Les Contrôles Non Destructifs

LES CONTROLES NON DESTRUCTIFS

I – PRESENTATION :

11 – Définition :

L'appellation Contrôles Non Destructifs (CND) ou Essais Non Destructifs (END) fait naturellement penser au diagnostic que le médecin formule lors de l'examen de son patient. Le même principe appliqué aux pièces mécaniques consiste à mettre en oeuvre des méthodes d'investigation pour permettre d'apprécier sans destruction, l'état de santé des pièces et de formuler un avis sur leur aptitude à remplir la fonction à laquelle elles sont destinées. Dans la pratique, les spécialistes en CND chargés de l'inspection sont confrontés à des problèmes d'interprétation de résultats de contrôles par rapport à des critères établis en liaison avec le concepteur de la pièce. Dans cet esprit, la définition suivante des CND apparaît proche de la réalité industrielle : Il s'agit de « qualifier, sans nécessairement quantifier, l'état d'un produit, sans altération de ses caractéristiques ». CND : ensemble des procédés d'examen de pièces qui permet de s'assurer de l'absence de défauts qui pourraient nuire à leur tenue en service. L'exécution de cette tâche nécessite une bonne connaissance des techniques d'investigation mises en oeuvre, de leurs limites et surtout, une adéquation parfaite entre le pouvoir de détection de chaque technique et les critères appliqués pour la mise en œuvre. Un accent important est porté actuellement à la formation des opérateurs en CND. Un organisme national, la Confédération Française des Essais Non Destructifs (COFREND), s'efforce de promouvoir les travaux de recherches engagés par les laboratoires spécialisés et les fabricants de matériel, de coordonner les actions de normalisation et surtout de sanctionner au travers de la certification, l'aptitude des opérateurs à remplir les tâches qui leur sont confiées. C'est une technique en pleine évolution, où les moyens informatiques prennent de plus en plus d'importance pour l'automatisation des techniques, le traitement des signaux et des données recueillies par les capteurs.

12 – CND et Maintenance : Les CND sont principalement utilisés par les services de production pour pouvoir garantir que les pièces fabriquées ne contiennent pas de défaut matière (lors de l’élaboration) ou de défaut de fabrication. Dans le cadre très particulier de la maintenance, les CND sont appliqués au coup par coup et suivant le secteur d’activité auquel on appartient. Lorsqu'un élément casse, la cause n'est pas évidente. Après étude de la cassure, on peut émettre des hypothèses :

• Pièce non adaptée aux charges en présence • Mauvaises conditions de travail • Amorces de rupture dues aux traitements thermiques, à l'usinage, etc. • Elaboration défectueuse: criques, inclusions, etc.



II est nécessaire alors de remonter sur le système un élément neuf sans imperfections, gage de fiabilité (nombreuses heures de pannes évitées). C'est le cas des pièces de sécurité : si fissures, alors accident grave possible en cas de rupture. Remarque: une fissure peut ne pas nuire au bon fonctionnement de l'élément dans des conditions normales de sécurité. C'est son évolution qui est à prendre en compte afin d'intervenir avant rupture. Les CND trouvent leurs applications dans le contrôle et la surveillance des installations suivantes par exemple :

• Contrôle de l’usure des tuyauteries d’une chaufferie ; • Surveillance de la structure d’un avion ; • Vérification de l’état d’une pièce de sécurité très chargée (fissuration) ; • Contrôle d’une pièce avant son remontage afin d’éviter toute casse ultérieure ; • Vérification des soudures d’une pièce ; • Etc.

Les CND ont pour objectifs de détecter les défauts matière, les défauts de fabrication (soudure, fonderie), les défauts dus à la fatigue (fissuration) qui ne sont pas détectables visuellement et qui occasionnent des casses du matériel. En maintenance, l’important c’est de suivre l’évolution de ces défauts (vitesse de propagation) et de changer la pièce juste avant que la pièce ne casse.

13 – Les défauts rencontrés : Les défauts que l’on peut rencontrer en maintenance ont trois origines.

• défauts d’élaboration et de transformation : • Pièces moulées : retassures, soufflures, criques • Pièces forgées : crevasses, craquelures • Pièces laminées: inclusions dans la barre • Pièces étirées : criques de surface

• défauts de fabrication ou d’assemblage : • Pièces soudées: inclusions, soufflures, caniveaux près des cordons de soudure • Traitements thermiques: tapures, criques • Usinage : criques de rectification, pièces agressées par l'environnement (corrosion), rayures d'outils

• défauts de fonctionnement : fatigue, contraintes excessives Défauts d’élaboration :

Retassure : défaut débouchant provoqué par la contraction du métal après le passage de l’état liquide à l’état solide.

Soufflure : défaut interne, poche gazeuse emprisonnée au cours de la solidification.



Crique : défaut débouchant, déchirure de la peau d’une pièce liée à de fortes tensions lors du refroidissement.

Défauts de fabrication ou d’assemblage : Ecrouissage, échauffement (lors de l’usinage) : criques superficielles provoquées par la modification de dureté superficielle. Tapure de trempe : défaut débouchant lié aux contraintes excessives engendrées par le cycle thermique. Défauts de soudage : inclusions, soufflures, manque de pénétration, fissures, etc.

INCLUSION

FISSURE AU RACCORDEMENT

Défauts de fonctionnement :

Les défauts de fonctionnement sont essentiellement fonction des conditions d’utilisation des pièces et de leur qualité intrinsèque avant utilisation.

Rupture statique : la pièce rompt sous l’action d’une contrainte excessive.

Rupture par fatigue et fatigue thermique : la rupture est précédée d’une crique s’initiant généralement sur un défaut existant qui évolue sous l’action des sollicitations répétées.



II – LES 6 METHODES COMMUNES : Les CND peuvent s’effectuer selon les méthodes suivantes :

• Procédés optiques • Ressuage • Particules magnétiques • Radiographie • Courants de Foucault • Ultrasons

21 – L’inspection visuelle : C’est la méthode la plus simple et la plus commune. L’appareillage comprend des loupes, des miroirs, des endoscopes, des caméras vidéo, etc. On peut même utiliser des robots pour inspecter des endroits dangereux ou difficiles d’accès tels les réseaux de canalisation et les réacteurs nucléaires.

22 – Le ressuage : C’est une méthode qui s’effectue selon le processus suivant :

1. Application d’un liquide pénétrant à la surface de la pièce suivie d’un temps d’imprégnation

2. Élimination de l’excès de pénétrant 3. Déposition d’une couche de révélateur (poudre) qui fait ressortir le

pénétrant et l’étale autour des fissures 4. Inspection visuelle sous une lumière UV

23 – La magnétoscopie : C’est une méthode qui s’effectue selon le processus suivant :

1. Magnétisation de la pièce 2. Application d’une poudre ferromagnétique fluorescente 3. Les particules sont attirées par le flux magnétique et s’agglutinent au-

dessus des défauts 4. Observation des indications sous un éclairage approprié



24 – Radiographie : Une pièce est placée entre la source de radiation et le film. Plus le matériau traversé est dense, plus il absorbe le rayonnement. L’intensité de gris du film est proportionnelle à l’intensité du rayonnement.

25 – Les courants de Foucault :

C’est une méthode de contrôle qui consiste à créer, dans un matériau conducteur, un courant induit par un champ magnétique variable. Ces courants induits, appelés courants de Foucault, circulent localement, à la surface du matériau. La présence d’une discontinuité à la surface de la pièce contrôlée perturbe la circulation des courants entraînant une variation de l’impédance apparente de la sonde de contrôle.



26 – Les ultrasons : C’est une méthode de contrôle qui consiste à transmettre des impulsions acoustiques de hautes fréquences (les ultrasons) dans un matériau. Ces ondes se propagent dans le matériau suivant différents modes de propagation. La présence d’une discontinuité sur le trajet des ultrasons provoque la réflexion partielle des impulsions. Le signal réfléchi est recueilli par un transducteur ultrasonore.

III – DOMAINES D’APPLICATION :

Centrales nucléaire : périodiquement, les centrales sont mises hors service afin d’être inspectées. Des sondes à courant de Foucault sont introduites dans les tubes échangeur de chaleur pour vérifier la présence de dommages dus à la corrosion.

Câbles d’acier : des dispositifs électromagnétiques et des inspections visuelles sont utilisés afin de détecter des brins brisés ou d’autres dommages aux câbles utilisés dans les remonte-pentes, les grues et autres équipements de levage.

Réservoir : des robots sur chenilles utilisent des ultrasons pour inspecter les parois de larges réservoirs hors terre afin de détecter des signes d’amincissement dû à la corrosion.

Etc.




App

licat

ions

Défauts Ressuage Magnétoscopie Radiographie Ultrasons Courants de Foucault Optique

Font

es Porosité x x

Discontinuités de surface x x x x Vides x x Impuretés, inclusions x x

Pièc

es

forg

ées

Coutures de surface, pliages x Inclusions x x Eclatements x x Fissures x x x x

Pièc

es

lam

inée

s Fissures, repliements x x x Marques de laminage x x x Inclusions x x x Défauts internes alignés x x x Alignements d'oxydation x x x

Soud

ures

Fusions incomplètes x x x Manques de pénétration x x x Fissures x x x x Impuretés non métalliques x x x Porosité x x x

Prod

uits

fini

s

Fissures de TTh x x x x x Fissures de rectification x x x Fissures de déformation à froid x x x Fissures du revêtement métallique x x x x

Mai

nte-

nanc

e Fissures de fatigue x x x x x Concentration de contraintes x x x x x Corrosion x x x

Mat

éria

ux c

ompo

site

s Fissures et inclusions x x Décollages, délaminages x Epaisseurs de couches non ferromagnétiques sur substrats ferromagnétiques x Epaisseurs de couches non conductrices sur substrats non ferromagnétiques x


L’examen visuel : L'examen visuel est une technique de CND très simple de mise en oeuvre mais riche d'enseignements. En effet, il va permettre de préciser le mécanisme mis en jeu dans toutes les autres techniques. Une évolution se manifeste actuellement pour traduire les résultats d'un CND sous la forme d'une image numérisée. De plus, les capteurs de mesure font de plus en plus appel à des systèmes optoélectroniques réalisant la conversion de photons en électrons. L'observation de la surface d'un objet nécessite une source de lumière d'intensité et de longueur d'onde compatibles avec l'aptitude naturelle de l'œil de l'opérateur exécutant l'examen. Le processus mis en jeu (illustré par la figure ci-dessous) se décompose en 3 phases essentielles :

• La phase d'excitation qui consiste à produire le faisceau lumineux. • La phase de perturbation qui consiste à placer la pièce dans le champ optique du faisceau et rechercher

son orientation la plus favorable pour la mise en évidence d'éventuels défauts de surface. • La phase de révélation qui consiste à placer l'œil dans le champ du faisceau réfléchi par la surface de la

pièce.

EXCITATION

REVELATION

PERTURBATION




Ces 3 phases sont étroitement dépendantes les unes des autres et on remarque l'importance des paramètres suivants :

ce de la pièce dont les irrégularités se comportent comme autant de

s-à-vis de la quantité émise par la source,

dans un domaine de longueur d'onde bien

contrôle pour un tel examen doit préciser ces paramètres en fixant des valeurs limites acceptables

• Le caractère directif des ondes incidentes et réfléchies, • La nature du rayonnement de la source, • L'angle d'incidence par rapport à la surfa

miroirs renvoyant la lumière dans toutes les directions, • La propreté et la rugosité de la surface de la pièce, • La faible proportion des rayons réfléchis vers l'œil vi• Les distances entre la source et la pièce et entre l'oeil et la pièce, • Les anomalies de perception de l'œil et sa sensibilité optimale

précis. La procédure depour chacun d'eux.

Généralisation du principe aux différentes techniques : loyées actuellement peuvent être classées en 2

alisée en surface

e famille concerne les méthodes dites volumiques pour lesquelles l'anomalie est localisée dans le

ion de l'anomalie

dans le cadre de l'examen

L'excitation est bien souvent caractérisée par un rayonnement de nature électromagnétique ou une vibration

s cas de figure par la pièce et l'anomalie qu'elle contient, e de signaux

ion et de révélation mis en jeu pour

Les techniques de contrôle non destructif les plus couramment empfamilles principales, étroitement liées à la localisation de l'anomalie sur la pièce en cours d'examen. La première famille concerne les méthodes dites de surface pour lesquelles l'anomalie est locextérieure. Elle groupe les procédés suivants : l’examen visuel, le ressuage, la magnétoscopie, les courants de Foucault. La deuxièmvolume de la pièce. Elle regroupe les procédés suivants : les ultrasons, les rayonnements ionisants.

Des méthodes complémentaires existent dont le classement en fonction du critère de localisatn'apparaît pas d'une manière aussi nette que dans les cas précédents. Ces méthodes ont cependant l'avantage d'être globales et en temps réel. II s'agit en particulier de la thermographie, l'émission acoustique.

Pour chaque procédé, on retrouve les 3 phases essentielles présentées précédemment visuel :

• mécanique et un champ magnétique,

• La perturbation est définie dans tous le• La révélation est assurée soit par l'œil, soit par des systèmes de capteurs traduisant sous form

électriques la réaction entre l'excitation et la perturbation (importance de plus en plus grande prise par l'imagerie pour la restitution des informations recueillies par les capteurs).

Le tableau page suivante précise de manière simplifiée les 2 processus d’excitatchaque procédé.



PROCEDE EXCITATION REVELATION

Examen visuel Rayonnem

nche ou Œil et aides que loupe, ent visible Source de lumière blamonochromatique

optiques telles binoculaire, microscope, endoscope

Ressuage ion conjugué à

eLiquide d'imprégnatun rayonnement visible ou ultraviolet pour l'observation

Fines particules absorbant le produit d'imprégnation et œil avec aide optiqutelles que loupe ou endoscope

Magnétoscopie par égées

Champ magnétique engendréune onde sinusoïdale basse ou moyenne fréquence

Fines particules magnétiques pipar le champ perturbé et œil avec aidesoptiques telles que loue ou endoscope

Courants induits ou courants de

Foucault

Champ magnétique engendré par t une onde sinusoïdale basse ou

moyenne fréquence

Bobine ou capteur dont l'impédance varie en fonction du champ perturbé echaîne de mesure

Ultrasons de moyenne issant l'énergie Vibration mécanique

fréquence engendrée par un traducteur de type piézoélectrique

Traducteur convertmécanique perturbée en signal électrique et chaîne de mesure

Rayonnements ionisants

Rayonnement électromagnétique du type X, γ, α ou neutronique

Film ou système de conversion directe ou indirecte du rayonnement en électrique signal et œil ou moniteur

Thermographie e Rayonnement électromagnétiqu

du type infrarouge ou source de chaleur

Caméra infrarouge et moniteur ou laque thermosensible et œil

Emission acoustique Contrainte mécanique ou bruit

ergie Traducteur convertissant l'énmécanique en signal électrique et chaîne de mesure


I – PRINCIPES DE LA METHODE : Le contrôle par ressuage a pour but de révéler la présence de défauts débouchants à la surface d’une pièce. Ces discontinuités ne peuvent généralement pas être décelées par un examen visuel. Le contrôle par ressuage peut être considéré comme une méthode globale pour tous les défauts débouchants en surface, quelle que soit la nature du matériau. A partir du moment où les conditions opératoires sont satisfaites, on n’a pas de besoin de connaître l’orientation du défaut pour le détecter et un seul essai peut suffire. Comme par ailleurs ce sont les discontinuités débouchantes qui peuvent nuire le plus lors de l’utilisation de la pièce, on voit tout de suite le grand intérêt que peut présenter cette méthode. L’essai de ressuage peut être résumé en 4 phases, décrites ci-dessous :

1. La surface propre de la pièce à contrôler, exempte de pollution susceptible de colmater les défauts débouchants, est mise en contact avec un produit liquide contenant des traceurs colorés ou fluorescents (liquide d’imprégnation ou de pénétration). Par capillarité, ce liquide pénètre dans tous les défauts débouchants (opération 1).

