Chapitre 2 Controle US Docs etudiants Site.pdf

Cours CND - D. KOLB - Mis à jour le 06/12/10 sur 20

Licence Pro Métrologie/Qualité - Initiation au contrôle des matériaux – D. KOLB

Chapitre 2 : Contrôle par ULTRASONS

Les ultrasons permettent un contrôle non destructif assez performant des pièces (essentiellement

métalliques). On peut ainsi : - sonder des fissures, des cavités, des inclusions métalliques, des occlusions gazeuses, etc… - mesurer ou contrôler des épaisseurs de manière très simple et quand des techniques

traditionnelles ne sont pas utilisables (exemple : contrôle de l'épaisseur résiduelle de la paroi d'une cuve contenant un produit corrosif)

Le procédé est particulièrement indiqué pour des objets de forme géométrique simple (plaque, tube, etc.). I. GENERALITES sur les US 1. NATURE des US

- Les ultrasons sont des vibrations mécaniques, de même nature que le son, mais de fréquences supérieures.

- On rappelle que la longueur d'onde, la célérité (= vitesse de propagation) et la fréquence sont

reliées par :

fCTC =⋅=λ

λ : longueur d'onde en m. f : fréquence de l'onde, en hertz (Hz) T : période de l'onde, en seconde (s) et T = 1 /f. C : célérité de l'onde, en m/s. Les valeurs de célérité des US dans les matériaux les plus courants sont consignées dans le tableau 1 de l'Annexe page 20/20 - En contrôle non destructif, pour qu'on puisse détecter un défaut, il faut que celui-ci ait une taille

au moins égal à λ/2. C'est pourquoi, on utilise des fréquences élevées, comprises en général entre 1 et 20 MHz.

0,2 MHz 20 MHz

Fréquence

SONS ……SONS ……SONS

…. Chauve-souris 50 kHz

Contrôle industriel ….

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A.N : Calculer l'ordre de grandeur du plus petit défaut décelable dans un morceau d'acier pour ces 2 fréquences. Données : Cacier= 5900 m.s-1

Réponses : Pour f = 1 MHz, ……………………………………………

Pour f = 20 MHz, ……………………………………………

- En tant qu'ondes, les US suivent toutes les lois s'y rattachant : lois de Snell-Descartes, phénomène de diffraction, interférences,… 2. Les DIVERS TYPES D'ONDES ULTRASONORES:

2.1) Ondes de COMPRESSION : - Elles se propagent parallèlement à la direction de vibration.

Figure 1 : Ondes longitudinales

- Dans le cas de surfaces d'ondes planes (ce qui est le cas sur la figure 1), on parle alors d'ondes LONGITUDINALES. (O.L.)

- Célérités des O.L. : La célérité de ces ondes (usuellement notée CL) dans un milieu homogène, isotrope et

illimité, est indépendante de f mais dépend de la nature du matériau

Exemples : Air (20°C) 340 m.s-1 Fer ≈5900 m.s-1 Eau (20°C) 1480 m.s-1 Cuivre ≈4700 m.s-1 Plexiglas ≈2700 m.s-1

Pour les matériaux solides, la célérité est liée à la masse volumique µ, au module d'Young E et au coefficient de Poisson σ par la relation :

( )( ) ( )σσµ

σ211

1−⋅+⋅

−⋅=

ECL

- Ci-contre (figure 2) une image très simpliste d'un matériau solide. On comprend intuitivement le mécanisme de propagation et l'influence des caractéristiques (masses des atomes, "raideurs" des liaisons interatomiques) sur la vitesse de propagation.

Figure 2 : Modèle élastique d'un solide. 2.2) Ondes de cisaillement :

Figure 3 : Ondes transversales

- La direction de vibration est perpendiculaire à la direction de propagation. - Dans le cas de surfaces d'ondes planes (ce qui est le cas sur la figure 3), on parle alors d'ondes TRANSVERSALES (O.T.).


