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Contrôles Non destructifs
CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS
Objectifs du cours :
Les contrôles non destructifs permettent, en respectant l'intégrité des objets :
• L’examen direct des pièces et la détection des défauts internes, • Le
suivi de l'évolution en service des défauts détectés.
La mise en œuvre d'un contrôle non destructif demande la connaissance :
• Des possibilités et limites des procédés utilisables,
• De l'histoire de la pièce (forme et mode de fabrication), • Des défauts
recherchés (nature, position, dimensions,...)
• Des propriétés physiques du matériau contrôlé.
Le but de ce cours est :
• De donner les principes communs à tous les procédés,
• De dresser un panorama des principaux contrôles non destructifs.
2
Contrôles Non destructifs
SOMMAIRE
Contrôles non destructifs ……………………………………………………….....
Principe du contrôle ……………………………………………………….....
Principaux contrôles non destructifs …………………………………….......
Mise en œuvre des contrôles non destructifs ………………………………...
Contrôles visuels ………………………………………………………………. ….
Principe du contrôle ………………………………………………………….
Mise en œuvre du contrôle ………………………………………………. …
Contrôles d’étanchéité …………………………………………………………….
Principe du contrôle …………………………………………………………
Mise en œuvre du contrôle …………………………………………………..
Contrôle par ressuage ……………………………………………………………..
Principe du contrôle ……………………………………………………….....
Méthode de contrôle ………………………………………………………....
Procédure de contrôle ……………………………………………………......
Contrôle par magnétoscopie ……………………………………………………....
Rappels sur le magnétisme …………………………………………………..
Principe du contrôle ………………………………………………………….
Méthode contrôle …………………………………………………………….
Procédure de contrôle ………………………………………………………..
3
Contrôles Non destructifs
Contrôle par rayons ionisants …………………………………………………….
Lois de propagation des rayons ionisants …………………………………....
Principe du contrôle ……………………………………………………….....
Obtention des rayons X et γ .............................................................................
Méthode contrôle ………………………………………………………….. ..
Procédure de contrôle ………………………………………………………..
Développement du procédé ………………………………………………….
Contrôle par ultrasons …………………………………………………………….
Lois de propagation des ultrasons …………………………………………...
Principe du contrôle ………………………………………………………….
Appareillage utilisé …………………………………………………………..
Méthode contrôle …………………………………………………………….
Procédure de contrôle ………………………………………………………..
Développement du procédé ………………………………………………….
Contrôle par thermographie ……………………………………………………...
Principe de la thermographie ………………………………………………...
Rappel de quelques lois sur le rayonnement IR ………………………….. ...
Les détecteurs de rayonnement ……………………………………………...
Contrôle par émission acoustique ………………………………………………...
Principe du contrôle ……………………………………………………….....
Mise en œuvre ………………………………………………………….. ;….
Localisation de la source d'émission ………………………………………...
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Contrôles Non destructifs
Lexique……………………………………………………………………………. .
Bibliographie ……………………………………………………………………….
1 CONTROLES NON DESTRUCTIFS
Les contrôles non destructifs permettent, en respectant l'intégrité des objets : •
L’examen direct des pièces et la détection des défauts internes,
• Le suivi de l'évolution en service des défauts détectés.
La mise en œuvre d'un contrôle non destructif demande la connaissance :
• Des possibilités et limites des procédés utilisables,
• De l'histoire de la pièce (forme et mode de fabrication), • Des défauts recherchés
(nature, position, dimensions,...),
• Des propriétés physiques du matériau contrôlé.
Ces connaissances permettent de choisir :
• La méthode de contrôle la mieux adaptée,
• La procédure permettant :
• D’observer les défauts recherchés avec le maximum de chances de détection,
• De quantifier de façon la plus fidèle ces défauts.
1.1 Principe du contrôle
Le but principal d'un contrôle non destructif est de déterminer la qualité ou l'état de la
soudure, avec l'intention de l'accepter ou de la rejeter en fonction de normes ou cahiers des
5
Contrôles Non destructifs
charges. Les principaux défauts que les contrôles non destructifs doivent déceler
appartiennent à l'une des classes suivantes :
• Défauts d'étanchéité,
• Défauts de continuité (fissures, soufflures,...),
• Défauts de résistance mécanique.
Dans tout contrôle non destructif, on peut détecter les cinq étapes suivantes :
• La mise en œuvre d'un processus physique,
• L’altération de ce processus par le défaut,
• La révélation de cette variation par un détecteur approprié,
• La conversion de cette variation en une forme adaptée au traitement de l'information,
L'interprétation de l'information obtenue.
Un contrôle non destructif comprend donc (figure 1) :
• Un émetteur de flux,
• Un récepteur ou détecteur.
FIGURE 1 : Contrôle non destructif.
Dans certains cas, émetteur et détecteur sont inclus dans le même dispositif. Le tableau 1
6
Contrôles Non destructifs
1.2 Principaux contrôles non destructifs
Les contrôles non destructifs peuvent se classer en trois catégories :
• Les méthodes dites de surface pour lesquelles l'anomalie est localisée, soit en surface,
soit dans une zone proche de la surface (Examen visuel, le ressuage, la
magnétoscopie, les courants induits),
• Les méthodes dites volumiques pour lesquelles l'anomalie est localisée dans le
volume de la pièce (Ultrasons, rayonnements ionisants),
• Les méthodes complémentaires (Etanchéité, thermographie, émission acoustique).
Nous donnons ci-dessous le principe des principaux contrôles non destructifs. Ressuage
Le ressuage comprend trois étapes :
• Après un nettoyage soigné, la pièce est soumise à l'action d'un pénétrant qui diffuse
dans le défaut.
• On procède au rinçage de l'excès du pénétrant à la surface de la pièce.
montre l'adaptation de ce principe aux principaux contrôles non destructifs.
Principe des contrôles non destructifs TABLEAU 1
7
Contrôles Non destructifs
• Le pénétrant contenu dans le défaut diffuse sur le révélateur appliqué à la surface de
la pièce. On observe la tache résultante sous un éclairage adapté.
Magnétoscopie
Le principe de la magnétoscopie est le suivant :
• La pièce est aimantée partiellement ou totalement. Les particules magnétiques
contenues dans le révélateur s'accumulent au droit du défaut par suite de la
perturbation locale des lignes d'induction.
• On observe le spectre résultant sous un éclairage adapté.
8
Contrôles Non destructifs
Courants induits
Le principe du contrôle par courants induits est le suivant :
• Des courants en opposition de phase sont induits dans deux sections voisines du
produit à contrôler. En l'absence de défaut, en regard des bobines d'excitation le
système est en équilibre.
• La présence d'un défaut en regard d'une des bobines modifie la répartition des
courants induits et provoque un déséquilibre du système.
• On observe sur l'écran de visualisation une signature caractéristique du signal
déséquilibré.
Contrôle par ultrasons
Le contrôle par ultrasons comprend trois étapes :
• La vibration mécanique engendrée par le palpeur émetteur se propage dans la pièce
en se réfléchissant sur les faces. Une partie du faisceau est interceptée par le défaut
9
Contrôles Non destructifs
et renvoyée vers le palpeur récepteur (Eventuellement le même que l'émetteur) qui
convertit la vibration en signal électrique.
• On observe sur l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une
distance donnée sur la base de temps.
•
Rayonnements ionisants
Le contrôle par rayonnements ionisants est le suivant :
• La pièce est soumise à l'action d'une source de rayonnement. Le rayonnement sortant
de la pièce est fonction de l'épaisseur traversée. Au droit d'un défaut l'intensité
transmise sera plus élevée ou plus faible.
• Une image se forme sur le film après exposition pendant un temps donné fonction du
matériau, de l'épaisseur et de la puissance de la source, de la qualité du rayonnement.
• Le film est développé et interprété sous un éclairage adapté.
10
Contrôles Non destructifs
Thermographie
La thermographie est basée sur le principe suivant :
• La structure est soumise à un flux thermique qui la traverse. Une interruption dans la
propagation de la chaleur (par un défaut, par exemple) engendre un écart de
température sur la surface opposée.
• Une caméra infrarouge décèle l'anomalie au sein de l'image thermique de la surface.
11
Contrôles Non destructifs
Contrôle acoustique
Le principe est le suivant :
• Sous l'action d'une contrainte mécanique, un début de fissuration (ou un déplacement)
s'organise dans la pièce.
• La fissure se comporte comme une source d'émission sonore détectée par un capteur
judicieusement placé.
1.3 Mise en œuvre des contrôles non destructifs
12
Contrôles Non destructifs
La mise en ouvre correcte de contrôles non destructifs comporte trois volets :
• La qualification des opérateurs,
• Le choix des équipements,
• La définition des modes opératoires.
Qualification des opérateurs
Les contrôles non destructifs doivent être mis en œuvre par des opérateurs ayant la formation,
l'habileté, l'expérience et l'aptitude physique nécessaires pour ce type de contrôle. Pour cela,
les opérateurs doivent être certifiés par un organisme habilité et indépendant qui définit le
niveau de qualification (3 niveaux).
La qualification du personnel est définie par la norme NF EN 473.
Choix des équipements
Le matériel utilisé pour les contrôles non destructifs doit être conforme aux normes en
vigueur. Les opérateurs doivent contrôler leur bon état et leur étalonnage. Définition des
modes opératoires
Le mode opératoire de contrôle doit préciser :
• Le cadre du contrôle
• Domaine d'application
• Conditions préalable au contrôle (préparation des surfaces,...)
• Personnel chargé du contrôle
• La préparation du contrôle
• Choix et vérification des matériels et produits
• Définition des paramètres de réglage ou des conditions d'étalonnage
• Réglage en vue de la détection d'un type de défaut
• L'exécution du contrôle
• Plan de sondage
• Méthode de caractérisation des défauts
13
Contrôles Non destructifs
• Les critères d'acceptation
• Le compte rendu du contrôle
Le tableau 2 donne un récapitulatif des intérêts des principaux contrôles non destructifs.
Intérêts des contrôles non destructifs TABLEAU 2
2 CONTRÔLES VISUELS
Le premier contrôle des soudures est visuel pendant et après l'exécution de chaque cordon.
En général, c'est le soudeur lui-même qui l'effectue.
Le but de cette fiche est de donner quelques informations succinctes sur ce moyen de
contrôle.
2.1 Principe du contrôle
Ce contrôle porte essentiellement sur la forme générale des cordons (figure 2), à savoir :
14
Contrôles Non destructifs
• Les dimensions géométriques (gorge dans le cas d'une soudure d'angle,
surépaisseur,..),
• L'aspect du cordon (stries de solidification),
• Les défauts visibles (caniveaux, irrégularités de fusion,...).
Contrôle visuel du soudage manuel à l’électrode enrobée
FIGURE 2
Cette méthode est caractérisée par les points suivants :
• L'avantage de cette méthode réside dans sa simplicité, qui permet à un opérateur
averti de se faire une opinion :
• Sur la qualité du cordon,
• Sur le choix de la procédure de soudage,
• Sur la compétence du soudeur.
• Elle permet également de déclencher des contrôles plus approfondis.
• En aucun cas, elle ne permet de connaître la qualité interne d'une soudure.
2.2 Mise en œuvre du contrôle
Par définition, le contrôle s'effectue à l'œil nu, mais dans certains cas l'opérateur peut avoir
recours à des moyens complémentaires :
• Jauges ou calibres (figure 3) pour mesurer les gorges, les surépaisseurs,...
• Loupes pour la recherche de défauts débouchants (fissures, manque de fusion,...),
• Miroirs ou endoscopes pour observer des zones non accessibles à l'œil.
15
Contrôles Non destructifs
Exemple de jauges de contrôle
FIGURE 3
3 CONTRÔLE D'ÉTANCHÉITÉ
Le contrôle d'étanchéité a pour but de s'assurer qu'une enceinte ou une partie d'enceinte ne
présente pas de fuite supérieure aux critères d'acceptation imposés.
3.1 Principe
Le principe du contrôle d'étanchéité comprend deux phases :
• La diffusion aux travers des défauts de la paroi à vérifier d'un fluide (gaz ou liquide),
• La détection de la fuite par une technique appropriée.
Les méthodes se distinguent par :
• Le moyen de diffusion (mise en pression ou en dépression),
• Le fluide utilisé (air, hélium, eau, pétrole,...),
• Le moyen de détection (eau savonneuse, détecteur d'hélium,...).
Ce type d'essais peut être effectué sur :
• Des récipients fermés devant contenir un fluide (liquide ou gaz) sous pression ou non,
• Des ensembles (ou parties d'ensembles) non fermés (carters, bâtis de machine,...).
3.2 Mise en œuvre du contrôle
Le choix de la méthode dépend :
16
Contrôles Non destructifs
• De la zone de pression,
• Du l'objectif recherché (localisation, détection, mesure),
• Du domaine à contrôler (ensemble ou zone localisée),
• De la qualité de l'étanchéité recherchée.
On distingue deux grandes familles, en fonction du type de pièces à contrôler.
3.2.1 Contrôle de produits "ouverts"
Dans ce cas, il existe deux méthodes principales : Méthode
à la ventouse
Sur la zone à contrôler on applique une ventouse. La détection des défauts peut se faire :
• Soit par dépression dans la ventouse,
• Soit par pression de gaz (ammoniac).
Dans le premier cas, l'application d'un produit mouillant sur la face coté ventouse permet la
détection des fuites par formation de bulles.
Dans le deuxième cas, l'ammoniac sortant à l'opposé de la ventouse est détecté par un
révélateur approprié.
Méthode par liquide pénétrant
La méthode consiste à remplir la cavité d'une pièce d'un liquide pénétrant (produits de
ressuage colorés ou fluorescents). La détection des fuites se fait à l'aide d'un révélateur (talc,
produits de ressuage) ou en lumière de Wood.
3.2.2 Contrôle de produits "fermés"
Les principales méthodes utilisées sont les suivantes :
L'étanchéité à l'eau
L'essai hydraulique consiste à soumettre une enceinte à une pression déterminée et à
rechercher les fuites ou perlages sur la surface externe. Cet essai permet de contrôler
17
Contrôles Non destructifs
simultanément l'étanchéité et la résistance mécanique du réservoir. Pour les appareils à
pressions la pression d'épreuve est égale à 1,5 fois celle de service. L'étanchéité à l'air
La pièce est mise sous pression (de quelques mbar à quelques centaines de mbar). La
détection des fuites se fait :
• Soit globalement par mesure de la chute de pression au bout d'un temps
déterminé,
• Soit par immersion dans de l'eau additionnée de produits mouillants,
• Soit, localement en badigeonnant les zones suspectées par des produits
mouillants.
L'étanchéité par le vide
La pièce est mise sous vide et isolée. La détection des fuites se fait par mesure de la remontée
de pression au bout d'un temps déterminé. L'étanchéité aux gaz
La pièce est mise sous pression à l'aide d'un gaz. La détection des fuites se fait par un
détecteur ou révélateur approprié. Les principaux gaz utilisés sont:
• L'hélium
L'hélium présente les avantages suivants :
• Sa faible présence dans l'atmosphère donc faible perturbation de la
mesure,
• Sa faible diamètre atomique favorisant son infiltration dans les défauts,
• Son inertie chimique.
La détection des fuites se fait à l'aide d'un spectromètre de masse.
• L'ammoniac
• L'utilisation de l'ammoniac est à proscrire avec le cuivre et ses alliages.
• La détection des fuites se fait à l'aide d'un révélateur sous forme de
peintures ou de bandes adhésives.
18
Contrôles Non destructifs
• Les gaz halogènes
• Le gaz le plus utilisé est le Fréon 12.
• La détection des fuites se fait à l'aide d'un reniflard et d'un détecteur
électronique.
L'étanchéité par émission acoustique
La fuite d'un fluide (liquide ou gaz) au travers d'une paroi provoque des phénomènes
complexes (turbulence, cavitation, vibration,...) qui génèrent des ondes acoustiques pouvant
être détectées.
4 CONTRÔLE PAR RESSUAGE
Le contrôle par ressuage est limité à la détection de défauts débouchant à la surface des
pièces. Il consiste à révéler le défaut à l'aide d'un liquide pénétrant et d'un révélateur. Son
efficacité est fonction de la taille du défaut recherché. Plus celui-ci est fin plus la détection
est difficile.
Malgré son apparente simplicité, la mise en œuvre de ce contrôle nécessite une bonne
connaissance des phénomènes et un personnel expérimenté.
Le but de cette fiche est :
• De donner le principe du contrôle par ressuage,
• De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle.
4.1 Principe du contrôle
Le ressuage comprend trois étapes (figure 4) :
• Après un nettoyage soigné, la pièce est soumise à l'action d'un produit qui pénètre
dans le défaut par capillarité.
• On procède au rinçage de l'excès du pénétrant à la surface de la pièce.
• Le pénétrant contenu dans le défaut diffuse sur le révélateur appliqué à la surface de
la pièce. On observe la tache résultante sous un éclairage adapté.
19
Contrôles Non destructifs
Ressuage
FIGURE 4 Avantages
• Simplicité de mise en œuvre.
• Prix modique dans une application manuelle.
• Localisation des défauts de surface et appréciation de leur longueur.
• Possibilité d'automatisation. Inconvénients
• Pas de détection de défauts internes.
• Pas d'appréciation de la profondeur des défauts.
• Interprétation délicate.
• Non utilisables sur les matériaux poreux.
4.2 Méthode de contrôle
4.2.1 Préparation de la surface
La surface de la pièce doit être débarrassée de tout corps susceptible :
• D’empêcher l'étalement du liquide pénétrant,
• De retenir ce même produit dans la phase de nettoyage,
• De boucher les défauts recherchés.
Il faut donc éviter la présence de rouille ou calamine (rétention du pénétrant), de produits
gras ou peinture.
20
Contrôles Non destructifs
4.2.2 Phase d'imprégnation
Les produits pénétrants doivent être très mouillants et comporter des éléments (pigments
colorés ou fluorescents) qui faciliteront la détection lors de la phase finale.
L'application du liquide pénétrant peut se faire :
• Par pulvérisation (pistolet, bombes aérosols),
• Au trempé,
• Au pinceau.
La durée d'application est un paramètre très important de cette opération. Des temps de
l'ordre de 10à 30 min sont généralement nécessaires.
