Contrôle non destructif par thermographie infrarouge stimulée : Principe et exemples d applications. par Jean - Luc Bodnar

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1 Journée Green Testing Saint Louis 22 novembre 2012 Contrôle non destructif par thermographie infrarouge stimulée : Principe et exemples d applications par Jean - Luc Bodnar Groupe de Recherche En Sciences pour l Ingénieur (GRESPI) Equipe de CAractérisation THERmophysique Multi échelle (ECATHERM) UFR Sciences Exactes et Naturelles BP Reims cedex 02 Tèl

2 Sommaire Introduction Principe du contrôle non destructif par thermographie infrarouge stimulée Exemples de dispositifs de thermographie infrarouge stimulée Exemples d applications de la thermographie infrarouge stimulée dans le domaine du Contrôle Non Destructif : des matériaux métalliques des matériaux du bâtiment des œuvres d art de l imagerie tomographique Conclusion 2

3 Introduction Les techniques de contrôle non destructif déjà utilisées dans le monde industriel sont nombreuses. On peut citer : Le contrôle optique (photographies UV, visibles et infrarouges, en lumière naturelle, polarisée ou rasante, interférométrie, speckle, projection de franges, spectroscopie ), la radiographie X (γ), l analyse acoustique, Les ultrasons Le ressuage La magnétoscopie Les courants de Foucault. Ces méthodes, très diverses, sont très performantes dans leurs domaines d applications mais, ne sont bien sûr, pas universelles 3

4 Introduction De nouvelles méthodes de contrôle non destructives peuvent donc encore trouver leur place dans le domaine de l analyse industrielle. Parmi celles-ci nous pouvons citer la thermographie infrarouge stimulée Voyons ici le principe de cette méthode de contrôle non destructif et quelques exemples d applications industrielles 4

5 Principe de la thermographie infrarouge stimulée 5

6 Principe de la thermographie infrarouge stimulée 6

7 Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée 7

8 Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée La thermographie infrarouge stimulée fait essentiellement appel à deux phénomènes thermophysiques : La conduction thermique, Le rayonnement thermique. Le signal photothermique est donc sensible à tous les paramètres liés à ces phénomènes : La conductivité thermique Le produit chaleur massique et masse volumique La diffusivité thermique L'émissivité... 8

9 Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée et à toutes les propriétés des matériaux qui leur sont corrélés : Homogénéité du matériau, épaisseur d un revêtement, Présence ou non de défauts : fissures, délaminages, porosité, inclusion, joint de grain, défaut d adhérence, Aspect de surface du matériau : lisse, rugueux, propre, oxydé, fissuré, Etude de 1'avancement d'une transformation physico-chimique (séchage, sédimentation, vieillissement des matériaux, polymérisation, diffusion d impuretés, ). 9

10 Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée 10

11 Principaux atouts : Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée Elle est non destructive Elle est sans contact Elle peut ne demander que 1'accès à un seul côté de l échantillon Elle permet de faire des mesures à distance Elle est facilement personnalisable en fonction des besoins Elle est utilisable sur de nombreux types d échantillons (métalliques, diélectriques, semi-conducteurs, massifs ou composites,..) Elle est simple d'utilisation Elle peut être très rapide Elle permet l étude des 100 premiers micromètres des matériaux 11

12 Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée Principaux inconvénients : Elle est limitée à l étude des matériaux minces (jusqu'à quelques millimètres d épaisseur) Elle peut être dépendante des propriétés radiatives de surface 12

13 Les différentes façons de mettre en œuvre la thermographie infrarouge stimulée 13

14 Excitation sinusoïdale et détection synchrone 14

15 Exemple de signal d excitation utilisé 15

16 Exemple de signal photothermique obtenu 16

17 Principe d une analyse sinusoïdale 17

18 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode sinusoïdale 18

19 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode sinusoïdale Principal avantage de la méthode : Très bon rapport signal sur bruit ainsi que l'accès à deux paramètres caractéristiques : l'amplitude et la phase du signal photothermique. Principal inconvénients de la méthode Lenteur d'analyse qui permet difficilement une analyse industrielle (en ligne de production) 19

20 Excitation pulsée et détection continue (Flash, créneau ou flying spot) 20

21 Exemple de signal d excitation utilisé 21

22 Exemple de signal photothermique obtenu 22

23 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode pulsée 23

24 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode pulsée Principal avantage de la méthode : Obtention d une réponse très riche en informations, car donnant accès à la réponse impulsionnelle du matériau (méthode flash). Principal inconvénient de la méthode : Obligation, pour obtenir une excitation proche d'une fonction de Dirac, de déposer une énergie importante pendant un court laps de temps ce qui n'autorise pas l analyse de matériaux sensibles (matériaux biologiques, œuvres d art, ). 24

25 Principe de l analyse aléatoire 25

26 Principe de l analyse aléatoire 1) Excitation aléatoire de l échantillon analysé 2) Recueil de la réponse physique 3) Calcul de la réponse impulsionnelle (celle fournie par analyse flash) 3 bis) Calcul de la réponse harmonique multifréquentielle (celle fournie par analyse harmonique) 26

27 Exemple de signal d excitation utilisé 27

28 Exemple de signal photothermique obtenu 28

29 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode aléatoire 29

30 Principal avantage et principal inconvénient de la méthode aléatoire Principal avantage de la méthode : Obtention, sous contraintes énergétiques moindres, d une réponse très riche en informations, car donnant accès à la réponse impulsionnelle et à la réponse harmonique multifréquentielle du matériau. Principal inconvénient de la méthode : Méthode plus complexe que les méthodes sinusoïdale ou pulsée. 30

31 Puissance d excitation de la source lumineuse lors de l analyse photothermique aléatoire 31

32 Puissance d excitation de la source lumineuse lors de l analyse photothermique pulsée 32

33 Principe de la détection de défauts par thermographie infrarouge stimulée 33

34 Principe de la détection de délaminage par thermographie infrarouge stimulée 34

35 Principe de la détection de délaminage 35

36 Principe de la détection de fissures par thermographie infrarouge stimulée 36

37 Cas d une fissure débouchante 37

38 Cas d une fissure non débouchante 38

39 Analyse d échantillons industriels fissurés par thermographie infrarouge stimulée par induction 39

40 Analyse d une rotule forgée 40

41 L échantillon étudié 41

42 Le dispositif expérimental utilisé 42

43 Le résultat expérimental obtenu par magnétoscopie 43

44 Le résultat expérimental obtenu thermographie infrarouge stimulée 44

45 Analyse d une tige filetée 45

46 Le résultat expérimental obtenu par magnétoscopie 46

47 Le résultat expérimental obtenu thermographie infrarouge stimulée 47

48 Conclusion 48

49 Conclusion Cet exposé visait à présenter une méthode de contrôle non destructif particulière : la thermographie infrarouge stimulée et quelques exemples d applications industrielles. Nous avons ainsi montré que cette méthode permettait le contrôle non destructif : de matériaux métalliques de matériaux du bâtiment d œuvres d art de l imagerie tomographique 49

50 La méthode peut aussi permettre des analyses quantitatives : - La mesure de paramètres thermophysiques (diffusivité thermique transversale ou longitudinale, effusivité thermique, ) - La mesure d une épaisseur de revêtement - La mesure de la profondeur à laquelle se trouve un défaut - La mesure de température - 50

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