- Seuls les matériaux solides (éventuellement les fluides très visqueux) sont susceptibles de propager ce type d'ondes.

- Célérités des O.T. :

Exemples : Fer 3230 m.s-1 Cuivre 2260 m.s-1 Plexiglas 1430 m.s-1

Conclusion (par rapport aux CL) : CT ≈ ………..

On a également une relation en fonction des caractéristiques élastiques du matériau :

( )σµ +=

1..2ECT

2.3) Ondes guidées : Lorsque le milieu de propagation ne peut pas être considéré comme illimité, surtout dans les

solides, les ondes sont alors guidées par les côtés limitant le milieu. En contrôle non destructif, on distingue en général deux types d'ondes guidées :

a- les ondes de surface ou ondes de Rayleigh qui n'affectent que la surface du solide sur une profondeur de l'ordre de la longueur d'onde. Pour la plupart des matériaux on a approximativement CS = 0,9.CT. b- les ondes de plaque ou ondes de Lamb qui affectent toute l'épaisseur e d'une plaque quand cette épaisseur est de l'ordre de quelques longueurs d'onde. Contrairement aux différents cas ci-dessus, la vitesse de propagation dépend alors de la fréquence ; on dit qu'il y a dispersion.

Figure 4 : Ondes de surface

3. Production des US. Pour créer une onde

mécanique il faut une excitation mécanique : L’onde peut être générée par un impact ou une force vibratoire externe. L’onde se propage ensuite de proche en proche grâce à l'oscillation des particules autour de leur position au repos.

Figure 5 : Production d'ondes US Plusieurs phénomènes permettent de produire des ondes US. Le plus utilisé est la piézo-électricité. La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous

l'action d'une contrainte mécanique (effet direct) et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique (effet inverse).

L'effet piézoélectrique a été découvert en 1880 par Pierre et Jacques Curie.


3.1) L'effet direct.

Figure 6 a) : Cristal libre. Figure 6 b) : Cristal sous contrainte.

Figure 6 c) : Cristal non piézoélectrique.

- Quand on exerce une pression sur une des faces de la lame de cristal (figure 6 a) Les ions positifs se rapprochent globalement de la face B qui se charge donc positivement. Phénomène similaire pour la face A qui se charge négativement.

- On montre que la différence de potentiel U qui se manifeste ainsi est proportionnelle à la pression appliquée.

- Rq : La taille du cristal par rapport à sa structure cristalline est essentiel (voir figure 6 c). - Si un cristal piézoélectrique reçoit une pression acoustique alternative, il se met à vibrer de

manière alternative et génère alors entre les 2 faces une tension alternative. Ce phénomène est utilisé lors de la réception d'une onde US par un palpeur.

3.2) L'effet indirect. - Si on applique une tension électrique entre les faces A et B d'un cristal du type de celui de la

figure 6, les ions attirés ou repoussés vont contribuer à déformer le cristal. - La déformation est proportionnelle à la tension appliquée. - Si on applique une tension alternative à un cristal piézoélectrique, celui-ci se met à vibrer au

même rythme que celui de la variation de la tension alternative. Ce phénomène est utilisé pour la génération des US par un palpeur.

3.3) Principaux matériaux piézoélectriques. - De nombreuses substances présentent l'effet piézoélectrique mais rares sont celles où le

phénomène est important. - Exemples : - Quartz 2,3 pm/V (Pratiquement plus utilisé) - Titanate de baryum 190 pm/V - Titanate zirconate de plomb (PZT) 270 pm/V

Figure 7 : Influence de l'application d'un champ électrique sur la structure cristallographique du PZT

Pb2+

Ti4+ ou Zr4+


3.4) Constitution d'un palpeur ultrasonore. Un palpeur (Syn. Traducteur) ultrasonore est un

dispositif permettant d'émettre et de recevoir des US.

Figure 8 : Constitution d'un palpeur

- La fréquence d'émission dépend de l'épaisseur de l'élément piézoélectrique.

