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

21 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Paramètres électriques : c est essentiellement la fréquence d excitation de la bobine, paramètre dont on est maître et qui sera choisi en fonction des considérations précédentes, à savoir l obtention d un effet de peau adéquat eu égard en particulier à la profondeur des défauts, et d un point de fonctionnement sur le diagramme complexe permettant une bonne discrimination des différents paramètres perturbateurs de l impédance Z (figure 19). L intensité de magnétisation alternative, liée à l intensité électrique envoyée dans la bobine, n est pas un facteur déterminant du contrôle, dans la mesure où elle est choisie suffisamment faible pour éviter une saturation magnétique qui introduirait des non-linéarités rendant inextricable l exploitation des signaux, et suffisamment forte pour que le rapport signal sur bruit soit convenable au niveau des amplifications et autres traitements électroniques Montage des sondes Il existe un grand nombre de façons de mettre en œuvre des bobinages pour réaliser un contrôle par courants de Foucault. Nous indiquons ici les montages de base à partir desquels d autres montages peuvent être envisagés selon la nature du produit à contrôler Bobine émettrice-réceptrice Le montage le plus simple est celui du capteur à double fonction constitué d une seule bobine émettrice-réceptrice qui crée le flux alternatif grâce au courant qui la parcourt et subit des variations d impédance que l on peut détecter en mesurant très finement sa tension complexe. Le capteur à fonctions séparées, à l inverse, est constitué de 2 bobines, une pour créer le flux, l autre pour recueillir les variations de couplage liées aux modifications dues au matériau. Ces bobinages sont moulés dans un même boîtier pour éviter toute modification fortuite de leur mutuelle induction. Ce montage est très utilisé pour les contrôles à basses fréquences (f < Hz) Bobines différentielles Dans de nombreux cas de contrôle, il est très difficile de neutraliser les effets perturbateurs qui brouillent les signaux de défauts, tels que les variations locales de lift-off ou de perméabilité magnétique par exemple. Une solution élégante pour contourner cette difficulté inhérente à l emploi d une bobine unique est d utiliser un capteur constitué de deux bobines identiques placées côte à côte et montées en différentiel électrique, de telle façon que les variations locales de propriétés électromagnétiques aient tendance à affecter les deux sondes et ne créent pas de déséquilibre, alors qu un défaut unitaire affectera une bobine à la fois et pourra être détecté grâce au double signal de déséquilibre ainsi engendré (figure 21) Disposition des bobines On rencontre en pratique essentiellement trois types de capteurs à courants de Foucault : les capteurs encerclants destinés au contrôle au défilé des produits longs de forme simple et de diamètre modeste tels que les fils, barres, tubes et petits profilés métallurgiques ; les bobines sont immobilisées et protégées dans une pièce moulée dont l alésage doit être de diamètre très peu supérieur à celui du produit, afin d obtenir un coefficient de remplissage (figure 20) le plus voisin possible de l unité ; cette condition est nécessaire pour avoir une bonne sensibilité de détection sans avoir à utiliser un taux d amplification trop fort apportant une dégradation du rapport signal/bruit ; les capteurs internes pour le contrôle des tubes par l intérieur, pour lesquels les bobines sont aussi moulées côte à côte de façon concentrique à l axe du produit ; ce type de capteur est principalement utilisé pour le contrôle des multiples tubes de petit diamètre qui constituent les échangeurs thermiques ou les générateurs de vapeur dans l industrie nucléaire ; les capteurs-sondes adaptés aux explorations ponctuelles en contrôle manuel ou au balayage de grandes surfaces en contrôle automatique ; ces sondes comportent un ou plusieurs bobinages moulés généralement sur un noyau de ferrite d axe perpendiculaire à la surface, très perméable aux faibles champs alternatifs et dont le rôle est de permettre d éloigner les enroulements de la surface à contrôler, tout en gardant une bonne sensibilité ponctuelle de détection des défauts les plus fins Chaîne de mesure L appareillage, relié au capteur-sonde par un cordon multifilaire, se présente sous la forme d un coffret portable généralement du type oscilloscope, sauf dans le cas des installations de contrôle industriel en ligne de fabrication, où les capteurs sont alors reliés à une baie de mesure regroupant plusieurs racks. Est ainsi constituée une chaîne de mesure comportant les modules électroniques suivants (figure 22). Un générateur de courant sinusoïdal de quelques dizaines de milliampères : il alimente les bobines avec une fréquence soit fixe, soit plus généralement réglable dans une plage assez large afin de donner à l appareil un champ d utilisation universel. Selon les modèles et les constructeurs, ou trouve ainsi des gammes très larges allant de 100 khz à 1 MHz, voire 10 MHz ou encore des gammes plus restreintes comme pour les appareils orientés vers le tri des aciers : 30 Hz à 300 khz par exemple. Un système d équilibrage électrique des signaux de sonde au repos, constituant un pont de mesure différentielle comportant des éléments réglables. Dans le matériel récent, les ponts comportant des réglages manuels par résistances et capacités ont fait place à des systèmes d équilibrage automatique basés sur l injection, dans des amplificateurs différentiels, de tensions en phase et en quadrature avec le signal d alimentation des sondes. Un module d amplification, de filtrage et d analyse des signaux de déséquilibre provoqués par la réaction de la sonde à la présence des défauts recherchés ou à d autres éléments perturbateurs. Les grandes sensibilités de détection recherchées en contrôle par courants de Foucault conduisent à utiliser des taux élevés d amplification, réglables couramment dans une plage de 20 à 70 db. Nous avons vu plus haut l importance qu il y a de pouvoir disposer de l intégrité du signal complexe de déséquilibre, c est-à-dire, à la fois son amplitude et sa phase ou encore ses deux composantes active et réactive. Cela est réalisé par le système d analyse qui est généralement constitué de deux détecteurs synchrones ou de deux échantillonneurs-bloqueurs calés sur des phases en quadrature. Si la phase de référence est celle du courant d alimentation du pont de sondes, on obtiendra les composantes active et réactive du signal qui pourront servir à le matérialiser dans le plan complexe sur l écran d un oscilloscope ; la phase de référence est toutefois accessible et réglable de 0 à 360 o sur beaucoup d appareils, ce qui permet de la choisir de sorte que, par rotation des axes du plan complexe, un signal perturbateur connu (comme celui dû aux variations de liftoff par exemple) n ait pas de composante sur l axe utilisé pour la discrimination des défauts par seuil d amplitude. À l étage sont associés des filtres passe-haut et passe-bas, réglables dans une gamme allant généralement du continu à quelques khz et permettant d épurer les signaux vis-à-vis des perturbations d origine mécanique ou électromagnétique dues à l environnement. Un module de visualisation, constitué d un oscilloscope autour duquel est généralement bâti l appareil. Les versions récentes sont équipées d oscilloscopes numériques à mémoire permettant de visualiser à la fois le signal courant de Foucault et les réglages adoptés pour le contrôle. Un module de discrimination des défauts, constitué d un détecteur de dépassement de seuil sur l un des axes du plan complexe de référence, couplé à une alarme sonore et lumineuse ainsi qu éventuellement à des moyens d enregistrement ou de retransmission vers un système informatique centralisé. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

22 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Dans les appareils les plus récents, l ensemble des fonctions précédentes est géré par un micro-ordinateur incorporé à l appareil et l on dispose en outre de logiciels de réglage et de communication des données. L alimentation électrique peut être autonome grâce à des batteries, permettant ainsi un contrôle sur chantier pendant plusieurs heures. Figure 21 Détection d un défaut avec une sonde encerclante différentielle Techniques à multifréquences et à courants pulsés La phase et l amplitude d un signal produit par un quelconque paramètre agissant sur l équilibre d un pont de bobines varient avec la fréquence d excitation, et cette variation dépend elle-même du type de paramètre considéré. Ainsi, par exemple, certains paramètres donnent une réponse en amplitude forte à basse fréquence, d autres à haute fréquence. On conçoit ainsi que l utilisation simultanée de plusieurs fréquences d excitation des sondes doit permettre une discrimination des divers paramètres d action ; tel est le principe de la technique multifréquence qui permet effectivement, dans les cas de contrôle difficile, d atténuer fortement l effet des facteurs perturbateurs, ou encore dans d autres, d effectuer simultanément la détection de plusieurs types de défauts bien différenciés [20]. La mise en œuvre de la technique multifréquence s effectue par combinaison vectorielle des signaux existant sur chaque voie. Ce traitement peut s effectuer par résolution algébrique du système des équations linéaires reliant, pour chacune des fréquences, les composantes réelle et quadratique du signal aux variations des paramètres agissants, lorsque l on peut considérer que les signaux analysés varient linéairement. Dans le cas contraire, et plus fréquent, de signaux variant de façon complexe (signaux dits en huit ), on traite les signaux par transformation de coordonnées, rotation de phase et pondération d amplitude selon une combinaison analogique guidée par les résultats de l analyse que l on aura effectuée au préalable quant à l influence de chaque paramètre [16] [21]. Figure 22 Schéma de principe d un appareil monofréquence de contrôle par courants de Foucault R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

23 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) On conçoit aisément que la technique multifréquence soit complexe à mettre en œuvre et difficile à utiliser efficacement ; la mise au point de l électronique peut s avérer délicate lorsqu on souhaite utiliser plus de deux fréquences. Tout cela fait que son emploi est réservé à des applications peu nombreuses et particulières, le meilleur exemple étant le contrôle des tubes de générateurs de vapeur dans les centrales nucléaires [22] [23]. L utilisation de courants pulsés conduit à une technique particulière en courants de Foucault, qui consiste à exciter la bobine sonde par des impulsions plutôt que par une tension sinusoïdale entretenue. L onde électromagnétique ainsi engendrée se propage dans le matériau et est recueillie par une sonde réceptrice distincte et protégée du rayonnement direct de la bobine émettrice ; le caractère «pseudo-échographique» des signaux les rend sensibles à la nature interne du matériau, ce qui explique que cette technique est utilisée pour la mesure d épaisseur de revêtement et pour la détection de défauts sous-cutanés, lorsqu il n est pas possible d utiliser un contrôle ultrasonore [21] [24]. 6.3 Applications. Performances et limitations Contrôle des tubes, barres et fils La technique de détection des défauts par courants de Foucault à l aide de bobines encerclantes se trouve très bien adaptée au contrôle industriel à grande cadence de tous les produits longs métalliques ; aussi est-elle très utilisée dans les industries métallurgiques des ferreux et des non-ferreux, où l on détecte ainsi des défauts superficiels de nature variée sur des fils, des barres et des tubes de petits diamètres (inférieurs à quelques centimètres). Une telle technique peut mettre en évidence, sur ces produits, non seulement des défauts de santé superficiels tels que criques, piqûres, petites pailles, mais aussi des défauts de géométrie, tels que des variations brusques de diamètre ou d épaisseur de paroi, des hétérogénéités de structure telles que des zones à gros grains, etc. Le contrôle en ligne de fabrication est possible et est couramment utilisé en sidérurgie, par exemple, directement en sortie de laminoirs à chaud, le fil machine passant à plus de 100 km/h et à plus de 600 o C dans une bobine protégée en conséquence. La technique de la projection de phase permet en général de bien éliminer, dans ces contrôles, l influence néfaste que produisent les vibrations du fil sur le signal utile. Le procédé à sonde encerclante devient toutefois insuffisamment sensible lorsque l on veut contrôler des produits longs de gros diamètre ou lorsque l on recherche de très petits défauts sur des produits bien calibrés et présentant un bon état de surface tels que les étirés et les tréfilés. On préfère dans ce cas utiliser les procédés dits à sondes tournantes, basés sur l auscultation de la surface selon des pistes hélicoïdales ; 2 ou 4 sondes pick-up tournent à grande vitesse autour du produit lui-même en défilement lent à l intérieur du rotor de la machine. Les sondes sont constituées de petites bobines qui effleurent la surface du produit et présentent ainsi une grande sensibilité aux fins défauts longitudinaux tels que les longues criques appelées lignes dont la profondeur peut être inférieure à 100 µ m. La bonne tenue des sondes tournantes implique un bon guidage et un bon centrage du produit dans le rotor de la machine qui constitue généralement le cœur d un banc de contrôle «barre par barre» ; celui-ci comporte en outre un bobinage de saturation magnétique et un bobinage de démagnétisation lorsqu il s agit de contrôles des produits en acier ferromagnétique, ainsi qu un système de marquage des défauts ou d aiguillage pour éliminer les barres ou tubes défectueux. Le contrôle des tubes en service est une application importante du contrôle par courants de Foucault, étant donné l importance que revêt la maintenance des chaudières, des échangeurs et surtout des générateurs de vapeur des centrales nucléaires. On sonde ici les tubes par l intérieur en utilisant un «furet» poussé et tiré par un câble et constitué par une ou des bobines longitudinales et concentriques au tube. L utilisation séparée ou conjointe (système multifréquence, voir 6.2.4) de fréquences bien choisies permet d identifier les différents types de défauts recherchés, fissures en paroi externe ou interne du tube, cavité de corrosion, etc., tout en éliminant les signaux parasites dus à l environnement du tube (entretoise, renforts) Contrôle des surfaces planes Le contrôle des surfaces planes, en ce qui concerne la recherche de petites criques, fissures ou hétérogénéités locales, peut être réalisé à l aide d un sonde pick up que l on glisse avec ou sans contact, qui comporte une bobine plate souvent associée à un noyau ferromagnétique destiné à concentrer et bien définir la zone sensible de la sonde. De très fins défauts peuvent être ainsi détectés sur tout produit conducteur ; toutefois, le caractère ponctuel de la zone sensible oriente plus volontiers l usage du procédé vers le contrôle de petites surfaces correspondant aux zones critiques dans la dégradation d une pièce mécanique plutôt que vers l examen systématique de grandes surfaces comme les tôles. C est ainsi que les courants de Foucault sont couramment utilisés pour la recherche de fissures de fatigue au cours des opérations de maintenance du matériel aéronautique. Le contrôle peut être manuel mais, dans certains cas de contrôle en série, on pourra aisément automatiser le procédé en utilisant un bras manipulateur pour déplacer la sonde et un système de traitement de l information conduisant à une cartographie et à un archivage des résultats du contrôle Tri et applications diverses La possibilité d utiliser la technique des courants de Foucault pour réaliser une opération de tri de nuances de matériaux conducteurs résulte des propriétés décrites précédemment. Les multiples alliages ferreux et non ferreux se différencient en effet par des variations de leurs propriétés électriques, de résistivité et de perméabilité magnétique. Les appareils utilisés pour le tri automatique en atelier des barres ou des tubes comportent deux bobines montées en mode différentiel et encerclant l une la barre inconnue et l autre une barre de référence. Le choix d une fréquence d excitation (quelques dizaines de hertz pour l acier) et d un traitement de phase adéquats permet d effectuer un tri fiable selon la nuance, et éventuellement d identifier la nuance non conforme en se référant à l allure (en huit) du signal courants de Foucault visualisé sur l oscilloscope de contrôle. En mettant en œuvre l influence de ces mêmes paramètres électromagnétiques par un signal courants de Foucault, il est possible sinon de mesurer précisément, du moins d avoir une estimation correcte de leur valeur. Ainsi, un appareillage dont la phase du signal est adaptée à une mesure de perméabilité magnétique pourra être utilisé en vue d estimer la dureté d un acier, ces 2 paramètres étant liés dans certaines conditions. Ce type d appareil peut servir, bien entendu, à vérifier l état trempé d une pièce d acier et donc servir de procédé de contrôle d atelier de traitement thermique. On trouve aussi quelques applications des courants de Foucault dans le domaine des mesures dimensionnelles, l intérêt étant de disposer ainsi d une méthode de mesure sans contact avec la pièce, ce qui n est pas le cas en métrologie traditionnelle ou avec les procédés ultrasonores. On mesure ainsi des diamètres de tubes et l on peut mettre en évidence des amincissements de parois. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