2. Après une période d’attente (temps d’imprégnation), l’excès de pénétrant sur la surface de la pièce est éliminé (opération 2).

3. On applique alors un produit révélateur sur la surface de la pièce, de manière à absorber le liquide d’imprégnation présent dans les discontinuités. En diffusant dans le révélateur, le pénétrant forme une tache colorée à la surface de la pièce (opération 3).

4. L’apparition de ces taches indique au contrôleur la présence de défauts débouchants (opération 4).



II – PROPRIETES PHYSICO-CHIMIQUES MISES EN JEU :

21 – Définition des paramètres : Masse volumique : la masse volumique est la masse de l’unité de volume d’un corps. Diffusion : le phénomène de diffusion peut être illustré par l’exemple suivant : une tache d’encre déposée sur un papier buvard s’élargit progressivement au cours du temps. On assiste à un transfert de la masse du liquide dans la matière poreuse constitué par le buvard suivant un mécanisme similaire à celui de la propagation de la chaleur dans un volume de matériau.

Viscosité : la viscosité d’un fluide caractérise sa résistance à l’écoulement dans des conditions homogènes. Adsorption physique : c’est le phénomène d’adhérence d’un fluide à la surface d’un solide tel qu’on l’observe pour la buée collée à la surface d’une vitre froide. Capillarité : on désigne sous le nom de capillarité l’ensemble des phénomènes se produisant à la surface d’un liquide, en particulier lorsque que ce dernier est placé dans un tube de très petit diamètre intérieur. Les 2 exemples de la figure ci-contre illustrent ce phénomène.

• Le niveau de l’eau dans le tube capillaire est plus élevé que celui existant dans le réservoir. Il y a ascension du liquide dans le tube par suite des forces capillaires mises en jeu. On observe également que la surface du liquide dans le tube n’est pas plane et que le rayon de courbure a son centre vers le haut.

• Le niveau du mercure dans le tube capillaire est moins élevé que celui existant dans le réservoir, le liquide a du mal à s’élever dans le tube par suites des forces capillaires en présence, le rayon de courbure de la surface a son centre vers le bas.

Entre les 2 exemples cités ci-dessus qui représentent des situations « extrêmes », de nombreux cas peuvent se présenter en fonction de la nature du liquide et de l’état de la surface du tube en présence. Deux grandeurs caractéristiques conditionnent l’effet capillaire : la tension superficielle et la mouillabilité.

• Tension superficielle : dans un liquide, les molécules sont liées les unes aux autres par des forces de cohésion qui tendent à limiter l’étalement dans l’espace qui est offert. Si l’on voulait accroître la surface du liquide il faudrait exercer une traction parallèle à son plan dans toutes les directions, tout comme on procèderait sur une membrane de caoutchouc préalablement tendue.

• Mouillabilité : par ailleurs, lorsqu’une goutte de liquide est déposée sur une surface plane, on observe une déformation de la goutte. La mouillabilité d’un liquide s’exprime en fonction de la valeur de l’angle défini par la surface et la tangente à la surface du liquide.

o Si l’angle < 90°, le liquide est mouillant : c’est le cas de l’eau.

o Si l’angle > 90°, le liquide n’est pas mouillant : c’est le cas du mercure.

22 – Lois physiques mises en jeu : Le mécanisme mis en jeu en ressuage résulte de plusieurs effets. L’effet capillaire n’explique qu’en partie le phénomène. En effet, un liquide remonte beaucoup moins dans un tube capillaire fermé à son extrémité (modèle correspondant à la plupart des défauts) que dans un tube capillaire dont l’extrémité est en contact avec l’air.



S’il n’y avait que l’effet capillaire, la remontée dans les défauts serait instantanée, ce qui n’est pas le cas dans la pratique. Il faut alors prendre en compte les phénomènes de diffusion et d’adsorption pour comprendre l’évolution dans le temps de la réaction aussi bien dans la phase d’imprégnation que dans la phase de révélation. C’est malgré tout le modèle de la loi de JURIN qui est le plus couramment admis (cf. figure ci-contre). La loi de JURIN précise que la hauteur d’ascension « h » varie en raison inverse du rayon intérieur « r » du tube. En d’autres termes, plus l’interstice est petit, mieux se fait la remontée du liquide. En résumé la pénétration du liquide dans l’interstice se fera d’autant mieux que :

• L’interstice est faible en dimension. • La tension superficielle du liquide est élevée. • L’état de surface et la propreté à l’intérieur sont bons. • Le liquide est mouillant. • La masse volumique du liquide est faible. 23 – Le mécanisme de ressuage :

L'excitation : C'est la phase initiale qui consiste à soumettre la pièce à l'action d'un liquide pénétrant. L'application du liquide se fait soit par immersion, soit par pulvérisation. II n'y a pas de limitation liée à la nature de la pièce soumise à examen. Cependant, les facteurs suivants peuvent influencer cette 1ère phase

• L'état de surface de la pièce : il est indispensable de procéder à l'application du pénétrant sur une surface parfaitement dégraissée de préférence par des solvants en phase liquide ou par agitation ultrasonore.

• Choix du produit pénétrant : on utilisera de préférence un produit d'autant plus sensible que la rugosité de surface est faible et que le matériau n'est pas poreux, de manière à profiter du contraste le meilleur dans la phase de révélation. Le classement dans l'ordre croissant des sensibilités est généralement le suivant

o Produit coloré conduisant à une sensibilité faible o Produit fluorescent pré-émulsionné conduisant à une sensibilité moyenne o Produit fluorescent post-émulsionné conduisant à une sensibilité élevée

• Durée d'application : le temps est un élément important dans le processus. II est nécessaire de respecter les préconisations des fabricants pour l'application considérée. Un intervalle de temps compris entre 15 et 30 minutes est adopté dans la plupart des cas

La perturbation : C'est la phase la plus complexe qui traduit l'interaction du produit pénétrant avec le matériau. II est admis que le modèle d'action qui explique la remontée du produit dans le défaut est l'effet capillaire. Cf. §22.

La révélation : Cette phase commence avec le début du rinçage dont le rôle est d'éliminer l'excès de pénétrant à la surface de la pièce. C'est une opération délicate car elle conditionne le contraste au moment de la révélation proprement dite à l'aide du révélateur. Un rinçage excessif risque de « laver » les défauts et l'efficacité de la méthode n'est plus garantie. Un rinçage insuffisant laissera subsister des traces de pénétrant en surface qui gêneront l'interprétation. Les paramètres importants relatifs à cette phase sont les suivants

• Nature du produit utilisé pour l'élimination de l'excès de pénétrant (eau, solvants, etc.) • Mode d'application du produit de rinçage: l'eau ne doit pas être projetée trop violemment, un solvant ne doit pas

être pulvérisé en grandes quantités, la température de la pièce doit rester dans les limites admises par le fabricant, etc.

• Vérification de l'efficacité du rinçage : vérification sous rayonnements UV pour les pénétrants fluorescents • Conditions de séchage après rinçage : pression dans le cas d'un séchage à l'air comprimé, température dans

les cas d'une étuve • Nature du révélateur : il peut être sec ou liquide. L'emploi d'un révélateur sec sous forme d'un nuage poudre

venant recouvrir la surface est recommandé industriellement • Conditions d'application du révélateur : respect du temps, finesse et homogénéité de la couche déposée



conditionnent la réussite de l'opération • Conditions d'observation : un soin doit être apporté aux conditions d'éclairage de la surface de la pièce.

III – DIFFERENTS TYPES DE PRODUITS UTILISES :

31 – Les pénétrants : Il existe 3 familles principales de pénétrants :

• Les pénétrants colorés, qui sont généralement de coloration rouge/violette pour lesquels l’observation se fait en lumière blanche.

• Les pénétrants fluorescents qui nécessitent un examen en lumière ultraviolette, en ambiance sombre.

• Les pénétrants mixtes qui peuvent être indifféremment examinés en lumière blanche ou en lumière UV.

Parallèlement, dans chaque famille, on peut rencontrer 3 cas possibles d’utilisation : • Le pénétrant est prè-émulsifié auquel cas il est directement rinçable à l’eau. • Le pénétrant est à post-émulsification auquel cas l’excès de pénétrant pour être

éliminé, doit être soumis à l’action d’un émulsifiant intermédiaire. • Le pénétrant est éliminable à l’aide d’un solvant approprié.

La figure ci-dessous donne une représentation schématique des situations les plus couramment utilisées dans l’industrie :

32 – Les émulsifiants :

L’émulsifiant n’est utilisé que dans le cas d’un produit pénétrant à post-émulsification pour l’enlèvement de l’excès de pénétrant en surface de la pièce. Deux types d’émulsifiants peuvent être utilisés :

• émulsifiants lipophiles (substance chimique qui a de l’affinité avec les graisses) utilisés à l’état pur, solubles dans le pénétrant.

• émulsifiants hydrophiles (substance chimique qui a de l’affinité avec l’eau) utilisés en solution dans l’eau et peu solubles dans le pénétrant.

Remarque : une émulsion est une suspension d’un liquide, divisé en globules, au sein d’un liquide avec lequel il ne peut de mélanger (ex : émulsion huile et eau). 33 – Les révélateurs :

Il existe essentiellement 2 types de révélateurs: • Les révélateurs secs se présentant sous forme de poudre (exclusivement avec

les pénétrants fluorescents). • Les révélateurs humides constitués d’une poudre en suspension ou en solution

dans un liquide. Ce liquide est un produit organique volatil (pour pénétrants colorés et fluorescents).



IV – EXEMPLES DE MISE EN ŒUVRE : Cf. figure ci-contre. Dans la suite, on ne s’intéressera principalement qu’aux produits pénétrants pré-émulsifiés et à leur mise en œuvre.

V – CARACTERISTIQUES PHYSIQUES DES PRODUITS :

51 – Pénétrants : Afin d’obtenir une détection des défauts, les pénétrants doivent présenter les caractéristiques suivantes :

• Avoir une grande aptitude à pénétrer dans les discontinuités et à en ressortir seul ou sous l’action du révélateur. Le pénétrant doit être un liquide mouillant et doit avoir une tension superficielle la plus élevée possible. La viscosité du pénétrant est une caractéristique qui affecte principalement la vitesse de pénétration. La pénétration du liquide dans le défaut est d’autant plus rapide que la viscosité du pénétrant est faible.

• S’étaler aisément sur la surface à contrôler et s’éliminer facilement de celle-ci tout en restant dans les discontinuités.

• Posséder une inertie chimique vis-à-vis des matériaux à contrôler (ne pas agresser chimiquement le matériau contrôlé). Les risques de corrosion sont important pour :

o le titane et ses alliages en présence d’halogènes (fluor, chlore, brome, iode). o les aciers austénitiques en présence de chlore o l’aluminium et ses alliages en présence de produits alcalins (métaux qui décomposent à froid l’eau en

produisant un hydroxyde). • Etre également peu volatils, non toxiques, ininflammables.



52 – Révélateurs : Le révélateur déposé sur la surface de la pièce a pour rôle d’absorber le pénétrant présent dans les défauts, et de permettre sa diffusion en surface de manière à former une image observable. Les principales qualités que doit posséder un révélateur peuvent être résumées ainsi :

• une grande aptitude à l’absorption du pénétrant. • sa couleur doit contraster avec celle du pénétrant. • il ne doit pas provoquer de corrosions de la pièce à contrôler. • il ne doit pas être toxique. • Son élimination après inspection doit être aisée.

VI – TECHNIQUE OPÉRATOIRE ADAPTÉE AUX DIFFÉRENTS PRODUITS :

61 – Préparation des surfaces à contrôler : La présence d’une contamination en surface peut gêner le contrôle selon 3 mécanismes :

• le pénétrant retenu en surface donne de fausses indications et diminue le contraste. • les produits contaminants obstruent partiellement ou complètement les défauts, ce qui rend la pénétration du

liquide coloré dans les discontinuités difficile ou impossible ; les défauts risquent alors de ne pas être détectés. • les produits contaminants polluent le pénétrant, ce qui entraîne une diminution de la sensibilité.

Les contaminations de surface sont nombreuses et variées. Elles dépendent des conditions d’élaborations, d’usinage, d’utilisation des pièces :

• peinture, vernis, huiles, graisses, lubrifiants d’usinage, oxydation, résidus de combustion.

La technique de nettoyage à mettre en oeuvre doit être choisie en fonction de la nature de la contamination : • Traitement mécanique : d’une manière générale, les techniques de nettoyage mécanique sont à éviter. La

déformation plastique provoquée en surface par sablage ou polissage peut conduire à une obturation des défauts.

• Traitement chimique : par bains dans des solutions à base d’acide. Un rinçage à l’eau abondant est nécessaire ainsi qu’un séchage.

• Nettoyage par ultrasons : la pièce est immergée dans un bain de solvant agité par une onde ultrasonore.

62 – Application du pénétrant :

L’application du pénétrant liquide sur les pièces préalablement nettoyées est pratiquée soit par immersion, par pulvérisation, par aspersion. La durée du contact entre la surface de la pièce et le pénétrant dépend de la nature du liquide pénétrant, de la sensibilité du contrôle et de la température de la pièce. La durée d’application est de 10 à 15 minutes suivant les cas (voir préconisations constructeur).



63 – Elimination de l’excès de pénétrant en surface des pièces : Les pénétrants pré-émulsifiés sont éliminés soit :

• par un rinçage à l’eau courante, sous une pression faible et dans une durée la plus courte possible pour éviter de vider les défauts du pénétrant qui s’y trouve.

• par essuyage avec un chiffon sec, pour enlever la majeure partie du pénétrant, puis avec un chiffon légèrement imbibé d’un solvant approprié.

Si un excès de pénétrant subsiste à la surface de la pièce, il engendrera, lors de l’opération de révélation, une coloration excessive qui gênera fortement l’interprétation. Il est donc important de vérifier après rinçage à l’eau, l’absence de pénétrant en surface. L’opération de séchage des pièces est rendue nécessaire après rinçage à l’eau. Cette opération peut être effectuée soit :

• par soufflage d’air comprimé sec est déshuilé (3 bars maxi) • par soufflage d’air chaud • au chiffon sec, propre et non pelucheux.

La durée de l’opération doit être la plus courte possible afin d’éviter le séchage du pénétrant à l’intérieur des défauts.

64 – Application du révélateur :

Cette opération favorise la remontée du pénétrant le long du défaut, jusqu’en surface extérieure : c’est le phénomène de ressuage. Pour les révélateurs secs, l’application se fait par :

• pulvérisation mécanique. • pulvérisation électrostatique. • brouillard créé dans une cabine étanche.

