Contrôle non destructif Courant de Foucault

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1 Contrôle non destructif Courant de Foucault Principe physique de la méthode : Ces principes reposent sur les phénomènes d'induction électromagnétique. On sait que lorsqu'une bobine parcourue par un courant alternatif est approchée d'une pièce métallique, des courants électriques variables, appelés courants de Foucault apparaissent dans le matériau de cette pièce au voisinage de sa surface. Ce phénomène peut encore s'énoncer de la façon suivante : «Dans chaque élément de volume d'un conducteur de forme quelconque placé dans un champ magnétique variable, des forces électromotrices d'induction élémentaires «e» prennent naissance et se traduisent par des courants dans le matériau» ( figure 18 ). 1

2 Le sens dans lequel ces courants circulent est toujours conforme à la loi de Lenz qui s'énonce : «La force électromotrice d'induction «e» qui apparaît dans un matériau sous l'effet d'un champ magnétique variable a toujours un sens tel qu'elle tend à s'opposer à la variation de flux magnétique qui l'a produite» ce qui s'écrit : expression dans laquelle d est la variation de flux magnétique qui se produit pendant un temps dt. «e» s'exprime en volt. Si l'on considère le schéma de la figure 19 une tension alternative «u» est appliquée aux bornes de la bobine créant ainsi un courant alternatif d'intensité «i» dans celle-ci. Or une bobine allongée ( ou solénoïde ) parcourue par un courant crée un champ magnétique «H» dont les lignes de force sont, à l'intérieur de cette bobine, parallèles à son axe longitudinal. Lorsque l'on place cette bobine au voisinage d'un matériau métallique, donc conducteur de l'électricité, il apparaît dans ce dernier des forces électromotrices d'induction élémentaires «e» sous l'effet des variations du champ «H» de la bobine. Ces courants dits «courants de Foucault» sont contenus dans des plans parallèles à la surface du matériau et leur sens de circulation est tel que le champ H F qu'ils produisent est parallèle mais de sens contraire au champ inducteur H. Ces deux champs sont donc en totale opposition. Le même phénomène serait observé dans le cas d'un tube ou d'un rond encerclé par une bobine parcourue par un courant alternatif. On notera dans ce cas que les trajectoires 2

3 circulaires des courants de Foucault induits sont contenues dans des plans perpendiculaires à l'axe du tube ou du rond. Enfin, une bobine se déplaçant à l'intérieur de ce tube induirait dans celui-ci des courants identiques. Ce sont ces courants de Foucault qui exercent, selon leur intensité ou leur répartition dans le matériau, une influence sur la bobine inductrice en modifiant son impédance. La mesure des variations d'impédance permet ainsi la détection des défauts qui affectent les trajectoires naturelles des courants de Foucault. Lorsqu'un conducteur parcouru par un courant alternatif d'intensité «i» comporte plusieurs spires et prend ainsi la forme d'une bobine, on ne peut plus en effet parler de résistance de ce conducteur mais d'impédance. La tension aux bornes de cette bobine est donnée par l'expression ( loi d'ohm ). u = Z.i dans laquelle Z est l'impédance de la bobine. Cette impédance est composée de deux termes, l'un purement résistif R et l'autre appelé réactance inductive X telle que X = L où L inductance de la bobine et la pulsation du courant dans cette dernière = 2..f, f étant la fréquence du courant. L'impédance a pour expression : et sa représentation vectorielle est consignée sur la figure 20a. On voit que la réactance L est déphasée de par rapport à la résistance. 3

4 Dans ces conditions si l'on multiplie les deux termes par la valeur instantanée du courant «i», on constate ( figure 20b ) que la tension résultante «u» aux bornes de la bobine est la somme vectorielle des deux composantes, l une résistive «v R» et l'autre réactive «v X». Par ailleurs il existe un déphasage entre la tension résultante «u» et l'intensité du courant «i», tel que. La figure 21 rend compte de ce déphasage retard du courant par rapport à la tension dans ce bobinage. 4