24 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Notons enfin que les procédés de détection par courants de Foucault sont utilisés en dehors de l industrie dans des domaines très variés, dont le plus connu est sans doute celui de la détection d objets métalliques dans un environnement isolant. Qu il s agisse des détecteurs de mines ou des appareils de sécurité dans les aéroports ou autres lieux publics, on base la détection sur l emploi de bobines de grandes dimensions susceptibles de créer un champ suffisamment volumineux pour être perturbé à bonne distance par la présence d un objet métallique dans lequel vont se développer les courants de Foucault. La mise au point et le réglage de ces appareils présentent les mêmes subtilités et utilisent les mêmes fondements théoriques que dans le cas des appareils dédiés à l industrie Performances et limitations Les possibilités offertes par la sensibilité de détection et l automatisation aisée du contrôle par courants de Foucault sont très appréciées sur le plan industriel. L absence de contact entre la sonde et la pièce à contrôler, la possibilité de défilement à grande vitesse et la facilité d intégration du procédé dans les chaînes de production donnent à cette technique de contrôle un avantage certain par rapport aux autres procédés. Les courants de Foucault constituent par ailleurs un moyen de contrôle exceptionnellement fidèle et ce malgré la complexité des phénomènes électromagnétiques mis en œuvre et la multitude des paramètres d action. Ce caractère d excellente reproductibilité est très important pour les contrôles en maintenance, ainsi que pour la qualité des procédures d étalonnage du matériel. Il est possible, avec les courants de Foucault, de détecter d infimes hétérogénéités de surface ; toutefois cette grande sensibilité concerne bien entendu tous les paramètres perturbateurs, ce qui fait que, pour certaines applications, on pourra avoir du mal, malgré des réglages optimalisés de la fréquence et de la phase, à obtenir un rapport signal/bruit satisfaisant et donc un contrôle fiable, sans fausses alarmes. Nous avons vu que des remèdes à cette situation pouvaient être utilisés : techniques multifréquences, saturation magnétique des aciers pour minimiser l effet perturbateur des variations locales de la perméabilité magnétique, traitement du signal par filtrage ou par des procédures plus complexes apparentées au traitement d image. En ce sens, le contrôle par courants de Foucault bénéficie pleinement des progrès constants de l électronique et de l informatique. 7. Radiographie et techniques connexes L examen de la structure ou de la santé interne d un objet par radiographie consiste à le faire traverser par un rayonnement électromagnétique de très courte longueur d onde (rayons X ou γ ) et à recueillir les modulations d intensité du faisceau sous forme d une image sur un récepteur approprié, un film dans la plupart des cas, comme l illustre la figure 23. Selon le même principe, on peut obtenir des images en utilisant d autres particules que les photons et ainsi mettre en œuvre des techniques comme la neutronographie qui seront aussi évoquées dans ce paragraphe. 7.1 Bases physiques du contrôle radiographique Nature des rayonnements ionisants Rayonnements de même nature mais d origine différente, les rayons X et γ sont des ondes électromagnétiques de très courtes longueurs d ondes (comprises entre environ 0,1 pm et pm). On caractérise couramment ces rayonnements par l énergie unitaire E des photons associés, exprimée en électronvolts (ev). Si l on exprime E en MeV et la longueur d onde λ en pm, on tire de la relation du photon : E = hν où h est la constante de Planck, ν la fréquence de l onde, 1,24 la relation pratique : E = λ Les énergies requises en contrôle non destructif se situent dans une gamme allant de 50 kev à 20 MeV Propagation, interaction avec la matière Les rayons X ou γ se propagent en ligne droite et à la vitesse de la lumière dans le vide. Leur très courte longueur d onde fait que l on peut leur appliquer les lois de l optique géométrique ; certes la diffraction existe, mais à une échelle proche de celle des mailles atomiques, d où son exploitation fondamentale en cristallographie et non en contrôle non destructif. L interaction entre les rayons X ou γ et la matière implique les phénomènes suivants : a) un effet photoélectrique, correspondant à un transfert complet d énergie entre le photon incident et un électron, conduisant à son absorption totale et éventuellement à une réémission de fluorescence X ; cet effet est d autant plus grand que l énergie des photons est basse ; b) l effet Compton, correspondant à un transfert partiel d énergie du photon vers un électron ; les photons sont déviés, alors que les électrons activés provoquent une émission secondaire ; cette diffusion compton devient prépondérante, vers 1 MeV, vis-à-vis de l effet photoélectrique et constitue le phénomène prédominant en radiographie industrielle ; c) la formation de paires électron-position par annihilation des photons, avec émission de rayonnement secondaire hétérogène ; ce phénomène a fondamentalement un seuil énergétique à 1,02 MeV et n intéresse donc que les hautes énergies. Ces trois phénomènes d interaction expliquent d une part l absorption des rayons X et γ par la matière, mais aussi un phénomène de diffusion dû aux réémissions d ondes de plus basses énergies que l onde incidente. Ce dernier phénomène est très gênant en radiographie, alors que l on met en œuvre le premier pour détecter et visualiser les défauts. D une façon générale, un rayonnement monochromatique d intensité I 0 traversant un matériau homogène d épaisseur x (cm) subit un affaiblissement jusqu à l intensité I telle que : I = I 0 exp ( µx ) µ (cm 1 ) étant un coefficient d absorption linéaire qui dépend de la longueur d onde de la radiation incidente, et du matériau absorbant. La figure 24 illustre cette dépendance à l énergie du rayonnement incident, dans le cas du fer. La valeur de µ croît fortement avec le numéro atomique du corps élémentaire traversé, donc d une certaine façon avec sa densité. On définit d ailleurs un coefficient d absorption massique µ m en rapportant µ à la masse volumique du matériau, sachant qu il se calcule comme la moyenne pondérée des coefficients µ m des éléments constituant celui-ci. Pour les éléments métalliques usuels tels que Al, Cu, Fe, Pb, Zn, on constate que les valeurs de µ m se regroupent vers 0,10 à 0,20 cm 2 /g lorsque l énergie du rayonnement se situe vers 400 à 500 kev. On utilise souvent, dans la pratique, la notion d épaisseur de demi-absorption (ou de demi-transmission) ; c est l épaisseur traversée pour laquelle l intensité d un rayonnement donné est réduite de moitié ; sa relation avec le coefficient linéaire µ pour un rayonnement monochromatique découle de sa définition : 0,693 e 0,5 = µ R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

25 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 23 Impression, sur le film radiographique, de l image du défaut Figure 24 Variation du coefficient d absorption des rayonnements ionisants en fonction de leur énergie, dans le fer Le tableau 2 illustre l ordre de grandeur de ce paramètre pour les énergies et les matériaux sous contrôle ou de protection les plus utilisés. En pratique, dans le cas d un faisceau large, la loi générale d absorption et les relations précédentes ne peuvent plus s appliquer rigoureusement à cause de la présence d une proportion importante de rayonnement diffusé. 7.2 Production et détection des rayons X et Génération des rayons X Principe. Spectre On obtient des rayons X en bombardant un matériau cible à l aide d un faisceau d électrons pourvus d une certaine énergie cinétique. L interaction électrons-cible produit un rayonnement de freinage correspondant à un spectre continu borné. On définit ainsi une longueur d onde limite λ L reliée à la tension d accélération des électrons V 0 par la relation : λ L = 1, V 0 avec λ L en nm, V 0 en kv. La longueur d onde d intensité maximale λ m dans le spectre est d environ 1,5 fois λ L. Le spectre est borné vers les hautes énergies dans la mesure où les rayons X émis ne peuvent avoir une énergie supérieure à celle des électrons excitateurs, elle-même liée à la tension d accélération du faisceau (figure 25). Le spectre comporte aussi des raies de fluorescence généralement absorbées par la fenêtre du générateur. L intensité totale du flux de rayons X dépend par ailleurs de celle du faisceau d électrons, sachant toutefois que le rendement de conversion est très faible (de l ordre du pourcent), la presque totalité de l énergie électrique amenée étant transformée en chaleur et devant être évacuée en conséquence. La nature et la conception des générateurs de rayons X sont liées à ces considérations d énergie et d intensité. Les principaux types sont évoqués ci-dessous. Figure 25 Spectre émis par un générateur de rayons X, en fonction de la tension d accélération V Tubes à rayons X Imaginé par Crookes et perfectionné par Coolidge à la fin du siècle dernier, le tube à rayons X est aujourd hui un tube, en verre ou en céramique sous vide poussé, comportant une cathode émettrice d électrons par effet thermo-ionique et une anti-cathode encastrée dans une anode refroidie et inclinée, portée à un potentiel élevé. Le champ électrique ainsi créé permet l accélération des électrons arrachés à la cathode qui viennent frapper la cible et provoquer l émission du rayonnement ; on récupère généralement celui-ci à travers une fenêtre latérale (figure 26). À partir de ce principe commun, il existe plusieurs familles de tubes à rayons X ; elles diffèrent par la géométrie du faisceau, la technologie de réalisation et la nature de l alimentation électrique, et regroupent des tubes délivrant des énergies maximales allant couramment de 100 à 420 kv. (0) Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

