Physique Macroscopique Ŕ Master 1ère année Université Paris 6CONTROLE NON DESTRUCTIF Richard COULETTE Snecma – Site d’Evry-Corbeil PARTIE 1 0 SOMMAIRE Introduction Les ultrasons pour application au contrôle non destructif Equipement de contrôle Contrôle non destructif par ultrasons Bibliographie 1 INTRODUCTION Les CND dans l’industrie Matériaux et défauts Techniques de CND Mise en œuvre des CND dans l’industrie 2 . pétrochimie.Introduction LES CND DANS L’INDUSTRIE Contrôle non destructif Vérification de la santé matière sans endommager la pièce ou la structure Recherche de défauts Application dans les industries sidérurgique. nucléaire. alimentaire. … Application des CND à trois stade de la vie du produit • Contrôle en cours de fabrication (élaboration matière. génie civil. automobile. ferroviaire. opération de mise en forme. aéronautique. durée de vie des produits. …) • Contrôle en réception (produit fini ou semi-fini. …) • Contrôle en service (opération de maintenance après fonctionnement. …) 3 . corps étrangers. plastiques. …) • Pouvoir séparateur : Limite physique de détection 4 .Introduction MATERIAUX ET DEFAUTS Matériaux • Métalliques. délamination. piqûres. soufflure. … . composites (organique et métallique). porosité.Hétérogénéités de nature. bétons. de forme.Inclusion.Défauts ponctuels pouvant évoluer en fatigue du type criques. … • Défauts internes . … Deux catégories de défauts • Défauts surfaciques . taches diverses. craquelures. de dimension .Défauts d’aspect : rugosité. fissures. crique. bruit électronique. … Limite de détection • Rapport Signal sur Bruit : Capacité du défaut à émerger de son environnement (bruit de structure. Neutronographie • Défauts internes : inclusions. Emission Acoustique • Défauts internes. criques. zone perméable 5 . … Ultrasons. trous. criques. Laser • Défauts débouchants : fissures. Tomographie X.Introduction TECHNIQUES DE CND Visual. hydrostatique • Défauts débouchants. Courants de Foucault • Défauts fins débouchants Radiographie X. … Ressuage. Magnétoscopie. décollement. fissures. … Thermographie infrarouge. défauts débouchants Détection sonore. Holographie. Shearographie • Délamination. de l’étalonnage. … Application des CND (Direction Production) • Personnel formé et qualifié au contrôle • Certification EN de 3 niveaux (COFREND. …) • Application des instructions de travail 6 . COSAC. des spécificités techniques. des limites d’acceptation.Introduction MISE EN ŒUVRE DES CND DANS L’INDUSTRIE Etude en laboratoire CND (Direction Technique) • • • • Recherche pour la mise au point d’un nouveau procédé Définition des développements à réaliser Essais de faisabilité Validation de la technologie retenue Procédures de CND (Direction Qualité) • Normes et spécifications générales ou procédures spécifiques • Garantir la reproductibilité et les performances du contrôle • Description des critères d’application. du principe de contrôle. de l’équipement. LES ULTRASONS POUR APPLICATION AU CND Fréquences et ondes ultrasonores Phénomènes de propagation Production et détection des ultrasons 7 . fissures. gaz) • Gamme étendue de 15 kHz (limite d’audibilité humaine) à plus de 100 MHz • Gamme de 0. criques. liquide.… • Ondes de plaque ou de Lamb -> Délamination dans une plaque Transducteur Onde de Rayleigh Déplacement des particules Onde de Lamb -> Mode symétrique Onde longitudinale Onde transversale Onde de Lamb -> Mode antisymétrique 8 .5 à 25 MHz couvre la majorité des applications industrielles Types d’ondes ultrasonores • Ondes de volume : longitudinal et transversale -> Défauts internes et débouchants • Ondes de surface ou de Rayleigh -> Défauts débouchants.Les ultrasons pour application … FREQUENCES ET ONDES ULTRASONORES Fréquences ultrasonores • Phénomène ondulatoire : vibrations mécaniques engendrées et propagées dans tout milieu (solide. 