CND 1a
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Physique Macroscopique Ŕ Master 1ère année Université Paris 6 CONTROLE NON DESTRUCTIF Richard COULETTE – Sit Site e d’Ev d’Evry ry -Corbeil Snecma – -Corbeil
PARTIE 1
SOMMAIRE
Introduction
Les ultrasons pour application au contrôle non destructif
Equipement de contrôle
Contrôle non destructif par ultrasons
Bibliographie
INTRODUCTION Les
CND dans l’industrie
Matériaux et défauts
Techniques de CND
Mise
en œuvre des CND dans l’industrie
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, aéronautique, ferroviaire, automobile, pétrochimie, génie civil,
alimentaire, …
Application des CND à trois stade de la vie du produit • Contrôle en cours de fabrication (élaboration matière, opération de mise en forme, …)
Contrôle en réception (produit fini ou semi-fini, …) • Contrôle en service (opération de maintenance après fonctionnement, durée •
de vie des produits, …)
Introduction
MATERIAUX ET DEFAUTS
Matériaux • Métalliques, composites (organique et métallique), bétons, plastiques, …
Deux catégories de défauts •
Défauts surfaciques - Défauts ponctuels pouvant évoluer en fatigue du type criques, fissures, piqûres, craquelures, … - Défauts d’aspect : rugosité, taches diverses, …
•
Défauts internes - Hétérogénéités de nature, de forme, de dimension - Inclusion, crique, soufflure, porosité, délamination, corps étrangers, …
Limite de détection • Rapport Signal sur Bruit : Capacité du défaut à émerger de son environnement (bruit de structure, bruit électronique, …) •
Pouvoir séparateur : Limite physique de détection
Introduction
TECHNIQUES DE CND
Visual, Laser • Défauts débouchants : fissures, criques, trous, …
Thermographie infrarouge, Holographie, Shearographie • Délamination, décollement, …
Ressuage, Magnétoscopie, Courants de Foucault •
Défauts fins débouchants
Radiographie X, Tomographie X, Neutronographie • Défauts internes : inclusions, criques, fissures, …
Ultrasons, Emission Acoustique •
Défauts internes, défauts débouchants
Détection sonore, hydrostatique •
Défauts débouchants, zone perméable
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, de l’équipement, du principe de contrôle, de l’étalonnage, des spécificités techniques, des limites d’acceptation, …
Application des CND (Direction Production) •
Personnel formé et qualifié au contrôle
• Certification EN de 3 niveaux (COFREND, COSAC, …) •
Application des instructions de travail
LES ULTRASONS POUR APPLICATION AU CND
Fréquences et ondes ultrasonores
Phénomènes de propagation
Production et détection des ultrasons
Les ultrasons pour application …
FREQUENCES ET ONDES ULTRASONORES
Fréquences ultrasonores Phénomène ondulatoire : vibrations mécaniques engendrées et propagées dans tout milieu (solide, liquide, gaz) •
• Gamme étendue de 15 kHz (limite d’audibilité humaine) à plus de 100 MHz •
Gamme de 0.5 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, fissures, criques,… • Ondes de plaque ou de Lamb -> Délamination dans une plaque Transducteur
Onde de Rayleigh Déplacement des particules
Onde de Lamb -> Mode symétrique
Les ultrasons pour application …
PHENOMENES DE PROPAGATION (1/3)
Vitesses de propagation Vitesses des ondes longitudinales (VL), transversales (VT) et de Rayleigh (VR) liées aux caractéristiques du matériau : •
V L =
V T =
E(1 – s )
r (1 + s )(1 – 2 s ) E
2r (1 + s )
V R 0.9 V T avec E (module d’Young), s (coefficient de Poisson) et r (masse volumique)
Matériau
r (10 3 kg/m 3 ) V L (m/s) V T (m/s)
Acier
7.8
5900
3250
Aluminium
2.7
6300
3100
Nickel
8.9
6000
3000
Titane
4.5
6100
3200
Béton
2.5
4500
Plexiglas
1.2
2700
Eau
1.0
1480
Air
1.3
10 -3
1100
330
Vitesse des ondes de Lamb dépend du produit de la fréquence par
l’épaisseur du matériau
Les ultrasons pour application …
PHENOMENES DE PROPAGATION (2/3)
Atténuation ultrasonore x) • Absorption : Dissipation thermique par frottement •
coefficient d’atténuation dans I = I 0 exp (-
• Diffusion : Effet de structure, d’anisotropie
liées à la fréquence
Réflexion et transmission en incidence normale •
Relation entre pressions acoustiques transmises (p t), réfléchie (pr) et incidente (pi) : p r p i
=
Z 2 – Z 1 Z 2 + Z 1
;
p t p i
=
p i
p r
Milieu 1 ( 1, V1)
2Z 2 Z 2 + Z 1
p t
Milieu 2 ( 2, V2)
Coefficients de réflexion (R) et de transmission (T) donnés par les intensités acoustiques réfléchie (Ir), transmise (It) et initiale (I0) : •
R =
I r I 0
=
(Z 1 – Z 2 )2 (Z 1 + Z 2 )2
;
T =
I t I 0
=
4Z 1 Z 2 (Z 1 + Z 2 )2
;
Les ultrasons pour application …
PHENOMENES DE PROPAGATION (3/3)
Réflexion, réfraction et transmission en incidence oblique •
Relation de Snell-Descartes sin a 1 V 1
•
=
sin a 2L V 2L
=
sin a 2T V 2T
Angles critiques - 1er angle : a = Arcsin (V 1 /V2L)
L Ondes réfléchies L
(disparition des ondes transversales, création des ondes de Rayleigh)
1
L Onde incidente
Ondes et angles couramment appliqués au CND Ondes longitudinales (incidentes et transmises) à 0° • Ondes transversales réfractées à 45°, 60°et 65° Ondes de Rayleigh (angle critique) •
2T
1
Milieu 1 (V1)
T 2L
T
(disparition des ondes longitudinales)
- 2ème angle : a = Arcsin (V1 /V2L)
Ondes réfractées
Milieu 2 (V2)
