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1 &KDSLWUH,, (WXGHGHVWHFKQLTXHVGH FRQWU{OH5;HW86

2 I. INTRODUCTION L objectif de notre étude est l amélioration de la fiabilité du contrôle de défauts dans les joints soudés à l aide d une technique automatique de fusion des informations RX et US. Cet objectif ne peut être atteint sans une connaissance approfondie des phénomènes physiques régissant la détection de défauts. La maîtrise de l'ensemble de la chaîne de contrôle mais aussi de l'expertise humaine est alors essentielle et fait l'objet de ce chapitre. Dans un premier paragraphe, nous décrivons les principes de bases des deux techniques de contrôle et nous rappelons l'objectif de cette étude dans le cadre du projet FFRESHEX. Les principes physiques régissant la formation des images radiologiques et des signaux ultrasonores sont décrits dans le paragraphe suivant. On étudiera par exemple l'origine et la nature du bruit de l'image radiologique, ou encore la spécificité du contraste d'un défaut nécessaire à sa reconnaissance. Au niveau des signaux ultrasonores, il est particulièrement important d'estimer l'origine et l'importance d'un écho, ce qui nécessite une étude approfondie des caractéristiques du champ acoustique. La connaissance de ces phénomènes nous permettra par la suite d adopter des techniques de traitement et d analyse appropriées. Les techniques d'inspection par rayons X et ultrasons sont ensuite décrites dans les paragraphes IV et V. Pour chaque inspection on distinguera le contrôle manuel, son expertise, et enfin le contrôle automatique utilisé lors de cette étude. L'objectif est ici de maîtriser l'ensemble du contrôle effectué par l'expert aujourd'hui et de distinguer les éléments communs aux contrôles manuel et automatique. Ces deux contrôles sont en effet sensiblement différents. Chaque fois que cela sera possible, nous exploiterons par la suite les connaissances de l'expert si celles-ci peuvent être utilisées, et nous nous attacherons à estimer les éléments propres au contrôle automatique. Les problèmes de recalage et de dimensionnement de défauts dans le repère commun du tube à contrôler sont étudiés.

3 II. PRINCIPE ET OBJECTIF DU CONTROLE II.1. Principe des contrôles RX et US Il existe diverses techniques pour contrôler la présence de défauts dans les pièces manufacturées. En particulier, pour le contrôle de soudures, les techniques les plus couramment utilisées sont les contrôles par rayons X, par ultrasons, et parfois par mesures de courant de Foucault. Le principe du contrôle par rayons X est le suivant. Un faisceau de rayons X vient irradier le matériau à contrôler et une partie du faisceau est transmise à travers le matériau. La technique de radiographie consiste à mesurer le faisceau transmis. L image correspondante est une cartographie de l'atténuation locale des rayons X par la pièce. L image radiologique est une projection de l objet sur un plan, ce qui entraîne que les défauts ne sont localisés que suivant deux directions. Pour le contrôle ultrasonore, une vibration mécanique de faible amplitude se propage dans le matériau jusqu'à ce qu'elle rencontre un défaut. Le défaut agit comme un réflecteur et l'onde subit une modification de sa trajectoire. La principale technique de contrôle ultrasonore consiste à analyser l'onde réfléchie par le défaut pour en déduire ses caractéristiques. Cette technique est appelée pulse-echo puisqu'une impulsion crée une onde dans le matériau et que l'on récupère l'écho provenant du défaut. Les principes des deux techniques de contrôle sont illustrés sur la figure suivante. Onde ultrasonore faisceau de rayons X onde émise défaut onde réfléchie diffusion absorption transmission a) principe du contrôle ultrasonore par b) principe du contrôle par rayons X par mesure de l'onde réfléchie (pulse-echo) mesure du faisceau transmis (radiographie) Figure II.1. : Illustration des principes les plus courants de contrôle par ultrasons et par rayons X

4 Ce sont ces deux principes qui sont utilisés lors de cette étude dans le cadre de la détection de défauts dans les soudures. Dans l'exemple de la figure ci-dessus, le défaut sera vraisemblablement mieux détecté par ultrasons que par rayons X. En effet, le contrôle ultrasonore est sensible à la planéité d'un défaut, c'est-à-dire à la portion de surface du défaut réfléchissant l'onde, alors que le contrôle par rayons X est sensible à l'épaisseur du défaut. Dans ce cas, les défauts de forme sphérique sont à l inverse mieux détectés par le contrôle RX. Ce sont essentiellement ces propriétés qui permettent d'affirmer que les deux contrôles sont fortement complémentaires. II.2. Objectif du projet FFRESHEX La référence en matière de contrôle par rayons X est le contrôle sur cliché radiologique, réputé pour avoir la meilleure résolution spatiale. Cette technique est cependant lente et coûteuse. L'objectif du projet FFRESHEX est en premier lieu le remplacement du cliché radiologique par un système automatique d'imagerie (de radioscopie) utilisant un nouveau type de détecteur de rayons X (TDI : Time Delay Integration). Ce détecteur a été monté, pour des essais de validation, sur un ensemble mécanique capable d effectuer une rotation complète autour d un tube pour le contrôle de soudures circonférentielles. Le deuxième objectif du projet est de combiner les informations du contrôle radioscopique avec celles du contrôle ultrasonore automatique pour l amélioration de la fiabilité de l inspection. C est ce deuxième point sur lequel nous avons travaillé dans le cadre de ce projet. La fusion des deux contrôles doit permettre d'améliorer la fiabilité du contrôle en délivrant à l'opérateur une aide pour la prise de décision sur la présence d'un défaut. Elle comprend une première étape de traitement des images RX et des signaux US en vue d extraire les défauts dans un repère géométrique commun, une étape d analyse des caractéristiques des défauts et enfin une étape de combinaison des informations fournies par les deux contrôles. La principale application est le contrôle de joints soudés sur des tubes en acier. Une technique de fabrication des tubes consiste à déformer une plaque en acier jusqu'à obtenir un cylindre. Les deux bords de la plaque sont alors soudés entre eux et la soudure est dite longitudinale. Lorsqu'il s'agit de souder deux tubes entre eux, la soudure est dite circonférentielle. Ce sont ces des deux types de soudure que nous avons étudiés lors de cette étude.

