Contrôle non destructif (CND)

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1 Contrôle non destructif (CND) par Jacques DUMONT-FILLON Ingénieur de l École Centrale de Paris Ancien Directeur Technique de l Institut de Recherches de la Sidérurgie (IRSID) 1. Contrôle non destructif : applications et tendances... R Champ d application actuel Tendances et évolution Principes de détection des défauts. Différentes techniques du CND Hétérogénéités et défauts Procédure de CND Principe de la détection d un défaut Classement et performances des procédés de CND Procédés optiques Examen visuel Contrôle optique automatique Techniques optiques particulières Ressuage Principe Bases physiques du ressuage Principaux procédés de ressuage Mise en œuvre du contrôle par ressuage Applications pratiques du ressuage Procédés à flux de fuite magnétique Principe et bases physiques Magnétisme : magnétisation et démagnétisation des pièces Magnétoscopie Procédés à détection automatique de flux de fuite Champ d application. Avantages et limites Courants de Foucault Principe et bases physiques Mise en œuvre du sondage par courants de Foucault Applications. Performances et limitations Radiographie et techniques connexes Bases physiques du contrôle radiographique Production et détection des rayons X et Mise en œuvre Champ d application de la radiographie. Techniques spéciales Radioprotection Ultrasons Bases physiques du contrôle ultrasonore Production et détection des ultrasons Méthodes de contrôle ultrasonore Mise en œuvre. Appareillage de contrôle. Étalonnage Champ d application et évolution du contrôle ultrasonore Utilisation des procédés de CND Le personnel de contrôle Les procédures d emploi Les études préalables Conclusion Pour en savoir plus... Doc. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

2 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) O n regroupe sous le vocable essais non destructifs ou encore contrôles non destructifs (ce dernier évoquant mieux l aspect qualité industrielle que le premier qui évoque plutôt les examens en laboratoire) l ensemble des techniques et procédés aptes à fournir des informations sur la santé d une pièce ou d une structure sans qu il en résulte des altérations préjudiciables à leur utilisation ultérieure. Le terme de santé, s il souligne une certaine parenté avec le domaine des examens d aide au diagnostic médical, comme la radiologie ou l échographie, délimite bien l objectif des contrôles non destructifs qui est la mise en évidence de toutes les défectuosités susceptibles d altérer la disponibilité, la sécurité d emploi et/ou, plus généralement, la conformité d un produit à l usage auquel il est destiné. En ce sens, le contrôle non destructif (CND) apparaît comme un élément majeur du contrôle de la qualité des produits. Il se différencie de l instrumentation de laboratoire et industrielle puisque l objet est de détecter des hétérogénéités et anomalies plutôt que de mesurer des paramètres physiques tels que le poids ou les cotes d une pièce. Situé ainsi aux frontières de la métrologie, de l instrumentation industrielle, scientifique et médicale, le domaine des contrôles non destructifs constitue un secteur spécifique d activité scientifique et industrielle possédant ses propres structures professionnelles qui regroupent des industriels fabricants ou distributeurs spécialisés, des organismes d étude et de formation, des sociétés de services, ainsi que les départements spécialisés d un certain nombre de grosses entreprises industrielles fortement utilisatrices de ces techniques. Tout cela représente en France l activité de près de personnes et un marché présentant un bon taux de croissance sur le moyen terme. 1. Contrôle non destructif : applications et tendances 1.1 Champ d application actuel À travers son objectif, on aura compris que le contrôle non destructif est essentiel pour la bonne marche des industries qui fabriquent, mettent en œuvre ou utilisent les matériaux, les produits, les structures de toutes natures. À l heure où la qualité est devenue un impératif difficilement contournable, le champ d application des CND ne cesse de s étendre au-delà de son domaine d emploi traditionnel constitué par les industries métallurgiques et les activités où la sécurité est primordiale, telles que le nucléaire et l aéronautique. Après le contrôle des biens d équipements, vient celui des biens de consommation. La nature des défauts que l on cherche à détecter se diversifie du même coup ; on recherche les défauts technologiques ponctuels graves, comme ceux inhérents à la fabrication et à l utilisation des métaux (fissure de fatigue), mais aussi désormais des défauts d aspect (taches sur une surface propre) et des corps étrangers nuisibles (éclats de verre dans un emballage alimentaire). On peut, par ailleurs, considérer que le contrôle non destructif d un produit ou d un objet peut être effectué à trois stades différents de sa vie, conduisant à trois types d application se différenciant à la fois par le contexte industriel et par la nature du contrôle lui-même. Le contrôle en cours de fabrication procède de la philosophie de l instrumentation industrielle en tant qu outil de contrôle d un procédé souvent automatisé et impliquant alors un appareillage installé à demeure en ligne de fabrication présentant une grande robustesse, une réaction rapide, un coût d exploitation faible et, malgré tout, une bonne fiabilité. Les défauts recherchés sont ici généralement bien identifiés, le fonctionnement est automatique aboutissant à un repérage ou un tri des produits défectueux. Quand le détecteur de défauts ne peut pas être installé en ligne de fabrication, on utilise dans l industrie des bancs de contrôle correspondant bien souvent à des équipements importants en taille et en coût d investissement. Bref historique Comme l instrumentation scientifique, le contrôle non destructif (CND) constitue un champ d application privilégié des découvertes de la physique. Aussi l histoire des essais non destructifs (END) commence-t-elle avec celle de la physique moderne à la fin du XIX e siècle : découverte des rayons X, des courants de Foucault, de la piézoélectricité, etc. Ce n est toutefois qu à partir de la seconde guerre mondiale que les techniques du CND ont pris leur essor dans l industrie, en particulier dans la métallurgie : contrôle des aciers, radiographie des soudures. Une vigoureuse accélération du progrès et du développement des END s est manifestée ensuite vers les années 60/70 avec le développement rapide de secteurs très demandeurs tels que le génie des centrales électriques nucléaires, l aéronautique civile, les gazoducs, oléoducs et les plates-formes offshore. La dernière décennie enfin voit l émergence des techniques de CND qui ne pouvaient pas être mises en œuvre sans l apport d une électronique intégrée et d une informatique puissante ; on assiste ainsi au développement rapide des contrôles entièrement automatiques et à l essor des techniques gourmandes en traitement informatique, comme les contrôles optiques. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

3 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Le contrôle en recette d un lot de pièces, d une installation, d un ouvrage au moment de la livraison procède d une philosophie de respect de conformité à des spécifications de qualité définies auparavant. Si l aspect coût et productivité peut avoir encore une certaine importance à ce stade de contrôle, c est surtout l aspect procédure de la démarche qui devient primordial, qu il s agisse du choix du procédé, du choix des paramètres de réglage, de l étalonnage, de la présentation et de l archivage des résultats obtenus. À ce stade, il s agit de détecter des défauts mais aussi bien souvent d en définir la nature et les dimensions. Le contrôle en service s effectue sur pièces ou structures lors d opérations de maintenance ou à la suite de détection d anomalies de comportement du matériel. On en attend une très grande fiabilité, eu égard à l importance des risques encourus par la non-détection d un défaut grave. Pour ce type de contrôle, il convient de pouvoir estimer le mieux possible la nature et les dimensions des défauts pour pouvoir en apprécier la nocivité ; il faut disposer aussi d une grande reproductibilité de l examen non destructif, de façon à pouvoir suivre l évolution du dommage au cours du temps. 1.2 Tendances et évolution Globalement, en tant qu outil majeur de la politique qualité d une entreprise, les techniques de CND continueront à élargir leur champ d application vers de nouveaux secteurs d activité économique. On constate aussi que l objectif du contrôle non destructif évolue en rapprochant ce domaine de celui de l instrumentation ; il ne suffit plus aujourd hui de détecter un défaut, il faut aussi le caractériser et le dimensionner ; il faut aussi imaginer des techniques et procédés non destructifs aptes à mettre en évidence des hétérogénéités physiques complexes ou des irrégularités de propriétés telles que, par exemple, des variations de microstructure dans un métal, des variations de texture ou de rugosité sur une surface, des variations de propriétés électromagnétiques sur une bande. Ces objectifs sont souvent difficiles à atteindre, car les lois de la physique sont ce qu elles sont et ainsi, dans ce domaine, les progrès sont lents. Il n en va pas de même pour l automatisation des CND qui bénéficie pleinement des progrès de l informatique ; il en résulte l arrivée sur le marché, d année en année, d appareillages plus performants, plus fiables et surtout plus faciles à utiliser dans le cadre du respect de procédures de contrôles très strictes. L évolution des CND doit prendre toutefois en compte l aspect coût, ce dernier pouvant freiner l essor de nouvelles techniques très performantes, comme c est le cas actuellement pour la tomographie X. 2. Principes de détection des défauts. Différentes techniques du CND 2.1 Hétérogénéités et défauts Le terme défaut est ambigu, relatif et peu précis, mais sa connotation négative évoque bien le rôle que joue le contrôle non destructif dans la recherche de la qualité. En fait, détecter un défaut dans une pièce, c est physiquement, mettre en évidence une hétérogénéité de matière, une variation locale de propriété physique ou chimique préjudiciable au bon emploi de celle-ci. Cela dit, on a l habitude de classer les défauts en deux grandes catégories liées à leur emplacement : les défauts de surface, les défauts internes. Les défauts de surface, accessibles à l observation directe mais par toujours visibles à l œil nu, peuvent se classer en deux catégories distinctes : les défauts ponctuels et les défauts d aspect. La première catégorie (défauts ponctuels) correspond aux défauts les plus nocifs sur le plan technologique, puisqu il s agit des criques, piqûres, fissures, craquelures, généralement aptes à provoquer à terme la rupture de la pièce, en initiant par exemple des fissures de fatigue. Dans les pièces métalliques, l épaisseur de ces fissures est souvent infime (quelques µm) et elles peuvent être nocives dès que leur profondeur dépasse quelques dixièmes de millimètre, ce qui implique l emploi pour leur détection de méthodes non destructives sensibles, telles que le ressuage, la magnétoscopie, les courants de Foucault, les ultrasons. La seconde catégorie correspond aux défauts d aspect, c est-à-dire à des plages dans lesquelles une variation de paramètres géométriques ou physiques (rugosité, surépaisseur, taches diverses) attire le regard et rend le produit inutilisable. Ici, le contrôle visuel est possible, mais on cherche à le remplacer par des contrôles optiques automatiques. Les défauts internes sont des hétérogénéités de natures, de formes, de dimensions extrêmement variées, localisées dans le volume du corps à contrôler. Leur nomenclature est très étoffée et spécifique à chaque branche d activité technologique et industrielle. Dans les industries des métaux, il s agira de criques internes, de porosités, de soufflures, d inclusions diverses susceptibles d affecter la santé des pièces moulées, forgées, laminées, soudées. Dans d autres cas, il s agira simplement de la présence d un corps étranger au sein d une enceinte ou d un produit emballé. Ici le contrôle visuel est généralement exclu d office et l on utilisera donc l un ou l autre des grands procédés du CND que sont la radiographie, le sondage ultrasonore, ou encore des techniques mieux adaptées à certains cas comme l émission acoustique, l holographie, l imagerie infrarouge, la neutronographie. 2.2 Procédure de CND L opération de contrôle non destructif d un objet ne se borne généralement pas à la détection d éventuels défauts. En effet, même si le choix du procédé, de la méthode et du matériel a été effectué au préalable, il faut envisager toute une procédure ayant les objectifs suivants : fiabilité de l examen, reproductibilité, localisation des défauts, identification, caractérisation de ceux-ci, en particulier par leur taille, classement, présentation visuelle, décision concernant l affectation de l objet, enfin archivage des résultats et des conditions d examen. Ce sont des opérations d étalonnage, de calibrage, de balayage de la sonde, de traitement des données qui permettent d atteindre ces objectifs désormais dans de bonnes conditions, grâce à l apport intensif de l informatique en temps réel. 2.3 Principe de la détection d un défaut Le principe de la détection d un défaut consiste à exciter celui-ci et à recueillir sa réponse. Schématiquement, on peut généralement distinguer les étapes suivantes, quelle que soit la méthode employée : mise en œuvre d un processus physique énergétique ; modulation ou altération de ce processus par les défauts ; détection de ces modifications par un capteur approprié ; traitement des signaux et interprétation de l information délivrée. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