- Tension d'alimentation : 100 à 400 V généralement.

- Dans le but d'avoir une amplitude de vibration maximale, on utilise le phénomène de résonance en prenant une épaisseur égale à la demi-longueur d'onde des OL qui se propagent dans la céramique.

- Le niveau du signal à la réception est faible (∼ 10 mV) Il faut amplifier le signal. Sur un appareil courant, le gain max est de 100 dB ce qui correspond à une amplification d'un facteur 105 ! (Sera revu au paragraphe II. Tableau 11)

II. Quelques caractéristiques des ondes US 1. Champ d'un émetteur US.

• En comparaison du son, les ultrasons sont relativement directifs (voir figure 9 ci-dessous)

Figure 9 : Directivité des US

• Pour quantifier la directivité d'un faisceau ultrasonore, on relève un diagramme de rayonnement I=f(θ). I : intensité ultrasonore. Correspond à une énergie par unité de surface et de temps (Unité : …………). Cela peut aussi être vu comme une …………………….(Unité : ………….) On montre que I=½.ρo.c.ω².X² ρo : masse volumique du milieu de propagation c : vitesse des US ω : :pulsation ω=2πf X : amplitude du mouvement des particules par rapport à leur position au repos. Plus concrètement, on dira que l'intensité I est proportionnelle au carré de l'amplitude du signal électrique reçu au niveau du palpeur (récepteur).

Amortisseur

Céramique piézoélectrique

ElectrodesSemelle


Figure 10 : Diagramme de rayonnement d'un palpeur US

• θo : angle de divergence. = angle de demi-ouverture du lobe principal (les lobes secondaires sont de très faibles intensités : pas détectables en TP).

On montre que DOλθ .22,1sin = D : diamètre du palpeur

Exemple : Palpeur 5 MHz D = 13 mm. Quel est son angle de divergence dans l'acier ?

……………………………………………………..…………………………………………..

Que peut-on dire de l'influence de la fréquence sur la directivité du faisceau US ?

……………………………………..………………………………………………

Remarque : Il existe des procédés de focalisation (l'équivalent de lentilles en optique).

2. Atténuation d'un faisceau US.

• L'atténuation d'un faisceau US est lié à 2 phénomènes : - la divergence du faisceau (voir figure 10) - au matériau traversé. Ce phénomène peut être modélisé par une loi de type Beer-Lambert:

xO eII .. α−= x : épaisseur traversée α : coefficient d'atténuation

Deux causes principales : l'absorption de l'onde par le milieu (= pertes thermomécaniques). Cette absorption est

proportionnelle à la fréquence. la diffusion de l'onde (=énergie deviée de sa direction) suite aux imperfections du

matériau (joints de grains, dendrites,…) • L'atténuation peut être exprimé en % de

OII ou plus souvent en décibels.

)log(.20)log(.101OO A

AIIdB == A :amplitude

θo


Rapport 0

1

AA

1 0,89 0,71 0,50 0,40 0,25 0,10 0,01 10-5 2 4 10 100

Rapport 0

1

AA

(%) 100 89 71 50 40 25 10 1 0,001

dB 0 -1 -3 -6 -8 -12 -20 -40 -100 6 12 20

Tableau 11 : Correspondance entre les décibels et les %.

Exemples de valeurs de α (pour OL 2 MHz) : Aluminium 1 à 5 dB/m Acier 5 à 50 dB/m Fonte 20 à 200 dB/m Plexiglas 500 dB/m • Aspects pratiques :

Vous devez contrôler un matériau atténuant comme la fonte. Vous avez à votre disposition 2 palpeurs : l'un de 2,25 MHz, l'autre de 5 MHz. Lequel allez-vous privilégier?

…………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………...

Avec l'apparreil à US, on peut compenser partiellement l'amortissement en jouant sur le gain de l'amplificateur. Mais l'inconvénient c'est d'amplifier également le bruit.

3. Transmission entre deux milieux.

3.1. En incidence normale. • Une partie de l'onde incidente est transmise dans le milieu 2, l'autre partie est réfléchie.