Pour les révélateurs liquides, l’application se fait par : • immersion. • pulvérisation mécanique. • aérosol.

Un temps de séchage est nécessaire, mais il doit être assez court si l’on veut garder une certaine finesse à la lecture des résultats, Rappelons-le, le révélateur se comporte comme un buvard.



65 – Contrôle des produits de ressuage et de l’application : Pour s’assurer de la qualité du ressuage tant au niveau de l’application que des produits eux-mêmes, on associe aux pièces à contrôler des plaquettes témoins (jetables ou non) qui ont des défauts connus et qui subissent les différentes opérations de ressuage. L’examen de ces plaquettes permet de contrôler le processus dans son ensemble. Retrouver ces différentes fissures après application du révélateur, est un moyen de contrôler le bon déroulement du ressuage.

66 – Observations des indications de défauts :

Le rapport d’examen ne peut être crédible que si le temps écoulé après l’application du révélateur n’est ni trop court pour laisser le processus s’engager (5 à 10 minutes), ni trop long pour tomber dans l’excès d’une diffusion trop longue pouvant affecter la sensibilité générale du processus. L’observation est pratiquée en lumière naturelle ou artificielle (d’une intensité au moins égale à 350 lux) pour les pénétrants colorés et en lumière ultraviolette pour les pénétrants fluorescents.

L’interprétation des résultats est un domaine très complexe qui ne peut s’acquérir qu’au travers d’une longue expérience. Elle exige une connaissance parfaite du processus opératoire et des défauts susceptibles d’être rencontrés. Il est cependant utile de connaître, à ce stade, la procédure de « lever de doute » à pratiquer devant une indication de ressuage pour confirmer la présence d’un défaut : la remontée du pénétrant sous l’action du révélateur est généralement partielle et il suffit bien souvent d’éliminer la tache de ressuage à l’aide d’un chiffon propre ou légèrement imbibé de solvant et d’appliquer à nouveau le révélateur localement, pour faire ressortir le pénétrant à l’aplomb du défaut. Cette pratique systématique, associé à un examen visuel de la surface doit permettre d’éviter bien des déconvenues dans l’interprétation.

Observations en lumière blanche des défauts dans une

soudure

Observations en lumière UV de criques dues à un mauvais

perçage

67 – Nettoyage final : Un nettoyage final est préconisé pour certains matériaux (alliages d’aluminium ou de magnésium) pour lesquels la présence des produits utilisés peut entraîner des corrosions.



VII – CHOIX DES PRODUITS EN FONCTION DES EXIGENCES : Le choix d’une procédure pour le contrôle par ressuage d’une pièce est essentiellement fonction de 2 natures de paramètres :

• paramètres liés à la pièce elle-même à contrôler (état de surface, nature de l’alliage, procédé de fabrication de la pièce, défauts recherchés)

• paramètres liés à la nature des produits. 71 – Sensibilité recommandée en fonction de la nature des pièces à contrôler :

Le tableau ci-dessous précise les solutions généralement adoptées en fonction des types de pièces contrôlées :

TYPE DE PIÈCES TYPE DE PÉNÉTRANT Pièces usinées très sollicitées : aubes de turbines, compresseurs, disques.

Pénétrant fluorescent à post-émulsion avec émulsifiant hydrophile.

Pièces de sécurité coulées ou forgées : roues, blocs cylindres, culasses, tubes d'échangeurs.

Pénétrants fluorescents pré-émulsionnés ou à post-émulsion avec émulsifiant lipophile.

Ensembles ou sous-ensembles mécano-soudés, ou pièces de fonderie Pénétrant coloré pré-émulsionné.

72 – Sensibilité des pénétrants : Le classement en sensibilité généralement adopté est présenté ci-dessous. Il est certain que ce classement peut être remis en cause en fonction de l’évolution des techniques.

TYPE DE PÉNÉTRANT SENSIBILITÉ

Pénétrant coloré pré-émulsionné Faible sensibilité

Pénétrant fluorescent pré-émulsionné Sensibilité moyenne

Pénétrant à post-émulsion avec émulsifiant lipophile Haute sensibilité

Pénétrant à post-émulsion avec émulsifiant hydrophile Très haute sensibilité



VIII – MOYENS DE CONTROLE :

Moyens de contrôles portatifs Chaîne de ressuage

IX – CONDITIONS GENERALES D’HYGIENE ET SECURITE :

91 – Manipulation des produits plus ou moins toxiques à plus ou moins long terme : C’est surtout au niveau des révélateurs secs que les risques de toxicité sont importants, en particulier par la combinaison à la fumée du tabac. Certains de ces produits sont aussi volatils et inflammables (point éclair relativement bas). Il convient de s’assurer que les zones de travail soient suffisamment aérées et éloignées de sources de chaleur et de flammes. Il est en particulier interdit de fumer pendant les essais.

92 – Manipulation d’une lampe UV : Généralement on utilise une lampe au mercure dont on utilise une radiation qui est proche du domaine visible. Malheureusement, cette lampe émet bien d’autres radiations dont une beaucoup plus intense qui ne doit en aucun cas parvenir aux yeux de l’opérateur. Il est donc indispensable d’équiper les lampes UV de filtres, et de veiller à leur bon état.

X – DOCUMENTS DE CONTROLE D’UNE PIECE : La diversité des paramètres entrant en jeu pour la mise en évidence des défauts par ressuage oblige à préciser dans les documents les conditions de contrôle à adopter en fonction d’éléments tels que :

• La nature et la géométrie de la pièce, • Les conditions d’utilisation, • Les moyens disponibles pour l’exécution du contrôle, • Les critères imposés.

L’opérateur exécutant le contrôle des pièces n’a généralement pas accès à la norme ou la spécification. Le document ou les instructions pratiques qui lui sont nécessaires doivent préciser en particulier. Afin de s'assurer de la bonne exécution du contrôle, il est nécessaire de préciser les éléments suivants :

• Conditions de préparation de la pièce : nettoyage, etc. • Nature des produits de ressuage à utiliser: pénétrant, émulsifiant, révélateur • Conditions d'application du pénétrant : en immersion ou par pulvérisation, temps d'application et d'égouttage • Conditions d'enlèvement de l'excès de pénétrant en surface de la pièce : rinçage à l'eau ou par émulsifiant • Vérification du lavage des pièces: en lumière blanche ou ultraviolette • Conditions de séchage des pièces : à l'air ambiant, à l'air comprimé ou en étuve, temps de séchage,

température de séchage • Conditions d'application du révélateur: pulvérisation en bombe ou par nuage de poudre, épaisseur du film à



appliquer, temps d'exposition • Condition d'examen des images et interprétation des résultats : nature de l'examen (oeil nu, loupe),

grossissement utilisé, rayonnement (lumière blanche ou UV), critères d'admissibilité des défauts. Exemple :

XI – LES NORMES : Les principaux documents sont : NF A 09 120 : essais non destructifs. Principes généraux de l'examen par ressuage NF A 09 122 : essais non destructifs. Ressuage. Vérification des caractéristiques des produits de ressuage NF A 09 123 : essais non destructifs. Ressuage. Sensibilité et mise en œuvre des produits NF A 09 130 : essais non destructifs. Moyens d'examens superficiels. Caractérisation des sources de lumière UV NF A 04 161 : Produits de fonderie. Contrôle par ressuage des pièces en acier moulé NF A 04 161 : Produits de fonderie. Contrôle par ressuage des pièces moulées en alliages cuivreux à haute résistance

XII – AVANTAGES ET INCONVENIENTS :

Avantages : • Simplicité de mise en oeuvre • Localisation précise des défauts et appréciation de leur longueur • Seule méthode globale en CND autorisant un examen de la totalité de la surface de la pièce sans influence

notable sur l'orientation du défaut par rapport à la direction du faisceau de la source utilisée pour l'excitation • Méthode se prêtant bien à l'automatisation



Inconvénients : • Méthode autorisant uniquement la mise en évidence de défauts débouchants à la surface de la pièce sur des

matériaux non poreux • L'appréciation de la profondeur des défauts n'est pas possible • L'interprétation dans la phase de révélation est délicate, en particulier pour l'automatisation

XIII – EXEMPLES :



I – PRINCIPE GENERAL :

11 – Introduction : Les premières observations mettant en évidence la possibilité de détection de défauts dans les pièces métalliques à partir d’une excitation par champ magnétique ont été faites en 1920 aux états unis. La 2ème guerre mondiale a fortement influencée le développement de cette technique qui a fait son apparition dans l’industrie automobile, l’aéronautique et l’industrie de l’armement. Actuellement, cette méthode reste très largement employée en raison de sa simplicité et de la qualité des services rendus. Souvent, certaines imperfections de surface restent peu visibles au ressuage, malgré tout le soin apporté. Elles sont trop fermées et ne laissent pas ou peu pénétrer le pénétrant dans les discontinuités. Les anomalies sous-jacentes (défaut non débouchant) ne sont pas détectables par ressuage et peuvent devenir particulièrement dangereuses en évoluant vers l’intérieur de la pièce. La magnétoscopie est en quelque sorte une méthode complémentaire au contrôle par ressuage.

12 – Principe : Cette méthode consiste à soumettre un matériau ferromagnétique à l’action d’un champ magnétique qui va ainsi créer des lignes de forces à l’intérieur du matériau. Ces lignes vont être perturbées par l’existence d’un champ de fuite dû à la présence d’un défaut de la pièce. Ces champs de fuite pourront être mis en évidence et localisés en saupoudrant sur la surface de la pièce des particules ferromagnétiques qui viendront s’accumuler sur la zone d’attraction que représente le champ de fuite. Cette méthode n’est utilisable que sur des matériaux ferromagnétiques et permet de détecter des défauts débouchant ou sous-jacents (environ 1mm sous la surface). Il y a nécessité de procéder à une démagnétisation de la pièce après le contrôle.

II – NOTIONS ELEMENTAIRES DE MAGNÉTISME ET D’ELECTROMAGNETISME :

21 – Spectre magnétique d’un aimant : Un aimant est constitué de deux pôles Nord et Sud. La limaille de fer déposée sur une feuille de papier, en contact avec un aimant s’oriente suivant des lignes bien précises appelées lignes de champ. La figure ci-contre donne une représentation du spectre d’un aimant. Elle montre que des forces sont mises en jeu entre l’aimant et les particules, forces d’autant plus intenses que l’on se trouve à proximité des pôles de l’aimant. L’origine de ces forces est liée à la présence d’un champ magnétique créé par l’aimant.



22 – Conducteur parcouru par un courant : Un conducteur rectiligne parcouru par un courant créé généralement dans son environnement un champ magnétique. La manifestation de ce champ se traduit aussi par la concentration de la limaille de fer suivant des lignes circulaires telles que représentées sur le schéma de la figure ci-contre.

23 – Susceptibilité magnétique : L’aimant est capable d’attirer la limaille de fer, mais il est sans action vis-à-vis des métaux non ferreux tels que l’aluminium ou le cuivre. Par ailleurs, lorsque la possibilité d’attraction se manifeste (pour un acier par exemple), elle ne se fait pas avec la même intensité suivant le degré de pureté de cet acier. Ces manifestations sont liées au fait que les corps présents dans la nature ont des propriétés magnétiques plus ou moins marquées caractérisées par la susceptibilité magnétique.

Définition de la susceptibilité magnétique : placé dans un champ d’excitation magnétique , un corps quel qu’il

soit acquiert une intensité d’aimantation

0Huuur

Muur

plus ou moins intense selon la nature de l’échantillon. Les effets du champ initial et de l’aimantation0H

uuurMuur

s’ajoutent pour donner un champ résultant 0H H M= +uur uuur uur

suivant le principe de la figure

ci-dessus. Généralement Muur

et Huur

sont proportionnels et le coefficient de proportionnalité représente la susceptibilité

magnétique du matériau. Les matériaux se classent suivant 3 familles suivantes selon la valeur de leur susceptibilité magnétique..

Matériaux diamagnétiques : Ils présentent une faible susceptibilité ; petite comparée à l’unité et négative. Ces matériaux ont une tendance très faible à s’aimanter dans une direction opposée à celle du champ extérieur appliqué. En première approximation l’aimant est sans action sur de tels corps.

Matériaux paramagnétiques : ils présentent une très faible susceptibilité ; très petite comparée à l’unité et positive. Ces matériaux ont une tendance très faible à s’aimanter dans la même direction que celle du champ extérieur appliqué. Comme précédemment, on peut admettre que l’aimant est sans action sur de tels corps.



Matériaux ferromagnétiques : Par opposition aux 2 classes précédentes, ils présentent une susceptibilité très élevée et positive. Ces matériaux ont une forte tendance à s’aimanter dans la même direction que celle du champ extérieur appliqué. L’approche de l’aimant provoque l’attraction, facilement perceptible. La plupart des corps ou alliages métalliques très riches en fer sont ferromagnétiques, mais il faut être prudent dans la généralisation de ce principe. On constate une grande diversité dans les valeurs de susceptibilité pour les corps ferromagnétiques et il est important de noter qu’un même matériau peut avoir des comportements très différents, liés à son histoire magnétique antérieure. Les traitements thermiques, mécaniques, électriques, magnétiques peuvent modifier la valeur de susceptibilité alors que la composition chimique reste inchangée.

24 – Induction B et perméabilité μ : On crée, dans un volume d’espace donné, un champ d’excitation magnétique H homogène et uniforme. On observe le comportement de 2 matériaux tels que le fer (ferromagnétique) et l’aluminium (paramagnétique) soumis à ce champ d’excitation. La répartition des lignes de champ est représentée schématiquement sur les 3 figures suivantes. La présence du fer modifie la répartition des lignes de champ alors que l’aluminium est pratiquement sans action. De plus la pénétration des lignes dans le fer se fait plus ou moins bien suivant qu’il est plus ou moins pur.

Représentation schématique d’un champ d’excitation magnétique uniforme et homogène dans l’air. Les lignes de champ sont parallèles et régulièrement espacées.

Comportement d’un barreau d’aluminium dans un champ d’excitation magnétique uniforme et homogène.

Comportement d’un barreau de fer dans un champ d’excitation magnétique homogène et uniforme. Les lignes de champ sont déviées par la présence du fer.

L’induction est le champ magnétique qui traverse le matériau. Elle est exprimée en TESLA (symbole T). Cette induction B est plus ou moins forte suivante la perméabilité µr du matériau. La perméabilité est la propriété d’un matériau désignant son aptitude à canaliser les lignes de force magnétique. Elle est représentée par le symbole μ et est exprimée en henry par mètre (symbole H/m). Dans le cas de l’aluminium, le champ d’induction B est directement proportionnel en intensité au champ d’excitation H appliqué.

B = µ0.H avec µ0 = perméabilité du vide

Dans le cas du fer, le champ d’induction varie en intensité en fonction du champ d’excitation à cause du caractère plus ou moins perméable du matériau : B = µH, avec µ dépendant de H. Dans cette expression, µ=µ0.µr avec µr désignant la perméabilité relative par rapport à celle du vide µ0.

χ : 1rμ χ= + Une relation simple existe entre la perméabilité relative µr et la susceptibilité



25 – Courbe d’hystérésis : L’induction dans un matériau ferromagnétique soumis à un champ magnétique extérieur pour la première fois varie suivant le cycle ci-contre. Le point de départ est le point 0 (courbe 1, dite de 1ère aimantation). Après cette 1ère aimantation, le matériau comportera toujours une induction résiduelle malgré la suppression du champ magnétique. Le cycle ainsi décrit s’appelle le cycle d’hystérésis dont la forme peut évoluer dans des limites importantes en fonction de la nature des matériaux ferromagnétiques.