4 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Différents types d énergie sont employés en pratique : énergie mécanique (ultrasons, ressuage), électromagnétique (radioscopie, observation dans le visible, flux magnétique...). On peut schématiquement distinguer deux groupes de méthodes de détection : les méthodes de flux, avec une excitation et une détection de même nature et pour lesquelles le défaut introduit une perturbation de flux qui peut être relevée soit directement dans le flux transmis (radiographie) ou le flux rediffusé (ultrasons), soit par un effet de proximité (bobine de sonde à courants de Foucault, flux de fuite magnétique) : figure 1 ; la grande majorité des procédés du contrôle non destructif se réfère à ce groupe de méthodes ; les méthodes pour lesquelles l excitation et la détection sont de natures différentes, chacune mettant en jeu un processus original et spécifique ; l excitation la plus employée est la sollicitation mécanique ; elle conduit aux techniques d analyse de vibrations mécaniques ou de microdéformations (interférométrie holographique) ou encore à une technique d émission provoquée dont la plus connue est l émission acoustique. qu ils favorisent la détection des défauts de surface ou des défauts internes. Le tableau 1 dresse la liste des procédés actuellement utilisés en contrôle industriel et résume leurs principes et leurs champs d application spécifiques. Les performances des procédés de contrôle non destructif résultent à la fois de considérations théoriques et pratiques. 2.4 Classement et performances des procédés de CND Les procédés de contrôle non destructif résultent de la mise en œuvre des principes et techniques physiques précédents. Ils sont assez nombreux. Certains sont anciens, d autres récents ; certains sont simples, d autres complexes ; certains sont très employés, d autres peu. On les classe habituellement en deux familles selon Figure 1 Principe du contrôle non destructif Tableau 1 Les procédés de contrôle non destructif : caractéristiques (0) Types de procédés Méthodes de contrôle Principes physiques Types de défauts détectés Domaines d application Points forts Points faibles Examen visuel directe ou assisté Contrôle laser Vision Perturbation d une réflexion Défauts débouchants, fissures, criques, trous Contrôle manuel de tous produits à surface accessible Contrôles automatiques de bandes et tôles Souplesse Productivité Productivité, fiabilité Taux de fausses alarmes Optiques Contrôle TV Formation d une image Défauts d aspect, taches Contrôle automatique en fabrication des produits divers Productivité Défauts fins Interférométrie holographique Détection de microdéformations provoquées Délaminations, décollements Contrôle en atelier de parois non métalliques Contrôle des composites Interprétation, productivité Thermographie infrarouge Cartographie de perturbations thermiques Délaminations, hétérogénéités diverses idem Contrôle sur site Cartographie Caractérisation des défauts Ressuage Ressuage Effet de capillarité Défauts fins débouchants Contrôle manuel de tous produits à surface accessible Simplicité Faible coût Productivité, peu quantitatif Flux de fuite magnétique Magnétoscopie Détection de flux de fuite Accumulation de poudre Distorsion d un flux magnétique Défauts fins débouchants et sous-cutanés Défauts fins débouchants Produits ferromagnétiques (aciers) Sensibilité Sensibilité Automatisation Réservé aux aciers Peu quantitatif Fragilité des sondes Électromagnétiques Courants de Foucault Potentiel électrique Perturbations d un courant Perturbations d un courant Défauts fins débouchants Mesure de profondeur de défauts Contrôle en ligne et sur chantier de tous produits métalliques Tous produits conducteurs Sensibilité Automatisation Simplicité Faible coût Matériaux non conducteurs Interprétation Contrôle manuel Lent Hyperfréquences Transmission ou réflexion radar Hétérogénéités diverses Matériaux peu conducteurs Contrôle sans contact Interprétation du signal R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

5 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Tableau 1 Les procédés de contrôle non destructif : caractéristiques (suite) Types de procédés Méthodes de contrôle Principes physiques Types de défauts détectés Domaines d application Points forts Points faibles Radiographie X Contrôle en atelier et sur site de tous matériaux Cartographie Souplesse de réglage Protection Détection des fissures Rayonnements ionisants Radiographie γ Radioscopie en temps réel Tomographie X Atténuation d un flux Défauts internes Contrôle en ligne Contrôle de structures non métalliques Corps hydrogénés Fortes épaisseurs Productivité Imagerie en coupe Profondeur des défauts Résolution limitée Coût Productivité Neutronographie Diffusion Compton Rétrodiffusion Délaminations Contrôle des composites Complète la radiographie Équipement Condition d emploi Vibrations mécaniques Ultrasons Émission acoustique Perturbation d une onde Échographie Émission provoquée par sollicitation mécanique Défauts internes Défauts débouchants Criques Fissures Contrôle manuel ou automatique de la majorité des matériaux Parois de gros récipients Structures diverses Grande sensibilité Nombreuses méthodes d auscultation Contrôle global avec localisation des défauts Conditions d essai Interprétation des échos Couplage Interprétation Bruits parasites Essais dynamiques Perturbations d un amortissement Mesure de vitesse Criques Fissures Contrôle de pièces moulées Productivité Qualitatif Tests d étanchéité Essais hydrostatiques Détection de bulles Tests avec gaz traceurs (halogènes, hélium) Détection sonore Détection chimique Bruit acoustique Défauts débouchants dans joints ou parois, zone perméable Tubes et enceintes en tous matériaux Grande étendue de flux de fuite selon la méthode Contingences diverses selon la méthode Limite de détection La limite de détection est liée à deux facteurs de nature différente: le rapport signal/bruit, le pouvoir séparateur. Le rapport signal/bruit en sortie d appareil doit être suffisamment supérieur à 1 pour qu une conclusion claire soit prise quant à l absence ou la présence d un défaut. Ce facteur dépend d abord de la façon dont le défaut lui-même «émerge» de son environnement que l on doit chercher à améliorer (nettoyage et meulage des surfaces très rugueuses, affinage des microstructures trop grossières des métaux) à chaque fois que cela est possible (impératifs techniques et de coût). Ensuite, les conditions d examens (choix d un éclairage approprié, d un angle de tir, d une fréquence d excitation, etc.), la qualité de l appareillage (bruit électronique) et la nature du traitement de l information (imagerie, renforcement des contrastes) devront concourir à accroître le rapport signal/bruit. Le pouvoir séparateur correspond à la limite physique de détection ; son fondement théorique est bien établi dans le cas des techniques utilisant une onde vibratoire telles que l optique ou le contrôle ultrasonore. Les lois de la diffraction impliquent en effet que cette limite soit proportionnelle au rapport λ/d, λ étant la longueur de l onde dans le milieu considéré et D l ouverture de l appareil, en fait généralement le diamètre de la sonde. Le paramètre 1/λ étant proportionnel à la fréquence de la vibration, on comprend ainsi pourquoi, en contrôle ultrasonore par exemple, l utilisation de fréquences élevées est favorable à la détection des défauts les plus fins (microscopie ultrasonore). On comprend d autre part l intérêt théorique d accroître fortement le paramètre D (technique d ouverture synthétique en hyperfréquence et ultrasons, holographie) Étalonnage. Aptitude au dimensionnement des défauts L aptitude au dimensionnement des défauts peut s établir en partie sur la base de considérations théoriques, mais c est pratiquement toujours la procédure d étalonnage qui permettra en fait de quantifier cet aspect très important du contrôle. La théorie permet de comprendre les limites des méthodes empiriques de calibrage des défauts basées sur la seule prise en compte de l amplitude du signal (calibrage AVG en contrôle ultrasonore, voir 8.4.3). L étalonnage permet de définir et de maintenir une relation quantitative entre signal et défaut, le problème étant bien entendu de connaître par ailleurs de façon précise les caractéristiques de ce défaut. L utilisation pour l étalonnage de défauts naturels oblige à détruire la pièce d essai tandis que l utilisation de défauts artificiels éloigne des conditions réelles de contrôle. Un compromis consiste à utiliser des défauts naturels provoqués (fissures de fatigue) Théorie et pratique Les bases physiques sont rappelées à propos de chacun des grands procédés décrits plus loin. Il convient d emblée d en mesurer les limites, si l on veut comprendre pourquoi le contrôle non destructif fait appel à de nombreuses règles et données empiriques qu il est indispensable de prendre en compte pour définir ou exécuter un examen satisfaisant. Ainsi, par exemple, l aspect spectral est à considérer : les bases théoriques prennent le cas simple du rayonnement monochromatique alors qu en pratique le rayonnement possède un spectre plus Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