It + Ir = Io • Quelques définitions :

Coefficient de transmission : O

t

IIt =

Coefficient de réflexion : O

r

IIr =

Il est clair que t + r = 1.

Figure 12 : Transmission entre 2

milieux. Incidence normale.

• Définition : Impédance acoustique d'un milieu : Z = ρ.c où ρ est la masse volumique du milieu considéré c est la vitesse des US dans ce milieu. L'impédance acoustique caractérise l'opposition au déplacement par l'onde U.S des particules d'un milieu. Exemples :

ρ (g.cm-3) c (km/s) Z (106 kg.m-2.s-1 ) Air 0,0012 0,340 0,000442 Eau 1,0 1,48 1,5

Acier 7,7 5,90 45 Aluminium 2,7 6,32 17

Cuivre 8,9 4,70 42 PVC 1,18 2,73 3,35


Les matériaux ayant de grandes impédances acoustiques sont dits « durs » Les matériaux ayant de faibles impédances acoustiques sont dits « mous »

• On montre que 2

21

21 )(ZZZZr

+−

= et que )²(

..4

21

21

ZZZZt

+=

Figure 13

Exemples :

Pour une interface Acier / Aluminium r = ….% t = ….% Acier / Eau r = 88% t = 12% Acier / Air r = 100% t = 0%

Conclusion : Une lame d'air (d'épaisseur 1 µm à peine) est suffisante pour réfléchir toute l'énergie US. C'est sur cette propriété que se trouve basé le contrôle US (voir III.)

3.2. Rappel d'optique géométrique : Lois de Snell-Descartes.

• 1ère loi : Le rayon réfléchi et le rayon réfracté appartiennent au plan d’incidence • 2ème loi : Les angles d’incidence et de réflexion sont égaux : r = i1 • 3ème loi : L’angle d’incidence i1 et l’angle de réfraction i2 vérifient la relation : n1 sin i1 = n2 sin i2 où n1 et n2 sont les indices de réfraction des deux milieux.

Figure 14 :

• Définition de l'indice d'un milieu : ni = ……


• Exercices : Tracer la suite du rayon incident ci-dessous : a)

…………………………………………………

…………………………………………………

b)

…………………………………………………

…………………………………………………

• Angle limite de réfraction Si l’indice n1 du milieu d’incidence est plus grand que l’indice n2 du milieu dans lequel pénètre le rayon, alors il existe un angle d’incidence limite au-delà duquel le faisceau incident est totalement réfléchi.

Figure 15

La limite est atteinte lorsque i2 = 90 ° Alors : sini1limite =n2

n1

Exemple : Pour une interface eau/air , i 1 lim = …. 3.3. Lois de Snell-Descartes pour les US.

• En optique géométrique, nous avons vu que la 3° loi de Snell-descartes s'écrivait :

n1 sin i1 = n2 sin i2 avec 1

1 vcn = et

22 v

cn =

ce qu'on peut également écrire en simplifiant par c : 22

11

sin1sin1 iv

iv

=

• Pour les US, compte tenu de la possibilité d'avoir des OL ou des OT, on a :

==T

T

L

L

vi

vi

1

1

1

1 sinsin

T

T

L

L

vi

vi

2

2

2

2 sinsin=

Air

Eau 30°30°

Air

Eau n = 1,33


Figure 16 : Transmission entre 2 milieux - Incidence oblique.

• ANGLES CRITIQUES : Comme en optique géométrique (voir 3.2), si la vitesse dans le milieu 2 est plus grande que dans le milieu 1, il existe des angles d'incidence au-delà desquels il n'existe plus de rayon réfracté. Exemple : Milieu 1 = plexiglas Milieu 2 = acier

Figure 17 : Evolution des coefficients de transmission en fonction de l'angle d'incidence sur une interface plexiglas/acier


A l'aide de la figure 17, déterminer les valeurs des différents angles critiques puis retrouver ces valeurs

par un calcul.