5 L'étude du contrôle par rayons X a débuté sur des images de clichés radiologiques numérisés. Cette étude a été validée par la suite sur site industriel avec le détecteur TDI. De même, différents systèmes d'acquisition par ultrasons ont été utilisés tout au long de cette étude. La nature et l'origine des défauts recherchés dans les soudures sont décrites en annexe A. III. NOTIONS PHYSIQUES III.1. Les rayons X pour le contrôle de soudure En 1895, Rœntgen découvre un nouveau type de rayonnement encore suffisamment étrange pour qu il lui affecte la lettre X. Il est établi aujourd hui que des rayons X sont émis par toute substance, liquide, solide ou gazeuse, lorsqu elle est bombardée par des électrons, ou par des photons, suffisamment énergétiques. L énergie des photons X est très largement supérieure à celle des photons lumineux, ce qui leur confère la propriété de traverser des matériaux opaques à la lumière. Pour le contrôle de soudures en acier de 10 à 40 mm d épaisseur, le rayonnement utilisé est délivré par un tube de 225 kv (l énergie correspondante des photons est au maximum de 225 kev). III.1.1. Phénomène d atténuation Lorsque l on observe un faisceau de rayons X après la traversée d un échantillon, on constate une diminution du nombre de photons par rapport au nombre de photons incidents. Ce phénomène d atténuation est le résultat de divers processus d interaction des photons incidents avec le milieu tels que la diffusion (Compton et Rayleigh), l absorption (effet photoélectrique) ou encore la création de paires. Soit un faisceau de rayons X monochromatique composé de N 0 photons incidents, le nombre N de photons à la sortie de l échantillon est obtenu par la relation empirique de Beer- Lambert : N µ x = N 0 e (II.2.) où x est l épaisseur du matériau irradié et µ est le coefficient d atténuation exprimé en cm -1. L atténuation des rayons X par un élément est d autant plus importante que sa masse volumique et son numéro atomique sont grands. Pour un matériau donné, l atténuation ne

6 dépend que de l énergie du rayonnement émis. Ainsi, dans le cas d un faisceau polychromatique tel que celui produit par un tube à rayons X, le nombre de photons après traversée est la somme intégrale de tous les photons sur toute la gamme d énergie du rayonnement : N total = 0 E max N( E )e µ ( E )x de (II.3.) où E max est l énergie maximale du rayonnement émis. III.1.2. Bruit de l image Lorsque l'on observe un cliché radiologique ou encore une image radioscopique on constate que l'intensité d'une région homogène varie de manière aléatoire. L origine physique de ce bruit (dit quantique) vient du principe d émission des photons X. Ce dernier est un phénomène aléatoire résultant de l interaction des électrons sur une cible métallique. Le nombre de photons émis sur une section de surface donnée est sujet à des fluctuation statistiques au cours du temps. Il est possible de démontrer sous certaines conditions que ce processus obéit à la distribution de Poisson [OCHI-90]. Notons X la variable aléatoire discrète associée au processus de comptage et x une valeur quelconque de cette variable. La probabilité que la variable X soit égale à x est : P( X = x ) = m = E( X ) x m x! e m (II.4.) où m désigne l'espérance mathématique de X, c'est-à-dire le nombre de photons attendu lors d'une épreuve quelconque du processus de comptage. La valeur de m ne peut être obtenue que par estimation. Lorsque X prend un nombre fini de valeurs x 1,x 2,x 3, x r, (si l ensemble des mesures possibles du nombre de photons est limité) alors la valeur moyenne du nombre de photons tend vers l espérance mathématique lorsque le nombre d épreuves tend vers l infini: n 1 x 1 + n2 x nr x n r m n (II.5.)

7 où n k est le nombre de réalisations de l événement (X=x k ) au cours des n premières épreuves. La moyenne arithmétique est ainsi un bon estimateur de la valeur du nombre de photons attendu lorsque le nombre d'épreuves n est suffisamment grand. On démontre également que lorsque l espérance devient supérieure à 20 (ce qui est largement vérifié dans les conditions expérimentales courantes), la distribution de probabilité tend vers 2 une loi normale ou de Gauss N( m, σ ): N( m, σ 2 2 ( x m ) 1 2 ) = 2σ e (II.6.) 2πσ telle que l écart type σ = m, où m est estimé comme la moyenne arithmétique du nombre de photons mesuré sur un grand nombre d'épreuves. Le processus de comptage des photons est donc un phénoméne aléatoire dont la loi de probabilité est gaussienne. Ainsi, la probabilité pour que le nombre de photons comptés s'écarte d'une valeur moyenne N entre N + N et N - N est de 68,3%. La probabilité qu il soit supérieur à N+3 N (resp. inférieur à N-3 N ) est quasiment nulle (1,5Å). Comme nous l'avons mentionné précédemment, le spectre d émission d'un tube à rayons X est polychromatique. Il n'existe donc pas N photons d'énergie E mais N i photons pour chaque tranche d'énergie E i. dn/de raies caractéristiques de la cible E max Figure II.7. : Exemple de spectre d'un tube à rayons X énergie Le signal, tel que celui délivré par le détecteur de rayons X TDI utilisé lors de cette étude, est proportionnel à l'énergie absorbée sur une surface élémentaire (pixel) et pendant un intervalle de temps donné (temps d'intégration). Pour chaque photon incident, le détecteur absorbe une