6 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) ou moins complexe (rayonnements ionisants) et de largeur de bande importante (ultrasons). L aspect homogénéité et isotropie du matériau engendre les mêmes difficultés de passage de la théorie à la pratique, d autant que l on a de plus en plus souvent affaire à des matériaux de structure complexe (composites, bétons). Toutefois, on assiste présentement à une forte activité de modélisation des phénomènes physiques mis en œuvre dans les examens non destructifs, ce qui constitue un apport favorable à une meilleure maîtrise de ces techniques somme toute complexes. 3. Procédés optiques 3.1 Examen visuel L examen visuel est le premier des procédés de contrôle, le plus simple et le plus général puisque c est aussi le point final de la majorité des autres procédés non destructifs. En examen préalable, l inspection visuelle d un objet, d une structure, d un assemblage tel qu une soudure permettra de guider un observateur expérimenté dans la définition d une autre technique : choix de l angle de tir en radiographie, direction de magnétisation, fréquence ultrasonore. L examen visuel direct des pièces peut constituer un contrôle suffisant pour la détection des défauts débouchant en surface et surtout des hétérogénéités locales et superficielles (taches de différentes natures) constituant des défauts d aspect rédhibitoires pour des produits plats du types tôles, tissus, verre, etc. Toutefois l examen purement visuel présente des limitations de différentes natures que nous allons examiner et qui justifient l éclosion de toute une gamme de procédés de contrôle optique, dont les principaux sont décrits plus loin ( 3.2 et 3.3) Éclairage Dans tous les cas d observation d un objet, les conditions d éclairage sont essentielles pour la fiabilité du contrôle optique. Il s agit d abord de se placer dans les conditions énergétiques, luminosité et longueur d onde permettant à l œil de travailler avec la meilleure acuité ; ainsi un éclairement de plus de 300 lux en lumière vert-jaune à 0,55 µm est optimal. Il s agit ensuite d adapter le type et l orientation de l éclairage à la nature des défauts en vue d améliorer le contraste. L éclairage diffus, fourni par exemple par un ensemble de sources lumineuses placées derrière un écran dépoli, est utilisé dans la recherche de défauts variés, sans orientation définie. Par contre, pour détecter facilement les défauts du type rayures orientées sensiblement dans la même direction, on doit préférer l utilisation d un éclairage directif associé à une observation de la surface sous un angle voisin de celui de la réflexion spéculaire (figure 2) ; enfin les défauts présentant un certain relief sont en général bien mis en évidence grâce à un éclairage rasant. Figure 2 Éclairage directif et observation dans une direction proche de la réflexion spéculaire L œil et ses limitations L œil est un capteur optique certes remarquable à bien des points de vue mais possédant toutefois des limitations dont il faut tenir compte en contrôle non destructif. La lecture d une image associe en fait l œil et le cerveau de l observateur, initiant ainsi à la fois des problèmes objectifs et des problèmes subjectifs. Les premiers concernent l aspect optique avec un paramètre principal qui est l acuité, c est-à-dire le pouvoir séparateur de l œil ; on le situe entre 0,5 et 1 minute d angle soit environ 50 µm à une distance d observation de 25 cm. Mais il ne s agit là que d une valeur moyenne, car l acuité visuelle dépend de la nature de l image (éclairement et contraste), ainsi que de l individu à travers son pouvoir d accommodation à la distance et à la luminance, pouvoir dont on connaît la décroissance avec l âge de celui-ci (presbytie). Les performances et les limitations d ordre subjectif sont plus difficiles à analyser, à mesurer et à prendre en compte ; il s agit de perception et de conscience de l image observée. Ainsi par exemple, la perception n est pas indépendante de la nature de l image (perception des figures géométriques) ou de celle de «l état d esprit» de l observateur, qui verra mieux s il sait déjà la nature de ce qu il recherche. Cela montre d ailleurs l importance d une éducation préalable du contrôleur quant à la genèse et la nature des défauts recherchés pour une pièce donnée. On doit enfin prendre en considération d autres facteurs physiologiques et psychiques susceptibles de dégrader la fiabilité du contrôle visuel : la rémanence de l œil rend problématique le contrôle des objets en mouvement, la fatigue oculaire dégrade les performances dans le temps, de même que la fatigue nerveuse ou la distraction de l observation [1] Aides optiques à la vision Il s agit des instruments d optique permettant d accroître les performances de l œil ou encore plus généralement de donner la possibilité de contrôler des surfaces inaccessibles à la vision directe de l observateur Appareils optiques classiques Les appareils optiques classiques permettent de repousser les limites de l acuité visuelle ; il s agit en premier lieu des loupes et des verres grossissants, accessoires optiques simples et courants, constitués généralement d une ou deux lentilles donnant un grossissement allant de 1,5 à 20 environ, correspondant à des focales allant de 1 à 20 cm. La loupe doit en principe être tenue près de l œil ; son champ et sa profondeur de champ diminuent fortement lorsque le grossissement s accroît, ces conditions sont peu satisfaisantes pour l examen d images de surface notablement supérieure au décimètre carré, pour lesquelles on pourra préférer utiliser un verre grossissant, dispositif optique assimilable à une grosse lentille à faible grossissement conçu pour être utilisé par les deux yeux à la fois. Pour un examen approfondi en laboratoire, en particulier lorsque l on cherche à mettre en évidence de très fines fissures ou rayures, on utilisera de préférence du matériel d observation métallographique : loupe binoculaire à grossissement variable et éclairage incorporé, éventuellement microscope métallographique si l on ressent la nécessité d utiliser des grossissements importants, de 100 ou et plus. Nous noterons enfin que l emploi des microscopes électroniques à balayage (MEB) n est plus désormais réservé aux seuls spécialistes, ce qui devrait élargir son soutien au contrôle non destructif en laboratoire. Il va sans dire enfin que l appareil photographique est devenu l outil majeur de tout inspecteur en contrôle ; les performances remarquables de l appareil de format haut de gamme associé à des objectifs «macro» permettent un emploi universel, du labo- R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

7 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) ratoire au chantier, dès qu il s agit de garder la trace d un examen optique ponctuel Appareils optiques spécifiques Des appareils optiques spécifiques ont été développés pour le contrôle non destructif. L endoscope est un appareil conçu pour pouvoir observer les surfaces non directement accessibles à l œil telles que les parois d un tube ou d une cavité, d un alésage ou d un trou borgne. Mis au point à l origine pour les examens liés au diagnostic médical, les endoscopes classiques à lentilles ont été remplacés par des transmetteurs d image à fibres optiques. L endoscope se présente sous forme d un tube ou d un flexible comportant à une extrémité une optique de prise de vues et souvent d éclairage et, à l autre extrémité, un oculaire d observation ; les appareillages utilisés en contrôle non destructif ont un diamètre de l ordre du centimètre et une longueur souvent inférieure au mètre, les grands endoscopes pour l examen des tubes ayant été éliminés par la miniaturisation des caméras TV. Le stroboscope est un appareil d éclairage délivrant des brefs flashs lumineux à une cadence soutenue et réglable dans une gamme de plusieurs dizaines de coups par seconde. Il permet, en contrôle non destructif, l examen visuel de pièces ou de produits en mouvement ; c est ainsi qu il a longtemps été utilisé pour l examen de tôles en défilement dans les aciéries. Son utilisation systématique provoque toutefois une rapide fatigue visuelle pour les observateurs, aussi cherche-t-on à remplacer ce type de contrôle par des contrôles automatiques mettant en œuvre les techniques mentionnées plus loin ( 3.2) Télévision La télévision apporte une aide précieuse au contrôle visuel ; permettant une observation à distance, elle complète ou remplace les endoscopes ; couplée à des moyens de traitement et d enregistrement des images vidéo, elle permet le contrôle optique automatique. Le matériel de télévision utilisé en contrôle non destructif est généralement spécifique, car les performances recherchées ne sont pas les mêmes que celles requises dans les applications plus banales de la télévision ; ainsi on se contentera d une transmission par câble d une image vidéo en noir et blanc, sans le son. Par contre, on recherchera une caméra robuste, miniaturisée, télécommandable à distance et surtout possédant des qualités optiques et une bande passante vidéo bien supérieures à celle du matériel courant. C est en effet la faible performance en qualité d images des tubes de prise de vues qui a longtemps freiné les applications de la télévision en contrôle qualité. L apparition progressive de tubes de prise de vues plus petits, plus sensibles, moins rémanents, mieux résolus en nombre de points image que les premiers vidicons, et surtout l apparition plus récente de récepteurs solides (CCD charge coupled devices ou constitués d une mosaïque de microphotodiodes ou plus) ont permis d élargir le champ d application des matériels de télévision [2]. 3.2 Contrôle optique automatique Nous avons vu que divers appareillages optiques permettent d améliorer les procédures de contrôle visuel ayant principalement pour objet de détecter des défauts de surface sur des structures ou des composants industriels. Toutefois, bon nombre de contrôles industriels en grande série ne peuvent se satisfaire d un examen visuel dont nous avons souligné les limites liées en particulier à la fatigue du contrôleur. Ainsi de très nombreux travaux ont été menés dans le but de mettre au point des équipements de contrôle optique entièrement automatiques, à l instar des autres procédés automatiques du contrôle non destructif. Remplacer le couple œil-cerveau ne peut se concevoir que lorsqu il s agit de détecter des défauts bien identifiés et bien visibles ; en fait, il apparaît que le développement de telles techniques est beaucoup plus lié à celui de la microinformatique qu à celui des capteurs optiques. Des chaînes de contrôle automatique ou semi-automatique existent cependant dans l industrie depuis plusieurs décennies Procédés par formation d image Il s agit de la catégorie la plus courante des procédés de contrôle mettant en œuvre une chaîne de télévision industrielle associée à des moyens de traitement en temps réel du signal vidéo ayant pour but d améliorer suffisamment les contrastes de l image d un défaut détecté, de façon que sa présence puisse être automatiquement signalée ou enregistrée [3]. Ce type d installation est principalement utilisé pour le contrôle optique des pièces fabriquées en grande série Procédés par balayage Les procédés par balayage ont surtout été développés pour le contrôle en ligne des produits en défilement du type bandes de tôle, de papier, de tissu, etc. La détection de petits défauts sur ces immenses surfaces est un problème très difficile qui impose, en particulier, un système optique à la fois très fin et très rapide. Deux techniques différentes ont été développées : les appareillages à balayage par laser et les appareillages à barrettes de photodiodes. Les appareillages à balayage par laser éclairent le produit en défilement par un petit impact laser qui le balaye transversalement à très grande vitesse, cela grâce à un système de miroirs tournants ; un concentrateur de lumière, associé à une ou plusieurs cellules photoélectriques rapides, permet de capter les variations de luminance qui se produisent dans la lumière réfléchie lorsque le spot laser rencontre un défaut (figure 3). Les appareils de marque Sick fonctionnent selon ce principe et s appliquent au contrôle des tôles minces et autres produits, métalliques ou non. Avec une fréquence de balayage de 3 khz et un spot laser de 0,5 mm de diamètre, on atteint une bande passante de 100 MHz, supérieure à celle des systèmes vidéo TV. Les appareillages à barrettes de photodiodes évitent d avoir recours à un balayage mécanique puisque le balayage des diodes est essentiellement électronique. Ce type de matériel peut présenter une bonne résolution, car il existe des barrettes de photodiodes comportant (et plus) éléments unitaires ; ce type de caméra vidéo «linéaire» est robuste et facile à protéger ; il faut toutefois disposer d objectifs optiques et de systèmes d éclairage associés très performants si l on veut bénéficier pleinement des avantages de cette technique qui tend désormais à supplanter la précédente dans les mêmes domaines d application Traitement d images Le traitement d images associé aux capteurs précédents est à la fois indispensable et difficile à mettre au point. En effet, le signal vidéo sortant de toute caméra de prise de vues est pratiquement toujours trop bruité pour qu un traitement analogique simple suffise à délivrer un signal défaut fiable. Un simple seuillage en amplitude par exemple est souvent inefficace, conduisant à un taux de fausses alarmes prohibitif. Ainsi, dans pratiquement tous les cas de contrôle optique, il faut, pour obtenir des images reconstituées de bonne qualité et envisager une détection automatique des défauts sur celles-ci, mettre en œuvre un système élaboré de traitement d images. Ce système a pour premier but d améliorer la qualité de l image sur le plan du contraste Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