26 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Tableau 2 Épaisseur de demi-absorption (en mm) de quelques matériaux d essais et de protection Matériau Aluminium Fer Cuivre Plomb Béton Polyéthylène Eau Numéro atomique Z Masse volumique ρ (g/cm 3 ) 2,7 7,86 8,9 11,34 2,25 0,93 1 Énergie du rayonnement 20 kev 0,8 0,037 0,025 0, ,60 60 kev 9,5 0,78 0,53 0, ,5 100 kev 15,1 2,5 1,8 0, kev 21,7 6,4 5,3 0, kev 30,3 10,6 9,3 4, MeV 42 14,7 12, ,4 2 MeV 60 20, Figure 26 Tube à rayons X : schéma de principe Les tubes sont conçus pour fournir des faisceaux de configuration particulière, directionnels (figure 27), faisceaux en cône selon un axe précis, panoramiques c est-à-dire selon un cône de 360 o autour du tube ; cette disposition est bien adaptée au contrôle des soudures de tubes par exemple. Pour les alésages de petits diamètres, on peut utiliser des tubes à anode longue dans lesquels la cible se trouve à l extrémité d un tube de petit diamètre. Une option assez récente de tube à rayons X est celle des tubes à micro-foyer pour lesquels la surface d émission X est réduite à quelques centaines de µm 2, contre quelques mm 2 pour les tubes classiques. L utilisation de tels tubes permet de minimiser notablement le flou géométrique défini à la figure 28. Sur le plan constructif, les tubes X modernes résultent de compromis entre de nombreux paramètres tels que poids, prix, robustesse, fiabilité, maniabilité, performance de l alimentation électrique et du refroidissement, stabilité et simplicité des réglages électriques et géométriques. Pour les tubes utilisés en radiographie sur chantier, on utilise généralement des appareils monoblocs, robustes, regroupant dans une même cuve le tube et son alimentation électrique. En atelier, il peut être plus pratique d utiliser un appareil à poste fixe avec alimentation séparée. Le module d alimentation électrique doit délivrer, d une part, la haute tension pour l anode du tube et, d autre part, le courant pour le chauffage du filament de cathode. Ces deux paramètres sont reliés respectivement aux caractéristiques d énergie et d intensité du faisceau X et doivent donc être à la fois réglables, mesurables et stables. Les hautes performances de l électronique moderne minimisent désormais les difficultés que pouvaient engendrer ces exigences dans la conception des alimentations des tubes des générations précédentes. Le pilotage de l appareillage Figure 27 Types de tubes à rayons X se fait à distance grâce à un boîtier de commande relié par câble ; en atelier, la prise de cliché peut être automatisée par couplage avec un ordinateur Accélérateurs de particules Pour contrôler les produits métalliques de très forte épaisseur, il faut disposer d un faisceau de forte énergie, qu il n est pas possible d obtenir avec un tube classique à rayons X. Ainsi, au-delà de 1 MeV, on fait appel à d autres moyens d accélération des électrons que la simple différence de potentiel entre une anode et une cathode. Deux types d accélérateurs sont utilisés en radiographie : l accélérateur linéaire et le bétatron [25] [26]. L accélérateur linéaire met en œuvre un guide d onde haute fréquence. À partir d un foyer de l ordre du millimètre, on obtient ainsi des rayonnements pulsés dans une gamme courante de 4 à 15 MeV. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

27 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Radioéléments Certains isotopes d éléments sont radioactifs, c est-à-dire qu ils subissent spontanément une modification de leur structure nucléaire s accompagnant d émissions simples ou combinées de particules α (deuton), β (électrons) et γ (rayonnement du photon). Ces radioéléments peuvent être naturels comme le radium 226 Ra ou l uranium 235 U ; pour les utilisations pratiques comme la radiographie, on préfère faire appel à des radioéléments artificiels, mieux adaptés et moins coûteux que les précédents. Ces radio-isotopes sont obtenus par irradiation neutronique dans des réacteurs spécialisés et produisent un spectre de raies d émission γ caractérisée par ses niveaux d énergie : le cobalt 60 Co donne ainsi 2 émissions proches à 1,17 et 1,33 MeV. L émission décroît de façon exponentielle dans le temps. On définit la période du radioélément, c est-à-dire sa durée de demi-vie, comme le temps nécessaire à la désintégration de la moitié des noyaux atomiques actifs. Un troisième facteur est l activité de la source radioactive, correspondant au nombre d atomes se transformant par unité de temps. L activité s exprime en becquerels (Bq), nombre de désintégrations par seconde, et plus couramment en pratique (et de façon non légale) en curies (Ci) sachant que : 1 Ci = 37 GBq Figure 28 Calcul du flou géométrique Le bétatron est un accélérateur circulaire à champ magnétique. Les électrons décrivent des centaines de milliers de tours avant d être éjectés vers une cible constituant un foyer X de très petite dimension (moins de 0,1 mm 2 ). Les énergies obtenues sont très fortes, allant au-delà de 30 MeV. Les débits sont aussi élevés. Bien qu on s efforce d optimiser la technologie de ces accélérateurs et qu ils s avèrent indispensables pour le contrôle des très fortes épaisseurs, ils constituent des sources X relativement coûteuses, lourdes et encombrantes, que l on réserve à des utilisations spécifiques pour lesquelles des précautions particulières de radioprotection doivent être envisagées compte tenu des niveaux d énergie très élevés utilisés. Il s agit, pour l essentiel, d applications en chaudronnerie lourde, en génie civil et pour le contrôle des propulseurs solides dans l industrie aérospatiale Production des rayons Sources pour gammagraphie Les caractéristiques des radioéléments les plus couramment utilisés comme source de rayonnement γ en radiographie industrielle sont données au tableau 3. Outre les niveaux d énergie et la période, on indique : l activité massique maximale, activité ramenée à la masse du corps donc définissant les dimensions de la source qui est en pratique de quelques millimètres. La constante spécifique caractérise l intensité du rayonnement liée à l activité et exprimée en fait sous forme de la dose reçue en 1 heure à 1 mètre pour 1 curie d activité. L unité légale pour ce facteur d équivalent de dose est le sievert (Sv) qui vaut 10 2 rem (ancienne unité), l ancienne unité d exposition, encore très usitée, est le rœntgen (R). Les sources à base de cobalt et d iridium sont de loin les plus utilisées, en particulier pour le contrôle des structures métalliques en atelier ou en chantier. Les sources de césium sont intéressantes par la durée de vie mais ont une faible activité spécifique. Les sources au thulium, de plus faible énergie que les précédentes, servent au contrôle des métaux légers. Toutes ces sources de quelques mm 3 sont scellées dans des capsules de protection en aluminium et stockées dans des châteaux de plomb ou d uranium appauvri, munis d un bouchon obturateur avec un dispositif de verrouillage et de signalisation. Ce récipient protecteur constitue le cœur de l appareillage de radiographie gamma. On y adjoint souvent un système de télécommande par câble, permettant de sortir la source du conteneur pour faire la prise de vue dans les conditions réglementaires de sécurité. Le classement et les caractéristiques de ces appareils font d ailleurs l objet de la norme française NF M Leur utilisation, leur transport, leur stockage doit faire l objet de la plus grande vigilance étant donné les dangers que peut faire courir un radio-isotope à un public non averti ( 7.5). (0) Tableau 3 Radioéléments utilisés en gammagraphie Élément Isotope Période Énergie Débit de dose Domaine Activité Constante usuel à 1 m d utilisation massique spécifique (épaisseur d acier (MeV) (msv/h) (GBq/g) [µsv/(m GBq)] en mm) Cobalt 60 Co 5,3 ans 1,17 à 1, à Iridium 192 Ir 74 jours 0,137 à 0, à Césium 137 Cs 30 ans 0, à Thulium 170 Tm 129 jours 0,052 à 0, ,5 à 5 aluminium ,7 Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

28 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Moyennant ces précautions, les sources radioactives constituent une alternative intéressante à la radiographie X, permettant en particulier de réaliser des clichés panoramiques et des contrôles de pièces peu accessibles ou de formes très compliquées, moyennant toutefois bien souvent des temps de pose assez longs dus à des débits de dose beaucoup plus faibles que ceux délivrés par les générateurs de rayons X Détection du rayonnement Lors d un contrôle, il s agit in fine de présenter une image pour mettre en évidence la présence éventuelle de défauts. Le film radiographique est de très loin le récepteur le plus utilisé, mais d autres systèmes d imagerie existent et se développent Réception d image sur films et papiers Procédant des mêmes principes qu en photographie, les films et papiers radiographiques sont constitués d un support sur lequel sont déposées une ou deux couches d émulsion sensible à base de microcristaux d halogénure d argent. L image latente fournie lors de l exposition aux rayonnements doit être révélée et fixée tout comme en photographie. Ce traitement chimique doit être conduit selon une procédure rigoureuse, qu il soit manuel ou réalisé avec les machines automatiques commercialisées pour cet usage. L image obtenue se caractérise en tout point par une opacité, rapport des intensités lumineuses incidente et émergente, prise en compte en pratique par son logarithme qui est la densité optique. Cette dernière est liée aux conditions de prise de vues, eu égard aux caractéristiques photométriques du film sensible représentées par sa courbe sensitométrique (figure 29) reliant la densité optique à l exposition (ou à son logarithme), ce terme représentant le produit de la dose reçue par le temps d exposition. On définit ainsi, du même coup, une sensibilité pour le film et un contraste pour le cliché, ce dernier étant représenté par la pente de la courbe sensitométrique. Tous ces paramètres sont normalisés (normes françaises AFNOR NF A , A , A ) et correspondent à un classement des films. Le contraste moyen correspond ainsi, par exemple, à la plage de densité 1,5 à 3 sur la courbe caractéristique. Comme en photographie, il y a antagonisme entre rapidité du film et définition de l image, car l obtention d une plus forte sensibilité ne s obtient qu au prix de l utilisation d une émulsion plus épaisse et à plus gros cristaux d halogénure d argent Écrans renforçateurs En fait, les photons X et γ ont une énergie trop forte pour produire un effet photochimique notable que l émulsion sensible du film ; il en résulte une sensibilité intrinsèquement très faible que l on a vite cherché à améliorer en utilisant des convertisseurs de rayonnement, plus connus sous l appellation d écrans renforçateurs. Ils sont de plusieurs types. Les écrans salins mettent en œuvre des substances fluorescentes émettant dans le visible, comme le sulfure de zinc et les lanthanides, et ils se classent comme les films en différentes rapidités, correspondant à des facteurs de renforcement de sensibilités situés dans la gamme 10 à 100 et valables pour des énergies X délivrées sous des tensions inférieures à 150 kv. Leur emploi est limité par la dégradation de la définition de l image qu ils entraînent. Les écrans métalliques sont constitués de minces feuilles de plomb de quelques dixièmes de millimètre, que l on place au contact du film radiographique, tant à l avant qu à l arrière afin de renforcer à la fois la sensibilité et le contraste en créant des électrons photochimiquement efficaces tout en atténuant le rayonnement diffusé. Leur facteur de renforcement est modeste, inférieur à 10, mais leur domaine d emploi peut concerner les fortes énergies, dont les rayons γ. Figure 29 Quelques courbes caractéristiques de films Kodak Industrex (doc. Kodak) Les écrans fluorométalliques cherchent à constituer un compromis, en fait moyennement satisfaisant, entre les qualités de renforcement des écrans salins et la bonne conservation de la définition des images obtenues avec les écrans de plomb Tubes intensificateurs de brillance Ils permettent de délivrer une image optique exploitable en temps réel en amplifiant la luminosité d un écran convertisseur. Il s agit d un tube électronique généralement constitué d un grand nombre de fibres optiques utilisées en multiplicateurs d électrons Détecteurs solides Les détecteurs solides se présentent sous forme d une barrette de 512 ou photodiodes à transfert de charge. La sensibilité aux rayons X est obtenue en disposant un cristal scintillateur devant les diodes. Utilisables jusqu à environ 250 kev avec un bon rendement, ces capteurs atteignent actuellement une résolution de 0,2 mm tout en présentant une grande dynamique de mesure, une bonne robustesse et un coût inférieur aux systèmes précédents [27] Détecteurs de mesure Les détecteurs de mesure mettent en œuvre l ionisation du milieu traversé accompagnant la perte d énergie du rayonnement X ou γ. Les charges électriques libérées sont mesurées soit par le courant qu elles produisent, soit par les impulsions enregistrées par la cellule de détection. Le premier cas correspond aux appareils du type électroscopes et chambres d ionisation qui permet de mesurer des débits de dose. Ils sont constitués d une enceinte et d électrodes formant un condensateur à gaz porté à quelques centaines de volts. La seconde catégorie comprend d une part des appareils du type chambres à ionisation utilisées en plus à fort potentiel entraînant un effet d avalanche d ions ; il s agit des compteurs Geiger-Müller et des compteurs proportionnels, ces derniers étant réservés aux très faibles énergies ; d autre part, des détecteurs solides se présentant soit sous forme de diode semiconductrice, comme les détecteurs silicium-lithium et germanium-lithium, soit sous forme de compteurs à scintillation associant un cristal fluorescent à un photomultiplicateur classique. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