8 partie de l'énergie du photon notée absorbée E i qui est proportionnelle à l'énergie incidente : E = K E. Le coefficient K i est le coefficient d'absorption du détecteur et il dépend de absorbée i i i l'énergie du photon. Le signal délivré par le détecteur est proportionnel à la somme de toutes les énergies absorbées 1 : S détecteur i K N E i i i (II.8.) Puisque pour chaque tranche d énergie, le nombre de photons suit une loi de distribution normale, le signal du détecteur étant une combinaison linéaire du nombre de photons N i ; il suit lui-aussi une loi de distribution normale. On peut le vérifier sur l histogramme d une image en niveaux de gris, comme le montre la figure II.9.. Nombre de pixels valeurs mesurées loi normale S f - 2σ S f S f + 2σ Niveau de gris Figure II.9. : histogramme en niveau de gris d une région homogène de l image radioscopique obtenue avec le détecteur TDI (image cm²), et loi normale estimée La loi normale a été estimée à partir de la moyenne arithmétique des niveaux de gris. La relation II.8 montre que l'écart-type de la distribution gaussienne n est plus égal à la racine carrée de la moyenne. Il est toutefois possible de l exprimer de manière théorique [DUVA- 00]. On peut remarquer que cette définition thèorique ne tient pas compte des bruit liés aux courants de lecture et d'obscurité. On considére généralement que le bruit dû au courant d obscurité vérifie une loi normale, alors que les fluctuations du courant de lecture sont inconnues. Le bruit lié au courant d obscurité est négligeale dans note application car ces 1 Certains photons diffusés par l objet peuvent aussi être détectés, auquel cas, ils participent au signal sans apporter d information. Le rayonnement diffusé est un rayonnement parasite pour la radiologie.

9 fluctuations n'interviennent que pour des temps d'intégration élevés. Le bruit lié au courant de lecture dépend de l électronique et de la vitesse de lecture. Dans notre cas, le bruit de l image est donné par l écart-type des niveaux de gris, estimé à partir de la variance, c est-à-dire de la moyenne des carrés des écarts à la moyenne. III.1.3. Notion de contraste Dans son emploi usuel, le contraste d'une région de l'image par rapport à une autre région désigne la variation ou différence d'intensité entre ces deux régions. Le contraste d'un défaut par rapport au fond de l'image est donc la différence de signal observée entre le fond et le défaut. La figure suivante illustre les différences de signal observées sur un échantillon d'épaisseur x en présence d'un défaut d'épaisseur x. tube à rayons X défaut Σ N i E i matériau irradié x x ligne du détecteur S f S d S f Figure II.10. : Représentation du signal reçu sur une ligne du détecteur pour un matériau irradié d'épaisseur x contenant un défaut d'épaisseur x : S d représente le signal observé sur le défaut et, S f, le signal du fond. " Le contraste s'exprime comme la différence des signaux S d et S f mesurés sur le défaut et sur le fond. Il dépend de l'atténuation des rayons X par le matériau et par le défaut, ainsi que de l'épaisseur du défaut x. C est pourquoi il est important de définir précisément ce paramètre car il est porteur de l information du contrôle. Toutefois, lors du traitement numérique de l image, la détection d un défaut ne dépend pas seulement de son contraste mais également du bruit de fond. En effet, lorsque deux défauts ont un contraste identique, il est possible que seul l'un d'entre soit observable, l'autre étant noyé dans les fluctuations importantes du bruit de fond.

10 Observons le signal en niveaux de gris d'un défaut réel mesuré sur une ligne du détecteur (figure II.11.). niveau de gris S d S f 2σ 2σ " Figure II.11. : Profil de niveau de gris d'un défaut réel suivant une ligne " de l'image radioscopique : S d représente ici le signal maximum observé sur le défaut 2 et, S f est le signal moyen du fond calculé autour du défaut. σ est l'écart-type de signal dans le fond de l'image. Le signal mesuré de part et d'autre du défaut fluctue autour d'une valeur moyenne. Cette fluctuation suit la distribution de probabilité normale décrite au III.1.2 (l'histogramme de la figure II.9. et le profil de la figure II.11. sont extraits de la même image). L'écart-type des niveaux de gris σ du fond, représenté sur la figure ci-dessus (2σ), est estimé à partir de cet histogramme. Le signal du défaut se présente sous la forme d'un pic de niveaux de gris. Afin de comparer le contraste d'un défaut par rapport au bruit de fond de l'image, on définit un paramètre de contraste-sur-bruit C b tenant compte de ces fluctuations : C b Sd S f = (II.12.) σ Ce paramètre permet ainsi de comparer différents défauts entre eux indépendamment du bruit de fond, c'est-à-dire indépendamment des conditions expérimentales. Il est important de remarquer que le contraste-sur-bruit est insuffisant pour décrire ce qui permet de distinguer à l'œil deux régions entre elles. D'autres critères peuvent intervenir comme la taille des régions, la forme rectiligne de leur contour, ou encore certains phénomènes d'incohérence du système visuel humain [GONZ-79]. Dans le cadre du traitement d'image, ce paramètre constitue cependant un bon estimateur de l'aptitude d'un traitement à détecter un défaut. 2 Lors de notre étude, le signal S d est défini par la moyenne des niveaux de gris dans le défaut (cf chapitre III).