0 1.3 10-3 1480 330 avec E (module d’Young).9 VT Eau Air 1.5 2.2 5900 6300 6000 6100 4500 2700 1100 3250 3100 3000 3200 r(1 + s)(1 – 2s) E 2r(1 + s) VR 0.5 1. s (coefficient de Poisson) et r (masse volumique) Vitesse des ondes de Lamb dépend du produit de la fréquence par l’épaisseur du matériau 9 .9 4.8 2. transversales (VT) et de Rayleigh (VR) liées aux caractéristiques du matériau : VL = VT = E(1 – s) Matériau Acier Aluminium Nickel Titane Béton Plexiglas r (103 kg/m3) VL (m/s) VT (m/s) 7.7 8.Les ultrasons pour application … PHENOMENES DE PROPAGATION (1/3) Vitesses de propagation • Vitesses des ondes longitudinales (VL). V1) Milieu 2 (r2. transmise (It) et initiale (I0) : R= Ir I0 = (Z1 – Z2)2 (Z1 + Z2)2 . avec Z1 = r1 V1 et Z2 = r2 V2. d’anisotropie liées à la fréquence Réflexion et transmission en incidence normale • Relation entre pressions acoustiques transmises (pt).Les ultrasons pour application … PHENOMENES DE PROPAGATION (2/3) Atténuation ultrasonore • a coefficient d’atténuation dans I = I0 exp (-ax) • Absorption : Dissipation thermique par frottement • Diffusion : Effet de structure. impédances acoustiques des milieux 1 et 2 10 . pi pr pt pt pi = 2Z2 Z2 + Z1 Milieu 1 (r1. T= It I0 = 4Z1 Z2 (Z1 + Z2)2 . V2) • Coefficients de réflexion (R) et de transmission (T) donnés par les intensités acoustiques réfléchie (Ir). réfléchie (pr) et incidente (pi) : pr pi = Z2 – Z1 Z2 + Z1 . 1er angle : a = Arcsin (V1/V2L) (disparition des ondes longitudinales) a1 L .Les ultrasons pour application … PHENOMENES DE PROPAGATION (3/3) Réflexion. réfraction et transmission en incidence oblique • Relation de Snell-Descartes sin a1 V1 = sin a2L V2L = sin a2T L Ondes réfléchies L T a1 a2T a2L Ondes réfractées T V2T • Angles critiques . 60° et 65° • Ondes de Rayleigh (angle critique) 11 . création des ondes de Rayleigh) Onde incidente Milieu 1 (V1) Milieu 2 (V2) Ondes et angles couramment appliqués au CND • Ondes longitudinales (incidentes et transmises) à 0° • Ondes transversales réfractées à 45°.2ème angle : a = Arcsin (V1/V2L) (disparition des ondes transversales. Les ultrasons pour application … PRODUCTION ET DETECTION DES ULTRASONS Piézoélectricité • Déformation mécanique d’un matériau au propriété piézoélectrique sous l’action d’un champ électrique (effet réversible) • Pastille de type quartz. piézo-composite. céramique. … • Transducteur piézoélectrique utilisé pour engendrer et détecter les ultrasons dans tout type de matériau Magnétostriction • Interaction d’un champ magnétique Ŕ courants de Foucault donnant naissance à des vibrations mécaniques (effet réversible) • Transducteur électro-magnéto-acoustique utilisé pour engendrer et détecter les ultrasons dans les matériaux métalliques • Méthode sans contact : distance faible entre transducteur et matériau Laser • Echauffement thermique local produisant un champ de contrainte mécanique • Détection optique réalisée par interférométrie • Méthode sans contact pour matériaux métalliques et composites 12 . EQUIPEMENT DE CONTRÔLE Dispositif électronique d’excitation du transducteur Couplant Transducteurs piézo-électriques Système d’amplification du signal électrique Dispositif de présentation du signal Chaîne de contrôle 13 . graisse. jet d’eau. gel. colle. huile. buse : Contrôle par immersion complète ou semi-immersion 14 . … : Contrôle par contact • Eau.Equipement… DISPOSITIF ELECTRONIQUE D’EXCITATION DU TRANSDUCTEUR ET COUPLANT Dispositif électronique d’excitation du transducteur • Emetteur d’impulsions électriques brèves : 25 à 500 ns • Fréquence d’excitation équivalente : 1 à 20 MHz • Tension d’émission importante : 50 à 300 V • Fréquence de répétition des impulsions (ou fréquence de récurrence) : 50 à 1000 Hz (et plus) Couplant • Milieu utilisé pour permettre la transmission des ondes ultrasonores entre le transducteur et le matériau à contrôler • Film d’eau. Equipement… TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES (1/4) Constitution d’un transducteur ultrasonore Connections électriques Bloc amortisseur Matériau dense et très absorbant Dissipe l’énergie rayonnée vers l’arrière Module