5 La présence de courants de Foucault dans une pièce située au voisinage de la bobine entraînera une modification des composantes résistive «R» et réactive «L» de l'impédance «Z» et de la phase donc, en définitive de la tension U aux bornes de cette bobine. La figure 22 est la représentation vectorielle dans un plan dit «plan d'impédance» de l impédance Z0 de la bobine considérée seule ( figure 22a ) puis lorsqu'elle est située au voisinage d'une pièce métallique saine ( figure 22 ) Si le point P 0 correspond à l'extrémité du vecteur impédance Z 0, ce point vient en P 1 pour le vecteur impédance Z 1. Par conséquent tout changement de l'impédance apparente de la bobine s'accompagne d'une modification du module ( longueur du vecteur ) et de la phase du vecteur impédance. Toute variation des propriétés physico-chimiques ou des caractéristiques dimensionnelles d'une pièce située au voisinage d'une bobine entraînera une modification de la position de ce point P 1. 5

6 En particulier si le point P 1 correspond à une pièce saine de référence, une même pièce comportant une discontinuité géométrique on une variation de composition chimique affectant la trajectoire ou l'intensité des courants de Foucault provoquera un déplacement du point P 1 en P 1 dans le plan d'impédance ( figure 22 b ). Le problème majeur des contrôles par courants de Foucault est de distinguer les unes des autres, les variables caractéristiques du matériau qui sont à l'origine d'une modification de l'impédance apparente d'une bobine donc du module et de la phase de cette impédance. Ces variables, principalement au nombre de quatre : la conductivité du matériau, la perméabilité magnétique relative du matériau r l'homogénéité du matériau ( présence de discontinuités ) les dimensions d'une pièce. Des expérimentations ont permis d isoler l'influence de la conductivité, de la perméabilité relative r, du matériau et de l'une de ses dimensions «d» sur la valeur de l'impédance ( donc de son module et de sa phase ) et par conséquent sur la position du point P sur le diagramme d'impédance. Des essais ont été réalisés sur des ronds de caractéristiques variables au moyen d'une bobine encerclante ( figure 23 ). La figure 24 représente un diagramme d'impédance qui est constitué par deux familles de courbes sensiblement orthogonales entre elles et qui ont été déterminées expérimentalement en maintenant constant l'ensemble des variables sauf une. Ces variables étaient : la perméabilité magnétique relative r du matériau 6

7 la conductivité de celui-ci, le diamètre d des ronds, la fréquence f du courant alternatif utilisé. Afin d'éliminer toute influence de construction ou de géométrie de la bobine, Forster a établi des courbes dites «normées» où les composantes résistive R et réactive L de l'impédance Z de cette bobine sont remplacées par les rapport correspondant à l'inductance de la bobine hors de la présence d une pièce métallique. A noter également que ce diagramme a été tracé en fonction d un paramètre fg dont la valeur est données par l expression : 7

8 où : : conductivité du matériau (.m -1 ) : perméabilité du matériau ( H.m -1 ) d : diamètre du rond ( m ). En utilisant comme variable le rapport f/f g, le diagramme de la figure 24 peut être utilisé pour des matériaux de toute conductivité, perméabilité et de tout diamètre. Pour les faibles valeurs de f/f g on voit que les courbes exprimant les variations de et d d une part et de d une autre part sont quasi perpendiculaires. Il sera donc aisé dans ce cas d'apprécier pour d constant un déplacement du point P, extrémité du vecteur impédance, correspondant à une variation de ou de. Dans la pratique, un tel diagramme peut être visualisé sur l'écran d'un tube cathodique. La -valeur f de la fréquence du courant dans la bobine inductrice a une influence sur la profondeur de pénétration des courants de Foucault, donc sur leur aptitude à déceler les défauts sous jacents dans les pièces. Dans un conducteur plan, l'intensité des courants de Foucault diminue avec la profondeur en dessous de la surface selon une loi exponentielle. Par convention, la profondeur de pénétration dans tel conducteur soumis à un champ H instantanément uniforme est la profondeur à laquelle l'intensité des courants est égale à «1/e» soit 0,37 fois leur valeur à la surface soit : e étant la base des logarithmes népériens ( e = 2,7183 ). l'expression : Pour un conducteur plan la profondeur de pénétration est donnée par où : : profondeur de pénétration en mètre f : fréquence du courant parcourant la bobine en Hertz r : perméabilité magnétique relative du matériau, = conductivité électrique du matériau en Siemens par mètre. Cette expression permet de constater que : 8