29 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) 7.3 Mise en œuvre Mise en œuvre de la radiographie X et Sur la base du principe énoncé au paragraphe 7.1, il s agit de choisir le matériel, la procédure et les conditions de mise en œuvre de façon à obtenir une bonne fiabilité du contrôle, c est-à-dire en fait une image nette et contrastée mettant bien en évidence les défauts recherchés. Cela suppose de prendre en compte un certain nombre de conditions résultant des données de base développées précédemment. Le rayonnement, et donc la source, et son réglage dans le cas du tube X, doit être choisi juste assez dur pour traverser la pièce sans dégrader le contraste lié au rayonnement diffusé. On choisira en pratique un niveau d énergie tel que l épaisseur e 0,5 de demiabsorption soit environ le quart de l épaisseur de la pièce contrôlée. L intensité de ce rayonnement, c est-à-dire l activité de la source γ ou l intensité du courant du tube X, sera choisie la plus grande possible pour réduire les durées d exposition tout en limitant le flou géométrique. La prise de vue doit être définie en terme de conditions géométriques, position et orientation relative de la source, de l objet et du film conduisant à un compromis satisfaisant entre flou géométrique, grandissement des défauts, rayonnement diffusé, éloignement donc débit de dose et durée d exposition de film. L emploi d un certain nombre d accessoires permet d améliorer les résultats : diaphragme et caches en plomb, filtres disposés devant ou derrière l objet, derrière le film, grille antidiffusante, sans oublier les écrans renforçateurs ( ). Le choix du film résulte aussi de compromis entre rapidité et résolution, eu égard au type de défaut recherché et aux conditions de prise de vue. La détermination du temps de pose se fait en pratique à l aide d abaques prenant en compte les paramètres de la source et les conditions de prise de vue tels qu ils sont décrits ci-dessus [28]. L exploitation des clichés se fait, après développement, fixage et lavage, par un examen du film par transparence sur des boîtes à lumières normalisées, les négatoscopes (NF A ), conçus pour que la luminence émergeant du cliché soit de l ordre de 100 cd /m 2, ce qui exige des appareils particuliers pour l examen des clichés à haute densité optique (supérieure à 3,5). La fiabilité de l examen est liée à l acuité visuelle de l observateur, elle-même fonction de sa vue mais aussi des conditions optiques présentes. La norme NF A permet de tester la vue par la courbe de perceptibilité, alors que la sûreté du diagnostic des lecteurs peut être appréciée par le tracé de la courbe dite courbe ROC [29]. Le contrôle de la qualité des radiographies est indispensable pour pouvoir tirer des conclusions sur la qualité de la pièce elle-même, car il permet de savoir si le cliché a été pris dans de bonnes conditions, compatibles avec la sensibilité recherchée pour l examen. Différents moyens peuvent être utilisés : outre la référence à un cliché pris sur une pièce identique avec défauts naturels ou artificiels connus, on utilise très couramment la technique des IQI : indicateurs de qualité d image. Il s agit d une petite pièce que l on applique sur le métal côté source, composée de gradins percés de petits trous de diamètres égaux aux épaisseurs réparties en progression géométrique, concernant l IQI normalisé en France selon la norme NF EN 462 (figure 30) ; l IQI selon la norme allemande DIN est constitué de fils de diamètres croissants [30]. Ces indicateurs fournissent une information globale qualitative sur les résultats obtenus. La technique de l indicateur de contraste permet d obtenir un résultat quantifié. Notons enfin la nécessité impérative d effectuer une identification et un repérage des radiogrammes à l aide de chiffres ou lettres en alliage de plomb disposés sur la pièce en examen. Figure 30 Exemple d indicateur de qualité d image (IQI) normalisé : AFNOR NF La numérisation des radiographies permet d accéder à du traitement d image par ordinateur en vue d accroître les performances de l examen au regard des résultats obtenus par contrôle visuel des radiogrammes. On met en œuvre des densitomètres ou microdensitomètres automatiques, qui mesurent point par point la densité du cliché et transmettent ces données à l informatique de traitement. Les algorithmes de traitement d image sont désormais efficaces et nombreux ; on peut donc obtenir par cette technique des résultats intéressants, au prix toutefois d un investissement important et d une certaine lenteur dans la lecture des clichés Mise en œuvre de la radioscopie X et La radioscopie consiste à examiner directement, en temps réel, l image radiographique captée par un écran fluorescent ou tout autre détecteur, conduisant à une image optique directement observable par l opérateur. Technique classique universellement utilisée dans le domaine médical, la radioscopie n avait pas, jusqu à récemment, connu un grand développement dans le monde industriel, alors que son emploi peut paraître extrêmement judicieux pour l examen de pièces en grande série, des structures en mouvement, et aussi pour se donner la possibilité d examiner des défauts présumés sous différents angles. La raison en était, d une part, les faibles performances en rendement et en définition d image des anciens écrans fluorescents, d autre part le coût, la fragilité et la faible définition des récepteurs décrits au paragraphe tels que le tube intensificateur de brillance couplé à une caméra de télévision. Les choses sont en train d évoluer avec le perfectionnement des matériels audiovisuels, mais surtout avec l apparition des capteurs à détecteurs solides en barrettes décrits au paragraphe On peut en effet obtenir un système performant en couplant ces détecteurs avec un système informatique ultra-rapide, capable d exploiter en temps réel des algorithmes de traitement d image susceptibles d améliorer notablement la qualité du contrôle (contraste en particulier) (figure 31) [31] Tomographie industrielle Par principe, une simple radiographie ne peut pas donner d information sur la morphologie complète d un défaut et sur sa localisation en profondeur dans la pièce examinée. On peut remédier à cette carence en prenant plusieurs clichés sous des angles de tir différents, ou encore en effectuant une stéréoradiographie obtenue en déplaçant la source d environ 60 mm entre deux clichés qui seront ensuite examinés ensemble. Ces procédures, manuelles, sont lourdes et délicates à mettre en œuvre, aussi a-t-on cherché à accéder au contrôle en volume de façon automatique. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

30 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 31 Exemples de chaînes radioscopiques Ainsi est née la tomographie X appelée aussi tomodensitométrie, puisqu il s agit en fait d une technique qui permet d évaluer la densité d un corps en chacun de ses points sur une coupe donnée. En effet, l atténuation d un mince faisceau X est la somme des atténuations de chacun des volumes élémentaires traversés ; ainsi, dans une section de matière, on pourra obtenir un système d équations linéaires égales en nombre à celui des différentes directions de tir et dont les inconnues sont les coefficients d atténuation des volumes élémentaires considérés dans le maillage. Pour obtenir une coupe tomographique détaillée, on conçoit qu il soit nécessaire de multiplier les tirs, donc de manipuler un très grand nombre d équations ; seule l informatique moderne pouvait donner la puissance de calcul nécessaire, d autant que le traitement tomographique complet doit mettre en œuvre toute une procédure algorithmique, ayant pour but de minimiser un certain nombre d effets d artefacts qu introduit en fait la méthode elle-même. La tomographie a connu un grand essor dans le domaine médical ; un scanner médical se compose d un ensemble annulaire sourcemultidétecteurs tournant autour du patient allongé, couplé à un ensemble informatique débouchant sur un écran vidéo (figure 32) de présentation de l image en coupe de la section du corps examiné. La tomographie industrielle se développe beaucoup plus lentement pour des raisons principalement économiques, dues au fait que l investissement très important est difficile à amortir en dehors du contrôle de grandes séries de pièces ou de composants bien particuliers, d autant que le prix de chaque examen est lui-même élevé (grande durée et coût de calcul). Et tomographie industrielle, on préfère faire tourner la pièce examinée plutôt que l ensemble tomographique lui-même ; les sources X utilisées doivent être très bien stabilisées, le faisceau très fortement collimaté ; un compromis est fait entre la résolution et la durée d examen qui peut excéder plusieurs dizaines de minutes. Un tomographe industriel récent permet de mettre en évidence des écarts de masse volumique du millième avec une résolution spatiale inférieure à 0,3 mm pour des objets pesant jusqu à 150 kg. On contrôle ainsi des propergols, des éléments combustibles nucléaires, des réservoirs en composites, des ailettes de réacteurs d avion, mais encore peu de pièces en acier (figure 33) [32]. 7.4 Champ d application de la radiographie. Techniques spéciales Champ d application Le champ d application de la radiographie industrielle est très vaste ; c est en effet souvent la technique retenue lorsqu il s agit de mettre clairement en évidence et de dimensionner des hétérogénéités nocives à l intérieur des objets de toutes natures, aussi bien au stade de la fabrication qu à celui des contrôles de maintenance. Traditionnellement, les domaines de prédilection du contrôle radiographique sont ceux de la fonderie et du soudage métallique avec la mise en évidence de porosités, soufflures, inclusions non métalliques, criques, manques de pénétration. Les nouvelles techniques de contrôle en temps réel sont en train d élargir ce champ d application hors des industries métallurgiques. Dans la pratique, le choix entre radiographie X ou gammagraphie résulte de multiples considérations liées aux avantages et inconvénients de chacune de ces techniques, comme par exemple : taille et coût modeste des sources γ, forte pénétration de ces rayonnements mais durée d exposition beaucoup plus longue qu en radiographie X qui elle, par contre, nécessite la présence d une source électrique mais offre l avantage de pouvoir choisir plus aisément les paramètres de contrôle. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

31 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 32 Schéma d un tomographe industriel (doc. LETI) Figure 33 Exemple de caractérisation d un défaut par tomographie à rayons X (doc. CEA) Les avantages majeurs des techniques radiographiques X et γ sont : de fournir une image constituant directement un document archivable du contrôle montrant l absence présumée ou la présence d un défaut dont on peut éventuellement apprécier la nature et la taille ; de garantir, dans une certaine mesure, la fiabilité de l examen et le respect des procédures grâce à l utilisation des témoins IQI [33]. Les inconvénients principaux de ces techniques sont : la nécessité de mettre en œuvre des dispositifs et procédures de protection du personnel ; le risque de ne pas détecter les fissures se présentant selon l axe du faisceau ; la faible productivité alliée à un coût élevé lorsqu il s agit de faire de multiples examens systématiques avec films Neutronographie Le principe du contrôle neutronographique est semblable à celui de la radiographie ; il s agit d effectuer un cliché par transparence, l absorption du rayonnement suit une loi identique, la détection se fait sur film. Toutefois la différence essentielle entre l emploi des neutrons et celui des photons X et γ tient à la nature des interactions avec la matière : action sur le noyau pour les neutrons, sur les électrons pour les photons ; il en résulte que pour les neutrons, le coefficient d absorption massique n évolue pas de façon monotone et croissante avec le numéro atomique de l élément rencontré comme pour les rayons X, mais présente des sauts brusques comme le montre la figure 34 qui met en particulier en évidence la forte section de capture des éléments légers comme l hydrogène et le bore, alors que les métaux usuels sont relativement transparents aux neutrons. On en déduit aussitôt que, de façon complémentaire à la radiographie, l examen par neutrons sera bien adapté au contrôle de produits ou d assemblages de natures très dissemblables. Ce potentiel d applications est toutefois obéré par les difficultés de mise en œuvre liées à la nature même du rayonnement neutronique, en particulier en ce qui concerne les générateurs. Ceux-ci sont de trois types : les réacteurs nucléaires constituent pratiquement la seule source utilisée en neutrographie industrielle lorsqu il s agit d obtenir un cliché de bonne qualité ; l importance du flux de neutrons thermiques délivré permet en effet de le collimater fortement, de minimiser ainsi le flou géométrique et de prendre des dispositions pour éliminer le rayonnement X coexistant ; le CEA en France met à la disposition des chercheurs et des industriels des bancs de neutronographie construits autour de réacteurs spécialement adaptés à cet usage [34] ; les sources radio-isotopiques fournissent des flux de neutrons beaucoup plus faibles soit par réaction nucléaire directe comme la fission du californium 252 Cf de période 2,6 années, soit par émission indirecte résultant du bombardement du béryllium par des particules α ou γ provenant de la désintégration de radio-isotopes tels que 210 Po, 236 Pu, 241 Am ou 124 Sb. Le coût du californium et la faiblesse générale des flux donnés par ces sources en limitent fortement l emploi malgré la souplesse d utilisation qu elles procurent par leur maniabilité ; les accélérateurs d ions deutérium ou tritium sont utilisés pour bombarder des cibles de tritium qui émettent un flux notable de neutrons de haute énergie. Après filtrage, on obtient un flux de neutrons thermiques de l ordre de 10 9 n cm 1 s 1, supérieur d un facteur 10 à 100 à celui délivré par les sources radio-isotopiques mais inférieur d un facteur 100 à par rapport aux réacteurs nucléaires. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

32 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 34 Coefficient d atténuation massique des neutrons, comparé aux rayons X La mise en œuvre du contrôle neutronographique s appuie sur l emploi d un flux bien collimaté de neutrons thermiques d énergie comprise entre 0,01 et 0,3 ev, fournis par les générateurs mentionnés ci-dessus, sachant que les neutrons plus énergétiques tels que les neutrons épithermiques ou intermédiaires (0,3 à 100 kev) et les neutrons rapides (> 100 kev) ne présentent pas des variations d énergie de capture suffisante pour pouvoir faire de l imagerie. La formation de l image s appuie sur l utilisation d écrans convertisseurs produisant des photons ou des électrons. C est ainsi qu en méthode directe, on utilise une mince couche de bore ou de gadolinium devant le film photographique, qui risque cependant d être lui-même voilé par les résidus de rayonnement X ou γ provenant de la source. Cela peut conduire à utiliser un film en nitrate de cellulose dont la lecture est toutefois délicate. On peut aussi utiliser la méthode de transfert ou méthode indirecte, qui consiste à former une image radioactive sur une mince couche d un élément de forte section efficace conduisant à un radio-isotope de faible période comme l indium, le dysprosium ou l or ; après quoi, l écran devenu émetteur est placé au contact du film hors du champ de neutrons et y décalque l image recherchée. 7.5 Radioprotection Principes et bases du contrôle Une irradiation, même à dose mortelle, n est pas immédiatement perçue par la victime puisqu aucun de nos sens n est sensible aux rayonnements ionisants. Il en résulte une sous-estimation du danger alors que l on sait que ceux-ci sont susceptibles d avoir de multiples effets nocifs sur l organisme humain : des radiolésions entraînant des dysfonctionnements des tissus et organes dont les plus critiques sont la peau, l œil, les gonades ; des effets somatiques, des effets génétiques, tous graves, provoqués par des irradiations correspondant à des quantités d énergie étonnamment faibles. On admet que la dose létale à 50 % se situe vers 4 Sv (sieverts) alors qu aucune lésion apparente n est constatée pour des irradiations au-dessous de 250 msv, sachant d autre part que le milieu naturel et les installations et engins nucléaires induisent des équivalents de dose annuelle de l ordre de quelques msv selon les circonstances. L équivalent de dose maximale tolérée par un agent agrée est de 500 msv annuel pour la peau et de 50 msv pour le corps entier. Les irradiations accidentelles concernent en fait moins de 1/ du personnel spécialiste. Mais, les dangers encourus ont élevé la radioprotection au niveau d une discipline importante et amené les pouvoirs publics des différentes nations à élaborer des réglementations nationales et internationales très complètes Réglementation Les règlements portent sur tous les aspects intervenant dans la mise en œuvre des sources de rayonnement en distinguant en particulier : la nature du rayonnement, la nature et la conception des émetteurs, les débits et les formes des faisceaux ionisants, le matériel de détection et de mesure, la nature des installations fixes ou mobiles, le transport, le stockage des sources et la sécurité des personnes. En France, de nombreux décrets et arrêtés ministériels, complétés par des normes, constituent le cadre juridique et portent sur les points suivants : protection du public, des travailleurs, des installations ; détention, utilisation, stockage, transport et restitution des matières dangereuses ; formation du personnel ; choix, entretien et vérification du matériel de détection ; balisage des zones de travail ; marquage et signalisation des appareils, équipements et locaux ; les plus importants sont cités dans la documentation en fin d article. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