le spectre fréquentiel Boîtier Protection contre les chocs Assure l’étanchéité Face de protection Protection contre les chocs Assure l’étanchéité Pastille piézoélectrique Rectangulaire ou circulaire Métallisation des faces pour contact électrique Epaisseur fonction de la fréquence 15 . diamètre de la pastille piézoélectrique 16 .22 l / D avec D.Equipement… TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES (2/4) Transducteur droit (contact ou immersion) Transducteur oblique ou transducteur d’angle (contact) Transducteur double ou transducteur SE (contact) Connecteur (émission) Résine époxy Connecteur (réception) Semelle plastique Transducteur Cloison acoustique q N = D2 / 4l Zone morte Champ proche ou zone de Fresnel (N) Champ éloigné ou zone de Fraunhofer q 1. Equipement… TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES (3/4) Transducteurs focalisés (immersion) eau CE F Lentille de focalisation Pastille mise en forme 1/3 l p Diamètre tache focale dans l’eau (à -6 dB) : deau = l F / D Longueur tache focale dans l’eau (à -6 dB) : leau = 4 l (F / Longueur focale dans le matériau : lmat = (Vmat / Veau) leau Profondeur de focalisation dans le matériau : p = (Veau / Vmat) (F – CE) Veau et Vmat : Vitesses dans l’eau et dans le matériau F : Distance focale dans l’eau du transducteur D : Diamètre de la pastille piézoélectrique CE : Hauteur d’eau (ou colonne d’eau) matériau D)2 2/3 d 17 . Equipement… TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES (4/4) Transducteurs multi-élements (immersion ou contact) Réseau linéaire ou circulaire Réseau annulaire Réseau matriciel à damier Réseau sectoriel (surface plane. circulaire ou Fermat) • Chaque élément peut être piloté électroniquement en émission et en réception • Application des lois de retard pour réaliser : .Balayage électronique .Déflexion électronique 18 .Focalisation électronique . …) • Echogramme de type A-scan : Amplitude en fonction du temps ou de la profondeur Signal sinusoïdal (maximum positif ou négatif) Signal redressé Signal redressé filtré (enveloppe) 19 .Equipement… SYSTEME D’AMPLIFICATION ET DISPOSITIF DE PRESENTATION DU SIGNAL Système d’amplification du signal électrique • Signal reçu de faible niveau (quelques millivolts) • Amplification possible jusqu’à environ 100 dB (sans bruit électronique excessif) • Vérification de la linéarité avec des blocs d’étalonnage spécifiques Dispositif de présentation du signal • Signal analogique ou numérique représenté sur un écran de visualisation (ex: oscilloscope. écran. Equipement… CHAINE DE CONTRÔLE L’ensemble électronique appelé « générateur d’ultrasons » est constitué du : • Dispositif électronique d’excitation du transducteur • Système d’amplification du signal électrique • Dispositif de représentation du signal » De plus en plus de générateurs sont présentés sous forme de carte électronique. avec le logiciel d’acquisition et de traitement associés. implantée dans un ordinateur industriel Une cuve d’immersion peut être utilisé pour le contrôle par immersion • Transducteur focalisé déplacé automatiquement • Axes motorisés pilotés par ordinateur La chaîne acoustique de contrôle est donc composée par le générateur. le transducteur et la cuve d’immersion (si nécessaire) 20 . CONTRÔLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS Méthode par échographie Méthode par transmission Imagerie ultrasonore Etalonnage et sensibilité du contrôle Dimensionnement et nature des défauts 21 . CND par ultrasons METHODE PAR ECHOGRAPHIE Méthode la plus courante en contrôle non destructif Transducteur utilisé en émission et réception confondues Facilité de mise en œuvre Possibilité de localiser un défaut en profondeur dans la pièce Nécessité de parcourir deux fois l’épaisseur de la pièce à contrôler Méthode par contact Transducteur (a) Echo d’émission Echo de défaut Echo de fond Méthode transportable Inspection sur site Contrôle manuel et long Résultat du contrôle dépend de l’opérateur (b) (a) (b) Défaut