26 – Création d’un champ magnétique dans l’air : Aimant permanent : Un aimant utilisé seul ou avec des prolongateurs ferromagnétiques peut délivrer un champ magnétique significatif. L’adoption de prolongateur de forme adaptée permet de concentrer le champ dans un volume limité.

Cette possibilité représentée ci-dessus n’est généralement pas employée en magnétoscopie, car les champs délivrés sont faibles en regard du volume parfois important des pièces à aimanter. D’autre part, la valeur du champ est difficilement réglable.

Utilisation d’un électro-aimant : On peut réaliser le même effet qu’un aimant avec ses prolongateurs en alimentant une bobine montée directement sur le circuit magnétique d’un matériau ferromagnétique.

27 – Cartes des lignes d’induction dans une pièce : La carte des lignes d’induction dans une pièce est influencée par un grand nombre de paramètres tels que la nature de la pièce, sa géométrie, son homogénéité. Si un défaut est présent dans la pièce, la carte sera localement modifiée d’une manière plus ou moins accentuée suivant la position en surface, en profondeur, et également suivant l’orientation du défaut par rapport à la direction générale des lignes d’induction. La nature du courant électrique utilisé pour la création du champ d’excitation magnétique intervient également sur la répartition des lignes d’induction dans la pièce.



Cas idéal : pièce homogène à section constante :

Le champ d’induction est créé à partir d’un électro-aimant parcouru par un courant continu. Les lignes d’induction dans la pièces sont parallèles entre elles et séparées par un intervalle constant.

Le champ d’induction est créé à partir d’un électro-aimant parcouru par un courant alternatif. Les lignes d’induction dans la pièce sont encore parallèles entre elles mais l’intervalle qui les sépare n’est plus constant. Elles sont par ailleurs localisées pour l’essentiel dans les couches superficielles de la pièce.

Carte des lignes de champ d’induction dans une pièce comportant un changement de section : l’intervalle entre les lignes d’induction est modifié au passage de la forte section à la faible section. Le resserrement des lignes traduit une induction plus forte dans la faible section. Quelques lignes quittent la pièce au changement de section, créant un champ de fuite dans l’air. Carte des lignes de champ d’induction dans une pièce présentant une discontinuité : plusieurs cas sont à considérer suivant le caractère débouchant ou non de l’anomalie, sa nature, son orientation par rapport à la direction générale des lignes d’induction.

Discontinuité sous-jacente parallèle au champ d’induction : la perturbation apportée par l’anomalie n’est que très locale sans manifestation extérieur sur le contour géométrique de la pièce.

Discontinuité débouchante ou sous-jacente perpendiculaire au champ d’induction : dans les 2 cas, et du fait de l’orientation perpendiculaire de la surface de l’anomalie par rapport aux lignes d’induction, ces dernières sont localement déviées pour créer un champ de fuite dans l’air.

• Dans le cas de l’anomalie débouchante, la déviation est de forte amplitude et intéresse une zone limitée de la surface de la pièce.

• Dans le cas de l’anomalie sous-jacente, la déviation est de faible amplitude est intéresse une zone étendue de la surface de la pièce.

III – PRINCIPE DE LA METHODE : Les 3 phases principales qui sont à considérer dans cette méthode sont l’excitation, la perturbation et la révélation.

31 – L’excitation : La pièce est soumise à une aimantation suivant des conditions d’orientation et d’intensité du champ magnétique adaptées à sa nature et son profil. Un exemple de création de champ est donné ci-contre.



32 – La perturbation : Sous l’action du champ magnétique excitateur, la pièce est parcourue par des lignes d’induction dont certaines quittent le contour géométriques pour donner naissance localement à un champ de fuite dans l’air (soit en raison des changements de section, soit en raison des discontinuités présentes en surface). A l’aplomb de chaque champ de fuite, les fortes variations de l’induction jouent le rôle de très petit aimant sur les surfaces des pièces concernées par l’entrée et la sortie des lignes d’induction.

33 – La révélation : Les fortes variations de l’induction se comportent comme un ensemble de petits aimants pouvant attirer les fines particules magnétiques contenues dans le révélateur disposé à la surface de la pièce. L’accumulation des particules et l’observation des spectres (donnant des indications) permettra, après analyse et interprétation de l’origine des champs de fuite, de conclure à la présence ou non de défaut préjudiciable à l’emploi. La phase d’interprétation est l’une des plus critiques dans le processus.

34 – Principaux paramètres influençant la détection :

La sensibilité de la méthode est fonction de nombreux paramètres, et en particulier : • la direction du champ d’excitation magnétique et l’intensité du champ d’excitation magnétique. • le type d’aimantation (forme du courant) • la dimension, la forme et la direction de la discontinuité. • les propriétés magnétiques du matériau à contrôler. • la forme de la pièce qui conditionne la carte des lignes d’induction, son l’état de surface, sa propreté. • les caractéristiques du révélateur.

35 – Principaux types de défauts décelables :

La magnétoscopie est une méthode applicable aux matériaux ferromagnétiques dans le but de rechercher des défauts débouchant en surface extérieure ou des défauts légèrement sous-jacents. Dans la mesure où cette condition de localisation est satisfaite, seules les discontinuités ci dessous conduisent à des spectres représentatifs :

• une rupture dans le métal, du type crique ou fissure, localisée à la surface ou proche de la surface de la pièce. • une discontinuité dans le métal. • la surface de séparation en 2 matériaux ferromagnétiques présentant des différences de perméabilité (soudage

par friction) • la surface de liaison entre métaux ferromagnétiques assemblés par brasage. • une zone de séparation présentant une perméabilité différente de celle du métal de base (zone à faible teneur

en carbone dans un acier dans le cas d’une cémentation). • des arêtes vives (filetage) conduisent également à des spectres qui ne sont pas nécessairement représentatifs

de défauts.



IV – MISE EN OEUVRE DE LA METHODE :

41 – Préparation des pièces : Les particules magnétiques utilisées au niveau du révélateur doivent pouvoir se déplacer le plus facilement possible à la surface des pièces en examen. En aucun cas, elles ne devront être arrêtées dans leur mouvement d’attraction vers les pôles apparus au niveau des défauts sous l’action du champ. Cette condition impose des exigences au niveau de l’état de surface et de la propreté des pièces. Dans la mesure où l’état de surface est compatible avec la sensibilité escomptée, il faudra procéder à un dégraissage des pièces avant contrôle pour éviter toute accumulation de révélateur à l’aplomb de corps gras adhérents à la pièce. Par ailleurs, peut se poser le problème de l’application de la méthode sur des surfaces protégées par peinture ou toute autre protection non magnétique (chromage par exemple). La protection crée un entrefer supplémentaire entre le matériau support et le révélateur, risquant de réduire la sensibilité de la méthode.

42 – Choix de la forme de courant : La forme du courant délivrée par les générateurs influence beaucoup la sensibilité du contrôle par magnétoscopie. Il faut se rappeler qu’un courant continu induit des lignes d’induction également réparties dans le volume de la pièce, avec un intervalle entre elles constant. Un courant alternatif induit des lignes d’induction principalement dans les couches superficielles de la pièce. Pour une même valeur d’intensité, il en résulte, en théorie, que le contrôle en courant sinusoïdal est plus sensible que le contrôle en courant continu car les lignes d’induction sont plus nombreuses. Dans la pratique, le choix de la forme de courant se fait surtout grâce à l’expérience de la personne qui contrôle. En outre il faut se rappeler qu’en courant sinusoïdal il se produit des échauffements très importants (chauffage par induction) qui peuvent entraîner des incendies. Les générateurs disponibles délivrent le plus souvent les formes de courant suivantes :

• alternatif sinusoïdal. • monophasé redressé une ou deux alternances. • triphasé redressé une ou deux alternances.

43 – Méthode d’aimantation : On classe habituellement les méthodes d’aimantation en deux catégories :

• les méthodes directes pour lesquelles l’aimantation de la pièce est réalisée directement à partir d’un champ d’excitation magnétique.

• les méthodes indirectes pour lesquelles l’aimantation de la pièce est réalisée indirectement par l’intermédiaire d’un courant traversant la pièce et donnant ainsi naissance à un champ d’excitation magnétique.

Une autre terminologie peut être également adoptée : • on parle d’aimantation par champ magnétique ou d’aimantation longitudinale pour les méthodes directes. • on parle d’aimantation par passage de courant ou d’aimantation transversale ou circulaire dans le cas des

méthodes indirectes. Méthodes directes : Ces méthodes exploitent le champ d’excitation créé soit par des bobines, soit par des électro-aimant. Dans l’exemple ci-contre, le champ magnétique d’excitation est créé à partir d’un électro-aimant. Deux cas sont à considérer suivant l’importance de la pièce :

• soit des appareils à poste fixe (pièces de faibles dimensions) • soit des appareils à poste mobile (pièces de grandes dimensions

ou difficilement transportables)



Méthodes indirectes : Le champ d’excitation magnétique est créé dans ce cas par le passage d’un courant circulant dans la pièce. L’intensité du champ magnétique développé à la surface de la pièce est principalement fonction de l’intensité du courant électrique traversant le circuit et de la disposition relative de la pièce par rapport aux amenées de courant. Dans le cas d’une aimantation par touches, la répartition des lignes d’induction en surface de la pièce n’est pas homogène. Elle dépend de la distance « d » entre les touches, de l’intensité du courant et de la géométrie de la pièce.

La figure ci-contre montre la forme des lignes de champs autour des touches pour différentes valeurs d’intensité « I » et de distance « d ». Le contrôle d’une grande surface, demandera avec cette méthode de réaliser un quadrillage pour être certain d’explorer la totalité de la surface.



La norme préconise : • distance d’espacement des touches : 75 mm < d < 200 mm • intensité :

o Si l’épaisseur de la pièce < 19 mm, I = 90 à 110 A / 25 mm d’espacement entre les touches. o Si l’épaisseur de la pièce > 19 mm, I = 100 à 125 A / 25 mm d’espacement entre les touches.

44 – Le révélateur : Pour être facilement attirées par les pôles créés à l’aplomb du défaut, les particules doivent satisfaire des conditions précises de dimensions, de forme, de densité et de propriétés magnétiques. En 1ère approximation, on admet que plus la particule est petite, plus elle est facilement attirée dans des champs de fuite très faibles. Malgré tout, une très petite dimension de particule est néfaste car elle favorise l’accumulation dans les aspérités de surface. La dimension optimale résulte d’un compromis. De plus, la taille de la particule est également fonction de la taille du défaut recherché :

• révélation de défaut de faible largeur : particules de 1 à 2 µm. • révélation de défaut de taille importante : particules de 10 à 15 µm.

On distingue essentiellement 2 grandes familles de révélateurs : • Révélateurs secs : ils sont constitués de particules ferromagnétiques

généralement colorés en noir ou en rouge. L’application se fait au moyen d’une soufflette.

• Révélateurs liquides : ils sont constitués de particules ferromagnétiques. Mais au lieu d’être en l’état, elles sont enrobées dans un pigment (couleur) et mélangées à un liquide. Parmi les révélateurs liquides, on rencontre deux possibilités :

o l’utilisation de particules magnétiques colorées en suspension dans le liquide. L’examen se fait en lumière naturelle ou artificielle.

o l’utilisation de particules magnétiques fluorescentes en suspension dans le liquide. L’examen se fait en lumière ultraviolette.

Le choix du révélateur est fonction du niveau de qualité requis pour la pièce. On admet en général que les poudres sèches ont une plus grande sensibilité pour la détection de défauts sous-jacents contenus dans les pièces présentant un état de surface excellent. Le révélateur liquide fluorescent représente un bon compromis en sensibilité. Il est relativement souple d’emploi et a le gros avantage d’offrir un bon contraste quelle que soit la couleur de la pièce à examiner.

45 – Processus opératoire de contrôle : D’un point de vue pratique, le contrôle magnétoscopique d’une pièce est réalisé dans l’ordre suivant :

1. Nettoyage de la pièce au moyen d’un solvant. 2. Après nettoyage et séchage, aimantation de la pièce.

3. Application du révélateur pendant l’aimantation en prenant comme précaution de l’interrompre avant la fin du



cycle d’aimantation, qui n’excède pas généralement 5 secondes.

4. La pièce est alors soustraite à l’influence de l’aimantation et on procède alors à son examen.

Remarque : pour s’assurer de l’efficacité des réglages et de celle du révélateur, on place un témoin en contact direct avec la surface de la pièce et on l’asperge en même temps avec le révélateur. Ce témoin appelé « croix de BERTHOLD » a une fissure en croix et se comporte comme un défaut.

V – INTERPRETATION DES RESULTATS : L’observation des spectres doit être pratiquée avec des conditions d’éclairage très favorables. Il est recommandé également de l’exécuter avec des optiques facilitant les conditions de travail de l’œil. Une loupe d’un grossissement voisin de 10 permet en particulier de préciser la densité des particules constituant le spectre et surtout de vérifier l’homogénéité de la répartition des particules le long du spectre. La présence d’un spectre magnétique peut provenir de discontinuités magnétiques. La détermination précise de l’origine de la discontinuité est très délicate. Cette interprétation est capitale car elle conditionne la sanction du contrôle.

51 – Spectres représentatifs : La crique : les spectres caractéristiques de criques sont rarement d’orientation parfaitement rectiligne. Il sont généralement très denses et homogènes et l’amas de particules peut, en 1ère approximation, être significatif de la profondeur du défaut. La figure ci-contre représentation schématiquement le spectre correspondant à une crique de retrait dans une barre. En A, le spectre est très fin et la crique est peu profonde. En B, le spectre est de largeur moyenne pour une profondeur de défaut moyenne. En C, le spectre est très large pour une profondeur de crique importante.

La figure ci-contre donne une représentation schématique du spectre correspondant à une crique de fatigue apparue à la liaison entre un arbre et son système.

Inclusions : les spectres représentatifs d’inclusions sont généralement très rectilignes. Suivant la localisation en profondeur, le spectre est plus ou moins diffus.



52 – Procédure afin de lever les doutes : La présence d’un spectre ne conduit pas systématiquement au rebut de la pièce, à moins que la procédure l’exige. Généralement on procède à une identification de la nature du défaut. L’investigation peut se faire à partir d’un examen à la loupe en lumière naturelle. On procède, à l’aide d’un objet fin ou d’un pinceau, à l’enlèvement partiel du spectre dans le but d’identifier, la nature de l’anomalie.

53 – Conservation des résultats : Un moyen simple d’archivage consiste à utiliser une bande adhésive de type « SCOTCH ». L’application de la bande se fait directement sur la pièce (après un temps de séchage du révélateur liquide) de manière à prélever les particules magnétiques constituant le spectre.