11 III.1.4. Flou géométrique Lorsque le faisceau de rayons X est généré par une source ponctuelle, il n existe qu un seul rayon passant par la source et l extrémité d un défaut quelconque. Les bords du défauts sont alors nets sur l image. Au contraire, lorsque la source n est pas ponctuelle, il existe une infinité de rayons passant par la source et le bord du défaut conduisant ainsi à l imagerie d un défaut dont les bords sont flous. Cette propriété est désignée sous le nom de flou géométrique. La figure suivante représente les chemins minimal et maximal des rayons passant par la source et les deux bords du défaut. tube X matériau Ligne du détecteur source ponctuelle intensité du signal défaut a F ouverture du foyer d f f a) cas d'une source ponctuelle b) cas d'une source non ponctuelle ( tube à rayons X) Figure II.13. : Illustration du flou géométrique f (F: distance source - détecteur, a : distance maximale entre un défaut et le détecteur d : ouverture du tube X) : a) en présence d'une source ponctuelle, les contours du défaut sont nets; b) en présence d'une source non ponctuelle, les contours du défauts sont flous, le défaut apparaît plus large et la longueur du plateau au centre du défaut est réduite Le flou géométrique est généralement calculé dans le cas le plus défavorable, c est-à-dire lorsque le défaut est situé sur le haut de la pièce du coté de la source. Il s'écrit alors : da f = (II.14.) F a

12 L'ouverture du foyer influe donc sur la taille du défaut observé sur l'image. On peut également remarquer que si le défaut est étroit, le flou peut avoir pour effet secondaire de diminuer le contraste, ce qui rendra le défaut d'autant plus difficile à détecter. III.2. Les ultrasons pour le contrôle de soudure III.2.1. Introduction Les vibrations ultrasonores sont des ondes acoustiques dont les fréquences de vibrations sont comprises entre 20kHz et 50MHz. Elles sont crées au sein d'un capteur appelé traducteur ou sonde, comprenant une pastille d'un matériau piézo-électrique. Lorsqu'une impulsion électrique est appliquée entre les faces de la pastille, celle-ci se déforme et transmet au milieu voisin la vibration mécanique sous forme d'onde ultrasonore. Cet effet est réversible, ce qui permet d'utiliser la même pastille pour générer une onde ultrasonore et pour détecter l'onde réfléchie par un obstacle. Cette propriété de réversibilité donne le nom de transducteur à la pastille. La bande 2-10 MHz est la plus utilisée dans le domaine du contrôle de matériau. III.2.2. Propagation d une onde ultrasonore dans un milieu élastique isotrope Il existe principalement deux modes de propagation des ondes ultrasonores dans les solides. Le premier désigne une onde de compression (ou onde longitudinale), et le deuxième une onde de cisaillement (ou onde transversale). Dans le premier cas, les particules se déplacent suivant la direction de la propagation de l onde et dans une direction perpendiculaire dans le second cas (figure II.15. et II.16.). Figure II.15. : déplacement des particules : onde de compression (onde longitudinale O.L.) Figure II.16. : déplacement des particules : onde de cisaillement (onde transversale O.T.)

13 Les vitesses de propagation des ondes T et L dépendent des caractéristiques de compression et de cisaillement du matériau. Ainsi, la mesure de ces vitesses est utilisée pour la caractérisation de la structure mécanique des matériaux. Lors du contrôle de défauts, il est nécessaire de connaître la vitesse de propagation de l onde car elle permet de remonter à la distance parcourue dans le matériau et donc à la position du défaut. Dans l'acier, le module de compression est supérieur au module de cisaillement. La célérité de l onde longitudinale est de 5940 m/s, et environ la moitié, 3220 m/s, pour l onde transversale. Dans les milieux liquides, il n existe pas d onde de cisaillement et seule l onde de compression se propage. D'autre modes de vibrations en surface (ondes de Rayleigh) ou propres aux matériaux plans et minces (ondes de Lamb) sont utilisés dans des applications particulières lors d'examen de surface ou de tôles minces. III.2.3. Propagation de l onde à l interface de deux milieux Lorsqu une onde arrive à l interface de deux milieux aux propriétés élastiques différentes, la direction de propagation de l onde est modifiée. A l interface liquide-solide, une onde longitudinale incidente se propage dans le matériau en deux ondes longitudinales et transversales suivant des directions différentes. La figure II.17. représente les angles de réfraction des deux ondes, à l interface eau-acier. α i onde incidente eau acier onde réfléchie direction de propagation de l onde déplacement des particules α L onde réfractées α T Figure II.17. : réflexion et réfraction d une onde à l interface eau-acier : α i, α L, et α T,sont les angles qui définissent les direction de propagation des ondes incidentes (et réfléchies) et des ondes réfractées longitudinales et transversales