Il existe des produits pénétrants pouvant être utilisés sur pièces chaudes (jusqu'à 200°c).
4.2.3 Phase de pénétration
C'est la phase qui traduit l'interaction du pénétrant avec le matériau. Les phénomènes qui
expliquent la remontée du liquide dans le défaut sont :
• L’effet capillaire,
• La diffusion (liée à la mouillabilité),
• L’adsorption (adhérence du liquide dans l'anfractuosité du défaut).
Les paramètres influençant cette phase sont :
• La géométrie du défaut et son état de surface,
• La nature du produit pénétrant et ses caractéristiques physico-chimiques (masse
volumique, tension superficielle, viscosité).
4.2.4 Phase de nettoyage
Cette phase permet d'enlever l'excédent de pénétrant. Il existe trois possibilités :
• Le rinçage à l'eau,
• Le rinçage avec un solvant spécifique,
21
Contrôles Non destructifs
• Le rinçage avec un émulsifiant.
Cette phase est importante et délicate car elle doit :
• Éliminer toute trace de liquide pénétrant à la surface de la pièce,
• Ne pas éliminer le pénétrant du défaut.
Les principaux paramètres sont :
• La nature du produit de nettoyage,
• Le mode et le temps d'application du produit de rinçage,
• La vérification de l'efficacité du rinçage,
• Les conditions de séchage après rinçage.
Dans tous les cas, on ne peut passer à la phase suivante tant que les surfaces ne sont pas
sèches.
4.2.5 Application du révélateur
Cette application doit se faire immédiatement après le nettoyage sur des surfaces
parfaitement sèches. Le produit révélateur est souvent constitué d'une poudre blanche très
fine que l'on applique par pulvérisation à sec ou en suspension dans un liquide volatil.
4.2.6 Observation du résultat
La révélation des défauts se fait plus ou moins rapidement suivant la quantité de pénétrant
présent dans les défauts. Le relevé des positions doit se faire dès le début de l'apparition des
"indications". Ce temps peut aller de quelques minutes à une demi-heure pour les très petits
défauts.
Selon le type de liquides pénétrants, l'examen se fait :
• À la lumière naturelle ou artificielle pour les produits colorés,
• À la lumière UV pour les produits fluorescents.
4.3 Procédure de contrôle
La mise au point d'un contrôle par ressuage réclame la détermination précise:
22
Contrôles Non destructifs
• Des conditions de préparation de la pièce,
• De la nature des produits de ressuage,
• Des conditions d'application du pénétrant,
• Des conditions de nettoyage,
• Des conditions d'application du révélateur,
• Des conditions d'examen.
Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se
reportera aux normes NF A 09-120, NF A 09-122, NF A 09-123, NF A 09-130.
5 CONTRÔLE PAR MAGNÉTOCOPIE
Le contrôle par magnétisation utilise la perturbation crée par le défaut d'un champ
magnétique circulant dans les pièces. La révélation de cette perturbation se fait par des
particules magnétiques.
Ce type de contrôle permet la détection de défauts débouchant ou se situant près de la surface
de la pièce.
5.1 Rappels sur le magnétisme
Ce mode de contrôle utilise des champs magnétiques. La présence d'un défaut associé au
champ de saturation du matériau pourra engendrer une fuite magnétique qui sera détectée.
5.1.1 Champ magnétique d'excitation (H)
Le champ magnétique d'excitation est l'action en un point d'une source magnétique (aimant,
conducteur parcouru par un courant,...).Il dépend :
• De la nature et de la forme de la source,
• De la distance du point considéré à la source.
Il s'exprime en Ampère par mètre.
5.1.2 Champ magnétique d'induction (B)
23
Contrôles Non destructifs
Il s'agit de l'effet produit dans un milieu par un champ magnétique d'excitation. Il représente
le magnétisme pris par ce milieu. Dans un milieu magnétique parfait, qui n'a jamais été
magnétisé, on a la relation suivante :
B= μ .H Avec
:
μ représente la perméabilité magnétique du matériau.
5.1.3 Perméabilité magnétique d'un matériau μ
La perméabilité d'un matériau s'exprime en Henry par mètre et prend la forme :
μ = μ0
Avec :
μ0 perméabilité du vide (4 10-7) μr perméabilité
relative du matériau
On distingue deux grandes familles de matériaux en fonction de leur réaction à un champ
magnétique d'excitation.
• Les matériaux amagnétiques présentant un μr voisin de 1 (Vide, air, cuivre,...).
Leur réaction vis à vis du champ magnétique d'excitation est nulle et ils sont
impropres au contrôle par magnétoscopie.
• Les matériaux ferromagnétiques présentant un μr très élevé (Acier C45 pouvant
atteindre une valeur de 2000). Le contrôle par magnétoscopie ne s'applique qu'à ces
matériaux.
5.1.4 Magnétisation des matériaux ferromagnétiques
Pour connaître la réaction de ces derniers, on utilise deux courbes (figure 5) :
La courbe de première aimantation
24
Contrôles Non destructifs
C'est la courbe B(H) pour des matériaux jamais magnétisés ou parfaitement démagnétisés.
On constate :
• Pour les faibles valeurs d'excitation, le champ B est sensiblement proportionnel à
H,
• Au-delà de ce domaine il n'y a plus proportionnalité,
• Pour les valeurs d'excitation élevées, la croissance du champ B est faible; c'est le
phénomène de saturation. Le cycle d'hystérésis
Lors d'un cycle d'aimantation et désaimantation, on constate que :
• Le matériau présente un retard (hystérésis) à l'aimantation et à la désaimantation,
• L'aimantation obtenue dépend des états antérieurs.
Matériaux magnétiques
FIGURE 5
5.1.5 Flux magnétique
Lorsqu'une section S d'un matériau est traversée par un champ magnétique B faisant un angle
α avec la normale à la surface, on définit un flux magnétique par : F = B S cos α
A travers un circuit fermé, il y a conservation du flux.
25
Contrôles Non destructifs
5.2 Principe du contrôle par magnétoscopie
Le principe de la magnétoscopie est le suivant (figure 6) :
• La pièce est aimantée localement ou totalement à une valeur proche de la saturation
magnétique. En l'absence de défaut, les fuites dans l'air sont insignifiantes (La
perméabilité du matériau étant beaucoup plus grande que celle de l'air).
• Toute discontinuité du matériau provoquera une diminution de la section de passage
et donc une augmentation du champ d'induction magnétique (Conservation du flux).
Cette augmentation provoquera une fuite magnétique à la surface de la pièce. Des
particules ferromagnétiques contenues dans un révélateur s'accumulent au droit du
défaut.
• On observe le spectre résultant sous un éclairage adapté.
Contrôle par magnétoscopie
FIGURE 6 Avantages
• Simplicité de mise en œuvre.
• Localisation des défauts de surface ou légèrement sous-jacents et appréciation de leur
longueur.
• Possibilité d'automatisation. Inconvénients
26
Contrôles Non destructifs
• Pas de détection de défauts internes.
• Pas d'appréciation de la profondeur des défauts.
• Interprétation délicate.
• Utilisables que sur les matériaux ferromagnétiques.
• Sensibilité fonction de l'orientation du défaut par rapport à la direction générale des
lignes d'induction.
• Nécessité de désaimantation des pièces après contrôle.
5.3 Méthode de contrôle
5.3.1 Méthode de magnétisation
Dans la pratique, on procède à l'aimantation des pièces suivant deux techniques principales
:
Méthode directe
La pièce est aimantée totalement ou localement par l'intermédiaire d'un électro-aimant
(figure 7).
Méthode indirecte
La pièce est aimantée par l'intermédiaire d'un courant la traversant totalement ou localement
(figure 8).
Trois paramètres sont à prendre en compte : La
nature du champ magnétique
Les formes de courants utilisés sont les suivantes :
• Monophasé sinusoïdal,
• Monophasé redressé une ou deux alternances,
• Triphasé redressé une ou deux alternances.
La forme d'onde agit sur la pénétration des courants (Effet de peau en courant alternatif).
Plus on se rapproche du courant continu, plus la pénétration est importante.
27
Contrôles Non destructifs
L'intensité du champ magnétique
Une valeur trop importante provoque la saturation du matériau. La
direction du champ magnétique
On peut utiliser une magnétisation longitudinale, transversale ou oscillant de façon à
s'adapter à l'orientation des défauts.
Méthode directe Méthode indirecte
Figure 7 Figure 8
5.3.2 Défauts détectables
Les défauts détectables sont ceux qui introduisent suffisamment de perturbation dans le
champ magnétique. Pour cela il faut prendre en compte (figure 9) : La géométrie du défaut
Les défauts doivent introduire une variation de section de passage suffisante.
Sa position dans la pièce
Le défaut doit être proche de la surface. Plus ll sera proche de la surface, plus l'indication
donnée par le révélateur sera nette.
Son orientation par rapport au champ magnétique
Seules les anomalies orientées presque perpendiculairement (Au moins 45° et plus
efficacement au dessus de 60°) aux flux seront décelables.
28
Contrôles Non destructifs
Défauts décelables
Figure 9
5.3.3 Produits révélateurs
Les caractéristiques de base de ces produits sont :
• Ils doivent pouvoir être facilement attirés par les fuites magnétiques.
• Ils doivent être suffisamment fins et légers pour ne pas nécessiter de grandes forces
d'attraction.
• Ils doivent être suffisamment mobiles pour circuler sur toute la pièce.
Pour améliorer la visibilité, la poudre et la pièce pourront être colorées de façon à obtenir un
contraste maximum suffisant. Des poudres à base de produits fluorescents sont utilisées pour
un examen en "lumière noire".
On distingue : La
voie sèche
29
Contrôles Non destructifs
La poudre est appliquée au cours de la magnétisation par saupoudrage manuel ou mécanique
ou soufflage. Après application on enlève l'excès de poudre par un léger soufflage.
La voie humide
On utilise un porteur de poudre qui peut être un produit pétrolier ou de l'eau. Outre les
propriétés de viscosité de ce liquide, la qualité du contrôle est conditionnée par la
granulométrie et la concentration de la poudre.
La voie sèche permet des contrôles à des températures plus élevées et les indications
apparaissent plus nettement tandis que la voie humide est d'usage plus facile et permet des
images plus fines.
L'information donnée par l'image magnétique peut être conservée :
• Sous forme de croquis,
• Sous forme de clichés photographiques,
• Sous forme de prélèvements à l'aide de papiers adhésifs ou produits pelliculaires.
5.3.4 Démagnétisation
Le magnétisme résiduel, conservé par les pièces, peut présenter des inconvénients pour les
phases ultérieures d'élaboration (usinage, soudage,...) ou pour l'utilisation (pièces
mobiles,...).
Il convient dans ce cas de démagnétiser les pièces. Le principe consiste à soumettre la pièce
à un champ magnétique dont on diminue très progressivement l'intensité en inversant à
chaque fois son sens. On parcourt ainsi des cycles d'hystérésis de plus en plus petits.
Cette opération peut se faire avec l'appareil de magnétisation ou dans un tunnel.
5.4 Procédure de contrôle
La mise au point d'un contrôle magnétoscopique réclame la détermination précise :
• Des conditions de préparation de la pièce
• Nettoyage (nature du produit utilisé),
30
Contrôles Non destructifs
• Enlèvement de la protection ou conditionnement particulier en surface,
• Désaimantation éventuelle,
• Des conditions d'aimantation
Matériel utilisé,
• Mode transversal et/ou longitudinal,
• Position de la pièce par rapport au système d'aimantation,
• Réglages d'intensité d'aimantation et temps de maintien,
• Nécessité d'une désaimantation intermédiaire entre chaque opération.
• Des conditions d'application du révélateur
• Nature du révélateur,
• Conditions d'application.
• des conditions d'examen
• Critère de rebut,
• Conditions de retouche,
• Présentation du procès-verbal.
• Des conditionnements des pièces après contrôle
• Désaimantation,
• Nettoyage, • Protection.
Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se
reportera aux normes NF A 09-125, NF A 04-121, NF A 09-130, NF A 09-170.
6 CONTROLE PAR RAYONS IONISANTS
Le contrôle par rayons ionisants (radiographie) utilise la propagation de rayonnements
électromagnétiques (X ou ) de faible longueur d'onde dans les matériaux. L'absorption du
rayonnement par la matière est fonction de la nature du matériau et de l'épaisseur. La
31
Contrôles Non destructifs
présence d'un défaut se traduit par une variation de l'absorption du rayonnement. Une image
de ces variations peut être observée soit par l'intermédiaire d'un film, soit par une caméra.
Ce type de contrôle permet la détection précise de défauts dans le volume de la pièce.
Le but de cette fiche est :
• De donner le principe du contrôle par rayons ionisants,
• De rappeler les phénomènes de propagation des rayons ionisants dans les matériaux,
• De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle.
6.1 Lois de propagation des rayonnements ionisants
Ce mode de contrôle utilise des rayonnements électromagnétiques de faible longueur d'onde
(de l'ordre de grandeur de l'angström) pour traverser des matériaux opaques à la lumière.
6.1.1 Nature et propriétés principales
Les rayons X ou qui sont employés en contrôle ont les propriétés suivantes:
• Ils se propagent en ligne droite à la vitesse de la lumière.
• Ils sont invisibles.
• Ils traversent la matière et sont partiellement absorbés au cours de la transmission.
• Ils peuvent endommager ou détruire les cellules vivantes.
• Ils ionisent les milieux gazeux.
6.1.2 Phénomène d'absorption
Lors de la traversée d'un matériau, le rayonnement électromagnétique subit un
affaiblissement (figure 10) par :
• Effet photo-électrique,
• Effet Compton,
• Formation de paires d'ions.
32
Contrôles Non destructifs
Absorption des rayons ionisants
FIGURE 10
D'une façon schématique, on peut écrire (en rayonnement monochromatique) :
I = I0 e - μe
Avec :
I intensité en sortie
I0 intensité incidente μ
coefficient d'absorption e
épaisseur du matériau
Le coefficient d'absorption prenant la forme :
μ = k l3
Z3
μ
= k l3
Z3
Avec :
33
Contrôles Non destructifs
k fonction de la masse volumique du matériau l
longueur d'onde du rayonnement
Z numéro atomique de l'élément traversé
L'absorption peut aussi s'exprimer par :
• L’épaisseur de demi-absorption I = I0/2
• L’épaisseur de déci-transmission I = I0/10 (utilisée en radio-protection)
6.2 Principe du contrôle
Le contrôle par rayonnements ionisants est le suivant (figure 11) :
• La pièce est soumise à l'action d'une source de rayonnement. Le rayonnement sortant
de la pièce est fonction de l'épaisseur traversée. Au droit d'un défaut, l'intensité
transmise sera plus élevée ou plus faible.
• Une image se forme sur le film après exposition pendant un temps donné fonction du
matériau, de l'épaisseur et de la puissance de la source, de la qualité du rayonnement.
• Le film est développé et interprété sous un éclairage adapté.
Rayonnements ionisants FIGURE
11
Avantages
34
Contrôles Non destructifs
• Détection des défauts dans le volume de la pièce.
• Bonne définition des défauts avec détection de leur nature.
• Archivage aisé des résultats.
Inconvénients
• Méthode coûteuse en investissement et développement des films.
• Nécessite le respect de règles de sécurité importantes.
• Pénétration des rayons limitée par l'épaisseur et la puissance de la source.
• Localisation du défaut dans la section non garantie.
• Sensibilité fonction de l'orientation du défaut vis à vis de la direction principe du
rayonnement.
6.3 Obtention des rayons X et γ
6.3.1 Les rayons X
Ils sont produits par un tube radiogène (figure 12) qui est constitué d'une enceinte dans
laquelle on a fait le vide et qui contient principalement deux électrodes :
• L’une négative (cathode) constituée d'un filament qui porté à incandescence émet des
électrons,
• L’autre positive (anode) qui reçoit les électrons accélérés par une différence de
potentiel.
Ce bombardement électronique produit de la chaleur (99% de l'énergie à 200 kV) et des
rayons X.
Les caractéristiques d'un générateur sont :
• La tension d'accélération qui détermine la vitesse des électrons (elle varie entre 200
et 400 kV),
• Le courant cathodique, qui conditionne la production des électrons (il varie de 5 à
35
Contrôles Non destructifs
20 mA),
• Les dimensions de la tache focale (partie active de l'anode),
• Le temps d'utilisation lié aux problèmes de refroidissement de l'anode.
Tube à rayons X
FIGURE 12
6.3.2 Les rayons
Ils sont obtenus à partir de sources radioactives. Le tableau 1 donne quelques sources
utilisées.
Rayons γ
TABLEAU 1
36
Contrôles Non destructifs
6.3.3 Comparaison des rayons X et γ
Le tableau 2 donne un état comparatif des deux types de rayonnements.
Comparaison des rayonnements
TABLEAU 2
6.4 Méthode de contrôle
Le contrôle détecte la différence d'absorption provoquée par la présence du défaut par rapport
au reste de la pièce. Cette différence peut être mise en évidence par :
• L’impression de films photographiques,
• L’utilisation d'écrans fluorescents et caméras de télévision,
• L’utilisation de détecteurs de rayonnements.
37
Contrôles Non destructifs
Par la suite, nous ne traiterons que le cas de la radiographie. Pour chaque contrôle, il existe
un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se reportera aux normes NF EN
444, NF EN 462-1, NF EN 462-2, NF A 89-550, NF A 89-551, NF A 89-552, NF A 89-562,
NF A 89- 565.
Le tableau 3 donne quelques indications sur les apparences radiographiques de quelques
défauts.
6.4.1 Le film radiographique
Les films sont constitués d'un support plastique recouvert sur les deux faces d'une émulsion
de sels d'halogénures d'argent dans une couche de gélatine. Une des caractéristiques des
films est la taille du grain. Les films à gros grains sont plus rapides que les films à grains
fins, mais la définition des images est plus faible.
Apparences radiographiques des défauts
TABLEAU 3
38
Contrôles Non destructifs
6.4.2 Visibilité des défauts
Cette visibilité des défauts est déterminée par les facteurs suivants :
• La nature et l'épaisseur traversée par le rayonnement du défaut,
• Les facteurs géométriques (distance du foyer de la source au film par exemple) qui
vont conditionner la netteté des contours du défaut (problème de flou),
• Les propriétés du film (granulation, voile de base, présence d'écrans filtrants et
(ou) de renforçateurs),
• La qualité du rayonnement utilisé.