54 – Exemples :

Crochet de grue

Arbre de transmission

Fissure de fatigue - Traceur fluorescent humide Fissures résultant d’un traitement thermique inadéquat Traceur fluorescent humide

Soudage à l’arc avec électrode Soudage à l’arc avec électrode

Manque de fusion - Traceur visible sec Fissure au raccordement - Traceur visibles sec

Arbre cannelé Arbre fileté



Fissure de fatigue - Traceur fluorescent humide Fissure de fatigue - Traceur fluorescent humide

Boulon

Vilebrequin

Fissure de fatigue - Traceur fluorescent humide Fissure de fatigue - Traceur fluorescent humide

Soudure Roue dentée

Fissure au raccordement et fissure de gorge - Traceur

visible sec Fissure de fatigue – Traceur fluorescent humide



VI – DESAIMANTATION DES PIECES : Il est recommandé de désaimanter une pièce après un contrôle magnétoscopique pour les raisons suivantes :

• Les pièces peuvent attirer ultérieurement des particules ferromagnétiques indésirables.

• L’induction rémanente dans une pièce en rotation provoquera un champ magnétique tournant pouvant agir sur un circuit de mesure.

• Le soudage de la pièce peut être délicat (déviation du faisceau d’électrons lors du soudage).

• La désaimantation peut se faire dans un tunnel de démagnétisation qui applique à la pièce un champ magnétique décroissant.

Principe de désaimantation

VII – AVANTAGES ET INCONVENIENTS :

Avantages : • Simplicité de mise en œuvre • Localisation précise des défauts de surface ou légèrement sous-jacents et appréciation de leur longueur • Méthode se prêtant bien à l’automatisation

Inconvénients : • Méthode ne s’appliquant qu’aux matériaux ferromagnétiques • Sensibilité dépendant de l’orientation des défauts par rapport à la direction générale des lignes d’induction • Ne permet pas une appréciation de la profondeur et l’interprétation dans la phase de révélation est délicate • L’automatisation de la phase de révélation n’a pas encore abouti industriellement • Désaimantation obligatoire des pièces

VIII – NORMES : • NF A 09 125 : essais non destructifs des produits métallurgiques. Principes généraux de l’examen de

magnétoscopie. • NF A 04 121 : produits sidérurgiques. Détection des défauts superficiels des produits longs par examen de

magnétoscopie. • NF A 09 130 : essais non destructifs. Moyens d’examen superficiels des produits longs par examen de

magnétoscopie. • NF A 09 170 : essais non destructifs. Magnétoscopie : caractérisation des produits.



I – INTRODUCTION : C’est une méthode de contrôle qui consiste à créer, dans un matériau conducteur, un courant induit par un champ magnétique variable. Ces courants induits, appelés courants de Foucault, circulent localement, à la surface du matériau. La présence d’une discontinuité à la surface de la pièce contrôlée perturbe la circulation des courants, entraînant une variation de l’impédance apparente de la sonde de mesure.

II – PRINCIPES PHYSIQUES :

21 – L’induction électromagnétique : Le passage d’un courant dans un solénoïde produit un flux magnétique proportionnel.

( ) . ( )t k I tφ =

φ est le flux magnétique en Webers (Wb), « I » l’intensité traversant le solénoïde en Ampères (A) et « k » une constante.

22 – Loi de Faraday : Un solénoïde traversé par un flux magnétique produit une force électromotrice E(t).

( )d t( )E t Ndtφ

=

φ est le flux magnétique en Webers (Wb), « E » la force électromotrice produite en Volts (V) et « N » le nombre de spires du solénoïde.

23 – Inductance d’un solénoïde :


( ) . ( )t k I tφ = et ( )( ) d tE t N φ

dt=

( )t( ) . . dIE t N k=

dt ( )dI t

=( ) .E t Ldt

.L N k= est l’inductance du solénoïde est s’exprime en Henries (H).


24 – Notion d’impédance : L’impédance d’une charge est la mesure de son opposition au passage du courant alternatif. Elle est exprimée en Ohms (symbole Ω). De façon générale, l’impédance d’une charge est définie par :

EZ =I avec « Z » l’impédance en Ohms (Ω), « E » la tension aux bornes en Volts (V) et « I »

le courant traversant en Ampères (A).

L’impédance est une résistance pure : L’impédance est une inductance pure : Loi d’Ohm : ( ) . ( )R I t=E t

E

Loi d’Ohm : ( )dI t( ) .E t L

dt=

( ) .sin( . )E t Em t

Si


Z RI

= =

La tension est en phase avec le courant.

ω= alors ( ) .sin( . ). 2

I t tLEm π

= ωω

−

Le courant est en retard de 90° sur la tension.

25 – Association série d’une résistance et d’une inductance : f.L 2ω πω oùXL est appelé réactance inductive et vaut = . Elle est exprimée en Ohms et sa

valeur change avec la fréquence de la source de tension.

22 LZ R X= + et 1tan LX

Rθ − ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

26 – Génération des courants :

Pour générer des courants de Foucault, une sonde est utilisée. À l’intérieur de cette sonde se

trouve un solénoïde.

Ce solénoïde est alimenté avec une source de tension

alternative.

Un flux magnétique alternatif est donc produit dans et

autour du solénoïde.

Lorsqu’une plaque conductrice est exposée à une portion de ce flux magnétique alternatif, un courant alternatif est induit dans la plaque. Ce courant est, en fait, un courant de Foucault.

En circulant, les courants de Foucault produisent leur propre flux magnétique (flux secondaire). Selon la loi de Lenz, le sens des courants de Foucault fait en sorte que le flux secondaire s’oppose au flux initial.


IV – DETECTION DE DEFAUTS :

41 – Principe simplifié de l’instrumentation :

SOURCE MESURE

Ressor

Sen

s du

Sonde Solénoïde de

Mvt

de la sondePièce à

examiner

Pièce à examiner

Défaut

42 – Principe de la détection :

Le principe est basé sur la perturbation par le défaut du champ magnétique créé par courants de Foucault Le courant alternatif « I » circulant dans la bobine crée un champ H. Les courants de Foucault « Ic » créés dans la pièce (conductrice) par H créent un champ « Hc », opposé à H. L'équilibre est modifié par la présence d'un défaut qui perturbe la distribution des courants de Foucault dans la pièce. La variation est détectée en mesurant l'impédance de la bobine.


LES CONT SROLES NON DESTRUCTIF

43 – La mesure en mode absolu : La bobine d'examen est une branche d'un pont d'impédance alimenté par un oscillateur. Le pont est équilibré en l'absence de défaut. Le passage de la sonde devant un défaut provoque l'apparition d'un signal dans le plan complexe. L'amplitude du signal est liée au volume de matière affecté par le défaut ; la phase est liée au type de défaut et à sa profondeur.

44 – Mesure en mode différentiel : Deux branches du pont constituent des bobines d'examen. Le pont est équilibré en l'absence de défaut. Le passage de la sonde devant un défaut provoque l'apparition d'un signal (figure de Lissajous) dans le plan complexe. L'amplitude du signal est liée au volume de matière affecté par le défaut ; la phase est liée au type de défaut et à sa profondeur

45 – Profondeur de pénétration δ : La densité de courant « J(z) » à une profondeur « z » à l'intérieur de la pièce est :

( . . . . )0( ) . z fJ z J e π μ σ−=

• Jo : densité de courant à la surface de la pièce • z : profondeur • µ : perméabilité magnétique de la pièce • σ : conductivité électrique du matériau • f : fréquence du courant

La phase varie linéairement :

0 f( ) . . .z zφ φ π μ σ− = −

Si le produit fμσ augmente, alors la densité Jo en surface augmente et J(z) décroît alors plus rapidement. La profondeur de pénétration δ est telle que :

0 1( ). . .

JJ e fδ δ

π μ σ= ⇒ =



46 – Fréquence d’examen f :

Le choix de la fréquence « f » d’examen est fonction de l'épaisseur à contrôler (maximum quelques mm). En général, f est déterminé par des abaques ou par différents tests. L’estimation de la profondeur du défaut de fera par mesure de phase.

47 – L’excitation : Elle consiste à soumettre un champ magnétique variable dans le temps à la pièce à contrôler ; ceci afin d’induire des courants dans le matériau. On utilise généralement une onde sinusoïdale de fréquence variable de quelques Hertz à plusieurs Mégahertz suivant la nature des produits contrôlés et des applications envisagées.

48 – La perturbation : La trajectoire des courants induits dans la pièce est perturbée par des variations locales de la géométrie ou par des variations des caractéristiques électromagnétiques du matériau. La perturbation locale des lignes de courant provoque une modification du champ magnétique induit, s’opposant ainsi à chaque instant au champ magnétique d’excitation. Il en résulte alors une modification de l’impédance du capteur. Cette modification d’impédance est en général synonyme de présence d’un défaut. Il résulte de ces principes de perturbation 3 applications différentes des CND par courants de Foucault :

• Détection des défauts superficiels ou légèrement sous jacents • Mesure d’épaisseurs de revêtements • Tris de nuances

Dét

ectio

n de

déf

auts


LES CONTROLES NON DESTRUCTIFS M

esur

e d’

épai

sseu

rs d

e re

vête

men

ts

Les courants de Foucault sont souvent utilisés dans

l’industrie aéronautique afin de détecter des pertes de matière dues à l’érosion ou la corrosion

Tri d

e nu

ance

s

Mesure d’une couche de peinture

Remarques : dans chaque cas, la méthode est comparative est nécessite un étalonnage préalable du capteur sur une pièce de référence.



49 – La révélation : On analyse dans cette phase les variations d’impédance consécutives à la perturbation que l’on cherche à mettre en évidence. La méthode la plus courante consiste à comparer le signal de déséquilibre du pont d’impédances au signal de référence délivré par l’oscillateur alimentant le capteur :

V – EQUIPEMENTS :

Bancs fixes : pour contrôles de tubes ou barres en fabrication avec bobines encerclantes.

Sondes ponctuelles

Tireur (pousseur) : pour contrôle de tubes par sonde internes



Sondes internes pour contrôle de tubes Appareillages transportables en modes différentiel et absolu avec visualisation sur écran cathodique ou

enregistrement (Re-Im) ou (A-ϕ ).

VI – LES DIFFERENTS EXAMENS :

61 – Examens externes de tubes : • Techniques courantes : sondes à bobines encerclantes, mode

différentiel et/ou absolu. • Mise en œuvre : automatique (ateliers), vitesse de défilement élevée,

sondes adaptées à différents diamètres de tubes (pour préserver le coefficient de remplissage), examen volumétrique de parois minces, recherche de variations dimensionnelles, fissures, coups, défauts de fabrication en surface, etc.

62 – Examens internes de tubes :

• Techniques courantes : sondes internes, modes différentiel et absolu. • Mise en œuvre : déplacement de sonde par tireur (pousseur), examen rapide, examen volumétrique de parois

minces, recherche d’amincissements (corrosion), fissures circonférentielles, coups, etc. 63 – Autres exemples :

Les produits contrôlés sont essentiellement cylindriques (barres, tubes). En production, les vitesses de contrôle vont jusqu’à 2 m/s pour des défauts dont la profondeur est voisine de 0,1 mm. D’autre part, les pièces à fortes concentrations de contraintes utilisées dans l’aéronautique font l’objet de visites systématiques (contrôles d’impacts sur les aubes de compresseurs de turboréacteurs, recherche de criques de fatigue sur des disques de compresseur). Les courants de Foucault sont aussi utilisés pour la vérification de tubes soudés longitudinalement. Mais le domaine de prédilection de ce CND reste les tubes de faible épaisseur utilisés dans les éléments combustibles ou condenseurs et échangeurs de vapeur dans les centrales nucléaires.



VII – AVANTAGES, INCONVENIENTS, LIMITES DE LA METHODE :

71 – Défauts mis en évidence : • fissuration • piqûres de corrosion • défauts de forme (coups,…) • pertes de matière (érosion, corrosion)

72 – Contrôles des matériaux ferromagnétiques : Les variations locales de perméabilité du matériau rendent le signal instable. Même avec saturation magnétique (afin de restaurer la stabilité de la perméabilité) de la pièce par aimant permanent ou électro-aimant, les performances restent moindres. L'encombrement de l'aimant peut rendre l'accès difficile.

73 – Avantages et inconvénients : • méthode rapide et facilement automatisable • vitesses de défilement élevées • les bobines ne sont pas en contacts avec le produit • enregistrement (numérique, graphique, magnétique) • haute sensibilité en détection, mais indications parasites existantes • appréciation de la profondeur possible • appareillage relativement coûteux • limitation aux matériaux conducteurs (métaux) • méthode peu performante sur matériaux ferromagnétiques car la • limitation aux défauts proches de la surface (même fermés) ou aux parois minces (exemple : aéronautique) • la surface doit être propre et régulière (peinture OK) • faible capacité de dimensionnement en profondeur • sensibilité influencée par l’entrefer existant entre la bobine et le produit




74 – Autres applications : Tri de métaux, mesure de dureté, de conductivité, mesure d'épaisseur de revêtement non conducteur (peinture, protection plastique).

75 – Normes : • NF A 49 872 : tubes en acier. Méthode de CND. Contrôle automatique par courants de Foucault, pour la

recherche des imperfections ou pour la vérification de l’étanchéité à l’aide de bobines encerclantes. • NF A 49 892 : tubes en acier. Contrôle par courants de Foucault pour la recherche des imperfections. Classes

de contrôle et modalités d’application. • NF A 09 150 : END. Courants de Foucault. Vocabulaire. • NF A 09 150 : END. Courants de Foucault. Caractérisation de l’appareillage. • NF A 09 150 : END. Courants de Foucault. Méthodes de caractérisation de l’appareillage.


I – INTRODUCTION : C’est une méthode de contrôle qui consiste à transmettre des impulsions acoustiques de hautes fréquences (supérieures à 30 kHz) appelées « ultrasons » dans un matériau. Ces ondes se propagent dans le matériau. La présence d’une discontinuité (défaut interne) sur le trajet des ultrasons provoque la réflexion partielle des impulsions. Le signal réfléchi est recueilli par un capteur appelé « transducteur ultrasonore ». Cette méthode permet de localiser les défauts internes avec précision et d’en apprécier leur forme avec une bonne rapidité et sans précautions particulières. C’est une méthode comparative et donc tributaire du facteur humain. Les applications les plus courantes sont la mesure d’épaisseurs, la recherche de défauts internes et la mesure de couples de serrage.


21 – La matière :

La matière est constituée d’atomes. Les atomes sont les plus petites parties des corps simples. Ceux-ci se combinent entre eux pour donner les corps composés. Alors qu’il n’existe qu’une centaine de corps simples différents (donc d’atomes), il existe une infinité de corps composés (molécules). Dans la nature, on peut classer les corps en 3 catégories : les gaz, les liquide et les solides

Les gaz : les molécules de gaz se trouvent très éloignées les unes des autres, ceci explique les caractéristiques particulières des gaz (ex : compressibilité).

Les liquides : les molécules sont plus rapprochées que dans les gaz. Elles sont moins mobiles car elles s’attirent réciproquement.

Les solides : les molécules sont très proches des unes des autres et s’attirent fortement. Dans la majorité des cas, les corps solides sont dits « cristallisés » ; c’est-à-dire que l’empilement des atomes est fait de façon ordonnée et régulière.



Résumé : on peut, pour la compréhension des phénomènes lors de la propagation des US dans la matière, schématiser celle-ci de la façon suivante : les atomes sont reliés entre eux par des forces assimilables à des « petits ressorts » ; ce qui donne cohésion et résistance.