14 Les angles vérifient la loi de Snell-Descartes : sin( C α i sin( α r ) = (II.18.) i ) C r où α i et α r désignent les angles des ondes incidentes et réfractées et, c i et c r les vitesses de propagation des deux ondes. Au delà d un angle incident limite de 14,5, l onde longitudinale réfractée n existe plus (sinα r = 1). Dans ce cas, l onde transversale se propage dans l acier avec un angle supérieur à 32,5. Cette propriété est particulièrement intéressante pour le contrôle de défauts dans l acier puisqu il ne peut y avoir alors de confusion entre les deux ondes. Les traducteurs destinés au contrôle de soudure en incidence oblique sont généralement fabriqués de telle sorte que seule l onde transversale se propage dans l acier. Par contre, au delà d un angle de 70 pour l onde transversale réfractée, il risque d apparaître un troisième type d onde appelé onde de surface. Les traducteurs courants utilisés pour le contrôle de défauts, génèrent des ondes transversales avec un angle dans l'acier compris entre 35 et 70 afin de supprimer l'onde L et de ne pas générer une onde de surface. Certains contrôles sont toutefois effectués avec des ondes longitudinales car elles présentent l'avantage d'être beaucoup plus intenses (cette propriété est intéressante dans l acier austénitique où l atténuation des ultrasons est très importante). III.2.4. III Forme du champ ultrasonore Influence du traducteur sur la forme du champ sonore Lorsque l on effectue un contrôle de matériau par ultrasons, il est très important de connaître les caractéristiques du faisceau acoustique émis par le traducteur. En particulier, il s'agit d'estimer la pression acoustique en un point quelconque du champ sonore. La pression acoustique est définie comme la variation de force exercée sur une surface élémentaire du milieu lors du passage de l onde à un instant donné. La détection d un défaut est d autant plus aisée que celui-ci est situé dans une région où la pression acoustique est importante. Outre la pression acoustique, l étendue du champ sonore est un paramètre important pour le contrôle. En effet, plus le champ acoustique est concentré dans une région limitée, plus il est

15 facile de déterminer la position et les dimensions d un défaut au sein de la soudure. Finalement, un faisceau concentré dans une région pour laquelle la pression acoustique est importante constitue donc la meilleure utilisation des ultrasons pour la détection, le positionnement, et, le dimensionnement des défauts. Ce type de faisceau est obtenu à l aide de traducteurs focalisés. La focalisation est réalisée soit par des dispositifs mécaniques (lentilles), ou électroniques (barrettes de transducteur) ou les deux à la fois. La région de focalisation est appelé tâche focale et peut facilement avoir une étendue proche de 1 mm. En pratique, il est néanmoins intéressant d utiliser des palpeurs à faisceaux larges pour contrôler une grande étendue du volume de la soudure en une seule fois ; ceci permet ainsi de réduire le nombre de palpeurs à utiliser et donc de diminuer la durée du contrôle, et le volume de données. La figure suivante illustre les deux types de contrôle pour la détection de 3 défauts situés à différentes positions dans le volume de la soudure. a) contrôle à l'aide d'un traducteur focalisé b) contrôle à l'aide d'un traducteur divergent Figure II.19. : Illustration de l'effet de la focalisation sur le contrôle de défauts : a) pour un traducteur focalisé, seul le défaut situé dans la tâche focale sera détecté et l'amplitude du signal sera importante; b) pour un traducteur divergent, tous les défauts situés dans les limites du faisceau peuvent être détectés mais avec une amplitude de signal beaucoup plus faible Lors de ce projet, les partenaires industriels ont choisi d utiliser des traducteurs divergents. Nous allons donc nous intéresser à la répartition de pression acoustique dans le champ sonore

16 pour ce type de traducteur. Le champ acoustique est généralement décomposé en deux régions, une proche de l oscillateur et une plus éloignée ; l étude de ces deux régions fait l objet du paragraphe suivant. III Champ ultrasonore d'une pastille plane : traducteur divergent La source de rayonnement ultrasonore donne naissance à des phénomènes de diffraction. Grâce au principe de Huygens, on sait calculer la pression acoustique en n'importe quel point de l'espace en considérant que tous les points de la pastille sont à l'origine de l'émission d'une onde sphérique (figure II.20.). Ondes sphériques élémentaires Fronts d onde plane Oscillateur Figure II.20. : Principe de Huygens :front d'onde générée par un oscillateur plan 3 Si tous les points de l oscillateur vibrent en phase et à la même fréquence l enveloppe des ondes élémentaires au centre de l oscillateur définit des fronts d ondes planes. Les différentes ondes élémentaires interférent entre elles et créent des zones de pression accoustique maximale et nulle le long de la direction de propagation de l onde et suivant les directions transversales (figure II.21.). 3. C est ce principe qui est utilisé pour générer différents angles par un réglage électronique des retards dans les réseaux de transducteurs constitués de succession d éléments piézo-électriques; chaque point de la source est excité à différents instants, ce qui permet de générer différentes angles ou encore de focaliser le faisceau dans une région souhaitée.

17 Figure II.21. : Représentation des interférences dans le champ sonore (reproduction photographique [KRAU-83]) : la zone proche de la source ( à gauche) est très perturbée On constate que près de la source, le champ acoustique est très perturbé. Dans cette région appelée zone de champ proche ou zone de Fresnel, le contrôle n'est pas possible. L étendue de cette région ainsi que le nombre de maxima et minima de pression acoustique dépendent du rapport entre le diamètre de la pastille D et la longueur d onde λ. On observe un dernier maxima de pression acoustique pour une position particulière suivant la direction de propagation de l onde. Cette position détermine la limite de la zone de champ proche " 0 suivant la direction de propagation et sa valeur est fonction de D et λ : D λ D " 0 = (II.22.) 4λ 4λ Pour les longueurs d ondes faibles devant D le terme λ² est négligeable, ce qui est le cas de la plupart des applications courantes. La relation précédente est valable pour une pastille de forme circulaire mais certains traducteurs classiques possèdent une pastille de forme rectangulaire. Dans ce cas, la longueur de champ proche est 1,35 fois plus importante. La détermination théorique de la longueur du champ proche est faite en supposant que l on a une émission sinusoïdale entretenue ; dans la pratique on fonctionne toujours en émission pulsée et la valeur réelle de " 0 est plus faible que la valeur théorique. Dans ce cas, le spectre du signal est composé, non plus d'une fréquence unique (i.e. une λ unique), mais d'une bande de fréquences. Au delà du champ proche, le champ sonore appelé zone de Fraunhofer ou champ éloigné est alors de forme beaucoup plus simple. La figure suivante représente le profil de pression acoustique perpendiculairement à la direction de propagation dans la zone de champ éloigné.

