, certains des phénomènes de propagation complexes générés par la structure hétérogène des soudures, tels que les ondes surfaciques à l’interface entre deux milieux de constitution différente, sont pris en compte de manière imparfaite. Dans le cadre du projet, la propagation ultrasonore dans des structures anisotropes et hétérogène est améliorée grâce à une description doucement inhomogène de la soudure et à un tracé de rayon dynamique.

La complémentarité de ces deux codes, ATHENA et CIVA, est indispensable à une analyse 3D pertinente du contrôle ultrasonore des soudures mises en jeu. Pour utiliser au mieux cette complémentarité, un code hybride couplant les deux approches est en cours de développement. Son principe est d’utiliser les modules de CIVA pour la génération du faisceau d’ondes dans le matériau, et une boîte aux éléments finis de taille restreinte pour calculer l’interaction du faisceau avec le défaut ou une structure complexe.

• Les partenaires académiques (INSA de Lyon et l'Université de la Méditerranée) développent des configuration et des modèles pour déterminer les propriétés matériau à utiliser en données d'entrée dans les codes de modélisation (orientation des grains, propriétés élastiques et coefficients d'atténuation).  

Le projet rassemble les partenaires suivants :

 

CEA LIST

Le Laboratoire d’Intégration des Systèmes et des technologies (LIST) du CEA est un centre de recherche technologique sur les systèmes à logiciel prépondérant organisé selon trois thématiques présentant de forts enjeux sociétaux et économiques : les Systèmes Embarqués, les Systèmes Interactifs, les Capteurs et le traitement du signal. Dans le domaine du CND, le CEA LIST est l’un des grands laboratoires de recherche au niveau international et dispose d’une très grande expertise. Un département de 100 personnes est dédié aux activités de recherche et développement autour de deux axes qui sont d’une part la modélisation, la simulation et le traitement des données et d’autre part l’instrumentation et la conception de capteurs et de méthodes innovantes, pour les techniques en ultrasons, courants de Foucault et radiographie.

Le CEA LIST développe la plate-forme de simulation CIVA qui est une plate-forme multi-techniques (ultrasons, méthodes électromagnétiques, radiographie) disposant d’interfaces métier et de nombreuses fonctionnalités. Elle offre aujourd’hui une gamme de modules de simulation complète en termes de propagation du champ ultrasonore et d’interaction entre l’onde et le défaut, sur laquelle s’appuiera en partie le projet. Les modèles ont fait l’objet de validations expérimentales, notamment dans le cadre de benchmarks internationaux et de comparaisons inter-modèles.

Le CEA LIST possède également de fortes compétences et expériences en instrumentation, ainsi que de nombreux moyens expérimentaux (cuves ultrasonores et autres dispositifs d’acquisitions de données ultrasonores). L’activité est focalisée sur les techniques multi-éléments avec en particulier le développement de nouvelles technologies de capteurs telles que les traducteurs ultrasonores conformables, réseaux matriciels souples et « intelligents ».

 

 

DCNS

DCNS est le maître d’œuvre français des systèmes navals militaires. De plus, le maintien en conditions opérationnelles (MCO) constitue un de ses axes de développement important, et cela se traduit par une volonté d’adaptation des propositions de prestations en Contrôles Non Destructifs conforme aux exigences des contrats de maintenance liés avec la Marine Nationale.

Le laboratoire Matériaux de DCNS réalise l’ensemble des études et des expertises matériaux pour le groupe DCNS. Il assure en particulier la qualification et le développement des techniques de soudages mises en oeuvre en atelier et développe les méthodes de CND associées. Son expertise systématique des cas d’avaries lui permet d’avoir un retour d’expérience important.

Au sein de ce laboratoire, le service CND développe et utilise des procédés d’examens ultrasonores mettant en oeuvre des capteurs contacts ou en immersion, mono ou multi-éléments associés à des mécanismes de cartographie encodés ou motorisés. L’origine historique, la position géographique du laboratoire situé sur le site de fabrication des chaufferies nucléaires embarquées de la propulsion navale et ses missions (responsabilité du suivi en service des chaufferies nucléaires embarquées) lui ont permis d’avoir un retour d’expérience important dans le domaine du contrôle des soudures austénitiques.

 

EDF R&D

EDF R&D est coordinateur du projet.