22 – Les défauts des solides : La matière telle que schématisée précédemment présente souvent des défauts (manques matières, inclusions, etc.). Les pièces, en cours de service, sont soumises à des efforts. Les défauts peuvent alors être à l’origine d’altération de la résistance du matériau et même de la rupture des assemblages. Un défaut peut se caractériser par :

• Sa nature (crique, soufflure, inclusion, etc.) • Sa forme et son étendue, • Sa place et son orientation dans la pièce, • Le nombre de défaut par unité de volume.

Les défauts apparaissent dans les matériaux à différents moments de leur vie : élaboration (forgeage, laminage, usinage, soudage), utilisation (corrosion, fatigue). Il faut donc les détecter le plus tôt possible après leur formation. La détection par ultrasons fait partie des méthodes non destructives les plus employées.

23 – Les vibrations : Les ultrasons sont un phénomène vibratoire. Selon la norme NFE 90-001, une vibration est une variation avec le temps d’une grandeur caractéristique du mouvement ou de la position d’un système mécanique lorsque la grandeur est alternativement plus grande et plus petite qu’une certaine valeur moyenne ou de référence.

Le mouvement de la position de la masse en fonction du temps peut se représenter comme sur la figure ci-contre. La fréquence F d’un phénomène est le nombre de répétitions (périodes) de ce phénomène en une seconde. La fréquence s’exprime en Hertz. La période T (en secondes) ou cycle de ce mouvement est le temps qui s’écoule entre 2 passages du mobile dans le même sens à un endroit donné. La période est constante.

La fréquence F est l’inverse de la période : 1F T=

On peut aussi définir d’une autre manière les vibrations. Cette nouvelle façon de caractériser les phénomènes vibratoires est la longueur d’onde λ (lambda) qui est la distance qui sépare deux oscillations voisines.

. VV T Fλ = =

Remarque : les résultats précédents ont été décrits en faisant abstraction des phénomènes de frottement. Dans la réalité, le système « ressort + masse » va progressivement se freiner puis s’arrêter. Les courbes enregistrées auront finalement l’allure ci-contre.



24 – Sons et Ultrasons : Les sons sont des vibrations qui peuvent avoir pour support un solide, un liquide ou un gaz. Les sons sont classés suivant leur fréquence : graves (sons de basse fréquence) ou aigus (sons de haute fréquence). L’oreille humaine permet de capter les sons de fréquences comprises entre 20Hz et 20kHz. En dessous de 20 Hz, ce sont les infrasons et au dessus de 20 kHz, les ultrasons.

Exemples de calcul de longueur d’onde : Les sons se déplacent dans l’air à la vitesse de 340 m/s. La longueur d’onde d’un son de fréquence F = 500 Hz sera :

340 0,68 68500V m cFλ = = = = m

La vitesse de propagation des ultrasons dans l’acier est de 5850m/s. La longueur d’onde d’un ultrason de fréquence 3

MHz sera : 5850 0,00195 1,95300000 m mλ = = = m

On constate que les ultrasons ont une longueur d’onde de l’ordre du millimètre. Cet ordre de grandeur des ultrasons est très important. En effet, lors de la détection de défauts par ultrasons, le plus petit défaut détecté aura en théorie comme dimension la ½ longueur d’onde. Dans l’exemple précédent, on ne pourra détecter que des défauts de dimensions supérieures à 1,95/2 ≈ 1mm. Plus la fréquence augmente et plus la sensibilité de détection augmente. Dans le contrôle industriel par ultrasons, les fréquences utilisées vont de 0,5 à 10MHz.

25 – Propagation des ultrasons : Un corps solide peut être assimilé à un ensemble d’atomes réunis entre eux par des forces d’attraction schématisées par des ressorts. Ceci est également vrai pour les liquides mais on considère que dans ce cas les ressorts sont plus « mous » que les pour les solides : c’est l’élasticité. Les matériaux solides sont caractérisés par les physiciens par 4 paramètres principaux :

• La masse volumique ρ, • Le module d’élasticité (E) ou module de Young, • Le module de rigidité (G) ou module de Coulomb, • Le coefficient de poisson δ

Les ultrasons correspondent à un ébranlement communiqué à l’édifice « atomes + ressorts ». Un mouvement oscillatoire appliqué au premier rang des atomes sera transmis aux atomes voisins par l’intermédiaire des liaisons « ressort ». De proche en proche, la vibration se propagera au travers de la pièce. Il est intuitif de dire que, plus les ressorts seront rigides, plus le mouvement se transmettra rapidement et inversement. Il existe différents types d’ondes ultrasonores : Les Ondes Longitudinales (OL) appelées également ondes de compression : l’oscillation engendre une vibration des particules dont le déplacement élémentaire est parallèle à la direction de propagation. La vitesse de propagation est définie par :



(1 )L

EV δ(1 )(1 2 )ρ δ δ+ −

−=

Les Ondes Transversales (OT) appelées également onde de cisaillement : le déplacement des particules est perpendiculaire à la direction de la propagation. La vitesse de propagation des ondes transversales est définie par :

2 (1 )TEV

ρ σ=

+

Atténuation des ondes ultrasonores : l’amplitude d’une vibration qui se propage dans un milieu n’est pas constante durant sa progression. Elle va s’atténuer jusqu’à disparaître. Les causes de cette atténuation sont :

• La perte d’énergie par effet thermique (vibration = chaleur), • La densité du matériau qui va faciliter plus ou moins le passage de l’énergie, • La taille des grains (structure cristalline) qui va créer une dispersion.

Ces causes sont essentiellement liées au matériau proprement dit. Cependant, la fréquence des vibrations est également un facteur qui influe sur cette atténuation. Exemple :

• 1MHz dans l’acier donne une longueur d’onde λ = 6mm. • 10MHz dans l’acier donne une longueur d’onde λ = 0,6mm

Pour parcourir 6mm d’acier, il faudra 10 oscillations au signal de 10MHz, alors qu’il n’en faudra qu’une pour un signal de 1MHz. L’énergie consommée par l’onde de 10MHz sera donc plus importante que celle de 1MHz. Dans l’ordre des atténuations croissantes, on trouve, parmi les matériaux utilisés industriellement l’aluminium, l’acier, les fontes, les matériaux cuivreux et les matériaux plastiques. L’atténuation de l’onde sera fonction :

• De la fréquence de l’onde, • Du matériau, • De la distance parcourue par l’onde.

A un instant donné, l’onde possède une amplitude A0. Lorsqu’elle aura parcouru une distance d, l’amplitude restante sera A.

L’amplitude à comme équation :


.0 . dA A e α−= .

• A0 : amplitude la vibration émise, • A : amplitude la vibration qui a parcouru la distance d, • d : distance parcourue, • α : coefficient dépendant du matériau et de la fréquence

élevée au carré (α = KF2) En résumé :

• Plus la fréquence est élevée, plus l’onde sera atténuée rapidement, • Plus la fréquence est basse, plus elle pénétrera dans un matériau, • Plus les grains du matériau seront importants et irréguliers, plus l’onde sera atténuée et inversement.

Remarque : ne pas oublier, par contre, que plus la fréquence est basse et moins les petits défauts sont considérés comme réfléchissants (loi de la ½ longueur d’onde). Les phénomènes physiques impliqués dans l’atténuation sont :

• La diffraction: divergence du faisceau ultrasonore


• La diffusion: réfraction et réflexion par des discontinuités internes multiples

• L’absorption: perte d’amplitude provoquée par des frictions internes (transformation de l’énergie cinétique de la vibration en énergie thermique)

Impédance acoustique : Chaque matériau est caractérisé, en ce qui concerne son action sur la propagation des ondes ultrasonores, par son impédance acoustique « Z » ;

c’est à dire sa résistance au passage des ultrasons : .pZ Vρν= =

• Z : impédance acoustique • p : pression acoustique • ν : vitesse de la particule

• ρ : densité du matériau

• V : vitesse de l’onde Les matériaux ayant de grandes impédances acoustiques sont dits « durs » et les matériaux ayant de faibles impédances acoustiques sont dits « mous ». Interface entre 2 matériaux : l’écho : On considère une onde ultrasonore arrivant perpendiculairement sur l’interface entre deux matériaux caractérisés par leurs impédances Z1 et Z2. Il se produit au niveau de cette interface une brusque variation d’impédance. Une partie de l’onde sera transmise (ou réfractée) et une partie de l’onde sera réfléchie : c’est l’écho ultrasonore. On peut dire que : ONDE INCIDENTE = ON REFLECHIE + ONDE REFRACTEE. La proportion de l’onde qui sera réfléchie (donc inversement celle qui sera transmise) dépend de l’écart des valeurs d’impédances acoustiques. Dans le cas d’une incidence droite :

• Energie réfléchie (%) : 2

2 12


2 1

( )( )

Z ZZ Z+

−

• Energie réfractée (%) : 2 12

4Z Z2 1( )Z+

Z


En général, on définit le coefficient de réflexion qui sera donné en % par :

( )( 1 2)Z Z− 100( 1 2) xZ Z+

L’écho est donc proportionnel au coefficient de réflexion. Selon les matériaux en présence, on aura apparition d’échos d’amplitudes différentes (proportionnelles aux coefficients de réflexion).

Métal

Sur Vide Air Eau Métal Exemple interface acier / silicate d’aluminium :


(45000000 15000000). . 50%(45000000 15000000)coefficient de réflexion −= =+

50% de l’onde incidente sera réfléchie, en faisant abstraction des pertes dues à l’atténuation. On pourrait dire que l’écho aura une amplitude de moitié de l’émission. Les défaut dans une pièce ne sont ni plus ni moins, pour la propagation des ondes, que des interfaces. La réflexion ultrasonore de ces défauts dépendra de la nature de ceux-ci. Une crique, donc une interface acier / air, réfléchira mieux qu’une inclusion acier / manganèse par exemple. Cas particuliers :

• Si Z1 = Z2, onde réfléchie = 0 il y a transmission totale • Si Z1>>Z2 (exemple interface acier /air), onde réfléchie = onde incidente, il y aura réflexion totale de l’onde

ultrasonore. Ceci explique qu’il faille coupler acoustiquement le palpeur à une pièce à contrôler par un milieu autre que l’air (huile, eau, glycérine, etc.).

26 – Réflexion et réfraction : Précédemment, l’onde ultrasonore arrivait perpendiculairement à l’interface des 2 matériaux. En incidence oblique, il se produit également des phénomènes de réflexion et de réfraction (transmission) Réflexion : soit une onde incidente longitudinale (OL) arrivant obliquement sur l’interface en faisant un angle d’incidence « i » (angle entre l’onde et la perpendiculaire à l’interface). Cette onde va se réfléchir en se dédoublant en 2 types d’ondes :

• Une onde longitudinale L faisant un angle de réflexion RL tel que RL = i

• Une onde transversale T faisant un angle RT tel que RT < RL

Réfraction : en plus du phénomène de réflexion, il se produit un phénomène de transmission dans le second milieu, appelé réfraction, avec dédoublement de l’onde incidente en deux ondes (L et T). De même que précédemment, l’angle de réfraction en Ol : rl sera toujours supérieur à l’angle de réfraction en OT : rt. La loi de SNELL - DESCARTES va permettre de relier entre elle les différentes valeurs d’angles : i, RL, RT, rl, rt.


Loi de SNELL – DESCARTES : La loi de SNELL - DESCARTES permet de relier entre eux les angles et les vitesses des différentes ondes.

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2i L T LSin Sin Sin Sin Sinα α α α α= = = = 2

1 1 2 2

T

i L T L TV V V V VRemarques :

• Certaines composantes réfléchies ou réfractées peuvent ne pas exister, ou véhiculer une énergie négligeable.

• La réflexion et la réfraction n'ont aucun impact sur la caractéristique fréquentielle.

• 2Lα et 2Tα augmentent avec iα .

• Quand 12

arcsin( )ii

L

VVα α= = (premier angle critique), 2 2L

πα = et l'onde L réfractée suit l'interface (onde

rampante).

• Quand 22

arcsin( )ii

T

VVα α= = (second angle critique), 2 2T

πα = et l'onde L réfractée suit l'interface (onde

de surface). Elle se propage à une vitesse Vs légèrement inférieure à 2TV V2T.

• Si 2iα α> , toute l'énergie incidente est réfléchie.

Effet de l'état de surface de l'interface : • surface lisse : maintien des orientations des rayons

réfléchis et réfractés • surface rugueuse : dispersion des rayons

Effet de la géométrie de l'interface : • surface plane : maintien de l'orientation des rayons • surface concave : focalisation si V2 > V1 (et

inversement) • surface convexe : défocalisation si V2 > V1 (et

inversement)



valeurs numériques :

III – LA PRODUCTION DES ULTRASONS : Le but est de créer une vibration mécanique de haute fréquence. Des oscillations mécaniques rapides sont difficiles à mettre en œuvre. Par contre, des oscillations électriques sont beaucoup plus aisées à réaliser.

31 – Le phénomène piézo-électrique : Dans un cristal de quartz, une pression (ou une traction) exercée sur ses faces crée sur celles-ci une tension électrique. Cette tension s’inverse en polarité si la pression devient une contraction. Une des particularités du cristal de quartz est la réciprocité du phénomène. Cette réciprocité entraine que l’application d’une tension entre deux faces du cristal va le comprimer et l’inversion de tension va le dilater.

L’application d’une tension alternative va donc permettre au cristal de vibrer mécaniquement. Et si le cristal reçoit une vibration, il créera une tension qui sera l’image de cette vibration. La lame de quartz est en fait un traducteur, puisqu’elle transforme une énergie électrique en énergie mécanique et inversement. Si la fréquence du signal électrique est appropriée, la vibration mécanique engendrée sera susceptible de générer des vibrations mécaniques ultrasonores. On aura alors un émetteur ultrasonore. Inversement le cristal recevant des ultrasons donnera un signal électrique, on aura alors un récepteur ultrasonore. Le plan de taille du cristal déterminera la manière dont celui-ci vibrera.



Principe : • Les faces métallisées d'une pastille céramique

piézoélectrique transforment une décharge électrique en vibration mécanique.

• L'onde se propage dans la semelle et pénètre dans le matériau à travers une couche liquide assurant le couplage acoustique.

• Transformation inverse de l'énergie en réception 32 – Le faisceau ultrasonore.

Les ondes ultrasonores émises par le palpeur dans un matériau sont « contenues » dans le faisceau ultrasonore. En dehors de ce faisceau, la matière n’est pas mise en vibration. Il est important de noter que le faisceau diverge au sein du matériau. Pour un palpeur circulaire, la forme du faisceau n’est pas un cylindre mais un tronc de cône. Plus le diamètre du palpeur est important, moins le faisceau divergera. Sur l'axe (x) de symétrie, il y a interférences d'intensité dans le champ proche (N), et décroissance quadratique inverse dans le champ éloigné. Hors axe, le faisceau est divergent (θ) et décroissance gaussienne de l'intensité en s'éloignant de l'axe.

2D


4N

λ=

.KsinD

λθ =

K = 0,51 pour une chute de 6 dB ; 0,87 pour une chute de 20 dB ; 1,22 pour une chute totale de l’intensité acoustique.

33 – Répartition de l’intensité acoustique : Non seulement le faisceau diverge dans le matériau à contrôler, mais de plus, il n’est pas homogène. L’énergie ultrasonore contenue dans ce faisceau n’est pas uniformément répartie. C’est au centre de celui-ci que ce se situe l’intensité maximale. En d’autres termes, un défaut situé sur l’axe du faisceau renverra un écho plus important que s’il se trouve sur le bord de ce faisceau.