33 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Protection des personnes La mise en œuvre des moyens nécessaires est aisée lorsque les risques sont exclusivement ceux d une irradiation externe par des rayonnements X et γ. Les dispositions suivantes sont toujours bénéfiques tout en restant simples : diminuer le plus possible l énergie des photons, la durée d irradiation et l angle d ouverture du faisceau ; accroître le plus possible la distance entre la source et les points à protéger. Il faut par ailleurs se rappeler que le risque lié à l emploi d une source radio-isotopique vient du caractère permanent de l irradiation ; c est pour cela que la réglementation exige de procéder à une vérification permettant de s assurer que la source se trouve bien dans sa position de stockage après chaque irradiation, ce qui ne serait pas le cas si le porte-source s était accidentellement détaché de son câble d éjection. La zone d utilisation des rayonnements doit être délimitée et signalée ; les meilleures conditions de sécurité seront obtenues en travaillant dans une enceinte spécialisée, local répondant aux normes NF C et pour les rayons X et NF M pour les rayons γ, définissant l aération, la signalisation, le verrouillage des portes, le contrôle du matériel. Dans les autres cas, en particulier sur chantier où il serait impossible d assurer l absence de personnel dans l environnement, outre le balisage, toutes les protections, emploi d écrans, limiteurs de faisceau, dosimétrie collective et individuelle sont à prévoir. La détention de générateurs de rayons X, qui doivent être conformes à la norme NF C , ou de générateurs de rayons γ, qui doivent être conformes à la norme NF M , doit faire l objet d une déclaration en vue d obtenir une autorisation délivrée par le Service central de protection contre les rayonnements ionisants (SCPRI) dans le premier cas et par la Commission interministérielle des radio-éléments artificiels (CIREA) dans le second cas. L organisation de la protection du public et des travailleurs, basée sur les décrets mentionnés plus haut, met en œuvre des actions d information, de formation, de surveillance et de définition des responsabilités. On distingue trois catégories de personnes : personnel directement affecté à des travaux sous rayonnement (DATR), personnel non DATR pouvant être occasionnellement exposé aux rayons du fait de son activité professionnelle, enfin les autres catégories (le public). Le personnel DATR doit avoir une compétence sanctionnée par l obtention du Certificat d Aptitude à Manipuler les Appareils de Radiographie Industrielle (CAMARI) ou son équivalence de la COFREND (Confédération Française pour les Essais Non Destructifs). Il doit être muni de dosimètres individuels : obligatoirement un film dosimétrique adapté au rayonnement et placé au niveau de la poitrine et éventuellement des poignets, film qui sera développé une fois par mois ; un stylo dosimètre à lecture optique peut aussi être utilisé pour surveiller l équivalent de dose hebdomadaire reçu, complémentairement, et en vue de mettre instantanément en évidence tout séjour fortuit dans une zone à rayonnement excessif. Il est souhaitable d utiliser un détecteur à seuil et alarme sonore du type Geiger-Müller ou compteur à scintillation ( ). Le personnel DATR doit en outre faire l objet dune surveillance médicale, visite préalable à l affectation et renouvelée tous les 6 mois. Les équivalents de dose maximale admissible (HMA) sont définis en fonction de la catégorie de personnel, de la partie du corps exposée et du caractère exceptionnel d une intervention éventuelle. Ainsi pour le corps entier, il ne faut pas dépasser 5 msv/an pour le public, 15 msv/an pour le personnel non DATR et 50 msv/an pour le personnel DATR. Ces doses limites peuvent être multipliées par 10 pour les irradiations localisées à la peau, aux membres (dont les mains). Toutefois, ces valeurs doivent en tout état de cause respecter la règle générale qui implique que l équivalent de dose cumulée H, reçue par le corps entier, réponde à la relation suivante dans laquelle n est l âge de la personne : H (msv) = 50 (n 18) relation qui exclut du même coup l affectation en DATR d une personne de moins de 18 ans révolus. La radioprotection doit être le souci permanent des responsables et de tout le personnel appelé à quelque titre que ce soit à être soumis à une irradiation. Une action rigoureuse et méthodique en ce domaine doit permettre d éviter les accidents. 8. Ultrasons 8.1 Bases physiques du contrôle ultrasonore Nature des ultrasons Fréquences Les ultrasons sont des vibrations mécaniques prenant naissance et se propageant dans tout support matériel (solide, liquide ou gaz) présentant une certaine élasticité. En continuation de la gamme sonore, les ultrasons correspondent à des fréquences oscillatoires supérieures à la limite d audibilité humaine et s étendant dans une large gamme allant de 15 kilohertz (nettoyage) à plus de 100 MHz (microscopie acoustique, application électronique). La gamme 1 à 10 MHz couvre la grande majorité des applications des ultrasons en contrôle non destructif industriel. Cela n est pas un hasard car ces fréquences correspondent, pour les matériaux courants, à des longueurs d onde ultrasonore de l ordre du millimètre, valeur réalisant un bon compromis entre directivité, absorption, détectibilité des petits défauts, facilité de réalisation d appareillages électroniques et de transducteurs fiables et économiques Différents types d ondes (figure 35) Les ondes ultrasonores, vibrations élastiques de la matière, ont des propriétés liées aux caractéristiques élastiques du support matériel. Ainsi, dans les liquides et les gaz, qui sont des milieux n offrant aucune résistance au cisaillement, les ondes ultrasonores sont essentiellement des vibrations longitudinales, les particules matérielles se déplaçant, par rapport à leur position d équilibre, parallèlement à la direction de propagation de l onde, engendrant des fronts de compression-décompression, eux-mêmes perpendiculaires à cette direction. Ce type d onde se retrouve dans les solides et est d ailleurs le plus utilisé en pratique. Toutefois, un autre mode, utilisant le cisaillement, peut exister : mode d onde transversale pour lequel les vibrations des particules s exercent perpendiculairement à la direction de propagation. Figure 35 Types d ondes et modes de propagation des ultrasons dans un solide Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

34 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Ces deux types d ondes, les plus couramment rencontrés en contrôle non destructif, sont des ondes de volume ; il est possible aussi de générer d autres types d ondes dont l existence dépend en particulier de la configuration du support de propagation. Il y a tout d abord les ondes de surface, ondes composites constituées à la fois par des déplacements longitudinaux et transversaux, et dont les plus connues et utilisées sont les ondes de Rayleigh ; d autres modes sont possibles et connus : ondes rampantes de Love, ondes de Bleustein Gulyaev. Lorsque le support a des dimensions du même ordre de grandeur que la longueur d onde, cela génère des modes vibratoires particuliers : ondes de Lamb dans les tôles, il s agit d ondes dispersives avec mode de vibration symétrique ou antisymétrique ; ondes guidées dans les tiges et barres. Les ondes de Lamb sont utilisées industriellement pour le contrôle des tôles minces métalliques et de certains composites [35] [36] Phénomènes de propagation Les lois physiques rappelées ici s appliquent au cas simple d une onde monochromatique, c est-à-dire de fréquence unique. La réalité du contrôle ultrasonore est plus complexe, car les transducteurs génèrent des trains d ondes correspondant à un spectre de fréquence d une certaine forme et d une étendue plus ou moins bien connues. C est une remarque qu il ne faut pas perdre de vue, lorsque l on veut mettre en pratique ces bases physiques par ailleurs indispensables à la bonne compréhension des mécanismes mis en jeu dans tout contrôle ultrasonore Vitesse, directivité, atténuation On démontre par la théorie des milieux élastiques que les vitesses de propagation des ondes ultrasonores longitudinales (V L ) transversales (V T ) et de Rayleigh (V R ), en m/s, sont liées aux caractéristiques du matériau par les relations suivantes : avec E (Pa) module d Young, σ E ( 1 σ ) V L = ρ ( 1 + σ )( 1 2σ ) V T = V R 0,9V T E ρ ( 1 + σ ) (sans dimension) coefficient de Poisson, ρ (kg/m 3 ) masse volumique Le tableau 4 donne quelques exemples de vitesses moyennes V L et V T pour les matériaux couramment utilisés en CND. Il s agit de valeurs moyennes, car les paramètres élastiques des matériaux dépendent de l état physique et chimique précis de ceux-ci (analyse et microstructure pour les métaux, par exemple). Les ondes de Lamb sont des ondes dispersives ; leur vitesse dépend de la fréquence et, de plus, la vitesse de propagation du front d onde (vitesse de phase) est différente de la vitesse de propagation de l impulsion énergétique donnée par l émetteur (vitesse de groupe). Des diagrammes donnent ces valeurs en fonction du mode de vibration et du produit fréquence épaisseur de la tôle [37]. La longueur d onde λ d un train d onde ultrasonore se déduit de la vitesse de propagation par la relation simple suivante : V λ = f où f est la fréquence de la vibration. (0) Matériau Tableau 4 Vitesses et impédance acoustique (Valeurs moyennes arrondies) Masse volumique Vitesse des ondes longitudinales Cette longueur d onde λ est à prendre en considération dans la propagation des ondes, en particulier vis-à-vis de l étalement du faisceau ultrasonore (directivité) et de l atténuation de l onde par le milieu. Nous avons vu que les ultrasons utilisés en CND se situent dans la gamme des fréquences 1 à 10 MHz, ce qui correspond, dans l acier par exemple, à des longueurs d onde de 0,6 à 6 mm en mode longitudinal. À ces courtes longueurs d onde, les ultrasons se propagent essentiellement en ligne droite selon un faisceau plus ou moins étalé, constitué d un lobe principal dans lequel la plus grande partie de l énergie est concentrée (figure 36). C est cette propriété qui les rend utiles pour localiser les défauts. Près de la source ultrasonore, on peut démontrer que le faisceau est l objet d interactions vibratoires assez complexes donnant lieu à des maximums et des minimums d énergie sur l axe de propagation (figures 37 et 38) ; il s agit du champ proche ou zone de Fresnel dont la longueur est donnée par la relation : D étant le diamètre de la source. Ensuite, l énergie devient monotone et le faisceau diverge selon un angle d étalement 2 θ tel que : θ 1,22 λ/d Vitesse des ondes transversales Impédance acoustique (10 3 kg/m 3 ) (m/s) (m/s) (10 6 kg m 2 s 1 ) Aciers 7, Fonte 7, Aluminium 2, Cuivre 8, Laiton 8, Béton 2, Muscle 1, ,6 Araldite 1, Plexiglas 1, ,2 Verre 2, Huile 0, ,2 Glycérine 1, ,5 Eau 1, ,5 Mercure 13, Quartz 2, Titanate de baryum 5, Air 1, Figure 36 Divergence du faisceau d ultrasons D = λ R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