18 " 0 3" 0 6" 0 oscillateur D γ 0 γ Direction de propagation Champ éloigné Figure II.23. : Profil de pression acoustique perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde dans la zone de champ éloigné, l'angle γ 0 délimite les premiers points de pression acoustique nulle par rapport à l'axe Les profils de pression acoustique sont donnés pour différentes distances " 0,à 3" 0 et 6" 0. Au delà de 3" 0 la pression acoustique P en dehors de l axe est calculée à partir de la relation suivante : P D 2J ( π sin( γ )) = λ (II.24.) D π sin( ) λ P 1 0 γ où P 0 est la pression acoustique sur l axe principal du faisceau pour une distance à la source donnée, et J 1, la fonction de Bessel du premier ordre. Cette fonction traduit l évolution de la pression acoustique en dehors de l axe principal du faisceau et pour une position éloignée de la source. Pour tous les points définis par l angle γ, le rapport P/P 0 est constant. Les premiers points de pression acoustique nulle (à partir du centre) forment un secteur angulaire désignéγ 0. Pour un oscillateur circulaire de diamètre D, l angle γ 0 est calculé à partir de la théorie de la diffraction : λ sin( γ 0 ) = 1,22 (II.25.) D

19 Pour un oscillateur de géométrie rectangulaire, le terme 1,22 est remplacé par 1 et D par les deux dimensions de l oscillateur définissant ainsi deux angles d ouvertures suivant sa largeur et sa hauteur. Le lobe principal d ouverture du faisceau ne présente plus de symétrie de révolution. Lors du contrôle de défauts, on s intéresse généralement à l ouverture du faisceau pour laquelle la pression acoustique est supérieure à un pourcentage donné de la pression maximale suivant l axe. On recherche ainsi l angle pour lequel le rapport des deux pressions dépasse une certaine valeur. Exprimé en décibels, le rapport des deux pressions devient une différence et il est noté db. L angle d ouverture γ db du faisceau est alors tel que : sin( γ λ ) = k db (II.26.) D db Les valeurs de k db sont données dans [KRAU-83] pour quelques angles d'ouverture particuliers. D'autres angles peuvent être obtenus à partir du calcul de la fonction de Bessel du premier ordre dont les valeurs tabulées sont disponibles dans [PERE-94]. Il est à remarquer que cette règle s'applique pour une onde sphérique qui ne subit de perte d énergie ni par absorption ni par diffusion. Dans la réalité, la zone utile du faisceau est plus étroite que ce qui est prévu par les phénomènes de diffraction. III.2.5. Atténuation de l onde ultrasonore Si l on ne considère que le phénomène de divergence de l onde ultrasonore dans un milieu, la pression acoustique d une onde sphérique loin de sa source diminue suivant l inverse de la distance du point considéré à la source. Cette considération est purement géométrique car la perte d énergie provoquée par les phénomènes de diffusion et d absorption provoque en fait une décroissance exponentielle de la pression acoustique le long de l axe principal, de telle sorte que la diminution totale de signal s exprime de la manière suivante : P.G = (II.27.) P 0 e

20 P 0 est la pression acoustique initiale, α le coefficient d atténuation et P la pression résultante à une distance d. Dans les solides, l atténuation de l onde réfléchie varie suivant le carré de la fréquence des oscillations. Lors du calibrage du contrôle ultrasonore, la diminution totale de signal dans l acier est mesurée sur des défauts artificiels identiques situés à différentes profondeurs dans un échantillon. Il s agit de trous de diamètres identiques percés à différentes profondeurs dans un bloc en acier (figure II.28.a). traducteur trous débouchants Amplitude du signal 1 2 bloc étalon distance a) échantillon de calibrage b) courbe Amplitude-Distance Figure II.28. : Calibrage de l atténuation de l onde de l ultrasonore Lors du contrôle de défauts, l amplitude du signal réfléchi par un défaut est toujours comparée à l amplitude obtenue lors du calibrage sur un trou situé à la même profondeur. On représente alors sur un graphique l amplitude de l onde réfléchie par un trou en fonction de la distance (figure II.28.b). Cette courbe est désignée sous le terme de Courbe Amplitude - Distance. Il est possible de corriger cette atténuation lors du contrôle par une amplification du signal reçu en fonction de la distance. Dès lors, les signaux réfléchis par deux défauts identiques situés à des profondeurs différentes ont la même amplitude, et cette amplitude traduit ainsi la gravité d un défaut indépendamment de sa profondeur. Dans la suite de notre étude, nous supposerons que toutes les acquisitions sont faites avec correction électronique de l atténuation et que l amplitude d un écho est indépendante de la distance du traducteur au réflecteur.