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..


III. Le CND par US.

1. Principe de fonctionnement de l'appareil à US. • Principe de base = mesurer le temps écoulé entre l'émission d'une impulsion U.S. et la réception de celle-ci.

Figure 18 : (a) Temps de vol (b) Temps de parcours

• L'émission ne peut être continue. Pourquoi ? ………………………………………………..

………………………………………………………………………………………………………

⇒ L'émission des US (par ex de fréquence 5 MHz) se fait par impulsions (trains d'ondes) envoyées à une certaine fréquence dite de "récurrence" (de 50 à 1000 Hz typiquement)

Figure 19 : Fréquence d'examen et fréquence de récurrence

• Tout signal reçu est amplifié et visualisé sur un écran. (voir figure 17).

Figure 20 : Principe d'un appareil à US.

Sa déviation x est proportionnelle au temps de vol ∆t (voir figure 18 a). Au lieu d'être gradué en temps, l'appareil est étalonné en distance de parcours (via un ajustement avec la vitesse c des US dans le matériau) : x = ……..

Ordre de grandeur : Soit une fréquence

d'examen de 5 MHz et une fréquence de récurrence de 500 Hz. Comparer les 2 périodes?

……………………

……………………

……………………


• Remarque : Pour être exploité plus facilement, les signaux reçus sont redressés puis filtrés.

2 signal redressé

3 signal redressé filtré

1 signal sinusoïdal

Figure 21 : Dispositif de présentation du signal 2. Méthode par écho.

• Méthode de loin la plus utilisé en contrôle US • Utilisation d'un transducteur en émetteur/récepteur.

interface défaut fond Figure 22 : Méthode par écho.

• La position de l'écho du défaut entre le pic d'émission et l'écho de fond est proportionnelle à sa profondeur. • L'amplitude du pic donne une indication sur la taille du défaut. (voir III.6.) • La technique permet aussi de mesurer l'épaisseur d'un objet. • Notion de "ZONE MORTE" :

- Si la surface réfléchissante (le défaut ou le fond) est situé trop près de la surface de sondage, l'écho peut se superposer avec l'impulsion initiale. Le palpeur est dit "aveugle".

- Exemple : Soit une durée d'impulsion de 500 ns. Déterminer l'épaisseur de la zone non controlable dans l'acier.

………………………………………………

……………………………………………… Figure 23

- Solutions permettant de contrôler la partie superficielle :

…………………………………………………………………………………….

…………………………………………………………………….........................

Remarque : Sert aussi dans l'examen de pièces encore chaudes (fonderie,…) dans le

but de ………………………………………..

Utilisation d'un palpeur bi-éléments (traducteur double). Voir figure 25

Inconvénient : ………………………………………………………………..

………………………………………………………………..


Figure 24 : Palpeur avec lame de retard

Echogramme :

Figure 25 : Palpeur bi-éléments

• Technique par écho avec immersion dans l'eau (voir figure 26) Le couplage est assuré par l'eau.

Avantages : - ……………………………………………………………..

- ……………………………………………………………..

- ……………………………………………………………..

Figure 26 : Technique par immersion.


3. Utilisation de palpeurs obliques.

3.1. Problématique. • Pour que l'écho revienne sur le palpeur (voir figure 27), il faut que la direction du réflecteur (défaut) soit orthogonale au faisceau.

• Pour des défauts très désorientés par rapport à la parallèle à la surface, il faut travailler en tir d'angle.

Figure 27 : (a) : Tir droit (b) Tir d'angle (c) Tir avec rebond (d) Effet de coin

3.2. Sabot d'angle.

Figure 28 : Utilisation de palpeurs d'angles. • Les sabots sont généralement en matières plastiques (PVC, plexiglas). • On choisit généralement des angles d'incidences de manière à n'avoir que des O.T. dans le matériau à contrôler. (Retour sur le paragraphe II.3.3 page 10)

Figure 29 : Evolution des coefficients de transmission en fonction de l'angle d'incidence sur une interface plexiglas/acier

d


Exercice 1 : On veut un angle de 70° dans l'acier. Quel doit être l'angle du sabot en plexiglas?

