CND 1a

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)