35 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 37 Intensité acoustique sur l axe du faisceau optique, une partie de l onde incidente est transmise dans le second milieu, alors que l autre partie est réfléchie en sens inverse dans le premier milieu. Ces phénomènes de réflexion/transmission sont régis par un concept d impédance acoustique Z = ρv, produit de la masse volumique ρ du matériau par la vitesse V des ultrasons dans ce milieu considéré (noter que l impédance acoustique utilisée dans le domaine sonore est définie différemment). Les intensités acoustiques réfléchies (I r ) et transmises (I t ), relativement à l intensité initiale I 0, sont données par les relations suivantes : I r Z1 Z 2 = I 0 Z 1 + Z 2 I t 4Z Z = I 0 ( Z 1 + Z 2 ) 2 Figure 38 Distribution de l amplitude perpendiculairement à l axe du faisceau ultrasonore, en différents points de l axe Il s agit du champ éloigné ou zone de Fraunhofer, située en pratique à quelques centimètres du transducteur et donnant lieu à un étalement en général inférieur à quelques dizaines de degrés d angle. L énergie dans l axe décroît régulièrement à cause de l étalement du faisceau, mais aussi à cause de l atténuation de l onde par le milieu. L atténuation ultrasonore suit assez bien la loi exponentielle de la forme : I = I 0 exp ( αx ) avec α coefficient d atténuation, x épaisseur traversée. On peut considérer cette atténuation, en particulier dans les métaux, comme faible eu égard aux puissances et aux sensibilités de détection utilisables ; cela explique les grandes possibilités pratiques du contrôle par ultrasons. α varie de 1 db/m pour l eau à 5 à 200 pour les métaux et 500 pour le plexiglass (à 2 MHz). L atténuation résulte de plusieurs effets : l absorption ultrasonore par le milieu, proportionnelle à la fréquence et qui correspond à la dissipation thermique par frottement ; la diffusion ultrasonore par le milieu, liée à sa structure, à son anisotropie, à son caractère parfois diphasique ; la longueur d onde, donc la fréquence, est à prendre en compte pour définir les domaines et les lois d atténuation par diffusion ; on montre ainsi que l atténuation dans un solide polycristallin simple, de diamètre de grain homogène d, est de la forme : α = α 1 f + α 2 d 3 f 4 si λ d (diffusion de Rayleigh). On voit ici l importance que jouent, à la fois, la fréquence des ultrasons et la nature du matériau sur l atténuation et donc sur la possibilité de mettre en œuvre le contrôle ultrasonore d une pièce Changement de milieu : réflexion, transmission Lorsqu un faisceau acoustique arrive en incidence normale sur l interface entre deux milieux de natures différentes, tout comme en avec Z 1 et Z 2 impédances acoustiques des milieux 1 et 2, l onde se propageant du milieu 1 vers le milieu 2. Il est facile d en déduire qu une onde sera transmise intégralement si Z 1 = Z 2 c est-à-dire si l on a réalisé une parfaite adaptation d impédance, condition bien connue en électronique des circuits. En fait, les couplages acoustiques en CND par ultrasons mettent souvent en jeu des matériaux à impédances acoustiques éloignées comme l eau, l acier, le plexiglas (voir tableau 4) ; on doit donc tolérer en pratique une perte importante d énergie aux interfaces, perte qui devra être compensée par une grande sensibilité à la réception de l onde en retour. Dans des cas particuliers, comme la microscopie acoustique, on devra choisir un couplant liquide mieux adapté, à forte impédance, comme le mercure par exemple. Ces relations montrent, par ailleurs, et cette fois-ci de façon favorable, que la sensibilité de la détection ultrasonore par échos sur un défaut est très grande, puisqu en général le rapport Z 1 /Z 2 de l impédance du matériau solide testé (métal par exemple, avec Z 1 > kg m 2 s 1 ) à celle du défaut (porosité ou fissure remplies d air avec Z 2 = kg m 2 s 1 ) sera très grande correspondant à une réflexion totale de l énergie ultrasonore. De plus, l expérience montre que cette réflexion reste totale même lorsque l épaisseur de la fissure est infime et bien inférieure à la longueur d onde λ Réfraction. Transformation de mode. Focalisation Lorsqu un faisceau acoustique arrive avec une incidence non nulle α 1 sur une interface plane (sur la largeur utile du faisceau) entre deux milieux, on retrouve, comme ci-dessus, une décomposition de l énergie en énergie réfléchie et énergie réfractée. Cependant, un second phénomène peut prendre naissance, c est la création de plusieurs ondes réfractées (ou réfléchies) de modes différents (figure 39). Les orientations des faisceaux d ondes réfléchies et réfractées sont définies par les lois de Descartes (ou de Snell), bien connues en optique, et où l indice optique est ici remplacé par la vitesse V des ondes acoustiques considérées. On a les relations entre angles de réfraction et vitesse de l onde : sin α V 1 sin α = L = V 2L sin α T V 2T On en déduit qu il est possible, à partir d une onde longitudinale dans le milieu 1, de créer dans le milieu 2 à la fois des ondes longitudinales et des ondes transversales ayant des directions de propagation différenciées. Le calcul de la condition sur les sinus montre qu il peut exister des angles d incidence critiques au-delà desquels les ondes réfractées ne peuvent exister. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

36 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) 8.2 Production et détection des ultrasons Figure 39 Réflexion et réfraction des ondes ultrasonores en incidence oblique Par exemple, pour l incidence d une onde longitudinale entre eau et acier, selon la valeur de l angle α, on a : production de 2 modes L et T si : avec V sin α < = soit α < 15 o V 2L disparition de l onde longitudinale pour α 15 o ; présence de l onde transversale seule de 15 o à : arc sin V = = 27 o 30 V 2T réflexion totale du faisceau dans l eau pour α > 27 o 30 sauf pour l angle : α arc sin V 1 = = 31 o V 2R correspondant à la création des ondes de Rayleigh en surface. Ces considérations sur les angles et les modes sont très importantes en pratique, à la fois pour générer des ondes transversales, maîtriser l interprétation des échos de sondage, concevoir la géométrie des faisceaux utilisés pour le contrôle des pièces et des défauts particuliers. Il faudrait, en toute logique, les compléter par les considérations sur la répartition de l énergie entre les faisceaux en généralisant le cas simple traité en paragraphe [38]. On peut mettre à profit les lois de réfraction acoustique pour réaliser des faisceaux d ondes focalisés permettant de combattre la divergence ou l étalement naturel du faisceau (palpeurs focalisants) et, plus encore, de concentrer l énergie ultrasonore dans une zone focale de taille inférieure au diamètre du transducteur, accroissant ainsi la sensibilité de la détection ultrasonore des petits défauts [39] [40]. On peut utiliser pour cela une lentille acoustique de rayon R ; si n est son indice (rapport relatif des vitesses entre la lentille et le milieu de couplage), les lois précédentes nous permettront de calculer la distance focale f du faisceau selon : f = R /(1 n ) Les dimensions de la tache focale, assimilables au diamètre d et à la longueur d un cylindre dans lequel l énergie acoustique est maximale et constante à 3 db près, sont données par les relations suivantes : d = λ f D f = 4λ D D diamètre du transducteur et de sa lentille. Il y a deux voies pour générer des ultrasons dans la pièce à contrôler : soit utiliser un oscillateur mécanique (transducteur électroacoustique), générateur de vibrations ultrasonores qui seront transmises à la pièce par couplage acoustique ; soit générer les ultrasons à la surface de la pièce elle-même par tout moyen susceptible d activer les particules du milieu (forces électromagnétiques, impulsions thermiques, ablation laser). La mise en évidence de l onde de retour peut se faire selon les mêmes voies : détection des vibrations à la surface de la pièce (interférométrie laser) ; couplage vers un transducteur spécifique (palpeur récepteur). Nous examinons ces diverses solutions, sachant cependant qu en pratique, la solution du transducteur ultrasonore (souvent appelé palpeur) est de très loin la plus utilisée Effet piézoélectrique La grande majorité des palpeurs ultrasonores utilisés en CND sont des transducteurs piézoélectriques. C est en 1880 que l effet piézoélectrique fut découvert par P. et J. Curie : production d un potentiel électrique sous l effet d une compression appliquée à une lame de tourmaline taillée selon l un des axes cristallographiques du monocristal. La réciprocité du phénomène (production d une vibration mécanique à partir d une impulsion de tension électrique) fut mise en évidence à la même époque, ouvrant la voie à la réalisation d un transducteur ultrasonore. Cet effet piézoélectrique, caractérisé par les paramètres g (constante de pression) et K (facteur de couplage) est minime pour les cristaux naturels comme le quartz. On l a amélioré tout d abord en développant des céramiques piézoélectriques de synthèse, dont la plus utilisée est le titanate de baryum, bien que deux autres variétés offrent des performances plus grandes : le PZT, titanatezirconate de plomb et le métaniobate de plomb. De plus, on accroît notablement l effet piézoélectrique vibratoire en excitant le cristal ou le polycristal sur son mode de résonance mécanique ; en pratique, cela revient à utiliser une lame piézoélectrique d épaisseur a telle que : V f 0 = a avec f 0 fréquence fondamentale de vibration du transducteur, V vitesse du son dans le matériau. Les films polymères piézoélectriques, en particulier les membranes de PVDF (polyfluorure de vinylidène), constituent une nouvelle famille de matériaux piézoélectriques aptes à avoir des applications pratiques dans le domaine des ultrasons. Le fait que ces films soient déformables et éventuellement très minces en fait un constituant de choix pour la réalisation de sondes à barrettes de transducteurs pour l échographie médicale ou celle de sondes à très hautes fréquences pour la microscopie ultrasonore [41] Palpeurs piézoélectriques De façon générale, un palpeur ultrasonore comporte, outre la pastille céramique dont les faces sont métallisées et raccordées à un connecteur électrique, une face avant de protection et de couplage et un bloc amortisseur arrière pour, à la fois, dissiper l énergie rayonnant vers l arrière et moduler le spectre ultrasonore par amortissement de la résonance mécanique de la pastille transductrice. Une bobine électrique d accord ou un transformateur adaptateur d impédance peut être inclus dans le boîtier, constituant l ensemble du palpeur qui est généralement utilisé en émetteur-récepteur (figure 40). R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

37 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 40 Structure d un palpeur ultrasonore Il existe plusieurs familles de palpeurs piézoélectriques adaptées aux différents modes d utilisation : contrôle par contact ou en immersion, nature du produit à sonder, des défauts, etc. Les 4 types de palpeurs les plus utilisés dans l industrie sont les suivants (figure 41) : palpeur droit cylindrique, palpeur d angle à sabot, palpeur droit focalisé, palpeur droit double avec émission et réception séparées (palpeurs SE). Certaines applications particulières font appel à des palpeurs spéciaux tels que les palpeurs droits rectangulaires, les palpeurs à focalisation cylindrique et les barrettes multi-palpeurs, nées dans le domaine médical et dont l emploi se développe dans l industrie. On caractérise un palpeur ultrasonore par les 2 paramètres à la base des lois de propagation rappelées précédemment : sa fréquence d oscillation et son diamètre. On ajoutera la distance focale (dans l eau) pour un palpeur focalisé, et l angle de réfraction (dans l acier) pour les palpeurs d angle. Les caractéristiques électriques devront être connues pour adapter le matériel électronique et le câble de liaison. On se contente souvent de caractériser le spectre de fréquence par un classement qualitatif : large bande (palpeur amorti), bande étroite. La tendance est toutefois de mieux caractériser le matériel en relevant le spectre réel et surtout la cartographie du faisceau ultrasonore (dans l eau) en régime impulsionnel Palpeurs EMA Ce nouveau type de transducteur met en œuvre les interactions champ magnétique-courants de Foucault induits dans un métal pour créer des forces donnant naissance à des vibrations ultrasonores, d où son appellation de palpeur électro-magnéto-acoustique (EMA). L effet étant réversible, on peut concevoir ainsi un palpeur émetteurrécepteur utilisable sans contact avec le produit sondé et avant des possibilités très larges de réglage en fréquence et en largeur de bande ; cependant, sa faible sensibilité oblige à le maintenir à une très faible distance de la surface du produit à contrôler (quelques millimètres) et à utiliser une électronique particulière. Ces handicaps font que son développement commercial est aujourd hui très limité bien que des applications intéressantes existent en laboratoire et dans certaines industries comme la sidérurgie [42] Palpeurs lasers L impact d un faisceau laser impulsionnel de puissance sur la surface d un matériau, et en particulier d un métal, constitue une source ultrasonore généralement omnidirectionnelle et pouvant comporter un large spectre de fréquences vibratoires. On peut, par certains artifices, favoriser un mode de propagation et donner une certaine directivité au faisceau, obtenant ainsi un émetteur d ultrasons sans contact. Figure 41 Différents types de palpeurs piézo-électriques La réception optique, sans contact, peut être réalisée par un interféromètre optique de haute sensibilité, détectant les infimes variations géométriques de la surface où émergent les ultrasons. En pratique, il est difficile de réaliser un tel interféromètre apte à fonctionner hors du laboratoire, aussi pour l instant ce type de transducteur, au demeurant beaucoup plus coûteux qu un simple palpeur piézoélectrique, ne connaît pas d application industrielle notable [43]. 8.3 Méthodes de contrôle ultrasonore Échographie ultrasonore Connue désormais de tout un chacun par son utilisation médicale, l échographie est aussi la méthode de loin la plus employée dans le contrôle non destructif industriel. Son principe, très simple, est celui du radar : on envoie, dans la zone à inspecter, de brèves impulsions ultrasonores et l on recueille en retour des échos renvoyés par les diverses hétérogénéités Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