8 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 3 Schéma de principe d un appareil d inspection par balayage laser et du niveau de bruit ; il doit en second lieu très souvent prendre en compte la morphologie des défauts recherchés afin de rendre l image reconstituée parfaitement exploitable. Ces traitements, qui peuvent être relativement complexes, ne peuvent être mis en œuvre que par voie numérique, ce qui entraîne la nécessité de disposer derrière la caméra d un système de numérisation rapide, d une ou plusieurs mémoires d image (vidéo-ram), d un mini-ordinateur adapté au traitement d images en temps réel. Les outils mathématiques utilisables sont nombreux et variés ; nous nous contenterons de mentionner ici les opérateurs matriciels linéaires (filtre cardinal, filtre de Laplace) et non linéaires (filtres de Sobel, de Kirsch, de Prewitt) et statistiques (Markovien), la convolution bidimensionnelle, l analyse fréquentielle de Fourier, les calculs statistiques sur l image. Après seuillage, les traitements s effectuent sur une image binaire et mettent en œuvre les outils de la morphologie mathématique tels que, par exemple, les opérations de rétraction-dilatation, squelettisation ou pontage-fermeture (figure 4). Des corrélations entre images peuvent aussi être utilisées afin d aboutir à la reconnaissance et éventuellement à la classification des défauts recherchés. Pour cette ultime étape, on commence à utiliser les techniques de traitement basées sur un processus d apprentissage préalable, comme celles associées à l utilisation des réseaux neuronaux câblés ou simulés par programmation Applications du contrôle optique Les applications du contrôle optique sont en pleine croissance grâce à la mise sur le marché de nouveaux appareillages de prise de vues et de traitement d images qui bénéficient des progrès rapides réalisés dans ces domaines depuis une décennie, en particulier sous l impulsion des industries de l audiovisuel. Figure 4 Exemples de traitement d images en contrôle d états de surface R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

9 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Le champ d application concerné par cette rapide évolution est celui du contrôle industriel en ligne, qu il s agisse du contrôle des produits fabriqués en continu tels que les bandes de tôle, de papier, de verre, de plastique ou du contrôle de pièces fabriquées en grande série, pour lesquelles on s intéresse non seulement à l absence de défaut de surface mais aussi à celle de défauts d aspect ou d irrégularités dimensionnelles (contrôle de tuiles, de boîtes, de pièces moulées, forgées, usinées). Indépendamment du contrôle en fabrication, le contrôle optique visuel, direct, par endoscope ou relayé par un équipement de télévision est de pratique courante dans les opérations de maintenance telles qu on les effectue dans les domaines de l aéronautique, du génie nucléaire ou chimique, dans le génie civil. Le contrôle optique intervient enfin comme étape ultime des procédés de contrôle décrits par ailleurs tels que le ressuage ou la magnétoscopie dont le rôle n est d ailleurs autre que d améliorer la lisibilité optique des petits défauts. Il est utile aussi de rappeler que les principales techniques de contrôle non destructif délivrent en fait des images qu il faudra lire et éventuellement traiter : c est évident pour la radiographie ou la thermographie, mais la cartographie des défauts devient petit à petit un élément important des contrôles ultrasonores ou par courants de Foucault. 3.3 Techniques optiques particulières Nous regroupons sous ce vocable les procédés de contrôle optique qui, contrairement aux précédents, ne mettent pas en œuvre l image visible de la surface inspectée. Ces procédés sont généralement de développement récent mais ont, pour certains, largement franchi le seuil des laboratoires pour se répandre dans l industrie. On peut classer ces procédés en deux familles : celle des techniques basées sur une imagerie hors du spectre du visible, celle basée sur les applications de l optique ondulatoire Imagerie infrarouge L imagerie infrarouge appartient à la première famille de procédés; elle peut être considérée comme de la pyrométrie bidimensionnelle, d où son nom générique courant de thermograhie infrarouge, méthode de mesure qui présente un grand intérêt en contrôle non destructif dans la mesure où une répartition homogène de température à la surface d une pièce peut être perturbée par la présence de défauts sous-cutanés (figure 5). Cette technique est décrite en détail par ailleurs dans les Techniques de l Ingénieur [4] Imagerie radiofréquence L imagerie radiofréquence consiste à exploiter les propriétés des ondes électromagnétiques dans les longueurs d onde décimétriques, centimétriques ou millimétriques, à l instar des systèmes de radar au sens large du terme. Ainsi, si l auscultation radar d un objet métallique conducteur ne présente pas d intérêt pour le contrôle non destructif, il n en va pas de même pour celle d objets isolants, légèrement conducteurs ou composites dont on pourra par ces interactions optiques à forte longueur d onde mettre en évidence des hétérogénéités dissimulées à l œil de l observateur. L application la plus connue de la technique radar au contrôle non destructif des matériaux est celle de l auscultation des parois de tunnels, routiers ou ferroviaires Holographie interférentielle L holographie interférentielle appartient à la seconde famille. Il s agit de détecter un défaut superficiel ou sous-cutané en mettant en évidence de très légères irrégularités dans la déformation de la surface de la pièce lorsque celle-ci est sollicitée de façon non destructive par une contrainte mécanique, pneumatique ou thermique. Rappelons que l holographie est un procédé optique qui consiste à enregistrer sur un support photographique le champ d interférences entre, d une part, la lumière diffusée par l objet éclairé par la lumière cohérente d un laser et, d autre part, une onde de référence provenant directement du même laser. L hologramme ainsi obtenu, placé à nouveau dans l onde de référence, diffracte la lumière selon une onde lumineuse identique à celle diffusée préalablement par l objet lors de la prise de vue ; ainsi, tout se passe pour l observateur comme si l objet était toujours réellement présent de façon tridimensionnelle. Partant de cette technique, on conçoit qu une double prise de vues holographiques va permettre de créer des franges d interférences entre les images holographiques de l objet relevées à des instants différents et des conditions de sollicitations différentes (figure 6). Figure 5 Exemple de détection optique d un multidélaminage dans un composite carbone-époxy (doc. ONERA) Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

10 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) des plaques photographiques, permettent d élargir son champ d application industriel : contrôle des pneumatiques en série, abaissement du prix de revient, automatisation du dépouillement des résultats [5]. 4. Ressuage 4.1 Principe Le ressuage est un terme qui désigne l extraction d un fluide d une discontinuité dans laquelle il s était préalablement accumulé au cours d une opération d imprégnation. L imprégnation d une fissure par un liquide, tirant profit de ses propriétés tensio-superficielles, conduit, par l intermédiaire d un ressuage avant l observation visuelle, à un moyen de recherche de défauts de surface qui est parmi les plus anciens, les plus simples et les plus largement utilisés de nos jours. Le mécanisme de révélation des défauts par ressuage correspond aux trois phases illustrées sur la figure 7 : application du pénétrant suivie d un temps d imprégnation, élimination de l excès du pénétrant sur la surface de la pièce, ressuage du pénétrant par disposition d une couche de «révélateur» sur la surface. À la suite de quoi, l image des défauts apparaîtra à l observateur dans la mesure où l étalement du pénétrant sur le révélateur conduit à une nette variation de couleur ou de luminance. 4.2 Bases physiques du ressuage Figure 6 Principe de l interférométrie holographique On aura ainsi réalisé une interférométrie holographique qui pourra mettre en évidence, lors de la restitution de l image, des irrégularités particulières dans les réseaux de franges indiquant des irrégularités de déformation de la surface de l objet et, par là, la présence de singularités de structure constituant généralement des défauts de cohésion ou de délamination sous-cutanés. L interférométrie est souvent réalisée par double exposition d un objet éclairé par deux lasers pulsés dont les éclairs peuvent être décalés de 0,1 µs ou plus. L interférométrie en temps réel permet de faire interférer l objet avec sa propre image holographique et permet d étudier commodément les modes vibratoires d une pièce et donc les irrégularités dues à la présence de défauts. Le contrôle non destructif par holographie est bien adapté au contrôle des objets non métalliques et de dimensions notables tels qu on les trouve dans l aérospatial, qu il s agisse des pales d helicoptères, des structures de propulseurs, des structures sandwichs nid-d abeilles, etc. Les progrès effectués tant sur le plan de la codification scientifique du procédé que sur celui des matériels utilisés, avec en particulier l utilisation des films thermoplastiques à la place Les phénomènes liés à l imprégnation et l élimination de l excès de liquide en surface peuvent être compris à partir des bases théoriques qui gouvernent les notions de capillarité, de tension superficielle, de mouillabilité et de miscibilité. Ainsi, pour bien pénétrer dans les fissures, le liquide pénétrant devrait effectuer une poussée capillaire proportionnelle à sa tension superficielle, si les parois étaient parfaitement mouillables ; en réalité, c est la mouillabilité et l hystérésis de mouillage qui vont gouverner la pénétration, laquelle sera d autant plus forte que le liquide aura une faible tension superficielle mais surtout une forte énergie d adhésion vis-à-vis du matériau considéré. Cela se produira si l angle d avancée en mouillage est aigu et voisin de 0 degré d angle. L élimination de l excédent de pénétrant se fait en formant une émulsion avec le liquide de rinçage, en général de l eau. Ce mécanisme suit les lois de la miscibilité et met en jeu l action d agents tensio-actifs qui sont présents dans la composition des pénétrants et des émulsifiants ; il s agit de substances modifiant les énergies d interface par l action de leurs molécules qui comportent un groupe solubilisant polaire hydrophile associé à une chaîne apolaire lipophile. Le phénomène de ressuage lui-même, c est-à-dire l aspiration du pénétrant par la couche poudreuse du révélateur, est très difficile à appréhender sur le plan théorique car les études d écoulement dans les milieux poreux s appliquent mal au cas présent de couches fines. 4.3 Principaux procédés de ressuage Partant du mécanisme imprégnation, nettoyage de surface, ressuage, décrit ci-dessus, différents procédés d inspection peuvent être mis en œuvre, résultant de la combinaison des différentes options faites dans le choix du traceur optique donc de la nature du pénétrant, de l utilisation ou non d un émulsifiant dans la phase de l élimination de l excès de liquide, dans le choix du révélateur de ressuage qui peut être poudreux ou liquide. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