Les laboratoires d’EDF R&D réalisent depuis longtemps des projets dans le domaine des CND afin d’évaluer, assurer et améliorer les performances des contrôles mis en oeuvre sur le parc électro-nucléaire. EDF R&D est organisée en départements dont trois sont impliqués dans le présent projet. Le département MMC (Matériaux et Mécanique des Composants) dispose de compétences importantes dans les domaines du CND et de la science des matériaux. Le département MRI possède des compétences spécifiques en modélisation multiphysique et multi-échelle du soudage. Enfin, le département SINETICS (Simulation Neutronique Technologies de l’Information et Calcul Scientifique) développe différents codes dans le domaine des CND : le code aux éléments finis ATHENA pour le contrôle ultrasonore, le code MODERATO utilisant une méthode MONTE-CARLO pour le contrôle radiographique.

En plus du CEA, partenaire historique, EDF R&D a monté des partenariats scientifiques avec différents laboratoires universitaires. Dans le domaine de la science des matériaux, le laboratoire MATEIS de l’INSA de Lyon est identifié comme partenaire stratégique du département MMC d’EDF R&D. Le code ATHENA a été développé en collaboration avec le laboratoire POEMS de l’INRIA. Le modèle MINA a quant à lui été développé dans le cadre d’une thèse en collaboration avec le LCND de l’Université de la Méditerranée. Enfin EDF R&D contribue activement au GDR-Ondes (GDR 2451) et GDR-Ultrasons (GDR 2501).

EDF R&D dispose également de nombreux moyens expérimentaux, que ce soit dans le domaine des CND (cuves de contrôle ultrasonore avec systèmes d’acquisitions automatisés), ou la caractérisation des matériaux (MEB avec système d’analyse EBSD, appareils de diffraction à rayons X, système d’analyse d’images).
Enfin, EDF R&D est équipée de postes de soudage (automatisé ou robotisé) permettant de couvrir une vaste gamme de procédé de soudage à l’arc, dont deux postes de soudage TIG et un poste de soudage sous flux.

 

extende

Fondée fin 2009, EXTENDE a pour mission d’apporter des solutions concrètes et efficientes en CND fondées sur la simulation et le raisonnement intellectuel. EXTENDE veut participer à la fiabilisation et l’optimisation des performances CND afin d’améliorer la compétitivité des entreprises clientes.

EXTENDE est distributeur de la plate-forme logicielle CIVA développée par le CEA LIST.

Cette offre est accompagnée d’une prestation de services regroupant le support technique CIVA, la formation logicielle, la réalisation d’études de simulation ainsi que le conseil en CND via une assistance technique disponible aux différentes phases de l’élaboration et de la mise en oeuvre d’un procédé CND.

EXTENDE rassemble des spécialistes de la modélisation CIVA doublés d’une expérience opérationnelle et industrielle lui conférant une légitimité toute particulière pour incarner le lien entre le monde de la Recherche et la communauté des utilisateurs industriels de codes de modélisation. Fournisseur d’innovations, EXTENDE accompagne l’effort de R&D déployée autour de la plate-forme CIVA qui est capitalisée dans celle-ci. Un accord de R&D lie EXTENDE et le CEA-LIST. De plus, EXTENDE est contributeur dans le projet ANR-COSINUS MACSIM et a proposé déjà sa participation dans le cadre d’autres montages de projets de recherche et développement.

 

LCND (Université de la méditerranée)

Le LCND est actuellement laboratoire de l’Université de la Méditerranée, et laboratoire d’accueil de l’Ecole Doctorale 353 « Sciences pour l’ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique ». Le LCND a présenté à l’AERES en janvier 2011 sa demande de rapprochement avec le LMA (UPR 7051) pour le quadriennal 2012. L’effectif est, pour 2010-2011, de 20 personnes dont 10 encadrants (3 encadrants HDR et 7 encadrants docteurs en fin 2010).