6.4.3 Qualité du contrôle
Pour apprécier la qualité de l'image radiographique, il faut la traduire sous forme numérique.
Pour cela, on utilise des indicateurs de qualité d'image (IQI). Ils sont placés au contact de la
pièce face à la source de rayonnement. L'image de l'IQI sur le film traduira la qualité de
l'image.
Les principaux IQI utilisés sont les suivants (figure 13) :
• Indicateurs à fils (utilisé dans la plupart des pays européens),
• Indicateurs à gradins percés (utilisé surtout en France), • Indicateurs à plaquettes
percées (utilisé aux USA).
39
Contrôles Non destructifs
Indicateurs de qualité d'image
FIGURE 13
6.4.4 Protection
L'emploi de source de rayonnement demande le respect des réglementations sur la sécurité
des opérateurs de contrôle.
6.5 Procédure de contrôle
La mise au point d'un contrôle par rayons X réclame le choix :
• De la tension anodique,
• Du courant cathodique,
• De la distance du film au foyer,
• Du type du film et éventuellement des écrans renforçateurs,
• Du temps de pose.
La détermination du temps de pose peut se faire à l'aide de table (figure 14) valable pour :
• Un matériau donné,
• Un domaine de tension,
• Une distance du film au foyer,
• Un type du film et d'écran renforçateur.
40
Contrôles Non destructifs
Détermination du temps de pose
FIGURE 14
6.6 Développement du procédé
Depuis leur création les matériels de contrôle par rayonnements ionisants ont subis des
développements divers. Nous donnons dans ce qui suit les principaux :
6.6.1 Surfaces sensibles
Le développement de la radiophotographie se fait suivant trois axes :
Amélioration des surfaces sensibles
L'évolution a conduit à la mise au point de systèmes-films (films + écrans renforçateurs
métalliques + traitements chimiques) permettant d'améliorer les paramètres des surfaces
sensibles (Gradient minimal, granularité maximale,...) Utilisation de machines à
développer
Ces machines se substituent au traitement manuel sur chantiers ou en laboratoire. Elles
améliorent la fiabilité du traitement et diminuent le temps de développement par traitement
simultané de plusieurs films. Traitement des radiogrammes
Les exigences de qualité ont favorisé la mise au point de traitement d'image afin d'améliorer
la qualité des images. Ces systèmes comprennent (figure 15):
• Un numériseur qui convertit l'image analogique d'un radiogramme en une image
digitalisée.
• Un processeur d'image qui permet un pré-traitement de l'image et son stockage,
• Un système de visualisation.
A ce matériel est associé un logiciel dont les principales fonctions sont :
• Des traitements interactifs (suppression du bruit de fond,...),
• Des mesures sur images (tracé de profil, calcul de surface,...),
• Des opérations géométriques (zoom, visualisation des niveaux de gris,...),
• Des fonctions complémentaires (mesure de la longueur d'un défaut,...).
41
Contrôles Non destructifs
Traitement des radiogrammes
FIGURE 15
6.6.2 Radioscopie
On utilise trois types de chaînes de radioscopie (figure 16), les deux dernières étant les
plus utilisées :
• Les systèmes avec écran dit "ouvert",
• Les systèmes avec intensificateurs d'images,
• Les systèmes avec détecteurs linéaires
Radioscopie
FIGURE 16
Après numérisation, l'image radioscopique est traitée par un système de traitement d'image
doté des fonctions suivantes :
42
Contrôles Non destructifs
• Suppression du bruit de fond,
• Correction des niveaux de gris,
• Amélioration du contraste,
• Amélioration de la netteté des contours,
• Mesures sur images (tracé de profil, calcul de surface,...),
• Opérations géométriques (zoom, visualisation des niveaux de gris,...),
• Fonctions complémentaires (mesure de la longueur d'un défaut,...).
6.6.3 Examens multidirectionnels
La radiographie et la radioscopie ne fournissent qu'une image 2D de l'objet contrôlé. Le
développement de l'électronique multiplexée à permis de voir l'avènement de techniques
d'examens multi-directionnels comme les scanners. Deux techniques sont utilisées
industriellement : La tomographie
Cette technique est basée sur la mesure de l'atténuation d'un faisceau de rayons X à travers
l'objet lorsque ce dernier est en rotation. Un tomographe (figure 17) est constitué :
• D’une source de rayons X,
• D’un détecteur multiple,
• D’un système mécanique,
• D’un système d'acquisition,
• D’un système de reconstruction et d'exploitation des images.
43
Contrôles Non destructifs
Tomographe FIGURE
17
la voludensitométrie par rayons X
Dans ce cas le principe repose sur l'utilisation de détecteurs bidimensionnels, l'objet étant
également en rotation (figure 18) ainsi que sur la mise au point de techniques
mathématiques de reconstruction d'images.
Voludensitométrie
FIGURE 18
7 CONTROLE PAR ULTRASONS
Le contrôle par ultrasons utilise la propagation d'une onde acoustique dans les matériaux.
Une vibration mécanique engendrée par un palpeur émetteur se propage dans la pièce en se
44
Contrôles Non destructifs
réfléchissant sur les faces. Une partie du faisceau est interceptée par le défaut et renvoyée
vers un palpeur récepteur qui convertit la vibration en signal électrique. On observe sur
l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une distance donnée sur la base
de temps.
Ce type de contrôle permet la détection précise de la position des défauts dans le volume de
la pièce.
Le but de cette fiche est :
• De donner le principe du contrôle par ultrasons,
• De rappeler les phénomènes de propagation des ondes acoustiques dans les
matériaux,
• De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle.
7.1 Lois de propagation des ultrasons
Ce mode de contrôle utilise des ondes acoustiques de fréquence comprise entre 0,5 MHz et
10 à 12 MHz pour les contrôles "classiques". Des fréquences plus élevées (jusqu'à 200 MHz)
sont employées pour des contrôles "spécifiques".
7.1.1 Nature des ondes et vitesse de propagation
Deux types d'ondes sont principalement utilisés en contrôle "classique" (figure 19) :
• Les ondes longitudinales (ou de compression) pour lesquelles la vibration mécanique
des particules est parallèle à la direction de propagation de l'onde,
• les ondes transversales (ou de cisaillement) pour lesquelles la vibration mécanique
des particules est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde (uniquement
dans les solides ou matériaux très visqueux).
45
Contrôles Non destructifs
Natures des ondes
Figure 19
D'autres types d'ondes sont parfois utilisés. On peut citer :
• Les ondes de surfaces qui se propagent à la surface des pièces sur une épaisseur
correspondante approximativement à une longueur d'onde. Le mouvement des
particules est très complexe. Les ondes de Rayleigh en sont un cas particulier (les
particules ont un mouvement elliptique).
• Les ondes de plaques ou ondes de Lamb qui se développent dans un matériau de faible
épaisseur (Quelques longueurs d'onde).
Ces ondes se propagent à des vitesses différentes en fonction des matériaux (tableau 1).
46
Contrôles Non destructifs
Vitesse de propagation
Tableau 1
7.1.2 Changement de milieu de propagation
Les ondes ultrasonores se propagent en ligne droite. Lorsqu'il y a un changement de milieu
de propagation, on observe, comme en optique, des phénomènes de réfraction et de réflexion.
Caractérisation des milieux acoustiques
On caractérise les milieux traversés par leur impédance acoustique Z qui est égale au produit
de leur masse volumique r par la vitesse de l'onde utilisée v.
Par exemple pour l'acier et une onde longitudinale :
r = 7830 kg/m3 v
= 5920 m/s
Z = 46472000 kg/m2s
Cas de l'incidence normale
On constate une division de l'onde incidente en une onde réfléchie et une onde transmise.
On définit un coefficient de transmission αt et un coefficient de réflexion αr par :
αt = Energie .transmise = 4Z1Z 2 2
energie.incidente (Z1 + Z2)
47
Contrôles Non destructifs
Energie.reflichie ⎛ Z1
− Z2
⎞2
αr = Energie.incidente =⎜⎜⎝ Z1 + Z2 ⎟⎟⎠
Avec :
Z1 Impédance du matériau 1
Z2 Impédance du matériau 2
Cas de l'incidence oblique
Dans ce cas, les ondes restent dans le plan défini par la normale à l'interface et l'onde
incidente. Il faut noter qu’à l'interface les ondes changent de type (Une onde longitudinale
pouvant donner naissance à une onde transversale). La direction des ondes réfléchies et
transmises est donnée par la loi de Snell (figure 20).
Figure 20
7.1.3 Atténuation des ondes par les matériaux
Lors de la traversée des matériaux, le faisceau est affaibli par trois phénomènes qui se
superposent :
2
2sin
2
2sin
1
1sin
1
1sinsin
vt
t
vl
l
vt
t
vl
l
vi
i ββαα
====
Réflexion et réfraction des ondes
48
Contrôles Non destructifs
• L’absorption qui est la conversion directe en chaleur à cause des frottements internes
du matériau.
• La diffusion qui est une atténuation de l'onde due aux hétérogénéités (phases, joints
de grains,...) qui se comportent comme de minis milieux de propagation entraînant
des pertes dans la transmission des ondes. Ce qui implique un choix correct de la
longueur d'onde et donc du palpeur.
• La forme divergente du faisceau ultrasonore.
Ce phénomène d'atténuation est d'autant plus important que la fréquence des ondes utilisées
est importante.
7.2 Principe du contrôle
Le contrôle par ultrasons comprend trois étapes (figure 21) :
• La vibration mécanique engendrée par le palpeur émetteur se propage dans la pièce
en se réfléchissant sur les faces.
• Une partie du faisceau est interceptée par le défaut et renvoyée vers le palpeur
récepteur (Eventuellement le même que l'émetteur) qui convertit la vibration en signal
électrique.
• On observe sur l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une
distance donnée sur la base de temps.
Avantages
• Détection précise de la position des défauts dans le volume de la pièce.
• Grande sensibilité surtout pour les défauts plans correctement orientés.
• Souplesse d'utilisation (Utilisation sur chantier aussi bien qu'en contrôle automatisé).
Inconvénients
• Nécessité d'utiliser un milieu de couplage entre le palpeur et la pièce.
49
Contrôles Non destructifs
• Interprétation de la nature des défauts et de leur dimension délicate nécessitant un
personnel qualifié.
• Mise en œuvre difficile sur certains matériaux (Fonte par exemple).
• Sensibilité fortement fonction de l'orientation du défaut vis à vis de la direction
principe du faisceau acoustique.
Contrôle par ultrasons
FIGURE 21
7.3 Appareillage utilisé
7.3.1 Les palpeurs
Le phénomène physique utilisé pour produire les vibrations dans les matériaux est la
piézoélectricité.
L'un des éléments essentiels dans une chaîne de mesure par ultrasons est le capteur.
Forme des faisceaux délivrés par une pastille piézoélectrique
La fréquence d'une pastille est celle qui correspond à la résonnance de l'élément vibrant.
Cette fréquence dépend des dimensions géométriques de la pastille.
Pour une pastille cylindrique de diamètre d, le faisceau ultrasonore se situe dans la zone
suivante (figure 22) : o Etalement du faisceau (angle solide 2) sin α = 1,222 λ /d
Avec :
α demi-angle d'épanouissement en degré λ longueur
d'onde en cm d diamètre du transducteur en cm o Zone
proche dans laquelle le faisceau est parallèle
50
Contrôles Non destructifs
D = d2/4l
Forme des faisceaux
Figure 22
Principaux types de capteurs On distingue
(figure 23) :
• Les palpeurs droits (ou à ondes longitudinales), • Les palpeurs d'angle (ou à ondes
transversales), • Les palpeurs doubles (émetteur / récepteur).
Type de capteurs
Figure 23
7.3.2 La chaîne de mesure
Un appareil de contrôle par ultrasons comporte (hors capteur) :
• Un générateur de courante électrique haute fréquence,
• Des amplificateurs pour le signal de retour,
• Une horloge,
51
Contrôles Non destructifs
• Un oscilloscope de visualisation.
7.4 Méthodes de contrôle
7.4.1 Contrôle par transparence
Cette méthode (figure 24) utilise deux palpeurs, le premier joue le rôle d'émetteur, le second
le rôle de récepteur.
La présence d'un défaut se traduit par une baisse ou une disparition du signal de fond.
Elle nécessite les conditions suivantes :
• Accès pour des palpeurs droits aux deux faces de la pièce à contrôler,
• Synchronisme parfait dans le déplacement des deux palpeurs.
Elle ne donne qu'une information partielle sur la position réelle des défauts détectés.
La présence d'un défaut se traduit par une baisse ou une disparition du signal de fond.
Contrôle par transparence
Figure 24
7.4.2 Contrôle par écho d'impulsion
Cette méthode utilise un double palpeur, jouant successivement le rôle d'émetteur et de
récepteur (figure 25).
52
Contrôles Non destructifs
Contrôle par réflexion
Figure 25
Elle fournit des informations beaucoup plus complètes que la précédente, en particulier sur
la position exacte du défaut.
La détection du défaut et de sa position se fait par l'apparition d'un écho intermédiaire entre
celui d'émission et celui de fond (à condition que le défaut soit correctement orienté).
7.4.3 Contrôle par immersion
Au contraire des deux précédentes, cette méthode n'utilise pas le contact direct palpeur/pièce.
Le couple est réalisé par un milieu intermédiaire : l'eau.
De ce fait les conditions de couplage sont constantes et reproductibles contrairement aux
méthodes à contact. L'étude fine des défauts est donc possible.
7.5 Procédure de contrôle
La mise au point d'un contrôle par ultrasons réclame :
• Le choix du type d'onde et de la direction d'examen,
• Le choix du palpeur,
• L’étalonnage,
• Le choix du balayage,
53
Contrôles Non destructifs
• La caractérisation des défauts.
Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se
reportera aux normes NF A 09-320, A 09-340, NF EN 27963.
7.5.1 Choix du type d'onde et de la direction d'examen Le
choix sera fonction de :
• Des formes, dimensions et accessibilité de la zone à contrôler,
• De la structure métallographique et plus particulièrement de la taille du grain,
• Des formes et orientations des défauts recherchés.
Quelques exemples sont donnés à la figure 26.
Choix de l'onde
Figure 26
7.5.2 Choix du palpeur
Pour cela, il faut savoir que :
• Plus la fréquence est élevée, plus l'atténuation est importante, plus la fréquence est
élevée,
• Plus le contrôle permettra de mettre en évidence de petits défauts,
54
Contrôles Non destructifs
• Plus le diamètre de la pastille piézoélectrique est important, moins le faisceau
divergera.
7.5.3 Etalonnage
La détection et le dimensionnement d'un défaut est généralement basé sur la présence et la
hauteur d'un écho de retour. Il faut donc un réglage précis de la méthode, en particulier du
niveau d'amplification du signal de retour.
Le réglage de cette sensibilité se fait à partir de défauts étalons :
• Trous à fond plat,
• Trous observés suivant une génératrice,
• Echos de fond de pièce.
7.5.4 Balayage
L'exploration de la pièce doit se faire de façon méthodique, soit en déplaçant le palpeur sur
toute la surface, soit en suivant un plan précis de balayage.
7.5.5 Caractérisation des défauts
Toute apparition d'un signal dépassant un seuil fixé est à étudier. L'estimation du défaut peut
se faire par son évolution lors du déplacement du capteur, soit par l'amplitude maximale qu'il
renvoie. Parmi les méthodes existantes, on peut citer :
La méthode AVG
La méthode est basée sur l'amplitude du signal. On détermine le diamètre d'un réflecteur plan
qui situé à la même profondeur que le défaut donnerait le même signal de retour. La
méthode à -6 dB
On considère que les limites du défaut sont atteintes par l'axe du palpeur quand le signal du
défaut à diminué de 50% (figure 27).
55
Contrôles Non destructifs
Méthode à - 6 dB
Figure 27
7.6 Développement du procédé
Depuis leur création les matériels de contrôle par ultrasons ont subit des développements
divers. Nous donnons dans ce qui suit les principaux :
7.6.1 Appareil à ultrasons
La nouvelle gamme de matériels de contrôle par ultrasons est du type numérique avec
incorporation d'un microprocesseur ou couplage avec un micro-ordinateur.
Ces appareils disposent de fonctions plus ou moins complexes :
• Acquisition de signaux,
• Conditionnement de données,
• Reconnaissance de forme, cartographie C-SCAN en temps réel,
• Analyse d'histogrammes,
• Moyen-âge,
• Analyse spectrale.
56
Contrôles Non destructifs
7.6.2 Traducteurs
Les principales améliorations aux niveaux des capteurs se portent sur :
• La fréquence (fourniture du spectre de fréquence),
• La distance focale dans l'eau (traducteur focalisé),
• Les caractéristiques géométriques du faisceau émis.
7.6.3 Logiciels de contrôle
Les matériels de contrôle sont fournis avec un logiciel de base permettant le réglage par
menu des paramètres suivants :
• La fréquence de récurrence,
• Le temps d'émission,
• L’amplitude du signal d'émission,
• La sensibilité d'examen (gain de l'amplificateur),
• Le retard,
• La vitesse de balayage,...
En plus de ces fonctions de base, il existe d'autres logiciels permettant :
• De multiplexer les voies de contrôle,
• De mesurer les épaisseurs en continu,
• De calculer la transformée de Fourrier du signal,
• D’établir des cartographies (figure 28),
• De procéder à des traitements d'image (figure 28).
57
Contrôles Non destructifs
Cartographie
Figure 28
7.6.4 Automatisation des contrôles
Les dispositifs permettant une automatisation des contrôles peuvent se classer en trois
catégories :
Les dispositifs semi-automatiques
Ils comprennent :
• Un bras manipulateur dont les déplacements sont codés et enregistrés au bout duquel
est fixé le traducteur,
• Une électronique numérisant le signal acoustique et les déplacements du bras,
• Un traitement associé à cette numérisation. Les dispositifs automatiques
d'inspection locale
58
Contrôles Non destructifs
Ils comprennent :
• Un dispositif mécanique de balayage,
• Une chaîne de mesure ultrasonore numérisée,
• L’acquisition des signaux peut être suivie en temps réel sur moniteur et sous forme
de cartographie.
Les dispositifs d'inspection automatiques
• On distingue :
• Les cuves de contrôle automatiques,
• Les automates de contrôle in-situ.