11 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) pièces à contrôler. On a été ainsi amené à développer des produits adaptés aux cas suivants : ressuage à basse température (inférieure à 10 o C environ) ; ressuage à chaud (depuis 40 ou 50 o C jusqu à 200 o C environ), correspondant à des conditions que l on rencontre en contrôle en soudage multipasse et en maintenance d installations thermiques ; ressuage avec produits thixotropiques pour les contrôles «in situ» délicats (aviation) ; ressuage à pénétrant aqueux pour le contrôle des bétons, des céramiques, des composites ; enfin ressuage avec des produits biodégradables qui, outre leur inocuité vis-à-vis de l environnement, supportent un lavage à l eau prolongé conduisant à une meilleure fiabilité de l opération d élimination de l excès de pénétrant [8]. 4.4 Mise en œuvre du contrôle par ressuage Contrôle sur site Le contrôle par ressuage peut être effectué sur site et de façon souvent aisée, grâce à l emploi de produits en bombes aérosols et d un lavage par solvant lorsqu on ne dispose pas d eau Contrôle à poste fixe Figure 7 Principe de la méthode de ressuage par liquide pénétrant préémulsifié Il faut retenir que, dans tous les cas, les opérations sont relativement lentes, prenant chacune plusieurs minutes, de 3 à 30 minutes en ce qui concerne l imprégnation des fissures par le pénétrant. Ces différentes variantes sont codifiées dans les normes internationales et la norme NF A La figure 8 illustre la succession des opérations dans chacun des procédés, sachant que le contrôle proprement dit doit être précédé et suivi d une opération de nettoyage de la pièce extrêmement soigneuse. On utilise essentiellement deux techniques de traçage du pénétrant en ressuage : le traçage coloré ou le traçage fluorescent ; le premier implique d utiliser un révélateur à fond blanc sur lequel on visualisera des empreintes de défauts généralement colorés en rouge ; le second implique un examen fait en lumière noire, dans l obscurité, au cours duquel les défauts seront révélés par une fluorescence excitée par un projecteur de rayons ultraviolets (UV). Ce deuxième type de procédé conduit presque toujours à de meilleures performances de détection que celles obtenues avec l utilisation des traceurs colorés, au prix toutefois de conditions d examen optique plus contraignantes. L élimination de l excès de pénétrant est sans doute l opération essentielle en contrôle par ressuage, car la fiabilité du résultat va en grande partie dépendre de la bonne exécution de cette étape : une action de lavage trop forte risquera de vider les fissures de leur pénétrant avant qu il soit révélé ; une action insuffisante risquera de laisser du pénétrant sur la surface, en particulier si elle est rugueuse, entraînant du même coup des indications erronées lors de l examen. Cette élimination du pénétrant en excès s effectue par émulsification et selon deux techniques, suivant que l agent émulsifiant est incorporé à l origine dans le liquide pénétrant ou que celui-ci est projeté sur la pièce préalablement au lavage ; on utilise dans ce cas un pénétrant dit post-émulsifiant. Dans certains cas particuliers, les procédés décrits ci-dessus ne peuvent pas être utilisés convenablement, ou les produits courants ne conviennent pas aux conditions de contrôle ou à la nature des Le contrôle à poste fixe correspond souvent au contrôle en série d un grand nombre de pièces et se fait sur des chaînes manuelles ou automatiques composées des postes correspondant aux opérations successives d un contrôle par ressuage : le dégraissage par solvants chlorés en phase vapeur, par alcalins ou encore au jet d eau chaude, s effectue dans des installations adaptées et est complété, si nécessaire, par une opération de séchage ; la déposition du pénétrant peut se faire par trois techniques correspondant bien entendu à du matériel différent : immersion dans une cuve adaptée à la taille des pièces ou des paniers de pièces, installation de pulvérisation électrostatique (technique très intéressante en particulier pour l économie de produit qu elle entraîne), installation de pulvérisation conventionnelle ; l élimination de l excès de pénétrant correspondant à un rinçage, qui peut se faire en cuve avec agitation d eau par air comprimé, en cuve avec pulvérisation par rangées de buses ou en pulvérisation par pistolet air-eau ; on adjoint à l équipement de rinçage une lampe à ultraviolets de façon à pouvoir contrôler l efficacité de l opération ; le séchage intermédiaire s effectue en étuve à circulation d air réglée entre 65 et 80 o C ; l application du révélateur se fait dans une enceinte appropriée lorsqu il s agit d un révélateur sec se présentant sous forme d une poudre qu il faut agiter, ou dans une cuve chauffée lorsqu il s agit d un révélateur en suspension aqueuse ; le poste d inspection visuelle doit être conçu pour répondre aux meilleures conditions d observation en lumière blanche ou en fluorescence UV. Dans le premier cas, il faut réunir deux facteurs : un contraste maximum et un éclairement correct, les normes indiquant un minimum de 350 lux pour ce paramètre qui devra être vérifié avec un luxmètre. Pour l examen sous rayonnement ultraviolet, le poste d inspection doit être isolé de la lumière blanche ; il doit être très propre et exempt de surfaces réfléchissantes, moyennant quoi l œil sera attiré par les petites sources de fluorescence pour lesquelles on choisit d ailleurs la zone spectrale la plus appropriée, le jaunevert à 555 nm. Le rayonnement UV d excitation se situe vers 365 nm, raie intense de la décharge dans la vapeur de mercure. L intensité des tubes luminescents UV à basse pression est insuffisante pour fournir la densité énergétique requise de 8 W/m 2 minimum (15 W/m 2 souhaitable) à la surface de la pièce. Il faut donc utiliser un projecteur à vapeur de mercure à haute intensité, muni d un filtre incorporé à la source pour arrêter les UV courts et la lumière visible. 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12 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 8 Séquences des différents procédés d inspection par pénétrant liquide Automatisation du ressuage Les différents postes fixes d une chaîne de ressuage peuvent être fournis selon un système modulaire ; ils comportent tous un compteminutes servant à contrôler les temps prédéterminés de chaque traitement. L automatisation du procédé entraîne une économie considérable de main-d œuvre, surtout pour les grandes séries, et améliore la fiabilité du contrôle en éliminant au maximum les facteurs humains souvent sources d erreurs. Il existe trois catégories de chaînes automatiques : les chaînes à défilé continu ; les chaînes «pas de pélerin» dans lesquelles tous les paniers porte-pièces effectuent un transfert de longueur identique à chaque fin de cycle ; enfin les chaînes à contrôle électronique où la gestion des paniers est confiée à un mini-ordinateur. Cette automatisation du ressuage concerne toutes les opérations, à l exclusion bien souvent de l examen final lui-même. Il est certain que de nombreuses études sont en cours en vue d automatiser cette phase essentielle de l examen optique, en s appuyant sur les méthodes et les équipements de lecture automatique décrits au paragraphe Produits de ressuage Les produits de ressuage sont constitués par les pénétrants, les émulsifiants et les révélateurs. Les pénétrants font l objet d une classification selon la spécification américaine MIL I révision C ; les pénétrants fluorescents, qu ils soient à post-émulsion ou directement lavables à l eau, sont plus sensibles que les pénétrants colorés. Les émulsifiants, longtemps de type lipophiles à base de solvants pétroliers, peuvent désormais être approvisionnés sous forme d émulsifiants hydrophiles à diluer dans l eau, permettant ainsi un meilleur réglage de la sensibilité du contrôle. Les révélateurs sont soit de type sec, soit de type humide, en suspension dans l eau ou encore à support organique volatil. Le choix à faire dépend du type de contrôle ; en particulier, on utilise toujours un révélateur non aqueux en association avec un pénétrant coloré ; ce sont d ailleurs, de loin, les révélateurs les plus utilisés. Il existe enfin des révélateurs pelliculaires qui permettent de garder la trace des défauts. Tous ces produits de ressuage sont vendus conditionnées de diverses façons et, en particulier, sous forme de récipients aérosols pour les contrôles à l unité et sur site ; ils sont formulés pour satisfaire à certaines spécifications, de façon à ne contenir que de très faibles teneurs en impuretés telles que le chlore, le soufre, le fluor, le sodium et le potassium Fiabilité La vérification de la fiabilité du contrôle par ressuage est en particulier indispensable lorsqu il s agit d une chaîne manuelle ou automatique. Indépendamment des procédés d assurance qualité concernant l installation et les produits de ressuage mis en œuvre, on effectue des tarages périodiques basés sur l utilisation de pièces de référence que l on soumet au contrôle par ressuage. Il en existe plusieurs types : le test bloc en alliage d aluminium (code ASME) est assez peu sélectif et peu réutilisable, les plaquettes nichrome, R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