Le thème de recherche principal concerne la caractérisation non destructive par ultrasons des matériaux et structures réels, avec 4 sous-thèmes :
 

• Etude et modélisation des matériaux et structures réels à caractériser (prise en compte du matériau à l’échelle nécessaire, recherche des causes de diffusion, étude de modèles plus performants à partir de l’intégration de certaines connaissances a priori).
• Etude et modélisation de la propagation ultrasonore, avec prise en compte de l’hétérogénéité, l’anisotropie, la multidiffusion, l’atténuation et du bruit de structure.
• Méthodes expérimentales et validation sur pièces réelles (réalité du matériau, de la géométrie, avec atténuation et bruit), avec un faisceau ultrasonore réel (divergence, largeur de bande), et validation avec prise en compte de l’incertitude de mesure.
• Optimisation du diagnostic (inversion du modèle direct, selon expérimentations obtenues sur pièce réelle, éventuellement fusion de données de CND, traitement d’image ou de signal).

 

Le LCND a participé (2006-2010) à 3 programmes de recherche ANR, « ACTENA », « SENSO » et « SISTAE ». Il fait partie du GDR 2501 « Propagation ultrasonore en vue du CND », et est responsable du Thème « Bruit de Structure ». Ce GDR devient International en 2011. Le LCND est actuellement engagé dans le programme FUI « CRISTAL » (2009-2012) sur la caractérisation du procédé « Carbone Forgé » pour lequel seuls les h.mois d’un doctorant ont été comptabilisées. Le LCND participe aussi au dépôt d’un autre projet ANR Villes Durables « EVADEOS ». Enfin, le LCND pilote le projet ANR Blanc MACS-ADH (collage structural) déposé en janvier 2011.
Le LCND a une expertise reconnue depuis de nombreuses années dans le domaine du CND des soudures complexes avec 5 thèses soutenues, plusieurs contrats de recherche avec EDF, le CEA, et avec notamment le développement du modèle MINA.

 

mateis (INSA de Lyon)

Evaluation Non Destructive et Durée de Vie des Matériaux (ENDV) est un groupe transversal du laboratoire MATEriaux Ingéniérie et Science (MATEIS) de l’INSA de Lyon développant ses propres thématiques de recherche dans trois domaines spécifiques : la caractérisation non destructive par ultrasons, le traitement des données d’émission acoustique, la modélisation micromécanique. Les applications concernent tous les types de matériaux étudiés dans les autres groupes de recherche du laboratoire : céramique, métaux, polymères, composites.

Le groupe est né de la fusion d’une équipe d’évaluation non destructive avec une petite équipe de modélisation micromécanique et combine ainsi un continuum de compétences en modélisation et en expérimentation, dans des domaines allant de la micromécanique et de l’acoustique au traitement de données et aux approches de physique statistique.

En ce qui concerne plus particulièrement la caractérisation non-destructive des matériaux et le suivi de leur endommagement, ENDV-MATEIS, a développé des compétences dans le domaine des ultrasons, des courants de Foucault et de l’émission acoustique. ENDV-MATEIS dispose de moyens expérimentaux spécifiques développés pour la plupart en interne, dans le cadre de thèses (cuve d’imagerie ultrasonore en ondes de volume et de surface, microscopie acoustique, vibromètre laser, banc de mesure des constantes d’élasticité en incidence variable, dispositifs intégrés dédiés au SHM, systèmes industriels d’émission acoustique).

ENDV-MATEIS et EDF R&D ont collaboré à plusieurs reprises sur le sujet de la caractérisation des constantes d’élasticité et de l’atténuation dans les soudures en acier inoxydable austénitique. Les résultats obtenus ont contribué à la validation du code ATHENA.

 

1 - Coordination : 2011

 

2 - Détermination et redaction des specifications techniques : 2011-2012

      

 

3 - Développement des codes de calculs : 2011-2014

Développement du code ATHENA 3D

 

 

Développement des modules de CIVA

 

 

Développement du code hybride CIVA-ATHENA

      

 

4 - caracterisation et modélisation du matériau : 2011-2014

Caractérisation des soudures par expertise métallurgique

 

 

Caractérisation des soudures par techniques ultrasonores

 

Optimisation de la description du matériau par méthode d'inversion à l'aide du code MINA

 

5 - validation experimentale et exploitation des codes et modèles

Validation des codes de simulation

 

Validation des modèles de description de soudure

 

Analyse de sensibilité d'une simulation de CND ultrasonore d'une soudure

 

 

6 - valorisation

Les résultats du projet MOSAICS ont été présentés dans différents congrès (BINDT en 2013, QNDE en 2014, COFREND en 2014 et ECNDT en 2014)