38 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) susceptibles de créer des ruptures d impédance acoustique. On obtient ainsi un échogramme comme cela est illustré dans un cas simple par la figure 42. La distance entre échos correspond à des temps de propagation aller et retour de l onde et permet donc de localiser les défauts en profondeur dans la pièce examinée. L amplitude relative des échos d émission, de défauts et de fond permet d avoir une estimation de l importance du défaut. Il faut toutefois ici être prudent, même lorsque l on applique des calculs de correction d atténuation de propagation telle que la méthode AVG par exemple ( 8.4.3). Le parcours mis en œuvre pour essayer d obtenir des échos de défaut peut être complexe et comporter des réflexions multiples, comme dans le cas du contrôle des soudures avec palpeur d angle et ondes transversales par exemple (figure 43) Méthode par transmission Elle met en œuvre un faisceau ultrasonore reliant deux palpeurs disposés de part et d autre de la pièce sondée. Bien que décrite dans tous les manuels, son emploi a pratiquement disparu, sauf dans quelques cas particuliers où l atténuation ultrasonore est extrêmement forte et interdit l utilisation de la méthode par échos. Son inconvénient majeur est en effet le risque qu il y a à attribuer l atténuation du signal à la présence d un défaut alors que la cause peut être tout autre : rupture du couplage entre les palpeurs et la pièce, mauvais alignement, etc Imagerie ultrasonore Partant des interactions locales perturbant un faisceau ultrasonore, on a très tôt imaginé de réaliser des images ultrasonores à l instar des images radiographiques. Des caméras ultrasonores ont été développées, généralement basées sur la méthode par transmission en milieu immergé. La méthode par écho permet plus simplement, par rotation ou déplacement du palpeur sur la pièce, d obtenir des cartographies ultrasonores en coupe (mode B) ou en plan (mode C), selon la figure 44. Cette méthode simple de présentation échographique est très utilisée dans les contrôles ultrasonores en laboratoire et aussi désormais sur site. Parallèlement, on cherche à adapter au contrôle ultrasonore certaines techniques récentes de reconstruction d image telles que l holographie empruntée à l optique, l ouverture synthétique (SAFT) empruntée aux procédés radar hyperfréquence ou enfin la tomographie empruntée à la radiologie. Des difficultés inhérentes à la nature des ultrasons font que le développement de ces nouveaux procédés de contrôle ultrasonore reste très modeste [44]. 8.4 Mise en œuvre. Appareillage de contrôle. Étalonnage Couplage acoustique Plusieurs méthodes sont utilisées selon la nature du contrôle. Le contrôle en cuve d immersion, remplie en général d eau additionnée d un agent mouillant, permet d assurer un couplage satisfaisant entre le ou les palpeurs et la pièce à contrôler, tout en assurant une mobilité 3D à ces palpeurs, d où des possibilités d examen de pièces complexes grâce à un bras manipulateur programmé et aussi la facilité d utiliser des palpeurs focalisés. Figure 42 Contrôle ultrasonore par échographie (ondes longitudinales) R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

39 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 43 Contrôle des soudures par la méthode tandem (ondes transversales) Figure 44 Différents modes de présentation d un sondage à ultrasons Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

40 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Le contrôle au défilé de produit plat ou long fait appel soit à l EMA qui supprime la notion de couplage elle-même, soit à couplage par film ou jet d eau ou d huile, ou encore à une immersion partielle dans une boîte à eau abritant les transducteurs à ultrasons [45]. En contrôle manuel, le contact direct à sec du palpeur sur la pièce n est pas suffisant pour transmettre les ultrasons ; il faut utiliser un agent de couplage généralement plus visqueux que l eau, tel que graisse, colle, etc Palpeur Le palpeur doit être adapté à la nature du contrôle et aux conditions de couplage : en contrôle par immersion, on surveillera son étanchéité ; en contrôle par contact, on s assurera des performances anti-usure de la face avant. Le câble de liaison avec l équipement électronique doit absolument être adapté à son emploi car, en cas contraire, des pertes de sensibilité et des distorsions spectrales peuvent rendre le sondage aléatoire Appareillage d émission-réception Dans un appareil à ultrasons classique, en général portable par ailleurs, on peut distinguer quatre modules principaux : un émetteur d impulsions électriques brèves, aptes à exciter le palpeur piézoélectrique avec une énergie notable ; les tensions appliquées sont ainsi de plusieurs centaines de volts sous 50 Ω avec des temps de montée souvent inférieurs à 30 ns ; la fréquence de répétition des impulsions est de quelques centaines de hertz ; un système d amplification des signaux piézoélectriques dus aux échos de retour du sondage ; ces signaux sont faibles (quelques millivolts), aussi doit-on disposer d un amplificateur performant : faible bruit, large bande (réglable), bonne linéarité sur au moins 100 db ; un démodulateur et un écran de visualisation qui permet de présenter l échogramme en fonction du parcours des ultrasons dans la pièce sondée ; l oscilloscope comportera donc une base de temps synchronisée par l émetteur et réglable et programmable par affichage de la vitesse des ultrasons selon la matière auscultée et le mode de propagation choisi ; un moniteur, fenêtre électronique de sélection d une zone particulière dans l échogramme, dans laquelle il est possible de placer un seuil d alarme au-delà duquel les échos (de défauts) déclenchent un signal lumineux ou sonore. Nota : autrefois, de tels appareils à ultrasons étaient réalisés en électronique analogique et comportaient en face avant toute une batterie de curseurs de réglage. L exploitation des résultats se faisait sur l oscilloscope incorporé selon un échogramme type A. Dans les installations industrielles de contrôle automatique, le matériel était disposé en rack et couplé à des moyens d enregistrement papier. L essor de la micro-informatique a favorisé l éclosion de nouvelles générations d appareillages à ultrasons (figure 45). D abord, des appareillages mariant un système classique analogique d émission réception à un micro-ordinateur recevant les signaux en vue de les traiter, de les stocker ou de les éditer. Ensuite, une gamme d appareils de contrôle ultrasonore (portables) bâtis autour d un microprocesseur et ainsi aptes à assurer intrinsèquement des fonctions d étalonnage, de réglage, de traitement telles que les compensations d atténuation d amplitude-distance (dites courbes AVG) qu il était difficile de réaliser avec les appareils totalement analogiques Étalonnage L étalonnage de l ensemble appareillage et palpeur ultrasonore présente une grande importance, dans la mesure où l on cherche à fournir des résultats de contrôle pertinents. On pourra, dans un premier temps, déterminer les caractéristiques de l électronique et du palpeur : cela ne dispensera pas toutefois d effectuer un tarage de l ensemble, selon les procédures normalisées adaptées aux types de contrôles et d industries concernés. Soit on utilisera un bloc étalon comme la cale AFNOR NF A qui permet, en particulier, de vérifier aisément les caractéristiques des palpeurs d angle, soit on fera appel à des pièces de référence du type de celles à contrôler et possédant des défauts connus, naturels ou artificiellement créés. Signalons qu un large débat reste ouvert entre spécialistes quant aux mérites respectifs de ces deux catégories de défauts étalons. 8.5 Champ d application et évolution du contrôle ultrasonore Détection des défauts internes La détection de défauts internes par ultrasons est très pratiquée en contrôle de fabrication, en contrôle de recette, en surveillance de structure en service, en maintenance. La remarquable sensibilité de l échographie ultrasonore à la moindre discontinuité ou hétérogénéité interne dans les matériaux, en particulier métalliques, en fait une méthode de choix, concurrente ou parfois complémentaire de la radiographie. Toutefois, en échographie ultrasonore, le choix des paramètres de sondage et l interprétation des signaux recueillis ne sont pas toujours aisés et requièrent l intervention d un personnel spécialement qualifié. Une certification existe en vue de valider ces compétences ; en France, il s agit de la certification COFREND établie selon 3 niveaux de qualification des opérateurs ( 9.1) Localisation des défauts en profondeur La localisation de défauts en profondeur est aisée lorsqu on travaille en échographie. Il existe toutefois une zone sous la surface de couplage pour laquelle l écho de défaut peut être noyé dans l écho d émission ou d interface, ce qui peut rendre à la fois la détection et la localisation aléatoires. La localisation en plan se fera en relation avec le relevé manuel de la position du palpeur. Des équipements d aide au sondage manuel par recopie du déplacement du palpeur permettent désormais l utilisation des présentations B et C et favorise le dépouillement et la présentation des résultats Dimensionnement des défauts Le dimensionnement des défauts détectés est une préoccupation légitime du contrôleur en vue de les relier à des critères de nocivité technologique faisant en général l objet d une procédure normalisée ou spécifique. C est un problème délicat auquel on peut toutefois donner des solutions pratiques simples. Deux cas se présentent en théorie, selon que le champ du palpeur est censé être supérieur ou inférieur à la dimension moyenne du défaut. Dans le premier cas, tout le défaut est éclairé par le faisceau et l on peut relier l amplitude de l écho de retour à la dimension du défaut à l aide de diagrammes qui prennent en compte l ensemble des paramètres ultrasonores du sondage. Cette méthode, souvent appelée méthode AVG, est intéressante mais délicate d emploi, surtout lorsque le défaut à dimensionner présente une orientation et une morphologie très éloignées des cas théoriques (généralement matérialisés par des réflecteurs constitués par des trous à fond plat forés dans les blocs d étalonnage). Lorsque le défaut est plus grand que le faisceau, ce que l on peut parfois volontairement obtenir en utilisant l étroit champ d un palpeur focalisé, on trace son contour apparent, soit en repérant et en quantifiant le basculement entre écho de fond et écho de défaut (normes de contrôle de tôles fortes par exemple), soit en utilisant la règle «des 6 db» qui prend en compte un rapport 1/2 entre l amplitude maximale de l écho de défaut et celle obtenue lorsque les bords du défaut occultent environ à moitié la section du faisceau ultrasonore. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

41 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) Figure 45 Schéma de principe d un appareil classique de contrôle par ultrasons Champ d application Le champ d application du contrôle ultrasonore concerne principalement, outre bien entendu le domaine médical, l examen des pièces métalliques et de leurs assemblages en fabrication et en service, donc l ensemble des industries métallurgiques, mécaniques, nucléaires et aéronautiques. Ce champ s élargit de plus en plus au contrôle des matériaux et assemblages non métalliques, céramiques, polymères, matériaux composites, béton ; cela s effectue lentement, eu égard aux difficultés pratiques rencontrées et dues à la nature même de ces produits à structure peu homogène et anisotrope. Il faut rappeler aussi qu indépendamment de la défectologie, les ultrasons sont très employés pour les mesures d épaisseur et, plus récemment, dans l évaluation de certains paramètres métallurgiques comme les grosseurs de grains, les textures, les profondeurs de traitements thermochimiques superficiels sur les aciers, et enfin l estimation des contraintes mécaniques [46] Évolution L évolution du contrôle ultrasonore va vers un plus grand recours à l automatisation des opérations, avec l objectif de simplifier, de fiabiliser les procédures, d accroître la reproductibilité et la productivité des essais. Cela est rendu possible grâce aux progrès du matériel et des moyens de traitement de l information. Il n en reste pas moins que la qualification du contrôleur reste primordiale pour les raisons exprimées plus haut. Notons enfin le développement de l utilisation en laboratoire d un nouvel outil d investigation et d étude de la microstructure des matériaux : le microscope acoustique utilisant de très hautes fréquences ultrasonores, ce qui conduit à un fort pouvoir de résolution (quelques micromètres) accompagné malheureusement d une faible pénétration des ondes dans la matière (quelques dixièmes de millimètre). 9. Utilisation des procédés de CND Au-delà de la mise en œuvre propre à chacun des procédés de contrôle décrits plus haut, un projet ou une réelle opération de contrôle implique un certain nombre de considérations et de facteurs dont l ignorance pourra conduire à des échecs tels qu une mauvaise fiabilité de la méthode, du matériel utilisé ou des résultats annoncés, ou encore une rentabilité économique insuffisante de l opération de contrôle, ces deux aspects allant d ailleurs souvent de paire. C est ainsi qu il s agit en fait de prendre en compte, non seulement les paramètres physiques et techniques mais aussi l importance du facteur humain et des procédures d emploi, et la nécessité éventuelle d avoir à financer des travaux préalables de mise au point ou de faisabilité du procédé retenu. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R