8 CONTRÔLE PAR THERMOGRAPHIE
La thermographie est une technique de mesure sans contact des températures. Elle permet
D’explorer la surface d'un corps émettant un rayonnement infrarouge. La présence de défauts
dans un corps entraîne des modifications de la carte thermique de ce dernier. Ces
modifications permettent la détection des défauts.
Le but de cette fiche est de donner :
• Les principes du contrôle thermographique,
• Les principaux moyens à mettre en œuvre.
8.1 Principe de la thermographie
La thermographie est basée sur le principe suivant (figure 29) :
La structure est soumise à un flux thermique qui la traverse. Une interruption dans la
propagation de la chaleur (par un défaut, par exemple) engendre un écart de température sur
la surface opposée.
Une caméra infrarouge décèle l'anomalie au sein de l'image thermique de la surface.
59
Contrôles Non destructifs
Thermographie
FIGURE 29
En CND, on utilise l'inhomogénéité de propagation ou de diffusion d'une impulsion
thermique liée aux discontinuités de la structure de la pièce à examiner. Une part très
importante du succès de la méthode est liée à la manière dont le flux de chaleur est transmis
à la pièce.
L'importance de la discontinuité de la propagation de la chaleur est fonction de :
• La nature de la pièce,
• La dimension, la nature et la position du défaut.
L'analyse se fait en régime transitoire, car à l'équilibre les différences de rayonnement
induites
Par les éventuels défauts sont souvent imperceptibles. Pour de grandes pièces, il peut être
difficile d'avoir un chauffage uniforme. Dans ce cas, on utilise une source à apport thermique
local dont le déplacement sera lié à celui du système de détection. Avantages
• Grande sensibilité de l'analyse de l'image.
• Image instantanée.
Inconvénients
• Méthode coûteuse en investissement.
• Méthode limitée dans ses applications.
• Champ d'investigation limité.
60
Contrôles Non destructifs
8.2 Rappel de quelques lois sur le rayonnement IR
8.2.1 Origines du rayonnement infrarouge
La matière émet et absorbe en permanence de l'énergie électromagnétique. Le processus
d'émission est lié à l'agitation moléculaire interne de la matière, génératrice de transitions
radiatives pour les particules élémentaires porteuses de charges électriques.
Une élévation de température accroît l'agitation moléculaire au sein de la matière et favorise
l'accélération des particules porteuses de charges électriques. L'énergie ainsi libérée W, sous
forme radiative augmente. La longueur d'onde d'émission est conditionnée par la relation
: Ω = η.χ / λ avec :
h = 6,63 10-34 J/s (constante de Planck) c
= 3 108 m/s (célérité de la lumière)
Il est important de noter que la longueur d'onde du rayonnement émis croît en raison inverse
de l'énergie.
Si la matière permet toutes les transitions possibles, la distribution en longueur d'onde sera
alors uniforme, le rayonnement est dit à spectre continu. Certains milieux autorisent que
quelques transitions, l'émission se fait alors sous forme de longueurs d'onde discrètes
(spectre de raies).
Le domaine l'infrarouge qui s'étend du spectre des radiations visibles à celui des microondes
(figure 30).
61
Contrôles Non destructifs
Spectre des rayonnements électromagnétiques
FIGURE 30
Il peut être divisé en trois grandes régions suivant les détecteurs utilisables.
L'infrarouge proche entre 1,15 μm et 1,5 μm
Il est décelé par les émulsions photographiques spécialisées et par des détecteurs
photoconducteurs et photovoltaïques.
L'infrarouge moyen entre 1,5 μm et 20 μm
Il est décelé par des détecteurs thermiques, photoconducteurs et photovoltaïques.
L'infrarouge lointain entre 20 μm et 1 μm
Il relève du domaine des détecteurs thermiques. Le phénomène d'absorption du rayonnement
par la matière résulte du processus inverse. L'absorption est plus ou moins sélective en
longueur d'onde suivant le milieu mis en cause.
8.2.2 Emission thermique
Un corps porté à une température T émet donc de l'énergie.
On définit l'émittance totale M comme l'énergie totale émise par unité de temps et unité de
surface dans toutes les directions du demi-espace libre limité par le plan tangent à la surface
(figure 31-a).
62
Contrôles Non destructifs
d
Φ 3
M = (W /m )
ds
Ces notions sont insuffisantes pour calculer les échanges d'énergie rayonnante entre corps.
La difficulté est essentiellement de deux ordres.
Difficulté spatiale (figure 31-b)
La distribution de l'énergie est fonction de l'angle considéré. On appliq ue alors la loi de
Lambert :
d2
Φ= d2
Φ⊥cos β
Difficulté spectrale (figure 31-c)
L'énergie émise est très inégalement répartie sur le spectre des longueurs d'onde. On a alors
:
Φ = ∫ Φ λ dλ
On définit une émittance monochromatique.
FIGURE 31
On distingue alors trois types de corps (figure 32) : Le
corps noir CN
ds
d
M λ
λ
Φ
=
Rayonnement
63
Contrôles Non destructifs
C'est la matière rayonnante de référence qui a la meilleure émission pour toutes les longueurs
d'onde à une température donnée.
L'émittance totale est donnée par la loi de Stephan (figure 33) :
M
Avec :
T Température (K)
σ Constante de Stephan : 5,675 10-8 W/m2.K-4
La longueur d'onde max pour laquelle le pouvoir émissif du corps noir est maximal est
donnée par la loi de Wien:
λ max T = Cw = 2897 10-6
m.K Le
corps gris CG
Leur émittance monochromatique m est proportionnelle à celle du corps noir m à la
même température, pour toutes les longueurs d'onde.
Rayonnement des différents corps
FIGURE 32
64
Contrôles Non destructifs
Rayonnement du corps noir
FIGURE 33
Les corps colorés CC
Tous les autres corps sont dans cette catégorie. Suivant leur composition leur spectre
d'émission présente des pics plus ou moins prononcés pour certaines longueurs d'onde. Les
lois du corps noirs sont applicables en utilisant les coefficients de correction suivants
:
Facteur d'émission monochromatique
mλ
(T)
ε λ (T) =
mλ 0(T)
Facteur d'émission total (émissivité)
mλ
(T)
ε (T) =
m0(T)
Le tableau 1 donne quelques valeurs d'émissivité.
65
Contrôles Non destructifs
Facteurs d'émissivité
TABLEAU 1
8.3 Les détecteurs de rayonnement
Une chaîne de mesure infrarouge ou chaîne radiométrique est constituée d'un ensemble
d'appareils capables de transformer une image thermique en une image visible (figure 34),
comprenant
• Une caméra,
• Un système de traitement du signal
• Un dispositif de visualisation.
8.3.1 Caméra
La caméra est un transducteur qui convertit la luminance d'un flux de rayonnement
infrarouge en un signal électrique (tension, intensité) qui sera appliqué après amplification à
un système de visualisation.
La caméra est dotée en général de plusieurs éléments :
• Un objectif constitué de lentilles en matériaux pouvant transmettre le rayonnement
infrarouge entre 2 et 15 μm (Halogénures, fluorure de sodium, verre à base de
séléniure de zinc ou de tellure de cadmium),
• Un dispositif de balayage opto-mécanique ou électronique,
66
Contrôles Non destructifs
• Un filtre ne laissant passer que le rayonnement adapté au détecteur utilisé,
• Un détecteur de flux qui convertit le rayonnement en signal mesurable.
Les capteurs utilisés sont des détecteurs discrets, utilisés soit séparément, soit assemblés
linéairement ou matriciellement.
Mesure infrarouge
FIGURE 34
Les capteurs couramment utilisés peuvent être séparés en deux groupes :
Les détecteurs thermiques du type pyroélectrique
Il s'agit de détecteurs constitués par des lames cristallines qui sous l'action d'un échauffement
produisent des charges électriques de surface. Les détecteurs quantiques
(photoconducteurs)
Il s'agit de détecteurs pour lesquels l'observation du signal correspond à la mesure de la
conductivité d'un réseau cristallin due à la création d'électrons semi libres par absorption du
rayonnement incident.
Il existe un grand nombre de détecteurs sensibles pour chaque domaine du spectre
infrarouge, comme le montre le tableau 2.
67
Contrôles Non destructifs
Capteurs infrarouges
TABLEAU 2
Le choix d'un détecteur doit se faire en prenant en compte :
Le domaine spectral
Les détecteurs thermiques possèdent l'avantage d'une réponse spectrale très étendue au
détriment de la sensibilité. Les détecteurs quantiques sont plus sélectifs, plus sensibles et
plus rapides.
Le niveau de sensibilité
La sensibilité d'un détecteur est une fonction décroissante de sa surface.
La constante de temps
Les détecteurs thermiques sont relativement lents (constante de temps de 10-3 s pour les
meilleurs bolomètres), alors que les détecteurs quantiques sont plus rapides (constante de
temps de l'ordre de 10-5 à 10-6 s).
• Les conditions de polarisation
• Le refroidissement du capteur
La température de fonctionnement des détecteurs conditionne leur fonctionnement (bruit
propre), cela suppose l'utilisation de systèmes de refroidissement (Gaz liquéfié, détente
Joule- Thomson, effet thermoélectrique,...).
8.3.2 Système de traitement
Outre l'amplification du signal les systèmes de traitement permettent en temps réel ou en
temps différé :
68
Contrôles Non destructifs
• L’amélioration de la qualité de l'image par moyennage ou filtrage,
• La mise en relief d'isothermes,
• Le calcul d'histogrammes et de profils,
• L’enregistrement des thermogrammes et leur recopie sur imprimante couleur,
• ....
8.3.3 Dispositif de visualisation
Le signal vidéo délivré par le détecteur, puis traité par le système précédent est appliqué à
un monteur dont l'écran représentera en noir et blanc ou en fausses couleurs la distribution
de chaleur à la surface de la zone analysée.
9 CONTRÔLE PAR EMISSION ACOUSTIQUE
Le contrôle par émission acoustique utilise la propagation d'une onde acoustique dans les
matériaux lors d'une libération d'énergie interne, comme la propagation d'une fissure.
Ce type de contrôle permet une surveillance en fonctionnement.
9.1 Principe du contrôle
Toute libération discontinue d'énergie au sein d'un matériau engendre des ondes élastiques
qui se propagent dans celui-ci. Plusieurs mécanismes peuvent donner naissance à cette
émission acoustique :
• Les évènements liés à la déformation plastique tels que les mouvements des
dislocations, les glissements aux joints de grains,...
• les mécanismes de rupture tels que l'initiation d'une microfissure et sa propagation.
L'émission sonore est détectée par un capteur judicieusement placé (figure 35).
La détection acoustique peut être utilisée pour l'étude de phénomènes physiques d'une part
et pour le contrôle non destructif d'autre part.
69
Contrôles Non destructifs
L'émission acoustique est différente des autres techniques de contrôle non destructif : elle ne
s'applique pas sur la pièce terminée, mais elle doit être utilisée en cours de fabrication ou en
cours d'utilisation.
Emission acoustique
FIGURE 35
Avantages
• Méthode bien adaptée à une surveillance en fonctionnement.
• Ne nécessite pas de démontage de la pièce.
• L'évolution de la fissure peut être quantifiée
• Excellente sensibilité. Inconvénients
• Instrumentation complexe.
• Etalonnage délicat.
9.2 Mise en œuvre
Une source d'émission acoustique génère des ondes élastiques dans le matériau qui ne sont
mesurables qu'à la surface de la pièce.
Une chaîne de mesure comprend :
• Un capteur,
• Des systèmes de conditionnement du signal (préamplificateur,
filtres, amplificateur),
• Des systèmes de traitement et d'analyse du signal.
70
Contrôles Non destructifs
9.2.1 Le capteur
Contrairement au contrôle par ultrasons, l'opérateur ne maîtrise pas la nature du signal (type
d'onde, fréquence, amplitude). Le choix du type de palpeur nécessite la prise en compte de
paramètres pas toujours franchement identifiables.
Les capteurs les plus utilisés sont des capteurs piézo-électriques. On trouve sur le marché
toute une panoplie de capteurs couvrant une large gamme de fréquence, de sensibilité, de
température d'utilisation et de géométrie.
Leur mise en œuvre pose le problème important du couplage qui permet d'assurer la
transmission des ondes entre le palpeur et la pièce. Sa qualité et sa stabilité sont essentielles.
Les différents couplages utilisés en émission acoustiques sont :
• Des couplages fluides (fluides généralement visqueux) avec pression de maintien,
• Des couplages solides (par collage par exemple),
• Des couplages avec élément intermédiaire jouant le rôle de guide d'ondes (utilisés
Pour des contrôles sur pièces difficilement accessibles).
9.2.2 Le conditionnement du signal
Le signal électrique délivré par un capteur piézo-électrique est de l'ordre du microvolt (en
sortie sur une haute impédance). Une amplification avant traitement est donc nécessaire. Le
préamplificateur
Placé à proximité du capteur, il a pour but de réaliser une adaptation basse impédance du
signal, et éventuellement, une amplification permettant la transmission du signal sur de plus
grandes distances avec un minimum de distorsions. La norme NF A 09-303 définit les
grandeurs significatives d'un préamplificateur. Le filtre
Il a pour but de limiter la bande passante de la chaîne de mesure et d'augmenter le rapport
signal/bruit en éliminant les signaux indésirables. L'amplificateur
71
Contrôles Non destructifs
Il amène le signal à un niveau suffisant pour qu'il puisse être facilement traité. On utilise
deux types d'amplificateurs :
• L’amplificateur linéaire à gain variable Vs = A. Ve;
• L’amplificateur logarithmique Vs = A. log(Ve) + B avec A et B constantes dépendant
de l'amplificateur;
Avec Vs tension de sortie et Ve tension d'entrée.
9.2.3 Les systèmes de traitement
Un signal d'émission acoustique peut se présenter sous deux formes différentes :
Un bruit de fond large bande appelé émission continue
Un signal constitué d'évènements séparés de durée limitée appelé émission discrète.
Il existe plusieurs modes de traitement : Les
techniques de comptage
On compte le nombre d'alternances N qui dépasse un certain seuil fixé et on analyse les
résultats en traçant :
• Soit, la forme cumulée : N = f(temps),
• Soit, le taux : on remet périodiquement les compteurs à 0 suivant une base de
temps et on trace ΔΝ/Δt ou N = f(temps).
Les courbes cumulées sont représentatives de l'énergie libérée depuis le début de l'émission,
tandis que les courbes de taux traduisent le taux de libération de l'énergie à l'instant t.
Cette technique de traitement est maintenant tombée en désuétude, on lui préfère les
techniques d'analyse du signal suivantes.
Les mesures des caractéristiques physiques globales
On peut caractériser : • La
valeur moyenne
72
Contrôles Non destructifs
t+T
vm (t) = T
1
∫t v(ζ )dζ
• la valeur efficace
t+T
veff (t) =
1 ∫
[v(ζ )]2
dζ
T t
• l'énergie
t+T
E =
1 ∫
[v(ζ )]2dζ
T t
L’amplitude de crête, c'est à dire l'amplitude maximale du signal sur une base de temps
donnée.
La caractérisation des salves dans le cas de l'émission discrète
Si l'on admet qu'à une salve correspond un évènement physique dans le matériau, la
caractérisation de ces salves pourra permettre celle du phénomène physique générateur.
On utilise les paramètres suivants :
• L’amplitude de crête,
• Le temps de montée,
• La durée,
• Le nombre d'alternances,
• L’énergie,
• ...
73
Contrôles Non destructifs
9.3 Localisation de la source d'émission
Elle a pour but de déterminer les coordonnées de la zone où s'est produit l'évènement
générateur. Cette localisation peut être linéaire, bidimensionnelle ou volumique.
9.3.1 Principe
La méthode la plus utilisée consiste à mesurer les différences de temps d'arrivée (t) d'un
même signal à plusieurs capteurs répartis à la surface de la pièce à analyser.
Lorsque cette différence t à deux capteurs est connue, le lieu des points auquel appartient la
source est défini par :
v . Δt = Cte où
v est la vitesse de propagation des ondes
La courbe définie par cette équation est une branche d'hyperbole. Localiser la source,
reviens à calculer les coordonnées de l'intersection des branches d'hyperboles
correspondantes aux t mesurés sur les différents capteurs pris deux à deux.
La localisation peut se faire :
• A l'aide de deux palpeurs, si l'on cherche un défaut sur une ligne (cas du contrôle en
cours de soudage).
• Avec trois ou quatre palpeurs, si l'on cherche un positionnement en surface.
9.3.2 Mise en œuvre pratique
Contrairement au cas des ultrasons, la nature et la direction des ondes à mesurer ne sont pas
maîtrisables par l'opérateur.
Le cas le plus favorable est celui des pièces ou structures dites épaisses. Dans ce cas, il peut
se développer dans le matériau tous les types d'onde (ondes longitudinales, transversales,...).
Ces ondes donnent en surface des ondes de Rayleigh dont la vitesse est connue ( 0 ,9 vitesse
des ondes transversales). La condition pièce ou structure épaisse est obtenue si l'épaisseur
du milieu est supérieure à 3 fois la profondeur de pénétration des ondes de Rayleigh (Cette
74
Contrôles Non destructifs
profondeur étant à peu près égale à la longueur d'onde de la vibration). Dans une structure
dite mince, le problème est beaucoup plus complexe. Il se forme alors un régime d'onde de
Lamb avec plusieurs modes de vibration possibles.