Méthode par immersion Echo d’émission (c) Echo de Echo d’interface fond Echo de défaut (d) (c) (d) Contrôle automatique et précis Résultat du contrôle indépendant de l’opérateur Possibilité d’imagerie ultrasonore Equipement coûteux et non transportable Impossibilité de contrôler des pièces non immergeables 22 . CND par ultrasons METHODE PAR TRANSMISSION Méthode appliquée à des contrôles spécifiques Transducteur utilisé en émission et réception séparées et opposées Epaisseur de la pièce à contrôler parcourue une seule fois Possibilité de contrôler des pièces fortement atténuées ou plus épaisses Difficulté de mise en œuvre (e.g. désalignement des transducteurs) Impossibilité de localiser un défaut en profondeur dans la pièce Méthode sensible au changement de structure de la pièce à contrôler Méthode par immersion Méthode par contact Atténuation du signal ultrasonore Signal acoustique Défaut absence de défaut Transducteur Présence de défaut 23 . 24 .CND par ultrasons IMAGERIE ULTRASONORE Acquisition par ordinateur de signaux de type A-scan et numérisation Réalisation de cartographies ultrasonores de type B-scan et C-scan (en amplitude et/ou temps de vol) Traitement du signal et d’images des représentations ultrasonores X Transducteur X : axe d’incrément Y : axe de balayage Y Vue du dessus C-scan X B-scan Défaut Pièce à contrôler C-scan Défaut Echo d’interface Echo de défaut Echo de fond Vue en coupe B-scan Y X A-scan Défaut Porte d’acquisition électronique Profondeur Prof. CND par ultrasons ETALONNAGE ET SENSIBILITE DU CONTRÔLE Etalonnage sur cale de référence avec défauts artificiels (génératrices de trou. …) Application d’une correction électronique amplitude-distance (DAC) Cale étalon avec génératrices de trous Cale étalon avec trous à fond plat (TFP) c b e d f a Amplitude Seuil de rebut à 80% Amplitude Seuil de rebut à 80% Application du DAC Seuil d’évaluation à 40% Seuil d’évaluation à 40% a b c d e f Prof. a b c d e f Prof. trous à fond plat. 25 . …) ou sur la pièce à contrôler (réglage en amplitude et en distance) Cale de référence de même nuance matière que la pièce à contrôler Sensibilité du contrôle dépend des dimensions du défaut artificiel (diamètre du TFP. …) Forme des échos pour distinguer un défaut isolé (inclusion. porosité. …) d’un amas 26 .)2 Défaut Défaut = ATFP ADéf.CND par ultrasons DIMENSIONNEMENT ET NATURE DES DEFAUTS Méthode à Ŕ6dB • Dimensions du défaut supérieures au diamètre du faisceau acoustique • Diminution de l’amplitude de l’écho de défaut de 50% (-6 dB = 20 Log [40/80]) • Nécessité d’un défaut plan et orientation perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde Transducteur Méthode par comparaison • Dimensions du défaut inférieures au diamètre du faisceau acoustique • Etalonnage sur une cale de référence avec génératrice ou TFP • Comparaison de l’amplitude de la réponse acoustique du défaut à l’amplitude de la réponse du défaut étalon Transducteur (TFP)2 (Déf. …) ou défaut volumique (inclusion. A : amplitude : diamètre Etalonnage sur cale avec TFP Echo de défaut Echo d’émission Echo de fond 80% 40% Echo de défaut Echo de TFP Echo d’émission Echo de fond 80% 50% Echo de défaut Echo de fond Echo de fond Détermination de la nature des défauts par rotation (ou angulation) autour du défaut : Défaut plan (fissure. Royer et E. Edition Technique de l’Ingénieur. Dumont-Fillon. Mesures et Contrôle (R1400) « Essais non destructifs ». Edition Communications Actives « Ondes élastiques dans les solides ». Electronique (E1910) 27 . Lacroix. Dieulesaint. J. D.Bureau d’Etudes. (M110) « Ultrasons ». Tome 1 : Propagation libre et guidée. Caron et Y. J.-C. Edition Technique de l’Ingénieur. J.Information .BIBLIOGRAPHIE « La pratique du contrôle industriel par ultrasons ». Sapriel. Tome 1 : Opérateur . interaction acousto-optique. Le Tohic. M. Tome 2 : Génération.L Pelletier. Edition Technique de l’Ingénieur. Edition Masson « Contrôle non destructif (CND) ». J. applications.