13 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 9 Aspect des indications obtenues par ressuage sur cales étalons d origine japonaise, sont facilement reproductibles et réutilisables ; les plaques billées recouvertes d un chromage dur (figure 9) sont très utilisées en aéronautique mais ont l inconvénient, comme les précédentes, d avoir une surface quasi poli miroir trop parfaite pour renseigner sur la lavabilité du pénétrant ou la saturation de l émulsifiant [9]. 4.5 Applications pratiques du ressuage Le choix du procédé dépend de la nature de la pièce et de la nature des défauts recherchés : le procédé coloré sera utilisé de préférence pour la recherche de défauts grossiers et pour les contrôles sur site ; le procédé fluorescent sera utilisé lorsque l on cherche une grande sensibilité et lorsque l on effectue un travail en série, en particulier sur chaîne. Les cas particuliers d application (froid, chaleur, matériau non métallique) obligent à utiliser les techniques spéciales décrites à la fin du paragraphe 4.3. Le champ d application du ressuage est très vaste, car le procédé est simple d emploi et permet de détecter la plupart des défauts débouchant en surface sur les matériaux métalliques non poreux, ainsi que sur les autres matériaux, à condition toutefois qu ils ne réagissent pas chimiquement ou physiquement (adsorption) avec le pénétrant. Sa sensibilité est très bonne, puisqu on peut estimer obtenir, à titre indicatif, une détection fiable de défauts de 80 µm de largeur pour 200 µm de profondeur pour un ressuage coloré pratiqué en atelier sur une surface usinée, alors que le ressuage fluorescent conduit dans les mêmes conditions à une limite de détection de l ordre de 1 µm en largeur pour 20 à 30 µm en profondeur. Les limitations du procédé de ressuage sont liées au matériau lui-même : trop forte rugosité de surface, impossibilité d employer les produits classiques qui endommageraient sa surface. Les défauts non débouchants ne peuvent être vus, de même que les fissures renfermant des corps susceptibles d interdire l entrée du pénétrant tels que peinture, oxydes, produits de lubrification mal éliminés par nettoyage. Le procédé lui-même est relativement lent (10 à 45 minutes), coûteux en temps et en personnel, pas facile à rendre totalement automatique, en particulier au niveau de l élimination de l examen visuel qui reste ainsi tributaire de l acuité et de l aptitude du contrôleur. Il faut enfin prendre en compte, dans le coût du contrôle, la consommation des produits de ressuage dont l utilisation peut par ailleurs amener des sujétions contraignantes vis-à-vis de l environnement, de la sécurité et de l hygiène du travail (précautions relatives aux risques d incendie, d explosion, d irritation des muqueuses, de pollution de l eau). 5. Procédés à flux de fuite magnétique 5.1 Principe et bases physiques La théorie des circuits magnétiques indique que la présence d un entrefer correspond à un fort accroissement local de la réluctance du circuit et donc de la différence de potentiel magnétique (d.p.m.), constituant ainsi un obstacle au flux magnétique dont les lignes de force doivent alors s épanouir latéralement selon un flux de fuite comme l indique la figure 10. Cet effet de dispersion des lignes de flux s exerce même pour un entrefer minime, dans la mesure où le rapport des réluctances entre l entrefer et le circuit est inversement proportionnel à la perméabilité relative de celui-ci, soit un rapport de 500 à pour un circuit ferromagnétique en acier excité en deçà de la saturation. Cet effet de dispersion d un flux magnétique hors d une pièce ferromagnétique, au droit d une fissure débouchante ou sous-cutanée (ou toute autre hétérogénéité non ferromagnétique se comportant comme un entrefer), est à la base d une gamme de procédés magnétiques de détection des défauts de surface dans les aciers dont le plus connu et le plus employé est la magnétoscopie. Ces procédés magnétiques diffèrent entre eux principalement par le mode de mise en évidence du flux de fuite magnétique correspondant à la dispersion de flux décrite ci-dessus. En magnétoscopie, on observe visuellement une accumulation de poudre de fer ou de magnétite colorée provoquée par le flux de fuite. En magnétographie, on recueille la trace magnétique du flux de fuite sur un film, une bande ou une pâte d empreinte magnétisable ; les autres procédés sont regroupés sous le vocable détecteur à flux de fuite (magnetic leakage flux testing ) ; il s agit généralement d appareils de contrôle automatique de barres et de tubes d acier mettant en œuvre des détecteurs ponctuels de flux électromagnétiques. 5.2 Magnétisme : magnétisation et démagnétisation des pièces La magnétoscopie existe depuis longtemps, mais ce n est qu assez récemment que l on s est réellement préoccupé de définir et de maîtriser les conditions magnétiques les mieux adaptées à un contrôle sensible et fiable. La sensibilité de détection des défauts dépend en effet de la nature, de la direction et de l intensité de la magnétisation de la pièce, qui doit bien entendu être elle-même ferromagnétique, donc, en pratique, en acier quelle qu en soit la nuance, à l exclusion des aciers austénitiques inoxydables qui sont amagnétiques bien que contenant du nickel, et de certaines nuances au chrome-molybdène dont le ferromagnétisme est insuffisant pour obtenir une d.p.m. suffisante. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

14 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 10 Contrôle par magnétoscopie La première chose à noter est que le champ magnétique à considérer est celui qui s exerce à proximité et en surface de la pièce ; il devra être perpendiculaire à la direction présumée des fissures recherchées, sinon l effet d entrefer sera minimisé, et même annulé s il s agit de directions parallèles. Le contrôle de l orientation du flux magnétique et de son intensité s effectue par la mesure du champ magnétique tangentiel, à l aide d un appareil à sonde de Hall que l on déplace sur la surface de la pièce. Pour les pièces de forme complexe, on doit vérifier qu en tout point le champ magnétique atteint la fourchette de valeurs que l on s est fixée pour l essai. Un champ trop faible, hors de la zone du début de saturation sur la courbe d hystérésis du produit, ne pourra pas provoquer un effet de flux de fuite suffisant pour être mis en évidence ; à l inverse, un champ trop fort risque de provoquer de fausses indications et un trop grand bruit de fond. Pour le contrôle magnétoscopique, les valeurs de champ tangentiel recommandées par les nombreuses normes et spécifications sont en fait très étalées, variant de moins de 800 à A/m (10 à 150 oersteds) en fonction de la nature de la pièce et de la finesse des défauts recherchés [10]. À titre d exemple de choix, on peut indiquer qu un champ d au moins à A/m sera suffisant pour un contrôle de défauts notables sur des barres en acier au carbone, alors qu un champ d au moins A/m sera requis pour le contrôle de pièces de sécurité forgées pour l aéronautique. Les figures 11 et 12 illustrent les cycles d hystérésis et les courbes de perméabilité relative de quelques aciers [11] Mode d aimantation La nature et l orientation générale du champ magnétique vont dépendre de celles du courant électrique utilisé pour le produire soit par magnétisation directe à l aide d un électroaimant, soit par le passage du courant lui-même dans la pièce à contrôler (délivrant un champ circonférentiel). Un courant continu produira un champ magnétique continu favorable à la détection des défauts Figure 11 Courbes d induction d aciers de construction mécanique (d après M. Toitot [11]) sous-cutanés. En pratique, on cherche à utiliser des générateurs économiques, et cela conduit à l emploi de courants alternatifs redressés sur une ou deux alternances. L utilisation d un courant, donc d un champ magnétique alternatif, est fréquente ; dans ce cas, la présence d un effet de peau renforce le champ magnétique à la surface de la pièce et accroît, toutes choses égales par ailleurs, le pouvoir de détection des très fines fissures débouchantes. En magnétoscopie, on utilise la fréquence industrielle de 50 Hz, alors que certains procédés de flux de fuite utilisent des fréquences nettement plus élevées, de quelques milliers de hertz Démagnétisation Avant et surtout après un examen magnétoscopique, il peut être indispensable de démagnétiser soigneusement la pièce, c est-à-dire de faire disparaître au mieux le magnétisme rémanent qui peut affecter tout ou partie d un matériau ferromagnétique ayant été sollicité par des champs magnétiques ou même soumis à des facteurs magnétiquement actifs comme l écrouissage des aciers. Sans démagnétisation préalable, un contrôle par magnétoscopie peut être perturbé lorsqu il s agit de pièces ayant été soudées à l arc, manipulées par électroaimants ou posées sur un plateau magnétique lors de leur usinage. À l inverse, la magnétisation pour l examen magnétoscopique engendre la présence après coup d une aimantation résiduelle plus ou moins importante selon le type de magnétisation, la nuance de l acier, son état structural (revenu, trempé), la forme de la pièce qui, si elle est tourmentée, peut comporter des «pièges à magnétisme». Ce magnétisme rémanent peut constituer une gêne pour l utilisation ultérieure des pièces, qu il s agisse de mise en œuvre comme le soudage par bombardement électronique qui ne tolère pas plus de 1 à 8 fois la valeur du champ magnétique terrestre (soit moins de T), comme l usinage pour lequel le collage des copeaux sur la pièce apparaît à partir de 8 à T, ou encore l utilisation finale comme en aéronautique. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

15 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) La sensibilité de détection est liée en partie à la granulométrie des particules de fer ou d oxyde, qui doivent être de toute façon très homogènes. Pour une recherche de très fins défauts, on choisira des poudres de moins de 1 µm, alors qu on minimisera le bruit de fond lors du contrôle d une pièce brute en choisissant une poudre de 50 à 100 µm. Les liqueurs magnétiques évoluent dans le temps, s épuisent et se polluent lors de l utilisation, aussi est-il nécessaire de les contrôler régulièrement ; la concentration des particules est le paramètre le plus important à contrôler ; elle se situe selon les types de révélateurs entre 0,5 et 10 g/l et s évalue soit par décantation d un volume donné pendant un temps suffisant (plusieurs dizaines de minutes), soit, plus rapidement, par comparaison avec un révélateur de référence sur une «balance magnétique» [11] Conditions de magnétisation Figure 12 Courbes de perméabilité magnétique d aciers de construction mécanique (d après M. Toitot [11]) Partant des bases du magnétisme, on peut envisager deux façons de démagnétiser une pièce. La première consiste à porter le matériau à une température supérieure à son point de Curie, ce qui suppose un traitement thermique à près de 800 o C pour les aciers, ce qui n est pas toujours envisageable et de toute façon est coûteux. On préfère largement la seconde méthode, qui consiste à soumettre le matériau à un champ magnétique alternatif décroissant jusqu à zéro, de façon à lui faire décrire des cycles d hystérésis de plus en plus petits. Les conditions de magnétisation ont été évoquées au paragraphe 5.1. Outre la nécessité de mettre en œuvre un champ tangentiel suffisant et orienté de façon adéquate, on devra tenir compte du fait que la formation de la signature magnétique des défauts n est pas instantanée lorsqu on utilise de l encre magnétique ; on devra ainsi, tout en arrosant la pièce, maintenir la magnétisation pendant au moins 5 secondes et même plus si l on recherche en particulier des défauts sous-cutanés assez profonds. Il convient ici de mentionner l existence possible d un champ démagnétisant perturbateur lorsque l on effectue une magnétisation en circuit ouvert à l aide d une bobine encerclant, par exemple, un objet relativement court. Dans ce cas, il est nécessaire de fournir une force magnétomotrice très grande, car le champ démagnétisant se soustrait du champ principal, amenant un affaiblissement de la magnétisation qui peut être rédhibitoire dès lors que le rapport longueur/diamètre de l objet descend au-dessous de 20. Un facteur de forme de 10 conduit ainsi, par exemple, à une perméabilité relative apparente de 50 au lieu des 200 à 600 intrinsèque d une pièce en acier. On peut d ailleurs tourner cette difficulté pratique en raboutant la pièce par des barres plus longues de même nature. Le meilleur moyen de vérifier que les conditions de magnétisation sont convenables est d utiliser un mesureur de champ tangentiel à effet Hall ; en son absence, on peut toutefois utiliser des témoins de magnétisation comme celui prévu par la norme NF A (plaquette avec fente circulaire) ou la croix de Berthold, capteur avec fente en croix ; leur emploi porte cependant à critique. 5.3 Magnétoscopie Détection visuelle par révélateur La détection visuelle des champs de fuite magnétique au droit des défauts peut s effectuer en observant des accumulations de limaille de fer dues aux concentrations de flux sur la surface de la pièce à contrôler. En pratique, on utilise des révélateurs magnétiques spécialement adaptés, constitués d une poudre ferromagnétique de granulométrie bien définie, et associés souvent à des traceurs colorants et généralement fluorescents sous lumière noire. Les produits, qui doivent être répartis uniformément sur la surface de la pièce pendant la magnétisation, se présentent soit sous forme de poudre sèche, soit beaucoup plus fréquemment sous forme d une encre magnétique. Le support liquide le plus utilisé est le pétrole ; cependant, son emploi implique certains risques (incendie, allergie, odeur, stockage) et son rejet à l égoût est interdit ; c est pourquoi on utilise parfois des encres à l eau dont le pouvoir mouillant est accru par l ajout d agents tensio-actifs adéquats. On obtient ainsi couramment N/m contre N/m pour le pétrole ; certains types d encres à l eau comportent en outre des agents antimoussants et des inhibiteurs de corrosion Mise en œuvre de l examen par magnétoscopie L examen d une pièce se déroule pratiquement en un seul temps, correspondant simultanément à la magnétisation, à l apport du révélateur et à la lecture visuelle ; l opération doit être répétée éventuellement en modifiant l orientation du champ magnétisant, afin d être sûr de détecter tous les défauts quelle que soit leur orientation. L opération de contrôle doit être précédée d une préparation de la pièce destinée à la mettre dans les conditions optimales d examen : nettoyage, dégraissage, éventuellement démagnétisation préalable. Le contrôle sera lui-même suivi d opérations de marquage, de repérage, éventuellement d une démagnétisation effectuée dans les conditions décrites au paragraphe Appareils fixes Le contrôle magnétoscopique des pièces transportables, issues en général de forge ou d usinage en grande série, s effectue sur des métalloscopes, appareils polyvalents comportant 4 parties : une table formant cuve avec une pompe pour recueillir et faire circuler le révélateur liquide, un électroaimant avec ses pièces polaires supportant des dispositifs de fixation et présentant un écartement Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