21 IV. INSPECTION PAR RAYONS X IV.1. Le contrôle sur film (radiographie) La plupart des systèmes de contrôles par rayons X de joints soudés sur tubes utilisent encore la technique du film. Lorsque le tube à contrôler est de diamètre suffisamment important, une source radioactive (ou un tube X panoramique) située à l intérieur du tube vient impressionner un cliché radiologique fixé sur la soudure à l extérieur du tube (II.29. a). Source panoramique film tube Tube X film tube a) tir panoramique en simple paroi b) tir en double paroi Figure II.29. : principales techniques de tir par rayons X pour les soudures circonférentielles de tubes Cette technique de prise de cliché est désignée sous le terme de tir en simple image et simple paroi puisque les rayons X ne traversent qu une seule paroi avant d atteindre le cliché. Lorsque le diamètre du tube est insuffisant, on utilise un tube à rayons X placé à l extérieur du tube à contrôler. Le film est alors diamétralement opposé au tube, et le rayonnement traverse les deux parois avant d atteindre le film. Le tube à rayons X est généralement désaxé par rapport au plan formé par la soudure et celle-ci vient se projeter sur le film en formant une ellipse. On parle ainsi de tir en projection elliptique (en simple image et double paroi). Le film est ensuite développé et étudié par l expert. Celui-ci vérifie tout d abord la qualité du contrôle à travers la densité optique du cliché et l image des indicateurs de qualité d image (IQI). Ces indicateurs normalisés sont en général constitués de fils métalliques de différents diamètres placés sur la paroi du tube à contrôler du (norme européenne). Le plus petit fil visible détermine la qualité du tir. Le tir est dit conforme aux spécifications du contrôle si un certain nombre de fils sont visibles à l œil sur le cliché. Le nombre de ces fils dépend de l épaisseur du tube.

22 IV.2. Expertise du cliché radiologique Sur le cliché radiologique, une variation d atténuation se traduit par une variation de densité optique (un manque de matière sera plus sombre que le fond). Ces variations d atténuation peuvent provenir des défauts mais également des différences d épaisseur du cordon de soudure. Ces dernières apparaissent sous la forme de vagues ou de sillons. Parmi tous les types de défauts existants (voir Annexe A), certains sont facilement reconnus par l expert, comme les soufflures alors que d autres sont plus difficiles à distinguer comme les inclusions de laitier. En effet, les soufflures présentent des contours bien définis et une forme bien ronde (ou ovale pour les soufflures allongées). Par contre, les inclusions de laitier sont de forme quelconque et ressemblent plus aux variations d épaisseur du cordon de soudure. Ceci n est pas en général un problème puisque les soudures sont aussi inspectés visuellement. Les différents types de défauts se distinguent par plusieurs caractéristiques telles que la position, la forme, l orientation, la netteté des contours Ainsi, les défauts de manque de fusion sont particulièrement fins et allongés dans la direction du cordon, et les fissures, également fines et allongées, se présentent par contre sous la forme de branches. Le jugement de l expert est de plus fortement lié à son expérience personnelle du terrain comme par exemple ses connaissances sur la fréquence d apparition d un type de défaut sur un poste de soudage particulier, ou à partir de conditions expérimentales données (énergie du rayonnement, sensibilité du film utilisé). L interprétation des clichés radiologiques est un domaine où l expert humain est reconnu comme le plus performant mais son jugement demeure subjectif [JACO-99].

23 IV.3. Le contrôle radioscopique IV.3.1. Principe Le tube à rayons X ainsi que le détecteur sont ici maintenus sur un ensemble mécanique appelé système orbital. Celui-ci effectue une rotation autour du tube à contrôler pendant l inspection. (II.30.). moteur / encodeur Tube X Acquisition X et commande moteur Détecteur Figure II.30. : chaîne de mesure du contrôle radioscopique Figure II.31. : photographie du système orbital FFRESHEX Le tube à rayons X est incliné par rapport à l axe de la soudure de telle sorte que seule la partie de la soudure la plus proche du détecteur est présente sur l image. La première paroi traversée par les rayons X est donc une paroi sans soudure et la deuxième contenant la soudure vient se projeter sur le détecteur.

24 La conversion de photons X en un signal électrique est assurée par le détecteur composé d une couche scintillatrice et de plusieurs lignes (ou barettes) de photodiodes. La taille des photodiodes (54 54µm²) fournit une résolution spatiale identique à celle du film numérisé. Le scintillateur absorbe l énergie des photons X et la restitue sous la forme de photons lumineux vers les photodiodes. Celles-ci convertissent ce signal en charges électriques, lesquelles sont lues par un dispositif à transfert de charges (en anglais "charge coupled device" CCD). L'originalité de ce détecteur est qu'il permet d'effectuer un contrôle en défilement en préservant un très bon rapport signal-sur-bruit grâce à un système d'intégration des lignes de charges décalé dans le temps (en anglais "Time Delay Integration", TDI). La synchronisation entre les transferts de charges du détecteur et le déplacement du système orbital est assurée par un ordinateur distant. IV.3.2. Positionnement pour le contrôle radioscopique L image par rayons X est une projection du volume de la soudure sur un plan tel que le cliché radiologique ou le détecteur. Un défaut observé sur un point P de l image, peut être localisé à différentes positions dans le volume de la soudure. L axe passant par le foyer du tube à rayons X et le centre du détecteur est décalé par rapport au centre de la soudure (figure II.32.). Pixel P Détecteur z y M N axe du tube e Tube X Figure II.32. : Incertitude sur la position d un défaut sur l image radioscopique en contrôle simple image double paroi (les dimensions ne correspondent pas à un cas réel et sont exagérées)