10 LEXIQUE
Contrôle des soudures Welding inspection
Contrôle non destructif Non destructive testing
Contrôle par ultrasons Ultrasonic inspection
Contrôle radiographique Radiographic inspection
Contrôle visuel Visual inspection
Défauts de soudure Weld defects
Fuite Leak
IQI Penetrameters
Magnétoscopie Magnetic inspection
Palpeur Probe
Pénétrant coloré Dye penetrant
Pénétrant fluorescent Fluorescent penetrant
Rayons gamma Gamma Rays
75
Contrôles Non destructifs
Rayonnement infrarouge Infrared radiation
Rayons X X Rays
Ressuage Liquide penetrant inspection
Thermographe Thermograph
Thermographie Thermography
11 BIBLIOGRAPHIE
B. BANKS; G.E. OLDFIELD; H. RAWDING La détection ultrasonique des défauts dans
les matériaux EYROLLES
J. CORNU Traité de soudage automatique Procédés 1 et 2 HERMES
J. DUBRESSON Evolutions des matériels de CND Soudage et Techniques Connexes
N°45 1991
G. GAUSSORGUES La thermographie infrarouge Edition Techniques et Documentation
Manuel pour l'examen par ultrasons des soudures Publication de la soudure autogène
Mécanosoudage Fabrication Edition du CETIM
Recueil de normes AFNOR Soudage et techniques connexes - Tome 3 Contrôles et
essais
76
Contrôles Non destructifs
J. ROGET Essais non destructifs ; L'émission acoustique AFNOR/CETIM
A. VALLINI Joints soudés - Contrôle, métallurgie, résistance DUNOD
G. WACHE Contrôles non destructifs Traitements thermiques N°216-88 à 226-89

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contrôle non destructif

  • 1. 1 Contrôles Non destructifs CONTRÔLES NON DESTRUCTIFS Objectifs du cours : Les contrôles non destructifs permettent, en respectant l'intégrité des objets : • L’examen direct des pièces et la détection des défauts internes, • Le suivi de l'évolution en service des défauts détectés. La mise en œuvre d'un contrôle non destructif demande la connaissance : • Des possibilités et limites des procédés utilisables, • De l'histoire de la pièce (forme et mode de fabrication), • Des défauts recherchés (nature, position, dimensions,...) • Des propriétés physiques du matériau contrôlé. Le but de ce cours est : • De donner les principes communs à tous les procédés, • De dresser un panorama des principaux contrôles non destructifs.
  • 2. 2 Contrôles Non destructifs SOMMAIRE Contrôles non destructifs ………………………………………………………..... Principe du contrôle ………………………………………………………..... Principaux contrôles non destructifs ……………………………………....... Mise en œuvre des contrôles non destructifs ………………………………... Contrôles visuels ………………………………………………………………. …. Principe du contrôle …………………………………………………………. Mise en œuvre du contrôle ………………………………………………. … Contrôles d’étanchéité ……………………………………………………………. Principe du contrôle ………………………………………………………… Mise en œuvre du contrôle ………………………………………………….. Contrôle par ressuage …………………………………………………………….. Principe du contrôle ………………………………………………………..... Méthode de contrôle ……………………………………………………….... Procédure de contrôle ……………………………………………………...... Contrôle par magnétoscopie …………………………………………………….... Rappels sur le magnétisme ………………………………………………….. Principe du contrôle …………………………………………………………. Méthode contrôle ……………………………………………………………. Procédure de contrôle ………………………………………………………..
  • 3. 3 Contrôles Non destructifs Contrôle par rayons ionisants ……………………………………………………. Lois de propagation des rayons ionisants ………………………………….... Principe du contrôle ………………………………………………………..... Obtention des rayons X et γ ............................................................................. Méthode contrôle ………………………………………………………….. .. Procédure de contrôle ……………………………………………………….. Développement du procédé …………………………………………………. Contrôle par ultrasons ……………………………………………………………. Lois de propagation des ultrasons …………………………………………... Principe du contrôle …………………………………………………………. Appareillage utilisé ………………………………………………………….. Méthode contrôle ……………………………………………………………. Procédure de contrôle ……………………………………………………….. Développement du procédé …………………………………………………. Contrôle par thermographie ……………………………………………………... Principe de la thermographie ………………………………………………... Rappel de quelques lois sur le rayonnement IR ………………………….. ... Les détecteurs de rayonnement ……………………………………………... Contrôle par émission acoustique ………………………………………………... Principe du contrôle ………………………………………………………..... Mise en œuvre ………………………………………………………….. ;…. Localisation de la source d'émission ………………………………………...
  • 4. 4 Contrôles Non destructifs Lexique……………………………………………………………………………. . Bibliographie ………………………………………………………………………. 1 CONTROLES NON DESTRUCTIFS Les contrôles non destructifs permettent, en respectant l'intégrité des objets : • L’examen direct des pièces et la détection des défauts internes, • Le suivi de l'évolution en service des défauts détectés. La mise en œuvre d'un contrôle non destructif demande la connaissance : • Des possibilités et limites des procédés utilisables, • De l'histoire de la pièce (forme et mode de fabrication), • Des défauts recherchés (nature, position, dimensions,...), • Des propriétés physiques du matériau contrôlé. Ces connaissances permettent de choisir : • La méthode de contrôle la mieux adaptée, • La procédure permettant : • D’observer les défauts recherchés avec le maximum de chances de détection, • De quantifier de façon la plus fidèle ces défauts. 1.1 Principe du contrôle Le but principal d'un contrôle non destructif est de déterminer la qualité ou l'état de la soudure, avec l'intention de l'accepter ou de la rejeter en fonction de normes ou cahiers des
  • 5. 5 Contrôles Non destructifs charges. Les principaux défauts que les contrôles non destructifs doivent déceler appartiennent à l'une des classes suivantes : • Défauts d'étanchéité, • Défauts de continuité (fissures, soufflures,...), • Défauts de résistance mécanique. Dans tout contrôle non destructif, on peut détecter les cinq étapes suivantes : • La mise en œuvre d'un processus physique, • L’altération de ce processus par le défaut, • La révélation de cette variation par un détecteur approprié, • La conversion de cette variation en une forme adaptée au traitement de l'information, L'interprétation de l'information obtenue. Un contrôle non destructif comprend donc (figure 1) : • Un émetteur de flux, • Un récepteur ou détecteur. FIGURE 1 : Contrôle non destructif. Dans certains cas, émetteur et détecteur sont inclus dans le même dispositif. Le tableau 1
  • 6. 6 Contrôles Non destructifs 1.2 Principaux contrôles non destructifs Les contrôles non destructifs peuvent se classer en trois catégories : • Les méthodes dites de surface pour lesquelles l'anomalie est localisée, soit en surface, soit dans une zone proche de la surface (Examen visuel, le ressuage, la magnétoscopie, les courants induits), • Les méthodes dites volumiques pour lesquelles l'anomalie est localisée dans le volume de la pièce (Ultrasons, rayonnements ionisants), • Les méthodes complémentaires (Etanchéité, thermographie, émission acoustique). Nous donnons ci-dessous le principe des principaux contrôles non destructifs. Ressuage Le ressuage comprend trois étapes : • Après un nettoyage soigné, la pièce est soumise à l'action d'un pénétrant qui diffuse dans le défaut. • On procède au rinçage de l'excès du pénétrant à la surface de la pièce. montre l'adaptation de ce principe aux principaux contrôles non destructifs. Principe des contrôles non destructifs TABLEAU 1
  • 7. 7 Contrôles Non destructifs • Le pénétrant contenu dans le défaut diffuse sur le révélateur appliqué à la surface de la pièce. On observe la tache résultante sous un éclairage adapté. Magnétoscopie Le principe de la magnétoscopie est le suivant : • La pièce est aimantée partiellement ou totalement. Les particules magnétiques contenues dans le révélateur s'accumulent au droit du défaut par suite de la perturbation locale des lignes d'induction. • On observe le spectre résultant sous un éclairage adapté.
  • 8. 8 Contrôles Non destructifs Courants induits Le principe du contrôle par courants induits est le suivant : • Des courants en opposition de phase sont induits dans deux sections voisines du produit à contrôler. En l'absence de défaut, en regard des bobines d'excitation le système est en équilibre. • La présence d'un défaut en regard d'une des bobines modifie la répartition des courants induits et provoque un déséquilibre du système. • On observe sur l'écran de visualisation une signature caractéristique du signal déséquilibré. Contrôle par ultrasons Le contrôle par ultrasons comprend trois étapes : • La vibration mécanique engendrée par le palpeur émetteur se propage dans la pièce en se réfléchissant sur les faces. Une partie du faisceau est interceptée par le défaut
  • 9. 9 Contrôles Non destructifs et renvoyée vers le palpeur récepteur (Eventuellement le même que l'émetteur) qui convertit la vibration en signal électrique. • On observe sur l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une distance donnée sur la base de temps. • Rayonnements ionisants Le contrôle par rayonnements ionisants est le suivant : • La pièce est soumise à l'action d'une source de rayonnement. Le rayonnement sortant de la pièce est fonction de l'épaisseur traversée. Au droit d'un défaut l'intensité transmise sera plus élevée ou plus faible. • Une image se forme sur le film après exposition pendant un temps donné fonction du matériau, de l'épaisseur et de la puissance de la source, de la qualité du rayonnement. • Le film est développé et interprété sous un éclairage adapté.
  • 10. 10 Contrôles Non destructifs Thermographie La thermographie est basée sur le principe suivant : • La structure est soumise à un flux thermique qui la traverse. Une interruption dans la propagation de la chaleur (par un défaut, par exemple) engendre un écart de température sur la surface opposée. • Une caméra infrarouge décèle l'anomalie au sein de l'image thermique de la surface.
  • 11. 11 Contrôles Non destructifs Contrôle acoustique Le principe est le suivant : • Sous l'action d'une contrainte mécanique, un début de fissuration (ou un déplacement) s'organise dans la pièce. • La fissure se comporte comme une source d'émission sonore détectée par un capteur judicieusement placé. 1.3 Mise en œuvre des contrôles non destructifs
  • 12. 12 Contrôles Non destructifs La mise en ouvre correcte de contrôles non destructifs comporte trois volets : • La qualification des opérateurs, • Le choix des équipements, • La définition des modes opératoires. Qualification des opérateurs Les contrôles non destructifs doivent être mis en œuvre par des opérateurs ayant la formation, l'habileté, l'expérience et l'aptitude physique nécessaires pour ce type de contrôle. Pour cela, les opérateurs doivent être certifiés par un organisme habilité et indépendant qui définit le niveau de qualification (3 niveaux). La qualification du personnel est définie par la norme NF EN 473. Choix des équipements Le matériel utilisé pour les contrôles non destructifs doit être conforme aux normes en vigueur. Les opérateurs doivent contrôler leur bon état et leur étalonnage. Définition des modes opératoires Le mode opératoire de contrôle doit préciser : • Le cadre du contrôle • Domaine d'application • Conditions préalable au contrôle (préparation des surfaces,...) • Personnel chargé du contrôle • La préparation du contrôle • Choix et vérification des matériels et produits • Définition des paramètres de réglage ou des conditions d'étalonnage • Réglage en vue de la détection d'un type de défaut • L'exécution du contrôle • Plan de sondage • Méthode de caractérisation des défauts
  • 13. 13 Contrôles Non destructifs • Les critères d'acceptation • Le compte rendu du contrôle Le tableau 2 donne un récapitulatif des intérêts des principaux contrôles non destructifs. Intérêts des contrôles non destructifs TABLEAU 2 2 CONTRÔLES VISUELS Le premier contrôle des soudures est visuel pendant et après l'exécution de chaque cordon. En général, c'est le soudeur lui-même qui l'effectue. Le but de cette fiche est de donner quelques informations succinctes sur ce moyen de contrôle. 2.1 Principe du contrôle Ce contrôle porte essentiellement sur la forme générale des cordons (figure 2), à savoir :
  • 14. 14 Contrôles Non destructifs • Les dimensions géométriques (gorge dans le cas d'une soudure d'angle, surépaisseur,..), • L'aspect du cordon (stries de solidification), • Les défauts visibles (caniveaux, irrégularités de fusion,...). Contrôle visuel du soudage manuel à l’électrode enrobée FIGURE 2 Cette méthode est caractérisée par les points suivants : • L'avantage de cette méthode réside dans sa simplicité, qui permet à un opérateur averti de se faire une opinion : • Sur la qualité du cordon, • Sur le choix de la procédure de soudage, • Sur la compétence du soudeur. • Elle permet également de déclencher des contrôles plus approfondis. • En aucun cas, elle ne permet de connaître la qualité interne d'une soudure. 2.2 Mise en œuvre du contrôle Par définition, le contrôle s'effectue à l'œil nu, mais dans certains cas l'opérateur peut avoir recours à des moyens complémentaires : • Jauges ou calibres (figure 3) pour mesurer les gorges, les surépaisseurs,... • Loupes pour la recherche de défauts débouchants (fissures, manque de fusion,...), • Miroirs ou endoscopes pour observer des zones non accessibles à l'œil.
  • 15. 15 Contrôles Non destructifs Exemple de jauges de contrôle FIGURE 3 3 CONTRÔLE D'ÉTANCHÉITÉ Le contrôle d'étanchéité a pour but de s'assurer qu'une enceinte ou une partie d'enceinte ne présente pas de fuite supérieure aux critères d'acceptation imposés. 3.1 Principe Le principe du contrôle d'étanchéité comprend deux phases : • La diffusion aux travers des défauts de la paroi à vérifier d'un fluide (gaz ou liquide), • La détection de la fuite par une technique appropriée. Les méthodes se distinguent par : • Le moyen de diffusion (mise en pression ou en dépression), • Le fluide utilisé (air, hélium, eau, pétrole,...), • Le moyen de détection (eau savonneuse, détecteur d'hélium,...). Ce type d'essais peut être effectué sur : • Des récipients fermés devant contenir un fluide (liquide ou gaz) sous pression ou non, • Des ensembles (ou parties d'ensembles) non fermés (carters, bâtis de machine,...). 3.2 Mise en œuvre du contrôle Le choix de la méthode dépend :
  • 16. 16 Contrôles Non destructifs • De la zone de pression, • Du l'objectif recherché (localisation, détection, mesure), • Du domaine à contrôler (ensemble ou zone localisée), • De la qualité de l'étanchéité recherchée. On distingue deux grandes familles, en fonction du type de pièces à contrôler. 3.2.1 Contrôle de produits "ouverts" Dans ce cas, il existe deux méthodes principales : Méthode à la ventouse Sur la zone à contrôler on applique une ventouse. La détection des défauts peut se faire : • Soit par dépression dans la ventouse, • Soit par pression de gaz (ammoniac). Dans le premier cas, l'application d'un produit mouillant sur la face coté ventouse permet la détection des fuites par formation de bulles. Dans le deuxième cas, l'ammoniac sortant à l'opposé de la ventouse est détecté par un révélateur approprié. Méthode par liquide pénétrant La méthode consiste à remplir la cavité d'une pièce d'un liquide pénétrant (produits de ressuage colorés ou fluorescents). La détection des fuites se fait à l'aide d'un révélateur (talc, produits de ressuage) ou en lumière de Wood. 3.2.2 Contrôle de produits "fermés" Les principales méthodes utilisées sont les suivantes : L'étanchéité à l'eau L'essai hydraulique consiste à soumettre une enceinte à une pression déterminée et à rechercher les fuites ou perlages sur la surface externe. Cet essai permet de contrôler
  • 17. 17 Contrôles Non destructifs simultanément l'étanchéité et la résistance mécanique du réservoir. Pour les appareils à pressions la pression d'épreuve est égale à 1,5 fois celle de service. L'étanchéité à l'air La pièce est mise sous pression (de quelques mbar à quelques centaines de mbar). La détection des fuites se fait : • Soit globalement par mesure de la chute de pression au bout d'un temps déterminé, • Soit par immersion dans de l'eau additionnée de produits mouillants, • Soit, localement en badigeonnant les zones suspectées par des produits mouillants. L'étanchéité par le vide La pièce est mise sous vide et isolée. La détection des fuites se fait par mesure de la remontée de pression au bout d'un temps déterminé. L'étanchéité aux gaz La pièce est mise sous pression à l'aide d'un gaz. La détection des fuites se fait par un détecteur ou révélateur approprié. Les principaux gaz utilisés sont: • L'hélium L'hélium présente les avantages suivants : • Sa faible présence dans l'atmosphère donc faible perturbation de la mesure, • Sa faible diamètre atomique favorisant son infiltration dans les défauts, • Son inertie chimique. La détection des fuites se fait à l'aide d'un spectromètre de masse. • L'ammoniac • L'utilisation de l'ammoniac est à proscrire avec le cuivre et ses alliages. • La détection des fuites se fait à l'aide d'un révélateur sous forme de peintures ou de bandes adhésives.
  • 18. 18 Contrôles Non destructifs • Les gaz halogènes • Le gaz le plus utilisé est le Fréon 12. • La détection des fuites se fait à l'aide d'un reniflard et d'un détecteur électronique. L'étanchéité par émission acoustique La fuite d'un fluide (liquide ou gaz) au travers d'une paroi provoque des phénomènes complexes (turbulence, cavitation, vibration,...) qui génèrent des ondes acoustiques pouvant être détectées. 4 CONTRÔLE PAR RESSUAGE Le contrôle par ressuage est limité à la détection de défauts débouchant à la surface des pièces. Il consiste à révéler le défaut à l'aide d'un liquide pénétrant et d'un révélateur. Son efficacité est fonction de la taille du défaut recherché. Plus celui-ci est fin plus la détection est difficile. Malgré son apparente simplicité, la mise en œuvre de ce contrôle nécessite une bonne connaissance des phénomènes et un personnel expérimenté. Le but de cette fiche est : • De donner le principe du contrôle par ressuage, • De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle. 4.1 Principe du contrôle Le ressuage comprend trois étapes (figure 4) : • Après un nettoyage soigné, la pièce est soumise à l'action d'un produit qui pénètre dans le défaut par capillarité. • On procède au rinçage de l'excès du pénétrant à la surface de la pièce. • Le pénétrant contenu dans le défaut diffuse sur le révélateur appliqué à la surface de la pièce. On observe la tache résultante sous un éclairage adapté.
  • 19. 19 Contrôles Non destructifs Ressuage FIGURE 4 Avantages • Simplicité de mise en œuvre. • Prix modique dans une application manuelle. • Localisation des défauts de surface et appréciation de leur longueur. • Possibilité d'automatisation. Inconvénients • Pas de détection de défauts internes. • Pas d'appréciation de la profondeur des défauts. • Interprétation délicate. • Non utilisables sur les matériaux poreux. 4.2 Méthode de contrôle 4.2.1 Préparation de la surface La surface de la pièce doit être débarrassée de tout corps susceptible : • D’empêcher l'étalement du liquide pénétrant, • De retenir ce même produit dans la phase de nettoyage, • De boucher les défauts recherchés. Il faut donc éviter la présence de rouille ou calamine (rétention du pénétrant), de produits gras ou peinture.