16 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) réglable de plusieurs décimètres, un transformateur à haute intensité et un système de redressement une ou deux alternances reliés aux pièces polaires qui servent aussi d amenées de courant direct de magnétisation ; enfin une alimentation électrique générale est associée à des moyens de mesure d intensité électrique, de commande et du minutage du courant électrique. Ces appareils de contrôle sur banc servent à recevoir, selon le modèle, des pièce pesant de quelques grammes à plus de 100 kg et de longueur allant jusqu à un mètre, comme c est le cas pour des vilebrequins de camions par exemple. Ils dérivent des intensités de courant dans les pièces allant de à A. Des dispositifs de sécurité sont prévus pour éviter la formation de court-circuit ou d arc de rupture au niveau des pièces polaires. Ces appareils polyvalents permettent d utiliser conjointement et successivement la magnétisation axiale directe et la magnétisation annulaire par passage direct de courant, donc de mettre en évidence aussi bien les défauts longitudinaux que les défauts transversaux à l aide d encre magnétique colorée ou fluorescente ; pour ce dernier cas d observation, le plus utilisé d ailleurs, il est nécessaire que l appareillage soit disposé dans une cabine ou un local sombre et que les conditions d éclairage ultraviolet soient bien adaptées (voir à ce sujet le paragraphe 4). Le contrôle magnétoscopique en série sur métalloscope peut être très fiable mais reste limité quant à la productivité, puisque la lecture est visuelle et difficile à automatiser complètement lorsqu il s agit de pièces présentant une géométrie assez complexe. Des bancs de contrôle semi-automatique, c est-à-dire avec une mécanisation totale des opérations de manutention, de magnétisation et de présentation des pièces à l observation, sont utilisés pour le contrôle des gros ronds à tube, en sidérurgie par exemple Appareils portatifs Le contrôle magnétoscopique à l unité de grosses pièces, en général issues de forge, comme des viroles ou des fonds pour grosse chaudronnerie, concerne principalement les soudures et doit être fait sur site, atelier ou chantier. Les deux types de magnétisation peuvent être utilisés localement : la magnétisation directe sera réalisée à l aide de pôle mobile, électroaimant à circuit magnétique ouvert ou mieux à l aide d un magnétoscope à culasse articulée délivrant un champ continu ou alternatif réglable et stabilisé. On peut aussi réaliser une magnétisation par passage direct de courant à l aide d un système à touches composé d une alimentation électrique à haute intensité (de plusieurs milliers d ampères) associée à deux électrodes spécialement conçues pour assurer un bon contact électrique et éviter les arcs de rupture ; toutefois, malgré la présence de ces dispositifs de sécurité contre la cractérisation de surface d acier, certaines spécifications, dans l industrie nucléaire par exemple, interdisent le contrôle par pointes à touches, pour lequel, par ailleurs, il faut reconnaître que la maîtrise d une bonne homogénéité du champ magnétisant n a rien d évident, comme le montre la figure 13 qui illustre son hétérogénéité Bancs de contrôle automatique Des bancs de contrôle magnétoscopique entièrement automatiques ont été développés dans la sidérurgie et l industrie du tube pour le contrôle en ligne de gros tonnage de billettes d acier, de barres longues et de tubes. Le produit à contrôler défile à une vitesse inférieure à 1 m/s à travers une installation qui comprend successivement : un ou plusieurs systèmes de magnétisation par passage de courant et par bobinage encerclant ; un système d arrosage avec révélateur liquide ou poudreux (système japonais ITV, [13]) ; une cabine de lecture optique en lumière ultraviolette à l aide d un ensemble de caméras de télévision adaptées spécialement et reliées à un système informatique de traitement des signaux en temps réel ; enfin un système automatique de marquage et de repérage des défauts détectés au passage du produit. Ces bancs de contrôle, très productifs, restent complexes et coûteux à exploiter, c est pourquoi la tendance récente est de les remplacer par des machines de contrôle automatiques de principes différents : soit les systèmes à fuite thermique comme le procédé Elkem pour le contrôle des billettes, soit les systèmes à flux de fuite magnétique ou à courants de Foucault décrits ci-dessous au paragraphe Procédés à détection automatique de flux de fuite La grande sensibilité de la magnétoscopie traditionnelle est altérée par un certain manque de fiabilité de l inspection visuelle qui la caractérise et prend sa source dans la fatigue rapide de l œil et les moments toujours possibles de distraction de l opérateur. Pour les pièces de formes complexes, il n est guère possible d échapper à la procédure d examen visuel ; par contre, pour les pièces de forme simple, et en particulier toutes les pièces axisymétriques du type barres et tubes, il est possible de scruter la surface à l aide de capteurs électriques sensibles aux faibles champs magnétiques, les capteurs de flux de fuite Capteurs Pour détecter correctement les flux de fuite générés par les défauts, il faut des capteurs à la fois très sensibles et très petits et situés à une distance infime de la surface. L électronique actuelle fournit différentes solutions satisfaisantes à ce problème ; ainsi, selon les techniques et les constructeurs, on utilise des toutes petites bobines électriques à noyaux, des sondes à effet Hall, des magnétodiodes, des magnétorésistances. Ces capteurs sont généralement disposés par deux, côte à côte, dans une tête de sondage et connectés en montage différentiel sur des amplificateurs. On obtient ainsi des sondes de très grande sensibilité aux flux de fuite locaux (quelques centièmes du champ magnétique terrestre) dont on peut détecter la présence et en faire une évaluation quantitative reproductible, ce qui amène ainsi, avec ces méthodes, une possibilité de quantification de la dimension des défauts, possibilité quasi inexistante dans le cas de magnétoscopie classique. Figure 13 Répartition du champ magnétique dans la magnétisation par deux touches (d après M. Toitot [11]) R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

17 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Technologie Étant donné la très faible surface de sensibilité des sondes de flux de fuite (quelques mm 2 ), le contrôle intégral suppose un balayage de toute la surface du tube, de la barre, de la tige ou du rond à examiner. On devra d ailleurs multiplier le nombre de sondes et prévoir une grande vitesse de balayage pour obtenir une vitesse d examen industriellement satisfaisante. En pratique, on trouve deux types de technologie. Les machines à sondes tournantes sont constituées d un rotor et comportent un système embarqué de magnétisation par pôles magnétiques ; celui-ci est alimenté en courant alternatif de fréquence 50 Hz ou à Hz pour accentuer l effet de peau magnétique ; un système de deux ou quatre bras porte-sondes est étudié pour que les sondes frôlent la surface pendant le balayage (figure 14). Le banc de contrôle permet le passage des barres à vitesse régulière à travers ce type de machine, un centrage précis de celles-ci, un marquage des défauts et une démagnétisation [12]. On détecte ainsi des fissures et des lignes de quelques centaines de µm de profondeur sur des barres et des tubes bien calibrés, dans des diamètres allant de quelques millimètres à plus de 100 mm. Pour les produits moins bien calibrés ou de très gros diamètre, comme les ronds et les barres bruts de laminage à chaud, on préfère utiliser une solution technologique assurant de meilleures conditions de sondage et de protection des sondes ; il s agit d un banc de contrôle dans lequel le produit est contraint à avancer en tournant selon un mouvement hélicoïdal, des blocs de magnétisationsondage étant disposés régulièrement le long d une génératrice, de façon à assurer un balayage complet du produit tout en réduisant la vitesse relative des sondes. Le procédé le plus connu fonctionnant selon ce principe est le procédé SAM utilisé dans la sidérurgie japonaise [14]. 5.5 Champ d application. Avantages et limites Bien conduit, l examen magnétoscopique se révèle d une sensibilité sans égale pour la détection des défauts de surface les plus ténus sur les pièces en acier et autres alliages ferromagnétiques. Le procédé, grâce à ses nombreux moyens de mise en œuvre et de réglage, s adapte bien au contrôle de nombreux types de pièces manufacturées. La recherche par magnétoscopie des défauts sous-cutanés est possible mais nettement plus délicate, ce qui fait qu on aura tendance à préférer ici le contrôle par ultrasons, bien qu il soit possible de mettre en évidence par magnétoscopie des hétérogénéités non visibles par tout autre procédé ; c est le cas par exemple de la recherche d amas d inclusionnaires dans des tôles minces, ce contrôle ne pouvant malheureusement être effectué que sur des échantillons de faibles dimensions [15]. Une des faiblesses de la magnétoscopie est en effet sa relativement faible productivité liée à la durée des manutentions et de l examen visuel des surfaces ; nous avons vu qu une automatisation partielle ou totale était réalisable mais, en définitive, ce sont les procédés à mesure de flux de fuite qui ont permis d envisager un contrôle à grand débit des produits sidérurgiques longs de types barres, tubes ou fils. Ces procédés sont très performants, puisqu ils permettent de détecter des criques et lignes de profondeur supérieure à 0,3 mm sur des barres brutes et de l ordre de 0,1 mm ou parfois moins sur des produits tréfilés ou calibrés. C est ainsi que ces appareils à flux de fuite figurent au catalogue des principaux constructeurs d appareillages à courant de Foucault avec lesquels ils se partagent le marché du contrôle des produits longs. Figure 14 Schéma de principe des appareils à sondes tournantes 6. Courants de Foucault 6.1 Principe et bases physiques Principe de la détection par courants de Foucault Lorsque l on place un corps conducteur dans un champ magnétique variable dans le temps ou dans l espace, des courants induits se développent en circuit fermé à l intérieur de celui-ci, ce sont les courants de Foucault (physicien français ). Ainsi, une bobine parcourue par un courant variable, alternatif par exemple, génère de tels courants induits qui, créant eux-mêmes un flux magnétique qui s oppose au flux générateur, modifient par là-même l impédance de cette bobine. C est l analyse de cette variation d impédance qui fournira les indications exploitables pour un contrôle ; en effet, le trajet, la répartition et l intensité des courants de Foucault dépendent des caractéristiques physiques et géométriques du corps considéré, ainsi bien entendu que des conditions d excitation (paramètres électriques et géométriques du bobinage). On conçoit dès lors qu un défaut, constituant une discontinuité électrique venant perturber la circulation des courants de Foucault, puisse engendrer une variation d impédance décelable au niveau de la bobine d excitation (ou de tout autre bobinage situé dans le champ). Ce principe simple est surtout utilisé pour détecter des défauts superficiels, dans la mesure où les courants de Foucault ont tendance à se rassembler à la surface des corps conducteurs (effet de peau) (figure 15) Répartition des courants de Foucault Loi fondamentale La répartition des champs magnétiques et des courants induits dans un matériau conducteur, et éventuellement magnétique, est régie par les lois fondamentales de l électromagnétisme dont la formulation la plus générale est donnée par les équations de Maxwell : avec H et B E et D rot H = J div B = 0 rot E B = t D t vecteurs champ et induction magnétiques, vecteurs champ et induction électriques, J vecteur densité de courant, Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