42 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) 9.1 Le personnel de contrôle Des compétences adaptées, de la méticulosité et si possible une bonne expérience constituent des conditions indispensables pour concevoir, organiser, préparer, réaliser et conclure une opération de contrôle non destructif avec succès. Les compétences nécessaires s appuient sur une bonne connaissance des techniques et procédés de contrôle, mais aussi sur une connaissance approfondie du matériau contrôlé quant à sa structure, son mode de fabrication, la nature des défauts susceptibles d être décelés, leur localisation probable. C est ainsi que les techniques de contrôle ont souvent leur utilisation décrite en détail par nature de produits et nous renvoyons le lecteur aux ouvrages et articles spécialisés cités en référence : contrôle des pièces métalliques moulées, forgées, laminées ; contrôle des soudures, des brasures, des collages ; contrôle des non-ferreux, des plastiques, des composites, des bétons, etc. Le niveau de connaissance requis pour chacune des 3 catégories d intervenants en contrôle non destructif est garanti dans chaque pays par une procédure de certification. En France, c est la Confédération Française pour les Essais Non Destructifs, la COFREND, qui délivre ces certificats sur la base d examens théoriques et pratiques organisés à la fois par méthodes et par domaines d applications industrielles. La formation en contrôle non destructif est assurée par des organismes reliés à l université, aux grands centres techniques professionnels ou encore à des sociétés de service et de diffusion du matériel spécialisé. 9.2 Les procédures d emploi Des procédures précises et bien suivies doivent guider l utilisation des procédés dans une opération de contrôle. Elles permettent de garantir l objectivité, la reproductibilité, les performances limites, sinon la fiabilité totale d un contrôle. Les procédures doivent être établies tant pour le matériel utilisé que pour les paramètres et conditions de son utilisation. Elles résultent généralement d un accord commun entre les diverses parties concernées par le contrôle ; elles sont nombreuses mais on cherche en fait à éviter la confusion en édictant des normes et spécifications à caractère plus général. Il en est ainsi, par exemple, pour les procédures de qualification des palpeurs ultrasonores, pour les étalons de certains défauts artificiels, pour le réglage des paramètres des appareillages de contrôle à ultrasons, à courants de Foucault (choix de la fréquence, du seuil de détection significatif, etc.). Les spécifications peuvent de même concerner le choix du procédé, de la méthode, de la préparation de la pièce à contrôler, de la façon d effectuer les sondages lorsqu il s agit d un contrôle purement manuel, enfin de la façon d interpréter et de consigner les résultats obtenus. Le contrôle automatique n exclut pas totalement la notion de procédure qui, dans ce cas, doit concerner plus spécialement les étalonnages et le réglage du matériel. 9.3 Les études préalables Des mises au point sont souvent indispensables lorsqu on se trouve en présence d un nouveau type de contrôle à effectuer. L expérience aidant, si le choix du procédé est évident, on pourra se contenter d un essai de faisabilité réalisé éventuellement avec le concours d un fabriquant ou d un distributeur de matériel. S il s agit d un problème difficile dont on estime qu il est peu probable de trouver une solution avec le matériel et les méthodes couramment disponibles, il faudra recourir à une étude préalable et même éventuellement à des recherches devant aboutir à la mise au point de nouveaux procédés. Cette dernière démarche est, par exemple, couramment pratiquée dans les laboratoires des industries pour lesquelles les opérations de contrôle non destructif constituent des défis quant à la sécurité (industrie nucléaire) ou à la productivité (sidérurgie...). 10.Conclusion Après avoir rappelé brièvement la nature, le but et le domaine d application du contrôle non destructif, nous avons tout d abord évoqué les grands principes de détection des défauts et les bases physiques qui gouvernent les procédés et leur performance. Nous avons ensuite décrit plus en détail les principes physiques, la réalisation et la mise en œuvre des 6 principales familles de procédés du contrôle non destructif, à savoir : les procédés optiques, le ressuage, les procédés par flux de fuite, les procédés par courants de Foucault, les procédés radiographiques et connexes, enfin les procédés de contrôle par ultrasons. Nous avons volontairement passé sous silence les procédés de contrôle d étanchéité qui, bien que traditionnellement rattachés au domaine des essais non destructifs, se rapportent pour l essentiel à la technique du vide [47]. Il en va de même pour les techniques de l émission acoustique qui font l objet d un article complet et de la thermographie infrarouge [4]. Enfin, nous avons laissé de côté tous les procédés qui s apparentent plus nettement au domaine de l instrumentation ou de l analyse plutôt qu à celui de la recherche de défauts (mesure de paramètres structuraux, géométriques, physiques, chimiques) et ceux qui, bien que décrits dans la littérature technique, sont trop récents, pas assez au point ou d utilisation trop spécifique. Les perspectives d extension du champ d application des procédés de contrôle non destructif sont très grandes, en particulier en direction des secteurs industriels plus proches de la consommation courante que de la haute technologie. Le marché de la «visionique» atteint un taux de croissance annuelle de plus de 20 % pour ces années 90 et pour des équipements dont le coût moyen se situe dans la gamme des 200 à 500 kf. Ce développement ne se fera cependant que si on arrive rapidement à améliorer le rapport entre les performances et le coût du contrôle, et aussi à intégrer correctement celui-ci en ligne de fabrication. D une façon générale, si des progrès restent souhaitables et possibles dans le domaine de la sensibilité et de la fiabilité de détection des défauts (abaissement du taux de fausses alarmes en contrôle automatique à grande cadence), c est dans le domaine de la caractérisation de ceux-ci (localisation, identification et surtout dimensionnement) qu un réel besoin de progrès existe. Le traitement informatique des signaux est présentement l outil majeur de progrès à ce propos ; il conduit cependant à des images si magnifiques et à des procès-verbaux si détaillés qu on aurait tendance à oublier que c est aussi à l amont, au niveau de la sonde et des principes physiques de détection, que des progrès grâce à de nouveaux développements doivent être réalisés. Cette ultime remarque explique ainsi pourquoi il nous a paru plus fécond de présenter les bases physiques et les grands principes de mise en œuvre et de réalisation des principaux procédés de contrôle non destructif plutôt que de décrire de façon nécessairement incomplète des architectures de logiciel, des appareillages ou des procédures de contrôle relatives à telle ou telle application spécifique. R Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

43 Contrôle non destructif (CND) P O U R Références bibliographiques Optique [1] Manuel de ressuage. Cahiers du COFREND Fascicule I : Notions sur la perception des images des défauts. Annexe 2, n o 7, déc [2] DUBRESSON (J.). Caractéristiques dominantes et évolution des matériels de CND. Soudage et Techniques connexes, p , nov. déc [3] DUMONT-FILLON (J.), LACROIX (M.) et PINARD (J.). Détection automatique des défauts de surface sur tôles. Revue de Métallurgie CIT, p , juil [4] PAJANI (D.). Thermographie infrarouge. Techniques de l Ingénieur, R 2 740, traité Mesures et Contrôle, juil [5] PIODI (A.). Le contrôle non destructif par interférométrie holographique. Revue Française de Mécanique, n o 70 (1979). [6] SMIGIELSKI (P.). Holographie industrielle. Teknea (1994). Ressuage [7] COFREND (groupe de travail). Manuel de ressuage. Cahiers n o 7, 8 et 9. Édition COFREND (Confédération française pour les essais non destructifs), déc [8] CHEMIN (P.). 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Ressuage NF A Principes généraux de l examen par ressuage. A Essais non destructifs. Ressuage. Vocabulaire. NF A Essais non destructifs. Ressuage. Vérification des caractéristiques des produits de ressuage. NF A Essais non destructifs. Ressuage. Sensibilité et mise en œuvre des produits. Magnétoscopie NF A Produits sidérurgiques. Examen magnétoscopique des produits longs. Détection des défauts superficiels. A Essais non destructifs. Magnétoscopies. Caractérisation des produits. NF A Essais non destructifs. Magnétoscopie. Principes généraux du contrôle. Radiographie NF C Installations pour la production et l utilisation des rayons X. Règles générales. NF C Installations pour la production et l utilisation des rayons X. Règles particulières pour les installations de radiologie industrielle. NF EN Essais non destructifs. Principes généraux de l examen radiographique à l aide de rayons X et gamma des matériaux métalliques (indice de classement : A ). NF EN Essais non destructifs. Qualité d image des radiogrammes. Partie 1 : Indicateurs de qualité d image (à fils), détermination de l indice de qualité d image (indice de classement : A ). NF EN Essais non destructifs. Qualité d image des radiogrammes. Partie 2 : Indicateurs de qualité d image (à trous et à gradins). Détermination de l indice de qualité d image. NF EN Essais non destructifs. Qualité d image des radiogrammes. Partie 4 : Évaluation expérimentale des indices de qualité d image et des tables de qualité d image. NF A Radiologie industrielle. Méthode conventionnelle de caractérisation de la perceptibilité visuelle d un radiogramme à partir d indicateurs de qualité d image. Ouvrages et Revues Ouvrages généraux Mc GONNAGLE WARREN (J.). Essais non destructifs, métaux et matériaux. Eyrolles (1967). Mc MASTER (R.). Non destructive testing handbook. 2 volumes, The Ronald Press Co (1963). Non destructive testing handbook. 8 volumes, American Society for Non destructive testing. ( ). Non destructive evaluation and quality control. Vol. 17, Metals Handbook 9 e éd., American Society for Metals (1989). Ouvrages traitant d une technique CND MULLER (E.A.W.). Précis de magnétoscopie. Dunod (1957). Le ressuage. Cahiers du COFREND. 3 fascicules n o (1985). PELLETIER (J.L.), LE TOHIC (Y.) et CARON (J.C.). La pratique du contrôle industriel par ultrasons. 2 volumes, ENSAM (1984). Normalisation RUAULT (P.A.). Manuel de radiologie industrielle. 2 volumes, Publication La Soudure autogène, (1990). PERDIJON (J.). Le contrôle non destructif par ultrasons. Hermès (1991). Revues françaises Revue pratique de contrôle industriel (éditions Ampère). Soudage et techniques connexes. Revue de métallurgie. Revue technique des APAVE. Revues étrangères Materials evaluation (American Society for NDT) (USA). Non destructive testing (GB). The British Journal of non destructive testing (GB). Materials prüfung (D.). Ultrasonics (GB). NF EN Essais non destructifs. Négatoscopes utilisés en radiographie industrielle. Exigences minimales. (IDT ISO 5580). Indice de classement : A NF A Radiographie industrielle. Détermination au moyen de l iridium 192 de la sensibilité et du contraste moyen des systèmes récepteurs d images à base de films utilisés dans la gamme d énergies 300 kev à 1,5 MeV. NF A Essais non destructifs. Radiographie industrielle. Détermination de la sensibilité et du contraste moyen des systèmes récepteurs d images à base de films utilisés dans la gamme d énergies 50 kev à 300 kev. NF A Radiographie industrielle. Fiche d identification des films utilisés avec ou sans écrans renforçateurs métalliques. NF A Radiographie industrielle. Détermination de la sensibilité et du contraste moyen des systèmes récepteurs d images à base de films radiographiques et comprenant un ou deux écrans renforçateurs dits fluorométalliques utilisés dans la gamme d énergie de 50 kev à 1,5 MeV. NF EN Essais non destructifs. Film pour radiographie industrielle. Partie 1 : Classification des systèmes films pour radiographies industrielles. NF M Radioprotection. Appareils de radiographie gamma. NF M Radioprotection. Installations de radiologie gamma industrielle pour essais non destructifs. Courants de Foucault A Essais non destructifs. Courants de Foucault. Vocabulaire. A Essais non destructifs. Courants de Foucault. Caractérisation de l appareillage. Ultrasons NF A Essais non destructifs. Ultrasons. Vocabulaire. NF A Essais non destructifs. Ultrasons. Blocs d étalonnage types A et B. A Essais non destructifs. Ultrasons. Méthodes d utilisation des blocs d étalonnage types A et B. NF A Vérification simple en service des appareillages de contrôle manuel par ultrasons des produits métalliques. NF A Essais non destructifs. Ultrasons. Méthodes de caractérisation des appareils de contrôle par ultrasons. Doc. R Toute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle

45 CONTRÔLE NON DESTRUCTIF (CND) NF A Essais non destructifs. Ultrasons. Méthode d estimation des dimensions des réflecteurs ultrasonores à l aide de faisceaux ultrasonores focalisés A Essais non destructifs. Ultrasons. Principes généraux du contrôle. A Essais non destructifs. Ultrasons. Surveillance des réglages de l appareillage par cartes de contrôle. A Essais non destructifs. Ultrasons. Qualification des réglages de l appareillage. A Essais non destructifs. Ultrasons. Détermination du critère de rejet. Normes américaines American Society of Mechanical Engineers ASME ASME article 6, section V Liquid penetrant examination. American Society for Testing and Materials ASTM D Test Method for chlorine in new and used petroleum products (bomb method). D Test Method for sulfur in petroleum products (general bomb method). E Practice for liquid penetrant examination. E Practice for electromagnetic (eddy current) examination of copper and copper-alloy tubes. Organisme COFREND Confédération française pour les essais non destructifs. Réglementation concernant la radioprotection Décrets du 20 juin 1966 et du 18 avril 1988 relatifs à la protection du public. Décrets du 15 mars 1967 et du 2 octobre 1986 relatifs à la protection des travailleurs. Arrêtés du 2 mai 1971, du 24 juillet 1980, du 25 juin 1987, du 25 novembre 1987 relatifs à la formation du personnel. Décrets du 18 avril 1968, du 10 novembre 1987, du 2 octobre 1986 relatifs aux contrôles d ambiance et à l utilisation des détecteurs de rayonnements ionisants. E Practice for electromagnetic (eddy current) testing of seamless and welded tubular products, austenitic stainless steel and similar alloys. E Practice for eddy-current examination of steel tubular products using magnetic saturation. E Reference photographs for liquid penetrant inspection. E Practice for in-situ electromagnetic (eddy current) examination of nonmagnetic heat exchanger tubes. E Practice for magnetic particle examination. E Terminology for nondestructive examination. Normes allemandes Deutsches Institut für Normung DIN DIN Teil Zerstörungsfreie Prüfung ; Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen ; Begriffe ; Bildgüteprüfkörper (Drahtsteg) ; Ermittlung der Bildgütezahl (Vorschlag für eine Europäische Norm). DIN Teil (ISO ) Zerstörungsfreie Prüfung ; Bildgüte von Durchstrahlungsaufnahmen ; Anleitung für das Festlegen von Bildgütezahlen und Bildgüteklassen. P O U R E N S A V O I R P L U S Toute reproduction sans autorisation du Centre français d exploitation du droit de copie est strictement interdite. Techniques de l Ingénieur, traité Mesures et Contrôle Doc. R