  • 20. 20 Contrôles Non destructifs 4.2.2 Phase d'imprégnation Les produits pénétrants doivent être très mouillants et comporter des éléments (pigments colorés ou fluorescents) qui faciliteront la détection lors de la phase finale. L'application du liquide pénétrant peut se faire : • Par pulvérisation (pistolet, bombes aérosols), • Au trempé, • Au pinceau. La durée d'application est un paramètre très important de cette opération. Des temps de l'ordre de 10à 30 min sont généralement nécessaires. Il existe des produits pénétrants pouvant être utilisés sur pièces chaudes (jusqu'à 200°c). 4.2.3 Phase de pénétration C'est la phase qui traduit l'interaction du pénétrant avec le matériau. Les phénomènes qui expliquent la remontée du liquide dans le défaut sont : • L’effet capillaire, • La diffusion (liée à la mouillabilité), • L’adsorption (adhérence du liquide dans l'anfractuosité du défaut). Les paramètres influençant cette phase sont : • La géométrie du défaut et son état de surface, • La nature du produit pénétrant et ses caractéristiques physico-chimiques (masse volumique, tension superficielle, viscosité). 4.2.4 Phase de nettoyage Cette phase permet d'enlever l'excédent de pénétrant. Il existe trois possibilités : • Le rinçage à l'eau, • Le rinçage avec un solvant spécifique,
  • 21. 21 Contrôles Non destructifs • Le rinçage avec un émulsifiant. Cette phase est importante et délicate car elle doit : • Éliminer toute trace de liquide pénétrant à la surface de la pièce, • Ne pas éliminer le pénétrant du défaut. Les principaux paramètres sont : • La nature du produit de nettoyage, • Le mode et le temps d'application du produit de rinçage, • La vérification de l'efficacité du rinçage, • Les conditions de séchage après rinçage. Dans tous les cas, on ne peut passer à la phase suivante tant que les surfaces ne sont pas sèches. 4.2.5 Application du révélateur Cette application doit se faire immédiatement après le nettoyage sur des surfaces parfaitement sèches. Le produit révélateur est souvent constitué d'une poudre blanche très fine que l'on applique par pulvérisation à sec ou en suspension dans un liquide volatil. 4.2.6 Observation du résultat La révélation des défauts se fait plus ou moins rapidement suivant la quantité de pénétrant présent dans les défauts. Le relevé des positions doit se faire dès le début de l'apparition des "indications". Ce temps peut aller de quelques minutes à une demi-heure pour les très petits défauts. Selon le type de liquides pénétrants, l'examen se fait : • À la lumière naturelle ou artificielle pour les produits colorés, • À la lumière UV pour les produits fluorescents. 4.3 Procédure de contrôle La mise au point d'un contrôle par ressuage réclame la détermination précise:
  • 22. 22 Contrôles Non destructifs • Des conditions de préparation de la pièce, • De la nature des produits de ressuage, • Des conditions d'application du pénétrant, • Des conditions de nettoyage, • Des conditions d'application du révélateur, • Des conditions d'examen. Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se reportera aux normes NF A 09-120, NF A 09-122, NF A 09-123, NF A 09-130. 5 CONTRÔLE PAR MAGNÉTOCOPIE Le contrôle par magnétisation utilise la perturbation crée par le défaut d'un champ magnétique circulant dans les pièces. La révélation de cette perturbation se fait par des particules magnétiques. Ce type de contrôle permet la détection de défauts débouchant ou se situant près de la surface de la pièce. 5.1 Rappels sur le magnétisme Ce mode de contrôle utilise des champs magnétiques. La présence d'un défaut associé au champ de saturation du matériau pourra engendrer une fuite magnétique qui sera détectée. 5.1.1 Champ magnétique d'excitation (H) Le champ magnétique d'excitation est l'action en un point d'une source magnétique (aimant, conducteur parcouru par un courant,...).Il dépend : • De la nature et de la forme de la source, • De la distance du point considéré à la source. Il s'exprime en Ampère par mètre. 5.1.2 Champ magnétique d'induction (B)
  • 23. 23 Contrôles Non destructifs Il s'agit de l'effet produit dans un milieu par un champ magnétique d'excitation. Il représente le magnétisme pris par ce milieu. Dans un milieu magnétique parfait, qui n'a jamais été magnétisé, on a la relation suivante : B= μ .H Avec : μ représente la perméabilité magnétique du matériau. 5.1.3 Perméabilité magnétique d'un matériau μ La perméabilité d'un matériau s'exprime en Henry par mètre et prend la forme : μ = μ0 Avec : μ0 perméabilité du vide (4 10-7) μr perméabilité relative du matériau On distingue deux grandes familles de matériaux en fonction de leur réaction à un champ magnétique d'excitation. • Les matériaux amagnétiques présentant un μr voisin de 1 (Vide, air, cuivre,...). Leur réaction vis à vis du champ magnétique d'excitation est nulle et ils sont impropres au contrôle par magnétoscopie. • Les matériaux ferromagnétiques présentant un μr très élevé (Acier C45 pouvant atteindre une valeur de 2000). Le contrôle par magnétoscopie ne s'applique qu'à ces matériaux. 5.1.4 Magnétisation des matériaux ferromagnétiques Pour connaître la réaction de ces derniers, on utilise deux courbes (figure 5) : La courbe de première aimantation
  • 24. 24 Contrôles Non destructifs C'est la courbe B(H) pour des matériaux jamais magnétisés ou parfaitement démagnétisés. On constate : • Pour les faibles valeurs d'excitation, le champ B est sensiblement proportionnel à H, • Au-delà de ce domaine il n'y a plus proportionnalité, • Pour les valeurs d'excitation élevées, la croissance du champ B est faible; c'est le phénomène de saturation. Le cycle d'hystérésis Lors d'un cycle d'aimantation et désaimantation, on constate que : • Le matériau présente un retard (hystérésis) à l'aimantation et à la désaimantation, • L'aimantation obtenue dépend des états antérieurs. Matériaux magnétiques FIGURE 5 5.1.5 Flux magnétique Lorsqu'une section S d'un matériau est traversée par un champ magnétique B faisant un angle α avec la normale à la surface, on définit un flux magnétique par : F = B S cos α A travers un circuit fermé, il y a conservation du flux.
  • 25. 25 Contrôles Non destructifs 5.2 Principe du contrôle par magnétoscopie Le principe de la magnétoscopie est le suivant (figure 6) : • La pièce est aimantée localement ou totalement à une valeur proche de la saturation magnétique. En l'absence de défaut, les fuites dans l'air sont insignifiantes (La perméabilité du matériau étant beaucoup plus grande que celle de l'air). • Toute discontinuité du matériau provoquera une diminution de la section de passage et donc une augmentation du champ d'induction magnétique (Conservation du flux). Cette augmentation provoquera une fuite magnétique à la surface de la pièce. Des particules ferromagnétiques contenues dans un révélateur s'accumulent au droit du défaut. • On observe le spectre résultant sous un éclairage adapté. Contrôle par magnétoscopie FIGURE 6 Avantages • Simplicité de mise en œuvre. • Localisation des défauts de surface ou légèrement sous-jacents et appréciation de leur longueur. • Possibilité d'automatisation. Inconvénients
  • 26. 26 Contrôles Non destructifs • Pas de détection de défauts internes. • Pas d'appréciation de la profondeur des défauts. • Interprétation délicate. • Utilisables que sur les matériaux ferromagnétiques. • Sensibilité fonction de l'orientation du défaut par rapport à la direction générale des lignes d'induction. • Nécessité de désaimantation des pièces après contrôle. 5.3 Méthode de contrôle 5.3.1 Méthode de magnétisation Dans la pratique, on procède à l'aimantation des pièces suivant deux techniques principales : Méthode directe La pièce est aimantée totalement ou localement par l'intermédiaire d'un électro-aimant (figure 7). Méthode indirecte La pièce est aimantée par l'intermédiaire d'un courant la traversant totalement ou localement (figure 8). Trois paramètres sont à prendre en compte : La nature du champ magnétique Les formes de courants utilisés sont les suivantes : • Monophasé sinusoïdal, • Monophasé redressé une ou deux alternances, • Triphasé redressé une ou deux alternances. La forme d'onde agit sur la pénétration des courants (Effet de peau en courant alternatif). Plus on se rapproche du courant continu, plus la pénétration est importante.
  • 27. 27 Contrôles Non destructifs L'intensité du champ magnétique Une valeur trop importante provoque la saturation du matériau. La direction du champ magnétique On peut utiliser une magnétisation longitudinale, transversale ou oscillant de façon à s'adapter à l'orientation des défauts. Méthode directe Méthode indirecte Figure 7 Figure 8 5.3.2 Défauts détectables Les défauts détectables sont ceux qui introduisent suffisamment de perturbation dans le champ magnétique. Pour cela il faut prendre en compte (figure 9) : La géométrie du défaut Les défauts doivent introduire une variation de section de passage suffisante. Sa position dans la pièce Le défaut doit être proche de la surface. Plus ll sera proche de la surface, plus l'indication donnée par le révélateur sera nette. Son orientation par rapport au champ magnétique Seules les anomalies orientées presque perpendiculairement (Au moins 45° et plus efficacement au dessus de 60°) aux flux seront décelables.
  • 28. 28 Contrôles Non destructifs Défauts décelables Figure 9 5.3.3 Produits révélateurs Les caractéristiques de base de ces produits sont : • Ils doivent pouvoir être facilement attirés par les fuites magnétiques. • Ils doivent être suffisamment fins et légers pour ne pas nécessiter de grandes forces d'attraction. • Ils doivent être suffisamment mobiles pour circuler sur toute la pièce. Pour améliorer la visibilité, la poudre et la pièce pourront être colorées de façon à obtenir un contraste maximum suffisant. Des poudres à base de produits fluorescents sont utilisées pour un examen en "lumière noire". On distingue : La voie sèche
  • 29. 29 Contrôles Non destructifs La poudre est appliquée au cours de la magnétisation par saupoudrage manuel ou mécanique ou soufflage. Après application on enlève l'excès de poudre par un léger soufflage. La voie humide On utilise un porteur de poudre qui peut être un produit pétrolier ou de l'eau. Outre les propriétés de viscosité de ce liquide, la qualité du contrôle est conditionnée par la granulométrie et la concentration de la poudre. La voie sèche permet des contrôles à des températures plus élevées et les indications apparaissent plus nettement tandis que la voie humide est d'usage plus facile et permet des images plus fines. L'information donnée par l'image magnétique peut être conservée : • Sous forme de croquis, • Sous forme de clichés photographiques, • Sous forme de prélèvements à l'aide de papiers adhésifs ou produits pelliculaires. 5.3.4 Démagnétisation Le magnétisme résiduel, conservé par les pièces, peut présenter des inconvénients pour les phases ultérieures d'élaboration (usinage, soudage,...) ou pour l'utilisation (pièces mobiles,...). Il convient dans ce cas de démagnétiser les pièces. Le principe consiste à soumettre la pièce à un champ magnétique dont on diminue très progressivement l'intensité en inversant à chaque fois son sens. On parcourt ainsi des cycles d'hystérésis de plus en plus petits. Cette opération peut se faire avec l'appareil de magnétisation ou dans un tunnel. 5.4 Procédure de contrôle La mise au point d'un contrôle magnétoscopique réclame la détermination précise : • Des conditions de préparation de la pièce • Nettoyage (nature du produit utilisé),
  • 30. 30 Contrôles Non destructifs • Enlèvement de la protection ou conditionnement particulier en surface, • Désaimantation éventuelle, • Des conditions d'aimantation Matériel utilisé, • Mode transversal et/ou longitudinal, • Position de la pièce par rapport au système d'aimantation, • Réglages d'intensité d'aimantation et temps de maintien, • Nécessité d'une désaimantation intermédiaire entre chaque opération. • Des conditions d'application du révélateur • Nature du révélateur, • Conditions d'application. • des conditions d'examen • Critère de rebut, • Conditions de retouche, • Présentation du procès-verbal. • Des conditionnements des pièces après contrôle • Désaimantation, • Nettoyage, • Protection. Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se reportera aux normes NF A 09-125, NF A 04-121, NF A 09-130, NF A 09-170. 6 CONTROLE PAR RAYONS IONISANTS Le contrôle par rayons ionisants (radiographie) utilise la propagation de rayonnements électromagnétiques (X ou ) de faible longueur d'onde dans les matériaux. L'absorption du rayonnement par la matière est fonction de la nature du matériau et de l'épaisseur. La
  • 31. 31 Contrôles Non destructifs présence d'un défaut se traduit par une variation de l'absorption du rayonnement. Une image de ces variations peut être observée soit par l'intermédiaire d'un film, soit par une caméra. Ce type de contrôle permet la détection précise de défauts dans le volume de la pièce. Le but de cette fiche est : • De donner le principe du contrôle par rayons ionisants, • De rappeler les phénomènes de propagation des rayons ionisants dans les matériaux, • De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle. 6.1 Lois de propagation des rayonnements ionisants Ce mode de contrôle utilise des rayonnements électromagnétiques de faible longueur d'onde (de l'ordre de grandeur de l'angström) pour traverser des matériaux opaques à la lumière. 6.1.1 Nature et propriétés principales Les rayons X ou qui sont employés en contrôle ont les propriétés suivantes: • Ils se propagent en ligne droite à la vitesse de la lumière. • Ils sont invisibles. • Ils traversent la matière et sont partiellement absorbés au cours de la transmission. • Ils peuvent endommager ou détruire les cellules vivantes. • Ils ionisent les milieux gazeux. 6.1.2 Phénomène d'absorption Lors de la traversée d'un matériau, le rayonnement électromagnétique subit un affaiblissement (figure 10) par : • Effet photo-électrique, • Effet Compton, • Formation de paires d'ions.
  • 32. 32 Contrôles Non destructifs Absorption des rayons ionisants FIGURE 10 D'une façon schématique, on peut écrire (en rayonnement monochromatique) : I = I0 e - μe Avec : I intensité en sortie I0 intensité incidente μ coefficient d'absorption e épaisseur du matériau Le coefficient d'absorption prenant la forme : μ = k l3 Z3 μ = k l3 Z3 Avec :
  • 33. 33 Contrôles Non destructifs k fonction de la masse volumique du matériau l longueur d'onde du rayonnement Z numéro atomique de l'élément traversé L'absorption peut aussi s'exprimer par : • L’épaisseur de demi-absorption I = I0/2 • L’épaisseur de déci-transmission I = I0/10 (utilisée en radio-protection) 6.2 Principe du contrôle Le contrôle par rayonnements ionisants est le suivant (figure 11) : • La pièce est soumise à l'action d'une source de rayonnement. Le rayonnement sortant de la pièce est fonction de l'épaisseur traversée. Au droit d'un défaut, l'intensité transmise sera plus élevée ou plus faible. • Une image se forme sur le film après exposition pendant un temps donné fonction du matériau, de l'épaisseur et de la puissance de la source, de la qualité du rayonnement. • Le film est développé et interprété sous un éclairage adapté. Rayonnements ionisants FIGURE 11 Avantages
  • 34. 34 Contrôles Non destructifs • Détection des défauts dans le volume de la pièce. • Bonne définition des défauts avec détection de leur nature. • Archivage aisé des résultats. Inconvénients • Méthode coûteuse en investissement et développement des films. • Nécessite le respect de règles de sécurité importantes. • Pénétration des rayons limitée par l'épaisseur et la puissance de la source. • Localisation du défaut dans la section non garantie. • Sensibilité fonction de l'orientation du défaut vis à vis de la direction principe du rayonnement. 6.3 Obtention des rayons X et γ 6.3.1 Les rayons X Ils sont produits par un tube radiogène (figure 12) qui est constitué d'une enceinte dans laquelle on a fait le vide et qui contient principalement deux électrodes : • L’une négative (cathode) constituée d'un filament qui porté à incandescence émet des électrons, • L’autre positive (anode) qui reçoit les électrons accélérés par une différence de potentiel. Ce bombardement électronique produit de la chaleur (99% de l'énergie à 200 kV) et des rayons X. Les caractéristiques d'un générateur sont : • La tension d'accélération qui détermine la vitesse des électrons (elle varie entre 200 et 400 kV), • Le courant cathodique, qui conditionne la production des électrons (il varie de 5 à
  • 35. 35 Contrôles Non destructifs 20 mA), • Les dimensions de la tache focale (partie active de l'anode), • Le temps d'utilisation lié aux problèmes de refroidissement de l'anode. Tube à rayons X FIGURE 12 6.3.2 Les rayons Ils sont obtenus à partir de sources radioactives. Le tableau 1 donne quelques sources utilisées. Rayons γ TABLEAU 1
  • 36. 36 Contrôles Non destructifs 6.3.3 Comparaison des rayons X et γ Le tableau 2 donne un état comparatif des deux types de rayonnements. Comparaison des rayonnements TABLEAU 2 6.4 Méthode de contrôle Le contrôle détecte la différence d'absorption provoquée par la présence du défaut par rapport au reste de la pièce. Cette différence peut être mise en évidence par : • L’impression de films photographiques, • L’utilisation d'écrans fluorescents et caméras de télévision, • L’utilisation de détecteurs de rayonnements.
  • 37. 37 Contrôles Non destructifs Par la suite, nous ne traiterons que le cas de la radiographie. Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se reportera aux normes NF EN 444, NF EN 462-1, NF EN 462-2, NF A 89-550, NF A 89-551, NF A 89-552, NF A 89-562, NF A 89- 565. Le tableau 3 donne quelques indications sur les apparences radiographiques de quelques défauts. 6.4.1 Le film radiographique Les films sont constitués d'un support plastique recouvert sur les deux faces d'une émulsion de sels d'halogénures d'argent dans une couche de gélatine. Une des caractéristiques des films est la taille du grain. Les films à gros grains sont plus rapides que les films à grains fins, mais la définition des images est plus faible. Apparences radiographiques des défauts TABLEAU 3
  • 38. 38 Contrôles Non destructifs 6.4.2 Visibilité des défauts Cette visibilité des défauts est déterminée par les facteurs suivants : • La nature et l'épaisseur traversée par le rayonnement du défaut, • Les facteurs géométriques (distance du foyer de la source au film par exemple) qui vont conditionner la netteté des contours du défaut (problème de flou), • Les propriétés du film (granulation, voile de base, présence d'écrans filtrants et (ou) de renforçateurs), • La qualité du rayonnement utilisé. 6.4.3 Qualité du contrôle Pour apprécier la qualité de l'image radiographique, il faut la traduire sous forme numérique. Pour cela, on utilise des indicateurs de qualité d'image (IQI). Ils sont placés au contact de la pièce face à la source de rayonnement. L'image de l'IQI sur le film traduira la qualité de l'image. Les principaux IQI utilisés sont les suivants (figure 13) : • Indicateurs à fils (utilisé dans la plupart des pays européens), • Indicateurs à gradins percés (utilisé surtout en France), • Indicateurs à plaquettes percées (utilisé aux USA).