Défaut sur l’axe du faisceau Défaut en bordure du faisceau

Dans la pratique, une fois un défaut détecté par l’apparition d’un écho, il suffira de rechercher, en déplaçant le palpeur, l’endroit où l’écho sera d’amplitude maximale pour localiser précisément le réflecteur que constitue le défaut.

34 – Visualisation des échos ultrasonores : Il existe plusieurs façons de visualiser les échos créés par les défauts dans une pièce. La plus employée est celle qui consiste à représenter l’écho sur un écran (type oscilloscope), en fonction du temps que mettent les ultrasons à parcourir l’aller et retour entre le palpeur et l’interface que représente le défaut en question.


Principe : Soit une pièce qui comporterait deux défauts : d1 et d2. Le processus d’examen se compose de 2 étapes : l’émission puis la réception.

• L’émission : le palpeur est mis en vibration pendant un cours instant. Une vibration prend naissance dans la pièce au niveau du contact avec le palpeur et va se propager vers la face opposée. Cette vibration après un certain temps de parcours, va rencontrer le défaut d1. Une réflexion d’une partie du faisceau va se produire pendant que les restant de la vibration va poursuivre son chemin pour rencontrer un peu plus tard d2 (où une seconde réflexion se produira) puis sur le fond de la pièce (où une troisième réflexion se produira).

• La réception : l’onde ultrasonore réfléchie par d1, d2 puis par le fond, va se propager vers le palpeur. La première vibration que le palpeur recevra sera celle provenant de d1 (puisque celle-ci a le moins de chemin à parcourir) puis suivra celle venant de d2 et puis celle venant du fond (appelé écho de fond). Ces différentes vibrations (appelées échos) vont donc rencontrer la surface où est posé le capteur, traverser l’agent couplant (huile) et venir faire vibrer l’élément piézoélectrique qui donnera des signaux électriques au fur et a mesure de l’arrivée des échos. La face arrière de la pièce étant une interface matériau/air, il y a réflexion totale.

Par contre, pour les vibrations réfléchies par les défauts d1 et d2, rencontrant à leur tour l’interface pièce / palpeur, une partie de leur énergie sera renvoyée dans la pièce vers la face arrière. Un nouveau phénomène de réflexions sur d1 et d2 se produira. Leurs échos, plus faibles que les premiers, arriveront sur le palpeur après les précédents. Il y aura donc différentes réflexions provenant des mêmes défauts : ce sont des réflexions multiples. Le nombre de ces réflexions multiples dépendra bien sûr de l’atténuation due au matériau. Plus le matériau sera absorbant, moins il y aura de réflexions multiples. Les signaux électriques transmis par le palpeur ne sont pas en fait tels que représentés sur le schéma ci-dessus. Ils sont électroniquement mis en forme pour donner sur l’écran une information telle ce celle ci-dessus.

IV – LES TECHNIQUES DE CONTROLE PAR ULTRASONS :

41 – Configuration d’examen : Réflectivité des défauts :

Pas de défaut plan

Défaut plan d’orientation quelconque

Défaut plan normal à l’onde incidente Défaut volumique



Pour pouvoir détecter des défauts plans d’orientations diverses, il faut utiliser plusieurs capteurs il faut utiliser plusieurs capteurs d’angles différents.

42 – Le contrôle par contact : C’est la méthode la plus employée. On déplace le traducteur directement en contact avec la pièce, en assurant la transmission des ondes US par un couplant (huile, eau, etc.). Dans cette technique, on distingue 3 méthodes :

• Méthode par résonance (méthode peu utilisée et réservée à la mesure d’épaisseur)

• Méthode par réflexion, • Méthode par transmission,

Méthode par réflexion : C’est la méthode la plus utilisée dans le contrôle US. L’onde US se propage dans la pièce, se réfléchit sur le fond de celle-ci ou éventuellement sur le défaut. La visualisation de l’amplitude de l’écho de fond et de l’écho de défaut, donne une indication quand à l’importance de l’anomalie, ainsi que sur sa position dans la matière.

Détermination de la profondeur du défaut dans le cas d’un capteur droit à ondes longitudinales :

.2

LV tp =.

Détermination de la profondeur du défaut dans le cas d’un capteur d’angle :

.2.cos.sin

V tp

h px p

=

⇒ =⇒ =

αα



Méthode par transmission : On utilise 2 palpeurs : un émetteur et un récepteur. La visualisation sur l’écran de l’amplitude de l’écho transmis permet d’avoir une indication quant à l’importance du défaut (% d’atténuation de l’écho d’émission), mais ne permet pas de positionner ce défaut dans la matière. De plus il faut avoir accès des deux cotés de la pièce.

Transmission : La détection s’effectue par perte du signal. Il est à noter que dans ce cas, les 2 capteurs sont solidaires (E + R). Ce type de contrôle nécessite l’accès aux 2 faces de la pièce. Ce type de méthode est insensible à l’orientation du défaut.

Pitch & Catch : La détection s’effectue par perte du signal. Il est à noter que dans ce cas, les 2 capteurs sont solidaires (E + R). Ce type de méthode est insensible à l’orientation du défaut.

Tandem : La détection s’effectue par apparition du signal. Il est à noter que dans ce cas, les 2 capteurs sont solidaires (E + R). Ce type de méthode est sensible à l’orientation du défaut.



43 – Le contrôle par immersion :

La pièce et le traducteur sont complètement immergés dans une cuve contenant un liquide de transmission. Le traducteur est situé à une certaine distance de la pièce. Le couplage est en général assuré par le liquide de transmission (généralement de l’eau). Ce système est réservé aux pièces de faibles dimensions et aux contrôles en série.

44 – Exemple de défauts recherchés par US : Lors de la fabrication des tôles, des défauts peuvent apparaître, ce sont généralement des dédoublements de tôles. Pour effectuer le contrôle, on utilise un traducteur droit avec pour objectifs de détecter les dédoublements de tôle et d’évaluer leurs dimensions.

Le soudage de deux tôles bout à bout entraîne l’apparition de nombreux défauts. La recherche de ces défauts permet d’assurer la fiabilité de la soudure (durée de vie et résistance). Il existe plusieurs méthodes de contrôle des soudures par US. C’est la destination de la pièce (donc les défauts non tolérables) qui imposera la méthode de contrôle.

45 – Localisation d’un défaut : • Positionnement : dès l’apparition d’un défaut, l’opérateur devra affiner la position de son palpeur pour obtenir

un maximum de réflexion ; l’axe du faisceau coïncidant alors avec l’axe du réflecteur découvert. Il devra alors effectuer la lecture de la distance sur le cadran de l’écran, en mm de matière, et noter la position du palpeur sur la pièce.

• Dimensionnement : pour trouver la dimension du défaut, on utilise la méthode dite des « -6dB ». Elle consiste à déplacer le traducteur tout autour du défaut, et à noter les points par lesquels l’amplitude HD reçue (amplitude défaut) est égale à la moitié de celle obtenue lorsque le traducteur est à la position où cette amplitude HD est maximale.On considère que les limites du défaut sont atteintes par l'axe du palpeur quand le signal du défaut à diminué de 50%.

10/ 26 20.log hdBh

⎛ ⎞− = ⎜ ⎟⎝ ⎠

• Identification d’un défaut : un défaut est détecté et localisé. Encore faut-il l’identifier car sa nature peut être extrêmement variable et son incidence sur la résistance de la pièce sera elle-même différente. Il s’agit là plus qu’ailleurs d’une question de métier et d’expérience. Les défauts peuvent être classés en deux familles : les défauts volumiques (inclusions, soufflures, etc.) et les défauts plans (collages, fissures, etc.)



46 – Détermination du type de défaut :

Le défaut étant détecté et positionné, pour en déterminer sa nature, il suffira de faire effectuer au palpeur un déplacement, de part et d’autre de sa position de détection, en visant le défaut. Selon que l’écho reste à peu près constant ou au contraire, « disparaît », le défaut sera considéré comme volumique ou plan.

• Défaut volumique : l’écho reste à peu près constant (au moins supérieur à h/2).

• Défaut plan : l’écho disparaît (au moins inférieur à h/2).

Critères de rebut des pièces : il est impossible de donner ici des critères précis et généraux de rebut des pièces contrôlées. Chaque pièce examinée aura, selon sa destination finale, ses propres critères d’acceptabilité fixés par le cahier des charges. Ces critères fixeront les dimensions maximales autorisées et la densité tolérable de défauts par unité de longueur ou de surface.

V – PERFORMANCES :

Détection de défauts : • Très bonne performance sur défauts volumétriques & plans (particulièrement ceux débouchant en paroi

opposée) • Risque d’indications parasites • Risque de masquage d’un défaut par un autre

Localisation & caractérisation de défauts : • Très bonne performance (y compris en profondeur)

Dimensionnement de défauts : • Bonne performance en longueur et en hauteur

Remarque : risque de dégradation des performances si technique inadaptée. Applicabilité :

• Tous matériaux (suffisamment compacts) • Méthode très flexible • Surface propre et non accidentée • Présence d’une zone morte (exempte de défauts) • Absence de trace (sauf en cas d’automatisation) après contrôle

Mise en œuvre : • Adjonction de liquide de couplage acoustique • Etalonnage préalable et périodique • Combinaison de plusieurs capteurs • Méthode complexe



Coût : • Durée de balayage • Coût élevé (personnel formé & équipement)

VI – LES EQUIPEMENTS : L'appareillage de contrôle comprend principalement : un appareil émetteur / récepteur, un ou plusieurs traducteurs reliés à l'appareil par un ou plusieurs câbles de liaison. Le traducteur comporte un ou plusieurs éléments sensibles appelés transducteurs qui convertissent l'énergie électrique du signal d'émission en énergie acoustique (vibration ultrasonore) et inversement. L'appareil de contrôle par ultrasons comporte principalement les ensembles fonctionnels suivants :

• Le circuit d'émission (générateur d’impulsions) qui fournit au transducteur l'énergie électrique nécessaire pour le mettre en vibration pendant un temps très bref,

• Le circuit de réception qui recueille (amplification) et met en forme les signaux (échos) reçus par le transducteur (traitement),

• Le circuit de balayage (visualisation) qui synchronise les différentes fonctions de l'appareil et génère la base de temps pour la visualisation des échos sur le tube cathodique

• Le tube cathodique qui permet la visualisation des échos ultrasonores en fonction de leur date d'arrivée

Les transducteurs sont fabriqués dans une grande variété de modèles afin de répondre aux multiples applications. Les transducteurs sont classés suivants différents critères : à contact ou par immersion, simple (E+R dans le même boîtier) ou « dual » (E+R séparés), faisceau normal ou incident. Le choix d’un transducteur se fait en fonction du type d’application, de sa bande de fréquences et de sa taille.



VII – AVANTAGES, INCONVENIENTS, LIMITES DE LA METHODE :

71 – Avantages et inconvénients : • Détection des défauts localisés dans le volume de la pièce • Grande sensibilité, mais qui dépend de l’orientation de la surface du défaut vis-à-vis de la direction principale

du signal acoustique • Peut s’utiliser aussi bien sur des chantiers que dans un atelier • Méthode qui se prête bien à l’automatisation • Nécessité d’interposer un milieu de couplage intermédiaire entre le traducteur et la pièce afin d’assurer une

continuité de la propagation • Nécessité d’un personnel expérimenté et qualifié afin d’interpréter correctement la nature des défauts et leurs

dimensions 72 – Normalisation :

Norme NF A 09-300 : vocabulaire utilisé en CND par ultrasons Une norme sur les principes généraux du contrôle par ultrasons est en cours d’élaboration.



I – PRINCIPE : Lorsqu’une structure est soumise à une force extérieure (contrainte, changement de température, etc.), elle émet des ondes acoustiques (ondes vibratoires) en provenance d’un défaut (fissure, déformation plastique) qui est activé et / ou qui progresse. Ces ondes se propagent dans la structure à une vitesse qui dépend du type de matériau et du mode de propagation vibratoire de la pièce. Ces ondes, connues sous le nom d’émissions acoustiques (EA), sont détectées à l’aide de transducteurs attachés à la surface de la structure. Ces signaux sont généralement faibles. Des capteurs de grande sensibilité et un système de préamplification électronique sont donc souvent requis afin de pouvoir les détecter et les analyser. L’émission acoustique résulte donc d’une libération d’énergie sous forme d’ondes élastiques transitoires au sein d’un matériau comportant une dégradation active ou se propageant sous l'effet d'une sollicitation externe. Différents phénomènes physiques peuvent être générateurs d’EA :

• propagation de fissures • déformation plastique • relaxation de contraintes dans les soudures • corrosion • frottements • fuites (de liquides ou de gaz)

Le principe de mesure de l’émission acoustique réside dans la détection des ondes ultrasonores générées par l’activité de la structure. La détection est généralement réalisée par des capteurs de type piézoélectrique placés au contact de la structure. L’acquisition et le traitement des données enregistrées sont alors réalisés par le système proprement dit.

EQUIPEMENT PORTATIF

SONDES



Dans les plastiques, les EA émises ont de plus faibles fréquences (kHz).

Les matériaux fragiles (céramiques, verres, métaux) produisent

des EA de fréquence élevée (MHz).

II – AVANTAGES, INCONVENIENTS, LIMITES DE LA METHODE :

21 – Domaine d’application : La principale application industrielle de l’émission acoustique est le contrôle des équipements métalliques sous pression et des réservoirs de stockage. Ces équipements sont en général des structures de taille importante pour lesquelles un suivi périodique est réglementé (décret du 13 décembre 1999 et arrêté modifié du 15 mars 2000). L'émission acoustique est aussi appliquée sur les matériaux composites. En effet, la requalification périodique ou la réception pour les équipements neufs comporte une épreuve hydraulique souvent problématique (arrêt de production, corrosion et surcharge pendant l’épreuve, etc.). Cette épreuve hydraulique peut être remplacée, dans certains cas, par d’autres types d’essais tels qu’une épreuve pneumatique couplée à des mesures complémentaires. Le contrôle par émission acoustique est particulièrement adapté pour satisfaire à ces exigences réglementaires. Le contrôle peut être réalisé aussi bien durant une épreuve hydraulique que pneumatique. Une surpression de 10% par rapport à la pression de service vue par l'appareil au cours des 6 derniers mois permet d’obtenir des résultats d’EA probants. Dans certains cas, un suivi en service (ou lors des changements de process) peut suffire à évaluer l’intégrité l’un appareil. On peut aussi contrôler des structures munies d’un revêtement (calorifuge par exemple) ou des structures enterrées. Les capteurs EA classiques supportent des températures de l’ordre de 100°C. Si nécessaire l’utilisation de capteurs haute température permet de contrôler des structures jusqu’à quelques centaines de degrés.

22 – Principaux secteurs d'applications : • Le suivi d’épreuves hydrauliques ou pneumatiques d’équipements sous pression : sphères de stockage,

réservoirs, réacteurs chimiques, tuyauteries, condenseurs, échangeurs, autoclaves, colonnes (crackers), réacteur à paroi froide, etc.