9 pour un matériau donné ( r et constants ) la valeur de augmente lorsque la fréquence f diminue et réciproquement ( effet de peau ), pour une fréquence f donnée, les matériaux caractérisés par une perméabilité magnétique r élevée ( matériaux ferromagnétiques ) ou une conductivité importante ( cuivre, aluminium ) présentent une faible profondeur de pénétration. Cet état de fait peut constituer une limitation de la méthode de contrôle dans le cas de matériaux ferromagnétiques. Toutefois, il est possible d'accroître la profondeur de pénétration des courants de Foucault dans ces matériaux de deux façons : soit en utilisant un courant d'excitation de fréquence relativement basse ( quelques centaines de khz ), soit en réduisant la perméabilité magnétique relative du matériau contrôlé. Cette dernière solution est réalisée en créant dans le matériau une induction magnétique B élevée donc en saturant celui-ci par l'action d'un champ magnétique extérieur H puissant ( figure 25 ). La fréquence du courant d'excitation peut être mise à profit pour «ajuster» la profondeur de pénétration des courants de Foucault. En effet, lors des contrôles de fabrication et plus souvent encore lors des contrôles périodiques de maintenance effectués sur des tubes de faible épaisseur ( échangeurs, générateurs de vapeur,...) il est fréquemment nécessaire de connaître la position d'un défaut par rapport aux surfaces interne et externe du produit. Cette discrimination peut être 9

10 faite grâce à l'utilisation de courants d'excitation, dits «multifréquence». Considérons l'exemple die la figure 26 où une bobine alimentée par deux courants de fréquences f 1 et f 2 telles que f 1 >> f 2 se déplace à l'intérieur d'un tube comportant : trois cratères de corrosion repérés 1, 2 et 3 situés au voisinage de la surface interne, une fissure longitudinale repérée 4 située au voisinage de la surface externe. Les courants de Foucault de fréquence élevée f 1 seront concentrés au voisinage de la surface interne du tube en raison d'un effet de peau accentué alors que les courants de fréquence plus basse f 2 affecteront toute l'épaisseur de la paroi du tube. Dans ces conditions, les variations de l'impédance apparente de la bobine inductrice relevées au droit des zones défectueuses se traduiront par des variations de tensions aux bornes de celle-ci qui feront l'objet de deux enregistrements E 1 et E 2 correspondant respectivement aux courants de fréquences f 1 et f 2. Il apparaît que les défauts 1, 2 et 3 situés au voisinage de la surface interne seront décelés par les deux courants alors que la fissure externe ne le sera qu'au moyen du courant basse fréquence. La comparaison des deux enregistrements permet donc une discrimination des défauts en fonction de leur positions relatives par rapport aux parois 10

11 interne et externe du tube. L'amplitude «i» des courants de Foucault induits en fonction de la profondeur «z» dans le matériau peut être calculée en utilisant la loi d'induction de Faraday. Si le champ inducteur H de la bobine varie d'une manière périodique simple l'intensité «i z» est donnée par l'expression complexe : où : i z = intensité à la profondeur z, i 0 = intensité à la surface ( z = 0 ), f =fréquence, r = perméabilité magnétique relative du matériau, = conductivité électrique du matériau, z = profondeur dans le matériau, t = temps, j2 = - 1 Le premier terme exponentiel de l'expression précédente représente la diminution d'amplitude des courants lorsque la profondeur z augmente, alors que le second terme exprime la phase des courants de Foucault à une profondeur z donnée en fonction de la phase à la surface ( Z = 0 ). A la lumière de ce qui précède, on voit que les variations apparentes d'impédance de la bobine inductrice en présence d'un matériau conducteur sont complexes et affectées par un grand nombre de facteurs qui sont : la perméabilité magnétique relative r du matériau, la conductivité de ce matériau, la fréquence f du courant dans la bobine, la distance D entre la bobine et la pièce contrôlée ou lift-off. En supposant constantes f et D lors d'un examen, ce sont essentiellement les fluctuations de r et de qui seront évaluées puisque ces deux paramètres dépendent des propriétés du matériau et en particulier de sa composition chimique, la teneur en éléments d'un alliage, - la teneur en impuretés d'un métal, 11

12 l'influence de traitements thermiques dont le matériau à fait l'objet et qui sont à l'origine de modifications de la structure cristallographique, ou de phénomènes de précipitation ou de mise en solution de certains éléments, - la température du matériau, etc.). la présence de discontinuités géométriques superficielles (fissures, criques, stries, Ces variations apparentes de l'impédance de la bobine dues à la fluctuation des facteurs précités vont modifier les caractéristiques électriques du circuit contenant cette bobine. 12