  • 39. 39 Contrôles Non destructifs Indicateurs de qualité d'image FIGURE 13 6.4.4 Protection L'emploi de source de rayonnement demande le respect des réglementations sur la sécurité des opérateurs de contrôle. 6.5 Procédure de contrôle La mise au point d'un contrôle par rayons X réclame le choix : • De la tension anodique, • Du courant cathodique, • De la distance du film au foyer, • Du type du film et éventuellement des écrans renforçateurs, • Du temps de pose. La détermination du temps de pose peut se faire à l'aide de table (figure 14) valable pour : • Un matériau donné, • Un domaine de tension, • Une distance du film au foyer, • Un type du film et d'écran renforçateur.
  • 40. 40 Contrôles Non destructifs Détermination du temps de pose FIGURE 14 6.6 Développement du procédé Depuis leur création les matériels de contrôle par rayonnements ionisants ont subis des développements divers. Nous donnons dans ce qui suit les principaux : 6.6.1 Surfaces sensibles Le développement de la radiophotographie se fait suivant trois axes : Amélioration des surfaces sensibles L'évolution a conduit à la mise au point de systèmes-films (films + écrans renforçateurs métalliques + traitements chimiques) permettant d'améliorer les paramètres des surfaces sensibles (Gradient minimal, granularité maximale,...) Utilisation de machines à développer Ces machines se substituent au traitement manuel sur chantiers ou en laboratoire. Elles améliorent la fiabilité du traitement et diminuent le temps de développement par traitement simultané de plusieurs films. Traitement des radiogrammes Les exigences de qualité ont favorisé la mise au point de traitement d'image afin d'améliorer la qualité des images. Ces systèmes comprennent (figure 15): • Un numériseur qui convertit l'image analogique d'un radiogramme en une image digitalisée. • Un processeur d'image qui permet un pré-traitement de l'image et son stockage, • Un système de visualisation. A ce matériel est associé un logiciel dont les principales fonctions sont : • Des traitements interactifs (suppression du bruit de fond,...), • Des mesures sur images (tracé de profil, calcul de surface,...), • Des opérations géométriques (zoom, visualisation des niveaux de gris,...), • Des fonctions complémentaires (mesure de la longueur d'un défaut,...).
  • 41. 41 Contrôles Non destructifs Traitement des radiogrammes FIGURE 15 6.6.2 Radioscopie On utilise trois types de chaînes de radioscopie (figure 16), les deux dernières étant les plus utilisées : • Les systèmes avec écran dit "ouvert", • Les systèmes avec intensificateurs d'images, • Les systèmes avec détecteurs linéaires Radioscopie FIGURE 16 Après numérisation, l'image radioscopique est traitée par un système de traitement d'image doté des fonctions suivantes :
  • 42. 42 Contrôles Non destructifs • Suppression du bruit de fond, • Correction des niveaux de gris, • Amélioration du contraste, • Amélioration de la netteté des contours, • Mesures sur images (tracé de profil, calcul de surface,...), • Opérations géométriques (zoom, visualisation des niveaux de gris,...), • Fonctions complémentaires (mesure de la longueur d'un défaut,...). 6.6.3 Examens multidirectionnels La radiographie et la radioscopie ne fournissent qu'une image 2D de l'objet contrôlé. Le développement de l'électronique multiplexée à permis de voir l'avènement de techniques d'examens multi-directionnels comme les scanners. Deux techniques sont utilisées industriellement : La tomographie Cette technique est basée sur la mesure de l'atténuation d'un faisceau de rayons X à travers l'objet lorsque ce dernier est en rotation. Un tomographe (figure 17) est constitué : • D’une source de rayons X, • D’un détecteur multiple, • D’un système mécanique, • D’un système d'acquisition, • D’un système de reconstruction et d'exploitation des images.
  • 43. 43 Contrôles Non destructifs Tomographe FIGURE 17 la voludensitométrie par rayons X Dans ce cas le principe repose sur l'utilisation de détecteurs bidimensionnels, l'objet étant également en rotation (figure 18) ainsi que sur la mise au point de techniques mathématiques de reconstruction d'images. Voludensitométrie FIGURE 18 7 CONTROLE PAR ULTRASONS Le contrôle par ultrasons utilise la propagation d'une onde acoustique dans les matériaux. Une vibration mécanique engendrée par un palpeur émetteur se propage dans la pièce en se
  • 44. 44 Contrôles Non destructifs réfléchissant sur les faces. Une partie du faisceau est interceptée par le défaut et renvoyée vers un palpeur récepteur qui convertit la vibration en signal électrique. On observe sur l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une distance donnée sur la base de temps. Ce type de contrôle permet la détection précise de la position des défauts dans le volume de la pièce. Le but de cette fiche est : • De donner le principe du contrôle par ultrasons, • De rappeler les phénomènes de propagation des ondes acoustiques dans les matériaux, • De présenter les méthodes et les modes opératoires de contrôle. 7.1 Lois de propagation des ultrasons Ce mode de contrôle utilise des ondes acoustiques de fréquence comprise entre 0,5 MHz et 10 à 12 MHz pour les contrôles "classiques". Des fréquences plus élevées (jusqu'à 200 MHz) sont employées pour des contrôles "spécifiques". 7.1.1 Nature des ondes et vitesse de propagation Deux types d'ondes sont principalement utilisés en contrôle "classique" (figure 19) : • Les ondes longitudinales (ou de compression) pour lesquelles la vibration mécanique des particules est parallèle à la direction de propagation de l'onde, • les ondes transversales (ou de cisaillement) pour lesquelles la vibration mécanique des particules est perpendiculaire à la direction de propagation de l'onde (uniquement dans les solides ou matériaux très visqueux).
  • 45. 45 Contrôles Non destructifs Natures des ondes Figure 19 D'autres types d'ondes sont parfois utilisés. On peut citer : • Les ondes de surfaces qui se propagent à la surface des pièces sur une épaisseur correspondante approximativement à une longueur d'onde. Le mouvement des particules est très complexe. Les ondes de Rayleigh en sont un cas particulier (les particules ont un mouvement elliptique). • Les ondes de plaques ou ondes de Lamb qui se développent dans un matériau de faible épaisseur (Quelques longueurs d'onde). Ces ondes se propagent à des vitesses différentes en fonction des matériaux (tableau 1).
  • 46. 46 Contrôles Non destructifs Vitesse de propagation Tableau 1 7.1.2 Changement de milieu de propagation Les ondes ultrasonores se propagent en ligne droite. Lorsqu'il y a un changement de milieu de propagation, on observe, comme en optique, des phénomènes de réfraction et de réflexion. Caractérisation des milieux acoustiques On caractérise les milieux traversés par leur impédance acoustique Z qui est égale au produit de leur masse volumique r par la vitesse de l'onde utilisée v. Par exemple pour l'acier et une onde longitudinale : r = 7830 kg/m3 v = 5920 m/s Z = 46472000 kg/m2s Cas de l'incidence normale On constate une division de l'onde incidente en une onde réfléchie et une onde transmise. On définit un coefficient de transmission αt et un coefficient de réflexion αr par : αt = Energie .transmise = 4Z1Z 2 2 energie.incidente (Z1 + Z2)
  • 47. 47 Contrôles Non destructifs Energie.reflichie ⎛ Z1 − Z2 ⎞2 αr = Energie.incidente =⎜⎜⎝ Z1 + Z2 ⎟⎟⎠ Avec : Z1 Impédance du matériau 1 Z2 Impédance du matériau 2 Cas de l'incidence oblique Dans ce cas, les ondes restent dans le plan défini par la normale à l'interface et l'onde incidente. Il faut noter qu’à l'interface les ondes changent de type (Une onde longitudinale pouvant donner naissance à une onde transversale). La direction des ondes réfléchies et transmises est donnée par la loi de Snell (figure 20). Figure 20 7.1.3 Atténuation des ondes par les matériaux Lors de la traversée des matériaux, le faisceau est affaibli par trois phénomènes qui se superposent : 2 2sin 2 2sin 1 1sin 1 1sinsin vt t vl l vt t vl l vi i ββαα ==== Réflexion et réfraction des ondes
  • 48. 48 Contrôles Non destructifs • L’absorption qui est la conversion directe en chaleur à cause des frottements internes du matériau. • La diffusion qui est une atténuation de l'onde due aux hétérogénéités (phases, joints de grains,...) qui se comportent comme de minis milieux de propagation entraînant des pertes dans la transmission des ondes. Ce qui implique un choix correct de la longueur d'onde et donc du palpeur. • La forme divergente du faisceau ultrasonore. Ce phénomène d'atténuation est d'autant plus important que la fréquence des ondes utilisées est importante. 7.2 Principe du contrôle Le contrôle par ultrasons comprend trois étapes (figure 21) : • La vibration mécanique engendrée par le palpeur émetteur se propage dans la pièce en se réfléchissant sur les faces. • Une partie du faisceau est interceptée par le défaut et renvoyée vers le palpeur récepteur (Eventuellement le même que l'émetteur) qui convertit la vibration en signal électrique. • On observe sur l'écran de visualisation un écho caractéristique apparaissant à une distance donnée sur la base de temps. Avantages • Détection précise de la position des défauts dans le volume de la pièce. • Grande sensibilité surtout pour les défauts plans correctement orientés. • Souplesse d'utilisation (Utilisation sur chantier aussi bien qu'en contrôle automatisé). Inconvénients • Nécessité d'utiliser un milieu de couplage entre le palpeur et la pièce.
  • 49. 49 Contrôles Non destructifs • Interprétation de la nature des défauts et de leur dimension délicate nécessitant un personnel qualifié. • Mise en œuvre difficile sur certains matériaux (Fonte par exemple). • Sensibilité fortement fonction de l'orientation du défaut vis à vis de la direction principe du faisceau acoustique. Contrôle par ultrasons FIGURE 21 7.3 Appareillage utilisé 7.3.1 Les palpeurs Le phénomène physique utilisé pour produire les vibrations dans les matériaux est la piézoélectricité. L'un des éléments essentiels dans une chaîne de mesure par ultrasons est le capteur. Forme des faisceaux délivrés par une pastille piézoélectrique La fréquence d'une pastille est celle qui correspond à la résonnance de l'élément vibrant. Cette fréquence dépend des dimensions géométriques de la pastille. Pour une pastille cylindrique de diamètre d, le faisceau ultrasonore se situe dans la zone suivante (figure 22) : o Etalement du faisceau (angle solide 2) sin α = 1,222 λ /d Avec : α demi-angle d'épanouissement en degré λ longueur d'onde en cm d diamètre du transducteur en cm o Zone proche dans laquelle le faisceau est parallèle
  • 50. 50 Contrôles Non destructifs D = d2/4l Forme des faisceaux Figure 22 Principaux types de capteurs On distingue (figure 23) : • Les palpeurs droits (ou à ondes longitudinales), • Les palpeurs d'angle (ou à ondes transversales), • Les palpeurs doubles (émetteur / récepteur). Type de capteurs Figure 23 7.3.2 La chaîne de mesure Un appareil de contrôle par ultrasons comporte (hors capteur) : • Un générateur de courante électrique haute fréquence, • Des amplificateurs pour le signal de retour, • Une horloge,
  • 51. 51 Contrôles Non destructifs • Un oscilloscope de visualisation. 7.4 Méthodes de contrôle 7.4.1 Contrôle par transparence Cette méthode (figure 24) utilise deux palpeurs, le premier joue le rôle d'émetteur, le second le rôle de récepteur. La présence d'un défaut se traduit par une baisse ou une disparition du signal de fond. Elle nécessite les conditions suivantes : • Accès pour des palpeurs droits aux deux faces de la pièce à contrôler, • Synchronisme parfait dans le déplacement des deux palpeurs. Elle ne donne qu'une information partielle sur la position réelle des défauts détectés. La présence d'un défaut se traduit par une baisse ou une disparition du signal de fond. Contrôle par transparence Figure 24 7.4.2 Contrôle par écho d'impulsion Cette méthode utilise un double palpeur, jouant successivement le rôle d'émetteur et de récepteur (figure 25).
  • 52. 52 Contrôles Non destructifs Contrôle par réflexion Figure 25 Elle fournit des informations beaucoup plus complètes que la précédente, en particulier sur la position exacte du défaut. La détection du défaut et de sa position se fait par l'apparition d'un écho intermédiaire entre celui d'émission et celui de fond (à condition que le défaut soit correctement orienté). 7.4.3 Contrôle par immersion Au contraire des deux précédentes, cette méthode n'utilise pas le contact direct palpeur/pièce. Le couple est réalisé par un milieu intermédiaire : l'eau. De ce fait les conditions de couplage sont constantes et reproductibles contrairement aux méthodes à contact. L'étude fine des défauts est donc possible. 7.5 Procédure de contrôle La mise au point d'un contrôle par ultrasons réclame : • Le choix du type d'onde et de la direction d'examen, • Le choix du palpeur, • L’étalonnage, • Le choix du balayage,
  • 53. 53 Contrôles Non destructifs • La caractérisation des défauts. Pour chaque contrôle, il existe un cahier des charges ou une norme à respecter. Le lecteur se reportera aux normes NF A 09-320, A 09-340, NF EN 27963. 7.5.1 Choix du type d'onde et de la direction d'examen Le choix sera fonction de : • Des formes, dimensions et accessibilité de la zone à contrôler, • De la structure métallographique et plus particulièrement de la taille du grain, • Des formes et orientations des défauts recherchés. Quelques exemples sont donnés à la figure 26. Choix de l'onde Figure 26 7.5.2 Choix du palpeur Pour cela, il faut savoir que : • Plus la fréquence est élevée, plus l'atténuation est importante, plus la fréquence est élevée, • Plus le contrôle permettra de mettre en évidence de petits défauts,
  • 54. 54 Contrôles Non destructifs • Plus le diamètre de la pastille piézoélectrique est important, moins le faisceau divergera. 7.5.3 Etalonnage La détection et le dimensionnement d'un défaut est généralement basé sur la présence et la hauteur d'un écho de retour. Il faut donc un réglage précis de la méthode, en particulier du niveau d'amplification du signal de retour. Le réglage de cette sensibilité se fait à partir de défauts étalons : • Trous à fond plat, • Trous observés suivant une génératrice, • Echos de fond de pièce. 7.5.4 Balayage L'exploration de la pièce doit se faire de façon méthodique, soit en déplaçant le palpeur sur toute la surface, soit en suivant un plan précis de balayage. 7.5.5 Caractérisation des défauts Toute apparition d'un signal dépassant un seuil fixé est à étudier. L'estimation du défaut peut se faire par son évolution lors du déplacement du capteur, soit par l'amplitude maximale qu'il renvoie. Parmi les méthodes existantes, on peut citer : La méthode AVG La méthode est basée sur l'amplitude du signal. On détermine le diamètre d'un réflecteur plan qui situé à la même profondeur que le défaut donnerait le même signal de retour. La méthode à -6 dB On considère que les limites du défaut sont atteintes par l'axe du palpeur quand le signal du défaut à diminué de 50% (figure 27).
  • 55. 55 Contrôles Non destructifs Méthode à - 6 dB Figure 27 7.6 Développement du procédé Depuis leur création les matériels de contrôle par ultrasons ont subit des développements divers. Nous donnons dans ce qui suit les principaux : 7.6.1 Appareil à ultrasons La nouvelle gamme de matériels de contrôle par ultrasons est du type numérique avec incorporation d'un microprocesseur ou couplage avec un micro-ordinateur. Ces appareils disposent de fonctions plus ou moins complexes : • Acquisition de signaux, • Conditionnement de données, • Reconnaissance de forme, cartographie C-SCAN en temps réel, • Analyse d'histogrammes, • Moyen-âge, • Analyse spectrale.
  • 56. 56 Contrôles Non destructifs 7.6.2 Traducteurs Les principales améliorations aux niveaux des capteurs se portent sur : • La fréquence (fourniture du spectre de fréquence), • La distance focale dans l'eau (traducteur focalisé), • Les caractéristiques géométriques du faisceau émis. 7.6.3 Logiciels de contrôle Les matériels de contrôle sont fournis avec un logiciel de base permettant le réglage par menu des paramètres suivants : • La fréquence de récurrence, • Le temps d'émission, • L’amplitude du signal d'émission, • La sensibilité d'examen (gain de l'amplificateur), • Le retard, • La vitesse de balayage,... En plus de ces fonctions de base, il existe d'autres logiciels permettant : • De multiplexer les voies de contrôle, • De mesurer les épaisseurs en continu, • De calculer la transformée de Fourrier du signal, • D’établir des cartographies (figure 28), • De procéder à des traitements d'image (figure 28).
  • 57. 57 Contrôles Non destructifs Cartographie Figure 28 7.6.4 Automatisation des contrôles Les dispositifs permettant une automatisation des contrôles peuvent se classer en trois catégories : Les dispositifs semi-automatiques Ils comprennent : • Un bras manipulateur dont les déplacements sont codés et enregistrés au bout duquel est fixé le traducteur, • Une électronique numérisant le signal acoustique et les déplacements du bras, • Un traitement associé à cette numérisation. Les dispositifs automatiques d'inspection locale
  • 58. 58 Contrôles Non destructifs Ils comprennent : • Un dispositif mécanique de balayage, • Une chaîne de mesure ultrasonore numérisée, • L’acquisition des signaux peut être suivie en temps réel sur moniteur et sous forme de cartographie. Les dispositifs d'inspection automatiques • On distingue : • Les cuves de contrôle automatiques, • Les automates de contrôle in-situ. 8 CONTRÔLE PAR THERMOGRAPHIE La thermographie est une technique de mesure sans contact des températures. Elle permet D’explorer la surface d'un corps émettant un rayonnement infrarouge. La présence de défauts dans un corps entraîne des modifications de la carte thermique de ce dernier. Ces modifications permettent la détection des défauts. Le but de cette fiche est de donner : • Les principes du contrôle thermographique, • Les principaux moyens à mettre en œuvre. 8.1 Principe de la thermographie La thermographie est basée sur le principe suivant (figure 29) : La structure est soumise à un flux thermique qui la traverse. Une interruption dans la propagation de la chaleur (par un défaut, par exemple) engendre un écart de température sur la surface opposée. Une caméra infrarouge décèle l'anomalie au sein de l'image thermique de la surface.