18 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) sachant par ailleurs que l on a les relations : B D = µ ( H ) H = ε E avec µ (H ) perméabilité absolue du matériau pour le champ H, ε J = σ E ( loi d Ohm) permittivité du matériau, σ conductivité du matériau. On peut résoudre ce système d équations dans deux cas simples qui s approchent assez bien des deux principales configurations du contrôle industriel par courants de Foucault : le cas d une bobine encerclant une barre pleine (ou un tube) ; le cas d une bobine disposée à plat près de la surface d un corps massif L effet de peau Si, pour les deux configurations précédentes, on suppose que les paramètres électromagnétiques sont constants et que le corps conducteur est isotrope et homogène, de longueur ou de profondeur infinies, que le courant d excitation est sinusoïdal de pulsation ω, on peut alors calculer l induction et la densité de courants induits. Dans le cas de la barre pleine, de rayon R, les champs sont longitudinaux, les courants sont circulaires et ont une amplitude et une phase sur le rayon r données par la relation : J nik M 1 kr M 0 ( kr ) 3π = + ( ) θ 1 0 ( kr ) (1) avec J densité de courant (intensité par unité de surface traversée par le courant), n nombre de spires, I = I 0 sin ωt courant d excitation, M 0, θ 0, M 1, θ 1 fonctions de Bessel de première et seconde espèce et d ordre 0 et 1, k = ωµσ. On définit souvent le nombre de référence [16] égal à : Figure 15 Principe de la détection par courants de Foucault kr = r ωµσ = r 2πfµσ et la fréquence caractéristique (ou fréquence limite ) [17] de la barre f c telle que : 1 f c = πr 2 σµ (R en m, σ en Ω 1 m 1, µ en H m 1, f c en Hz) Avec les mêmes unités, on peut écrire, d étant le diamètre de la barre et µ r sa perméabilité relative : f c = σµ r d 2 (2) À partir de la formule (1), on peut tracer la variation de l amplitude J de densité de courant en fonction du rayon r dans la barre. La courbe I de la figure 16 montre que J est maximale à la surface et diminue avec la profondeur selon une loi approximativement f exponentielle dès que le rapport devient grand. On quantifie f c cet «effet de peau» par une profondeur de pénétration δ, profondeur sous la surface pour laquelle J δ = J s /e, J s étant la densité de courant en surface et e = 2,718 la base des logarithmes népériens. Il en résulte que environ 63 % des courants induits passent entre la surface et cette profondeur δ, créant une zone de forte sensibilité. On peut obtenir, pour toutes les configurations, une valeur approchée de δ en utilisant la relation (4) établie ci-dessous pour la configuration plane et à condition que f /f c soit grand (supérieur à Figure 16 Répartition des courants de Foucault dans un cylindre Il faut toutefois remarquer que la profondeur δ n a en fait pas de réelle signification physique puisqu il ne s agit en aucun cas d une frontière entre zones avec et sans présence de courants de Foucault, comme certains l imaginent à tort. Dans le cas d un solide conducteur massif à surface plane surmontée d une nappe de courant (supposée infinie pour le calcul), la résolution analytique des équations de base conduit à la valeur de la densité de courant J z à la profondeur z sous la surface, telle que : J z = J S exp z ωσµ 2 cos ωt z 1 π ---- ωσµ (3) R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

19 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) On peut constater que la densité des courants induits J z décroît exponentiellement (courbe I, figure 17) depuis la surface et l effet de peau résultant est caractérisé par une profondeur de pénétration δ telle que : 1 1 δ = = (4) 1 πµσf ---- µσω 2 soit de façon pratique, f étant la fréquence d excitation en hertz et µ r la perméabilité relative : 500 δ = fσµ r δ étant exprimé en m, σ conductivité en Ω 1 m 1 L abaque de la figure 18 permet de connaître, en fonction de la fréquence, cette profondeur de pénétration pour les matériaux qui font le plus couramment l objet de contrôle par courants de Foucault ; on voit que le ferromagnétisme des aciers augmente fortement l effet de peau, toutes choses égales par ailleurs ; dans ce cas, si besoin est, on peut accroître la profondeur de pénétration en diminuant la perméabilité µ à l aide d un champ magnétique continu de saturation. On voit aussi que, pour obtenir des profondeurs de pénétration de l ordre du mm, il convient d utiliser, selon le matériau, des fréquences de 10 à 10 5 Hz, ce qui correspond somme toute à une gamme de fréquence bien adaptée à la technologie électronique courante Effets des courants induits sur une bobine. Diagramme de fonctionnement Les sondes de contrôle par courants de Foucault sont toujours des bobines de formes variées, uniques ou multiples, éventuellement couplées, caractérisées électriquement par une résistance R et une réactance X = L ω se combinant en une impédance Z ; le point de fonctionnement de la bobine peut être ainsi illustré par l extrémité du vecteur Z dans le plan complexe R, X (figure 19). Il est utile, pour définir les conditions d un contrôle, de connaître l influence des différents paramètres en jeu sur cette impédance Z. Les modèles analytiques ou numériques mentionnés au paragraphe permettent de tracer les diagrammes théoriques qu il sera utile de compléter par des résultats d expérience, en particulier pour connaître l influence de la présence des défauts recherchés et ainsi choisir la phase qui permet la meilleure sensibilité de détection (figure 19) ( 6.2.1). L influence de la conductivité σ et de la fréquence f se matérialise dans le plan complexe par des courbes ayant l allure d arcs de cercles centrés sur l axe OX. Une perméabilité magnétique relative croissante engendre un réseau homothétique de courbes, comme l illustre la figure 20 pour laquelle on a pris la représentation usuelle du diagramme normalisé en L 0 ω (L 0 ω étant l inductance de la bobine dans l air) Déphasage des courants induits Le déphasage des courants induits apparaît clairement dans les relations (1) et (3). On constate une variation quasi linéaire en fonction de la profondeur, comme le montrent les courbes II de la figure 16 et de la figure 17. Cette variation peut être mise à profit, dans le contrôle des tubes par exemple ; dans ce cas, en effet, on peut choisir une fréquence d excitation telle que les courants induits près des surfaces externe et interne du tube soient déphasés de π /2, ce qui permet de discriminer les défauts correspondants Cas général Les relations précédentes ne peuvent être utilisées que comme repères dans le calcul des conditions électromagnétiques d un cas réel de contrôle ; en effet, dans la pratique, on n a jamais affaire à des bobinages infinis et à des objets totalement homogènes et isotropes, ni à des configurations géométriques bobine-objet parfaitement symétriques. L expérience peut toutefois être désormais guidée par des modélisations numériques de la répartition des champs et des courants en présence ou en absence de défauts et dans des configurations compliquées. Les énormes progrès réalisés dans le domaine des calculs numériques et les nombreuses études menées dans ce domaine depuis les années 1975 nous permettent, désormais, de disposer de modèles aux éléments finis à 2 et 3 dimensions et aux équations intégrales de frontière [18] [19]. Figure 17 Répartition des courants de Foucault sous une surface plane Figure 18 Profondeur de pénétration conventionnelle des courants de Foucault Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

20 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) 6.2 Mise en œuvre du sondage par courants de Foucault Principaux paramètres Les principaux paramètres à prendre en compte pour un contrôle résultent des considérations précédentes et peuvent se répartir en pratique en trois catégories. Paramètres liés au matériau à sonder : outre ceux liés à sa forme géométrique (diamètre), ce sont sa conductivité électrique σ et sa perméabilité magnétique µ dont il importera de prendre en compte le niveau de stabilité le long de la pièce ou d une pièce à l autre, toute variation locale entraînant un déplacement du point de fonctionnement moyen de la sonde, comme cela apparaît sur la figure 19. Paramètres liés au montage, qui gouvernent le couplage entre la ou les bobines et le matériau : il s agit soit du coefficient de remplissage pour les bobines encerclantes, rapport entre la section de la barre et celle de la bobine ; soit du lift-off, terme désignant universellement la distance entre une sonde plate et la surface de la pièce au-dessus de laquelle elle évolue. La constance de ces paramètres est aussi à rechercher pour éviter des effets perturbateurs trop importants sur le point moyen de fonctionnement. Figure 19 Représentation des variations d impédance d une bobine Figure 20 Diagrammes théoriques de l impédance normalisée d une bobine de diamètre D encerclant une barre métallique ferromagnétique ou non de diamètre d R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

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