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, céramique, piézo-composite, … • Transducteur piézoélectrique utilisé pour engendrer et détecter les ultrasons dans tout type de matériau •
Magnétostriction 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 • Interaction d’un champ magnétique Ŕ
Laser Echauffement thermique local produisant un champ de contrainte mécanique • Détection optique réalisée par interférométrie • Méthode sans contact pour matériaux métalliques et composites •
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
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, gel, huile, graisse, colle, … : Contrôle par contact • Eau, jet d’eau, buse : Contrôle par immersion complète ou semi -immersion
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
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)
Connecteur (réception)
Résine époxy
Semelle plastique Transducteur Cloison acoustique q
Zone morte
Champ proche ou zone de Fresnel (N)
Champ éloigné ou zone de Fraunhofer
N = D2 / 4 1.22 / D avec D, diamètre de la pastille piézoélectrique
Equipement…
TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES (3/4)
Transducteurs focalisés (immersion) eau
CE F Lentille de focalisation
p
Pastille mise en forme 1/3
-6 dB) : d eau = F / D Longueur tache focale dans l’eau (à -6 dB) : l eau = 4 (F / D) 2 Longueur focale dans le matériau : l mat = (V mat / V eau ) l eau Profondeur de focalisation dans le matériau :
l
Diamètre tache focale dans l’eau (à
p = (V eau / V mat ) (F – CE) V eau et V mat : Vitesses dans l’eau et dans le matériau F : Distance focale dans l’eau du transducteur D : Diamètre de la pastille piézoélectrique
2/3
d
matériau
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 - Focalisation électronique - Déflexion électronique
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 oscilloscope, écran, …)
écran de visualisation (ex:
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)
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)
CONTRÔLE NON DESTRUCTIF PAR ULTRASONS
Méthode par échographie
Méthode par transmission
Imagerie ultrasonore
Etalonnage et sensibilité du contrôle
Dimensionnement et nature des défauts
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
Echo d’émission
Transducteur
Echo de défaut
(a)
Echo de fond
Méthode transportable Inspection sur site Contrôle manuel et long Résultat du contrôle dépend de l’opérateur
(b) (b)
(a)
Défaut
Méthode par immersion Echo d’émission
(c)
Echo de Echo d’interface fond Echo de défaut
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
(d)
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
Atténuation du signal ultrasonore
Méthode par contact
Défaut
Signal acoustique
absence de défaut
Présence de défaut
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
Vue du dessus C-scan
Y
B-scan
Pièce à contrôler
Défaut
C-scan Défaut
Echo d’interface
Echo de défaut
Echo de fond
A-scan
Vue en coupe B-scan
Défaut Profondeur
Y X
X
CND par ultrasons
ETALONNAGE ET SENSIBILITE DU CONTRÔLE Etalonnage sur cale de référence avec défauts artificiels (génératrices de trou,
trous à fond plat, …) 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, …) Application
d’une correction électronique amplitude -distance (DAC) Cale étalon avec génératrices de trous
Cale étalon avec trous à fond plat (TFP)
a c b d f e
Amplitude
Amplitude
Seuil de rebut à 80%
Seuil de rebut à 80%
Application du DAC Seuil d’évaluation à 40%
Seuil d’évaluation à 40%
CND par ultrasons
DIMENSIONNEMENT ET NATURE DES DEFAUTS Méthode à Ŕ6dB
Méthode par comparaison
Dimensions du défaut supérieures au diamètre du faisceau acoustique défaut de 50% (-6 dB = 20 Log [40/80])
Dimensions du défaut inférieures au diamètre du faisceau acoustique • Etalonnage sur une cale de référence avec génératrice ou TFP
• Nécessité d’un défaut plan et orientation
• Comparaison de l’amplitude de la
perpendiculaire à la direction de
réponse acoustique du défaut à
•
• Diminution de l’amplitude de l’écho de
propagation de l’onde
•
l’amplitude de la réponse du défaut étalon
Transducteur
Transducteur
)2 ( TFP )2 ( Déf.
=
ATFP ADéf.
A : amplitude : diamètre Défaut
Défaut Echo de fond
Echo de défaut
Echo d’émission
80% Echo de fond
40%
Echo de défaut
Etalonnage sur cale avec TFP Echo de TFP
Echo d’émission
80% Echo de fond
Echo de fond
Echo de 50% défaut
Détermination de la nature des défauts par rotation (ou angulation) autour du
défaut : Défaut plan (fissure, …) ou défaut volumique (inclusion, porosité, …)
BIBLIOGRAPHIE « La pratique du contrôle industriel par ultrasons », Tome 1 : Opérateur - Information - Bureau d’Etudes,
J.L Pelletier, J.-C. Caron et Y. Le Tohic, Edition Communications Actives
« Ondes élastiques dans les solides », Tome 1 : Propagation libre et guidée, Tome 2 : Génération, interaction acousto-optique, applications,
D. Royer et E. Dieulesaint, Edition Masson
« Contrôle non destructif (CND) », J. Dumont-Fillon, Edition Technique de l’Ingénieur, Mesures et Contrôle (R1400)
« Essais non destructifs », M. Lacroix, Edition Technique de l’Ingénieur, (M110)
« Ultrasons », J. Sapriel, Edition Technique de l’Ingénieur, Electronique (E1910)
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