  • 59. 59 Contrôles Non destructifs Thermographie FIGURE 29 En CND, on utilise l'inhomogénéité de propagation ou de diffusion d'une impulsion thermique liée aux discontinuités de la structure de la pièce à examiner. Une part très importante du succès de la méthode est liée à la manière dont le flux de chaleur est transmis à la pièce. L'importance de la discontinuité de la propagation de la chaleur est fonction de : • La nature de la pièce, • La dimension, la nature et la position du défaut. L'analyse se fait en régime transitoire, car à l'équilibre les différences de rayonnement induites Par les éventuels défauts sont souvent imperceptibles. Pour de grandes pièces, il peut être difficile d'avoir un chauffage uniforme. Dans ce cas, on utilise une source à apport thermique local dont le déplacement sera lié à celui du système de détection. Avantages • Grande sensibilité de l'analyse de l'image. • Image instantanée. Inconvénients • Méthode coûteuse en investissement. • Méthode limitée dans ses applications. • Champ d'investigation limité.
  • 60. 60 Contrôles Non destructifs 8.2 Rappel de quelques lois sur le rayonnement IR 8.2.1 Origines du rayonnement infrarouge La matière émet et absorbe en permanence de l'énergie électromagnétique. Le processus d'émission est lié à l'agitation moléculaire interne de la matière, génératrice de transitions radiatives pour les particules élémentaires porteuses de charges électriques. Une élévation de température accroît l'agitation moléculaire au sein de la matière et favorise l'accélération des particules porteuses de charges électriques. L'énergie ainsi libérée W, sous forme radiative augmente. La longueur d'onde d'émission est conditionnée par la relation : Ω = η.χ / λ avec : h = 6,63 10-34 J/s (constante de Planck) c = 3 108 m/s (célérité de la lumière) Il est important de noter que la longueur d'onde du rayonnement émis croît en raison inverse de l'énergie. Si la matière permet toutes les transitions possibles, la distribution en longueur d'onde sera alors uniforme, le rayonnement est dit à spectre continu. Certains milieux autorisent que quelques transitions, l'émission se fait alors sous forme de longueurs d'onde discrètes (spectre de raies). Le domaine l'infrarouge qui s'étend du spectre des radiations visibles à celui des microondes (figure 30).
  • 61. 61 Contrôles Non destructifs Spectre des rayonnements électromagnétiques FIGURE 30 Il peut être divisé en trois grandes régions suivant les détecteurs utilisables. L'infrarouge proche entre 1,15 μm et 1,5 μm Il est décelé par les émulsions photographiques spécialisées et par des détecteurs photoconducteurs et photovoltaïques. L'infrarouge moyen entre 1,5 μm et 20 μm Il est décelé par des détecteurs thermiques, photoconducteurs et photovoltaïques. L'infrarouge lointain entre 20 μm et 1 μm Il relève du domaine des détecteurs thermiques. Le phénomène d'absorption du rayonnement par la matière résulte du processus inverse. L'absorption est plus ou moins sélective en longueur d'onde suivant le milieu mis en cause. 8.2.2 Emission thermique Un corps porté à une température T émet donc de l'énergie. On définit l'émittance totale M comme l'énergie totale émise par unité de temps et unité de surface dans toutes les directions du demi-espace libre limité par le plan tangent à la surface (figure 31-a).
  • 62. 62 Contrôles Non destructifs d Φ 3 M = (W /m ) ds Ces notions sont insuffisantes pour calculer les échanges d'énergie rayonnante entre corps. La difficulté est essentiellement de deux ordres. Difficulté spatiale (figure 31-b) La distribution de l'énergie est fonction de l'angle considéré. On appliq ue alors la loi de Lambert : d2 Φ= d2 Φ⊥cos β Difficulté spectrale (figure 31-c) L'énergie émise est très inégalement répartie sur le spectre des longueurs d'onde. On a alors : Φ = ∫ Φ λ dλ On définit une émittance monochromatique. FIGURE 31 On distingue alors trois types de corps (figure 32) : Le corps noir CN ds d M λ λ Φ = Rayonnement
  • 63. 63 Contrôles Non destructifs C'est la matière rayonnante de référence qui a la meilleure émission pour toutes les longueurs d'onde à une température donnée. L'émittance totale est donnée par la loi de Stephan (figure 33) : M Avec : T Température (K) σ Constante de Stephan : 5,675 10-8 W/m2.K-4 La longueur d'onde max pour laquelle le pouvoir émissif du corps noir est maximal est donnée par la loi de Wien: λ max T = Cw = 2897 10-6 m.K Le corps gris CG Leur émittance monochromatique m est proportionnelle à celle du corps noir m à la même température, pour toutes les longueurs d'onde. Rayonnement des différents corps FIGURE 32
  • 64. 64 Contrôles Non destructifs Rayonnement du corps noir FIGURE 33 Les corps colorés CC Tous les autres corps sont dans cette catégorie. Suivant leur composition leur spectre d'émission présente des pics plus ou moins prononcés pour certaines longueurs d'onde. Les lois du corps noirs sont applicables en utilisant les coefficients de correction suivants : Facteur d'émission monochromatique mλ (T) ε λ (T) = mλ 0(T) Facteur d'émission total (émissivité) mλ (T) ε (T) = m0(T) Le tableau 1 donne quelques valeurs d'émissivité.
  • 65. 65 Contrôles Non destructifs Facteurs d'émissivité TABLEAU 1 8.3 Les détecteurs de rayonnement Une chaîne de mesure infrarouge ou chaîne radiométrique est constituée d'un ensemble d'appareils capables de transformer une image thermique en une image visible (figure 34), comprenant • Une caméra, • Un système de traitement du signal • Un dispositif de visualisation. 8.3.1 Caméra La caméra est un transducteur qui convertit la luminance d'un flux de rayonnement infrarouge en un signal électrique (tension, intensité) qui sera appliqué après amplification à un système de visualisation. La caméra est dotée en général de plusieurs éléments : • Un objectif constitué de lentilles en matériaux pouvant transmettre le rayonnement infrarouge entre 2 et 15 μm (Halogénures, fluorure de sodium, verre à base de séléniure de zinc ou de tellure de cadmium), • Un dispositif de balayage opto-mécanique ou électronique,
  • 66. 66 Contrôles Non destructifs • Un filtre ne laissant passer que le rayonnement adapté au détecteur utilisé, • Un détecteur de flux qui convertit le rayonnement en signal mesurable. Les capteurs utilisés sont des détecteurs discrets, utilisés soit séparément, soit assemblés linéairement ou matriciellement. Mesure infrarouge FIGURE 34 Les capteurs couramment utilisés peuvent être séparés en deux groupes : Les détecteurs thermiques du type pyroélectrique Il s'agit de détecteurs constitués par des lames cristallines qui sous l'action d'un échauffement produisent des charges électriques de surface. Les détecteurs quantiques (photoconducteurs) Il s'agit de détecteurs pour lesquels l'observation du signal correspond à la mesure de la conductivité d'un réseau cristallin due à la création d'électrons semi libres par absorption du rayonnement incident. Il existe un grand nombre de détecteurs sensibles pour chaque domaine du spectre infrarouge, comme le montre le tableau 2.
  • 67. 67 Contrôles Non destructifs Capteurs infrarouges TABLEAU 2 Le choix d'un détecteur doit se faire en prenant en compte : Le domaine spectral Les détecteurs thermiques possèdent l'avantage d'une réponse spectrale très étendue au détriment de la sensibilité. Les détecteurs quantiques sont plus sélectifs, plus sensibles et plus rapides. Le niveau de sensibilité La sensibilité d'un détecteur est une fonction décroissante de sa surface. La constante de temps Les détecteurs thermiques sont relativement lents (constante de temps de 10-3 s pour les meilleurs bolomètres), alors que les détecteurs quantiques sont plus rapides (constante de temps de l'ordre de 10-5 à 10-6 s). • Les conditions de polarisation • Le refroidissement du capteur La température de fonctionnement des détecteurs conditionne leur fonctionnement (bruit propre), cela suppose l'utilisation de systèmes de refroidissement (Gaz liquéfié, détente Joule- Thomson, effet thermoélectrique,...). 8.3.2 Système de traitement Outre l'amplification du signal les systèmes de traitement permettent en temps réel ou en temps différé :
  • 68. 68 Contrôles Non destructifs • L’amélioration de la qualité de l'image par moyennage ou filtrage, • La mise en relief d'isothermes, • Le calcul d'histogrammes et de profils, • L’enregistrement des thermogrammes et leur recopie sur imprimante couleur, • .... 8.3.3 Dispositif de visualisation Le signal vidéo délivré par le détecteur, puis traité par le système précédent est appliqué à un monteur dont l'écran représentera en noir et blanc ou en fausses couleurs la distribution de chaleur à la surface de la zone analysée. 9 CONTRÔLE PAR EMISSION ACOUSTIQUE Le contrôle par émission acoustique utilise la propagation d'une onde acoustique dans les matériaux lors d'une libération d'énergie interne, comme la propagation d'une fissure. Ce type de contrôle permet une surveillance en fonctionnement. 9.1 Principe du contrôle Toute libération discontinue d'énergie au sein d'un matériau engendre des ondes élastiques qui se propagent dans celui-ci. Plusieurs mécanismes peuvent donner naissance à cette émission acoustique : • Les évènements liés à la déformation plastique tels que les mouvements des dislocations, les glissements aux joints de grains,... • les mécanismes de rupture tels que l'initiation d'une microfissure et sa propagation. L'émission sonore est détectée par un capteur judicieusement placé (figure 35). La détection acoustique peut être utilisée pour l'étude de phénomènes physiques d'une part et pour le contrôle non destructif d'autre part.
  • 69. 69 Contrôles Non destructifs L'émission acoustique est différente des autres techniques de contrôle non destructif : elle ne s'applique pas sur la pièce terminée, mais elle doit être utilisée en cours de fabrication ou en cours d'utilisation. Emission acoustique FIGURE 35 Avantages • Méthode bien adaptée à une surveillance en fonctionnement. • Ne nécessite pas de démontage de la pièce. • L'évolution de la fissure peut être quantifiée • Excellente sensibilité. Inconvénients • Instrumentation complexe. • Etalonnage délicat. 9.2 Mise en œuvre Une source d'émission acoustique génère des ondes élastiques dans le matériau qui ne sont mesurables qu'à la surface de la pièce. Une chaîne de mesure comprend : • Un capteur, • Des systèmes de conditionnement du signal (préamplificateur, filtres, amplificateur), • Des systèmes de traitement et d'analyse du signal.
  • 70. 70 Contrôles Non destructifs 9.2.1 Le capteur Contrairement au contrôle par ultrasons, l'opérateur ne maîtrise pas la nature du signal (type d'onde, fréquence, amplitude). Le choix du type de palpeur nécessite la prise en compte de paramètres pas toujours franchement identifiables. Les capteurs les plus utilisés sont des capteurs piézo-électriques. On trouve sur le marché toute une panoplie de capteurs couvrant une large gamme de fréquence, de sensibilité, de température d'utilisation et de géométrie. Leur mise en œuvre pose le problème important du couplage qui permet d'assurer la transmission des ondes entre le palpeur et la pièce. Sa qualité et sa stabilité sont essentielles. Les différents couplages utilisés en émission acoustiques sont : • Des couplages fluides (fluides généralement visqueux) avec pression de maintien, • Des couplages solides (par collage par exemple), • Des couplages avec élément intermédiaire jouant le rôle de guide d'ondes (utilisés Pour des contrôles sur pièces difficilement accessibles). 9.2.2 Le conditionnement du signal Le signal électrique délivré par un capteur piézo-électrique est de l'ordre du microvolt (en sortie sur une haute impédance). Une amplification avant traitement est donc nécessaire. Le préamplificateur Placé à proximité du capteur, il a pour but de réaliser une adaptation basse impédance du signal, et éventuellement, une amplification permettant la transmission du signal sur de plus grandes distances avec un minimum de distorsions. La norme NF A 09-303 définit les grandeurs significatives d'un préamplificateur. Le filtre Il a pour but de limiter la bande passante de la chaîne de mesure et d'augmenter le rapport signal/bruit en éliminant les signaux indésirables. L'amplificateur
  • 71. 71 Contrôles Non destructifs Il amène le signal à un niveau suffisant pour qu'il puisse être facilement traité. On utilise deux types d'amplificateurs : • L’amplificateur linéaire à gain variable Vs = A. Ve; • L’amplificateur logarithmique Vs = A. log(Ve) + B avec A et B constantes dépendant de l'amplificateur; Avec Vs tension de sortie et Ve tension d'entrée. 9.2.3 Les systèmes de traitement Un signal d'émission acoustique peut se présenter sous deux formes différentes : Un bruit de fond large bande appelé émission continue Un signal constitué d'évènements séparés de durée limitée appelé émission discrète. Il existe plusieurs modes de traitement : Les techniques de comptage On compte le nombre d'alternances N qui dépasse un certain seuil fixé et on analyse les résultats en traçant : • Soit, la forme cumulée : N = f(temps), • Soit, le taux : on remet périodiquement les compteurs à 0 suivant une base de temps et on trace ΔΝ/Δt ou N = f(temps). Les courbes cumulées sont représentatives de l'énergie libérée depuis le début de l'émission, tandis que les courbes de taux traduisent le taux de libération de l'énergie à l'instant t. Cette technique de traitement est maintenant tombée en désuétude, on lui préfère les techniques d'analyse du signal suivantes. Les mesures des caractéristiques physiques globales On peut caractériser : • La valeur moyenne
  • 72. 72 Contrôles Non destructifs t+T vm (t) = T 1 ∫t v(ζ )dζ • la valeur efficace t+T veff (t) = 1 ∫ [v(ζ )]2 dζ T t • l'énergie t+T E = 1 ∫ [v(ζ )]2dζ T t L’amplitude de crête, c'est à dire l'amplitude maximale du signal sur une base de temps donnée. La caractérisation des salves dans le cas de l'émission discrète Si l'on admet qu'à une salve correspond un évènement physique dans le matériau, la caractérisation de ces salves pourra permettre celle du phénomène physique générateur. On utilise les paramètres suivants : • L’amplitude de crête, • Le temps de montée, • La durée, • Le nombre d'alternances, • L’énergie, • ...
  • 73. 73 Contrôles Non destructifs 9.3 Localisation de la source d'émission Elle a pour but de déterminer les coordonnées de la zone où s'est produit l'évènement générateur. Cette localisation peut être linéaire, bidimensionnelle ou volumique. 9.3.1 Principe La méthode la plus utilisée consiste à mesurer les différences de temps d'arrivée (t) d'un même signal à plusieurs capteurs répartis à la surface de la pièce à analyser. Lorsque cette différence t à deux capteurs est connue, le lieu des points auquel appartient la source est défini par : v . Δt = Cte où v est la vitesse de propagation des ondes La courbe définie par cette équation est une branche d'hyperbole. Localiser la source, reviens à calculer les coordonnées de l'intersection des branches d'hyperboles correspondantes aux t mesurés sur les différents capteurs pris deux à deux. La localisation peut se faire : • A l'aide de deux palpeurs, si l'on cherche un défaut sur une ligne (cas du contrôle en cours de soudage). • Avec trois ou quatre palpeurs, si l'on cherche un positionnement en surface. 9.3.2 Mise en œuvre pratique Contrairement au cas des ultrasons, la nature et la direction des ondes à mesurer ne sont pas maîtrisables par l'opérateur. Le cas le plus favorable est celui des pièces ou structures dites épaisses. Dans ce cas, il peut se développer dans le matériau tous les types d'onde (ondes longitudinales, transversales,...). Ces ondes donnent en surface des ondes de Rayleigh dont la vitesse est connue ( 0 ,9 vitesse des ondes transversales). La condition pièce ou structure épaisse est obtenue si l'épaisseur du milieu est supérieure à 3 fois la profondeur de pénétration des ondes de Rayleigh (Cette
  • 74. 74 Contrôles Non destructifs profondeur étant à peu près égale à la longueur d'onde de la vibration). Dans une structure dite mince, le problème est beaucoup plus complexe. Il se forme alors un régime d'onde de Lamb avec plusieurs modes de vibration possibles. 10 LEXIQUE Contrôle des soudures Welding inspection Contrôle non destructif Non destructive testing Contrôle par ultrasons Ultrasonic inspection Contrôle radiographique Radiographic inspection Contrôle visuel Visual inspection Défauts de soudure Weld defects Fuite Leak IQI Penetrameters Magnétoscopie Magnetic inspection Palpeur Probe Pénétrant coloré Dye penetrant Pénétrant fluorescent Fluorescent penetrant Rayons gamma Gamma Rays
  • 75. 75 Contrôles Non destructifs Rayonnement infrarouge Infrared radiation Rayons X X Rays Ressuage Liquide penetrant inspection Thermographe Thermograph Thermographie Thermography 11 BIBLIOGRAPHIE B. BANKS; G.E. OLDFIELD; H. RAWDING La détection ultrasonique des défauts dans les matériaux EYROLLES J. CORNU Traité de soudage automatique Procédés 1 et 2 HERMES J. DUBRESSON Evolutions des matériels de CND Soudage et Techniques Connexes N°45 1991 G. GAUSSORGUES La thermographie infrarouge Edition Techniques et Documentation Manuel pour l'examen par ultrasons des soudures Publication de la soudure autogène Mécanosoudage Fabrication Edition du CETIM Recueil de normes AFNOR Soudage et techniques connexes - Tome 3 Contrôles et essais
  • 76. 76 Contrôles Non destructifs J. ROGET Essais non destructifs ; L'émission acoustique AFNOR/CETIM A. VALLINI Joints soudés - Contrôle, métallurgie, résistance DUNOD G. WACHE Contrôles non destructifs Traitements thermiques N°216-88 à 226-89