• Le contrôle des bacs de stockage : la maintenance des fonds des bacs de stockage est une opération longue et coûteuse. Elle nécessite une vidange complète, un nettoyage et un examen du fond (la surface à contrôler peut varier d’environ 100m² à plus de 2000m² suivant le diamètre du bac). L’émission acoustique présente l’avantage d’évaluer l’état des fonds de bac sans aucune préparation préalable. Seule une interruption de service de 24 à 48 heures est nécessaire. Ce contrôle a pour objet principal d’évaluer la présence de fuites et de corrosion active au niveau du fond de bac (durée d’écoute acoustique de 1 à 3 heures). Cette opération peut être réalisée avant les interventions de maintenance et permet d’évaluer les réparations à prévoir (dimensions et emplacement des tôles de fond à remplacer).

• Le contrôle des citernes de gaz GPL chez les particuliers




23 – Avantages et inconvénients : Avantages :

• Evaluation globale de l’état d’un appareil lors d’essais de pressurisation, • Suivi de l’évolution des sources d’émission acoustique sans interrompre l’exploitation de l’équipement

concerné, • Localisation des sources d’émission acoustique générées par des défauts de la structure.

L’utilisation de I’émission acoustique lors du suivi des épreuves sur équipements sous pression présente les avantages évidents que sont :

• le suivi en temps réel de l’évolution des indications, d’où une amélioration de la sécurité des installations et des personnels,

• l’évaluation de l’intégrité globale d’une structure • le temps de réalisation, • la possibilité de surveiller une structure, sans arrêt de process ou de vidange, ni démontage ou qui est

inaccessible à des contrôles non destructifs conventionnels. Inconvénients :

• Applicable uniquement à des pièces sous contraintes • Etalonnage délicat • Instrumentation complexe


I – PRINCIPE : La radiographie peut être décrite comme étant un examen qui utilise un faisceau de radiations électromagnétiques pénétrantes dirigé vers la pièce à inspecter. Suivant la nature et la géométrie de la pièce, une portion du faisceau est absorbée et/ou déviée. En créant une image à partir de l’intensité de la radiation derrière la pièce, des variations d’intensité sont donc observées. Ces variations correspondent à l’ombrage produit par les différentes structures (internes et externes) de la pièce inspectée.




21 – Les sources de rayonnement : • Radiation: transport d’énergie sous forme d’ondes électromagnétiques (photons) ou de particules. • Radioactivité: propriété de certains atomes d’émettre des radiations ionisantes suite à la capture d’électrons

ou à une désintégration spontanée. • Radiation ionisante: rayonnement capable de produire des ions (arracher des électrons à un atome) lors de

son passage à travers un matériau. Deux sources de radiations sont principalement utilisées en CND : les rayons X (photons), les rayons γ (photons). Ces rayonnements sont des rayonnements électromagnétiques (donc de nature identique à celle de la lumière). Ils se propagent donc à la vitesse de la lumière, soient 300000 km/s. Ils sont caractérisés par leur longueur d’onde et par leur énergie libérée.

22 – Spectre électromagnétique de la lumière :

• Vitesse de propagation de la lumière :

8 1s3.10 .V m −=

• Longueur d’onde « λ (m) » d’un rayonnement en fonction de sa fréquence « f (Hz) » de rayonnement : Vfλ =

• Constante de Planck : 34 s 6,62.10 .h J=

.

−

E h f=• Energie libérée « E (J) » :

23 – Les radiations GAMMA ( γ) : Ce sont des radiations, de très haute énergie, émises suite à la désintégration nucléaire d’un radio-isotope avec émission de particules α (hélium) ou β (électrons). Leur longueur d’onde varie de 10-10 à 10-13 m.

• Isotope : en physique nucléaire, un isotope est un corps simple ayant le même numéro atomique qu'un autre, des propriétés chimiques presque identiques (même élément chimique), mais une masse atomique différente. Les différences physiques entre isotopes d'un même élément sont dues à la différence de constitution du noyau de l'atome : le nombre de protons, correspondant à son numéro atomique Z, reste toujours inchangé ; c'est le nombre de neutrons N qui diffère d'un isotope à l'autre d'un même élément.


http://fr.wikipedia.org/wiki/Physique_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/Num%C3%A9ro_atomique


http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89l%C3%A9ment_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89l%C3%A9ment_chimique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Masse_atomique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Noyau_atomique

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome

http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton


http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron


• Radio-isotopes : contraction de radioactivité et d'isotope, appelés encore radionucléides. Ce sont des atomes dont le noyau est instable. Cette instabilité peut être due soit à un excès de protons ou de neutrons, soit à un excès des deux. Les radio-isotopes existent naturellement ou sont produits artificiellement en bombardant de petites quantités de matière avec des neutrons, usuellement produits dans un réacteur nucléaire. La majorité des radio-isotopes utilisés en radiographie industrielle sont produits artificiellement.

Pour activer des radio-isotopes, des matériaux stables sont soumis à une source de neutrons à l’intérieur d’un réacteur nucléaire. Exemple : un matériau stable (le cobalt 60), sous l’action d’un bombardement neutronique, perd une particule β- (électron) pour former un isotope du nickel : le nickel 60. Suite à leur activation, les radio-isotopes émettent continuellement des radiations γ.

24 – Notion de temps de demi-vie des rayonnements Gamma :

Le temps de demi-vie T d'un nucléide radioactif est la durée au bout de laquelle le nombre de noyaux radioactifs est divisé par deux.

1/ 2

0( ) .N t N eLe nombre N de noyaux non désintégrés à l'instant t est lié au nombre de noyaux N0 initialement présents à l'instant t0

par une relation exponentielle : .tλ−= . λ est la constante radioactive qui caractérise un radionucléide.

A , 1/ 2t T= 0 / 2N N= 1/ 2.00.

2TN N e λ−= 1/ 2.1

2Te λ−= 1/ 2. lT n 2λ− = − 1/ 2. lnT 2λ =

1/ 2T 2 ln / λ= .

On définit 1/τ λ= comme la constante de temps radioactive du radionucléide en s-1. 1/ 2 .ln 2T τ=

L'activité (A) d'une source se mesure en curies (Ci) ou becquerels (Bq). Elle décroît dans le temps.

L’activité radioactive est définie par : .

0( ) ( ) / . . . ( )tA t dN t dt N e N tλλ λ−= − = =

A , 1/ 2t T= 1/ 2 0( ) . / 2A T Nλ= . Si 0 0.A Nλ= , 1/ 2 0( ) / 2A T A=

Au bout d'un temps égal à la demi-vie, l'activité d'un radionucléide est divisée par deux. Suivant l’isotope utilisé, les temps de demi-vie varient de fractions de seconde à plus de 10000 ans. Ex : Ir192 = 74 jours ; Co60 = 5,3 ans ; Th170 = 129 jours.

Durée de vie des rayonnements

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Temps

Activ

ité

Demi vie


http://fr.wikipedia.org/wiki/Radioactivit%C3%A9

http://fr.wikipedia.org/wiki/Isotope

http://fr.wikipedia.org/wiki/Atome

http://fr.wikipedia.org/wiki/Proton

http://fr.wikipedia.org/wiki/Neutron

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_nucl%C3%A9aire

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9acteur_nucl%C3%A9aire


25 – Production des rayons GAMMA : Les rayonnements γ sont émis par la désintégration spontanée et continue des atomes radioactifs d'un isotope (Ir192, Co60, Th170, etc.). Une pastille d'isotope est scellée dans une capsule appelée source puisque suite à leur activation, les radio-isotopes émettent continuellement des radiations. De façon à limiter les fuites, le matériel irradié et encapsulé et est attachée à une tresse flexible (« pigtail »).

Un mécanisme d'éjection permet de positionner la source à l'endroit requis pour l'exposition.



Caractéristiques d'un équipement à rayons GAMMA : • Isotope utilisé (et demi-vie) • Activité de l’isotope à la mise en service

26 – Les radiations X : Ces sont des radiations produites par le bombardement d’une cible de cuivre ou de tungstène par des électrons de haute énergie. En passant près des noyaux métalliques de charge positive, les électrons sont déviés en raison de leur charge négative. Cette déflection impose une diminution de l’énergie de l’électron ; énergie qui est émise sous la forme d’un rayonnement X.

Contrairement aux rayons γ, les rayons X sont produits, à la demande par un générateur. Un très haut potentiel électrique (plusieurs centaines de kV) est établi entre deux électrodes (la cathode négative source d’électrons et l’anode positive source des rayons X). Les électrons sont accélérés par la tension entre les électrodes. La production du faisceau électronique génère de la chaleur (99%) et des rayons X (1%). De façon à éviter la formation d’arcs électriques entre les deux électrodes, celles-ci sont placées dans un tube à vide. Exemple de tube à rayons X :

Caractéristiques principales des générateurs de rayons X : • Voltage : valeurs max usuelles de 100 à 300 kV, accélérateurs linéaires jusqu'à 10 MeV • Courant : valeurs prédéfinies ou réglables, valeurs usuelles de 1 à 10 mA • Directivité de rayonnement : faisceau latéral ou axial • Pénétration dans l'acier : gamme de 10mm (mini) à 100mm (maxi)



27 – Pouvoir de pénétration des rayons ionisants : Par leur énergie, les rayonnements ionisants sont pénétrants, c’est-à-dire qu’ils peuvent traverser la matière. Cependant, le pouvoir de pénétration est différent pour chacun d’entre eux, ce qui définit des épaisseurs différentes de matériaux pour se protéger. Lorsqu’un rayonnement pénètre la matière, il interagit avec elle et lui transfère de l’énergie.

• Particules alpha : pénétration très faible dans l’air. Une simple feuille de papier est suffisante pour arrêter les noyaux d’hélium.

• Particules bêta moins : électrons : pénétration faible. Parcourent quelques mètres dans l’air. Une feuille d’aluminium de quelques millimètres peut arrêter les électrons.

• Rayonnements X et gamma : pénétration très grande, fonction de l’énergie du rayonnement : plusieurs centaines de mètres dans l’air. Une forte épaisseur de béton ou de plomb permet de s’en protéger.

• Neutrons : pénétration dépendante de leur énergie. Une forte épaisseur de béton, d’eau ou de paraffine arrête les neutrons.

28 – Synthèse :



III – LES FILMS : Un film radio est en général composé comme le montre la figure ci-contre. La couche d'émulsion est impressionnée par les rayonnements X et γ, et la lumière. Les films sont conditionnés en pochettes prêtes à l'emploi. Ils se différencient par la qualité d'image (grosseur de grain, contraste) et la rapidité.

Un standard EN définit les types C1 à C6. Des écrans (feuilles de Pb, Cu, Ni, etc.) intégrés dans la pochette renforcent l'effet de l'irradiation sur le film. Le temps de pose, c'est-à-dire le temps de l'exposition externe durant lequel la source radioactive est sortie de son conteneur pour la prise d'un cliché nous est donné par la formule :

2 6. . .10Q d kT−

=37.N

• T = temps de pose en heures • Q = facteur fonction de la densité fixée par le cahier des

charges du client et de l'épaisseur d'acier à traverser • (tableau ci-après). La densité souhaitée conditionne le

contraste recherché • d = distance source / film en mètres • k = coefficient de rapidité du film utilisé (fourni par le

fabricant du film) • N = activité résiduelle en becquerels



Exemple : Une source d'iridium 192 a une activité de 925 MBq (25 curies) au 1er mars 2004. Le cliché est pris le 10 juin 2004 avec un film ayant un facteur k = 4 pour une densité recherchée de 2,5. La soudure à radiographier est un tube de 508 x 5 en acier. La source radioactive est disposée dans l'axe du tube.

• Calcul de l'activité résiduelle au 10 juin 2004 : 925 x 0,392 = 362,6 MBq = 362,6 106 Bq • Epaisseur de l'acier : 5 mm donc Q = 950 (densité voulue 2,5) • Distance source film en mètres : d =0,26 m • Coefficient de rapidité du film = K = 4

Temps de pose :

6

6

950 0,26 0,26 4.10 0,019 1min37 362,6 10x x xT h

x x

−

= = ≈

Le développement des films s’effectue par traitement des films exposés par bains successifs (révélateur, neutralisant, fixateur + lavage / séchage), manuel ou automatisé. Le film obtenu est un négatif. La Visualisation et l’interprétation s’effectuent sur négatoscope :

• repérage • vérification de qualité d'image • recherche / analyse de défauts

La qualité de l'image radiographique dépend de nombreux facteurs :

• Taille de grain : caractéristique du film • Contraste : dégradé par la grosseur

de grain et par un rayonnement γ

• Flou géométrique U : étendue du manque de netteté dû à la dimension du foyer. Il est à évaluer dans la position la plus Pénalisante. Les appareils à micro foyer réduisent le flou.

. /U F t d≈



La nature et la géométrie de la pièce examinée affectent aussi le résultat, d'où l'intérêt d'une mesure globale de la qualité d'image. Des Indicateurs de Qualité d'Image (IQI) permettent de s’en assurer :

• fils, trous, etc. de dimensions étagées • modèles divers adaptés à des cas types • placés pendant l'irradiation sur la pièce, du même côté que la source de

rayonnement (dans la position la plus pénalisante) • Si « t » est l'épaisseur de la pièce, et minφ le diamètre du dernier fil visible sur le film

exposé, la sensibilité est : min(%) /S tφ=

IV – PERFORMANCES, LIMITES DE LA METHODE :

Détection de défaut : • très bonne performance sur défauts volumétriques • très bonne performance sur défauts plans parallèles au tir

Localisation et caractérisation de défaut : • très bonne performance, limitée à la vue en plan

Dimensionnement de défaut : • très bonne performance de dimensionnement en longueur • pas de dimensionnement en hauteur

Applicabilité : • technique convenant à tout matériau (métaux, plastiques, béton,...) • peu affectée par l'état de surface (rugosité, propreté, peinture,...) • accès requis aux deux côtés de la pièce examinée • pas de liquide entre source et film

Mise en œuvre : • délai entre exposition et diagnostic • mesures de protection contre les radiations ionisantes • équipements assez lourds et volumineux

Coût : • équipements, matériel accessoire et consommables onéreux • travail fréquent hors horaires normaux • subsistance du film pour archivage

Sécurité : La réalisation d'un CND conduit à s'entourer de précautions particulières compte tenu de l'emploi de produits nocifs ou encore d'appareils électriques. Dans la cas de la radiographie X ou y, les risques encourus sont particulièrement importants puisque l'action des rayonnements sur les organismes vivants est nocive et peut avoir des conséquences fatales à plus ou moins long terme. Des règles ont donc été instaurées pour veiller à la sécurité des travailleurs concernés mais aussi du public. La réglementation en vigueur en France est régie par le décret N°86-1103 du 2octobre 1966. Ces textes prévoient les équivalents de dose maximaux admissibles pour diverses catégories de personnels ainsi que les mesures de surveillance médicale et de suivi administratif. Cette réglementation est complétée par un arrêté du 2 mai 1977 créant le certificat d'aptitude à manipuler les appareils de radioscopie et de radiographie industrielle (CAMARI). Tous les opérateurs en contrôle doivent être titulaires de ce CAMARI ou en avoir obtenu la dispense dans des conditions définies elles aussi par arrêté ministériel. Tous ces textes sont rassemblés dans un document intitulé « Hygiène et Sécurité - protection contre les rayonnements ionisants « qui est publié au journal officiel.


Les Contrôles Non Destructifs

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