Figure 30

………………………………………………………………………

……………………………………………………………………….

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

……………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….

………………………………………………………………………

Exercice 2 : Avec le sabot précédent, quel sera l'angle du faisceau réfracté dans l'aluminium?

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

• Les angles les plus courants dans le commerce sont : 45°, 60° et 70° (sous-entendu dans l'acier !). Certains sabots permettent l'ajustement de l'angle d'incidence (Voir Figure 31)

Figure 31

3.3. Détection et localisation d'un défaut. Quelques schémas explicatifs :

Figure 32 : Localisation d'un réflecteur.

L'appareil US mesure un temps de vol qui est ensuite traduit une distance d. A partir de la donnée de l'angle, l'appareil indique alors les coordonnées (x,z) du réflecteur R :

x = …………….. z = ………………..


Figure 33 : Contrôle de soudures. Figure 34 : Contrôle des soudures

Figure 35 : Contrôle des soudures

Figure 36 : Zone d'exploration d'une soudure.

3.4. Méthodes connexes.

Figure 37 : Méthode tandem

Figure 38 : Méthode par diffraction


4. Méthode par transmission.

• On utilise 2 palpeurs droits.

émetteur récepteur

1

2

1 2

absence de défaut présence de défaut Figure 39 : Méthode par transmission.

• Quand le signal intercepte un défaut, une partie de l'énergie est arrêtée ⇒ L'énergie parvenant au récepteur diminue. • Avantages de la technique par transmission (Souvenez-vous de la Video du CRDP "Les CND") :

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

………………………………………………………………………

• INCONVENIENTS de la technique par transmission:

………………………………………………………………………………….

………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….................

………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….................

………………………………………………………………………………….

……………………………………………………………………….................

………………………………………………………………………..………

……………………………………………………..…………………………


5. Quelques éléments sur les choix des traducteurs.

5.1. Choix de la fréquence. • Le choix du palpeur est subordonné au contrôle à effectuer. Quelques éléments :

- Défaut fin : ……………………………………………

- Repérage de la position exacte : ……………………………….

- Si fortes épaisseurs ou matériaux de structures grossières : ………………

1 MHz 2 MHz 3 MHz 5 MHz Air 0,331 0,166 0,110 0,066

Acier 5.85 2,93 1,95 1,16 Aluminium 6,22 3,11 2,07 1,24

Cuivre 4,70 2,35 1,57 0,94 Plexiglass 2,7 1,35 0,90 0,54 Fonte grise 4,60 2,30 1,53 0,92

Tableau 40 : Influence de la fréquence sur la longueur d'onde (en mm) dans différents milieux.

5.2. Choix du type de palpeur et de la méthode.

Tableau 41 : Choix du type de palpeur

Ou Avec une lame de retard


6. Notions sur le dimensionnement d'un défaut.

Figure 42 : Dimensionnement par Correction Amplitude-Distance (a) réflecteur de référence (b) Courbes CAD

Figure 43 : Dimensionnement par contour à – 6 dB.

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

…………………………………………………………………………………………………………..

ANNEXE

Tableau 1 : Vitesses des ondes longitudinales et transversales de différents matériaux

MATERIAU µ en g.cm-3 CL en m.s-1 CT en m.s-1

acier 7,8 5900 3230

aluminium 2,7 6320 3080

cuivre 8,9 4700 2260

fonte grise 7,2 4600 2160

laiton 8,5 3830 2050

plomb 11,4 2160 700

béton 2,0 4500

caoutchouc mou 0,9 1500 -

Plexiglas 1,2 2730 1430

verre crown 2,5 5660 3420

glycérine 1,3 1920 -

huile 0,8 1500 -

eau 20°C 1,0 1483 -

air sec 20°C 0,0013 340 -

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