25 Sur cet exemple, les trois défauts situés entre N et M vont se projeter sur le même point P du détecteur. Il existe donc une incertitude sur la position y du défaut alors qu avec un tir en projection normale, cette position est bien connue; dans un souci de recalage des défauts avec ceux observés lors du contrôle ultrasonore, il est important d estimer la position d un défaut dans le repère du tube à contrôler. Pour chaque point P du détecteur on détermine l'équation de la droite D passant par ce point et le centre de la source dans le repère du tube à contrôler: ( D ) : ay + bz + c = 0 (II.33.) a, b, et c dépendent des coordonnées de P dans le repère du tube mais également de l'angle d'inclinaison du tube X, de la distance entre la source et le détecteur, et enfin de l'épaisseur de plaque notée e. Les coordonnées des points M et N sont alors les suivantes : Z Z M N e = + δ 2 e = + γ 2 Y M Y N bz M = a bz N = a c (II.34.) c (II.35.) δ et γ représentent respectivement les sur-épaisseurs des calottes supérieure et inférieure de la soudure, en général connues de manière approximative. Leur valeur est déterminée à partir de la géométrie de la soudure. Ainsi pour un défaut observé sur un point P de l'écran, sa position moyenne dans le volume de la soudure est : Z Y défaut défaut YM YN = YN + 2 (II.36.) Z M Z N = Z N + 2 (II.37.) La dimension du défaut est également calculée en considérant les équations de deux droites passant par les extrémités du défaut. Contrairement au contrôle ultrasonore, les incertitudes de mesure des différents paramètres d'acquisition (angle de tir, distance source-détecteur, grandissement optique) sont négligeables. En effet, le principe même de mesure du détecteur TDI impose des contraintes sévéres sur la précision mécanique de l'ensemble que nous avons pu vérifier lors des essais sur site.

26 V. INSPECTION PAR ULTRASONS V.1. Le contrôle manuel V.1.1. Principe Le contrôle manuel sur site industriel est effectué par l'expert grâce à un traducteur ultrasonore relié à un dispositif portable de réception et de visualisation des signaux. Il positionne le traducteur sur le côté de la soudure et effectue un balayage de la tôle tout en observant les signaux sur l'écran (figure II.38.). traducteur Observation des signaux Pic d émission Amplitude écho de défaut temps Balayage manuel de la pièce en zig-zag Joint soudé à contrôler défaut z x y Figure II.38. : contrôle manuel par ultrasons par balayage du traducteur La zone de balayage est choisie de telle sorte que tout le volume de la soudure soit contrôlé. Plus l'écartement entre les lignes de déplacement du palpeur est important plus les risques de manquer un défaut sont importants. Lorsque l'expert observe alors un écho pour une position particulière du palpeur, il relève l'amplitude de cet écho et continue le déplacement jusqu'à obtenir l'écho d'amplitude maximale et relève alors le temps de parcours de l onde dans le matériau. Connaissant l'angle d incidence du faisceau et la vitesse il en déduit la position du défaut dans le volume de la soudure. L'amplitude de l'écho est un paramètre important lors du contrôle puisqu'il est théoriquement proportionnel à la surface du défaut réfléchissant l'onde ultrasonore. Cependant, l'amplitude de pression acoustique diminue au fur et à mesure que l'onde pénètre dans le matériau. Cette amplitude est également fonction du palpeur et des gains électroniques appliqués aux signaux d'émission et de réception. Il est donc difficile d'estimer cette surface sans l'utilisation

27 d'étalons. Le signal d'un défaut est donc toujours comparé au signal mesuré sur un défaut artificiel. V.1.2. Dimensionnement de défauts en contrôle manuel La localisation d un défaut, détecté lors du contrôle ultrasonore, ne pose en général pas de problème. A. Badidi montre cependant que la connaissance de la répartition spatiale du champ acoustique permet d améliorer la précision sur la localisation des défauts [BADI-98] La mesure des dimensions du défaut est au contraire un problème complexe. Elle est rendue difficile par la grande variété de traducteurs disponibles (grande diversité d apparence du champ acoustique) et de nature des défauts (type, orientation, rugosité). Une étude comparative sur un grand nombre de défauts révèle, par exemple, que les défauts sont caractérisés différemment selon la fréquence du traducteur employé (2 MHz ou 4 MHz) [GEOR-94a]. Le problème du dimensionnement revient à chercher la position du palpeur pour laquelle le faisceau est dirigé vers les extrémités du défaut. Bien qu il n existe pas à l heure actuelle de méthode fiable dans tous les cas de figure, on distingue deux grandes familles de technique de dimensionnement ; la première consiste à utiliser comme référence des réflecteurs étalons de forme et de dimension connues. La seconde relève plus d un aspect physique prenant en considération la répartition de la pression acoustique du champ ultrasonore (méthode AVG [KRAU-83]). Nous retiendrons ici la plus utilisée appartenant à la première famille : la méthode dite de dimensionnement à -6dB. Lors d un contrôle manuel, l expert déplace le palpeur tout autour du défaut en recherchant tout d abord la position délivrant l amplitude de l écho la plus importante. La technique de dimensionnement dite «à -6dB» consiste alors à déplacer le palpeur de part et d autre de ce point jusqu à obtenir une chute d amplitude de la moitié de l amplitude maximale. Le rapport des deux amplitudes exprimé en décibels est égal à 6dB. Les positions relevées du palpeur permettent ainsi de dimensionner le défaut (figure II.39.).

28 Zone de déplacement du palpeur Gain en db par rapport à Amax 0 db -6dB Réflecteur plan Amplitude du signal réfléchi longueur mesurée du réflecteur Figure II.39. : dimensionnement d un défaut plan par la méthode à 6dB Lorsque l expert observe une chute de 6dB, la moitié du faisceau ultrasonore est situé sur le défaut et l axe principal traverse le bord du défaut. La distance parcourue par le traducteur pour obtenir cette chute d amplitude fournit alors la longueur du défaut. Cette méthode n est toutefois plus valable lorsque la dimension du réflecteur est faible devant le largeur du faisceau. Dans ce cas, le dimensionnement par la méthode à 6dB n indique pas la longueur du défaut mais le diamètre du faisceau ultrasonore. De ce fait, l erreur commise est d autant plus importante que le défaut est situé loin du palpeur et que sa taille est faible devant le diamètre du faisceau. Cette propriété peut être illustrée sur un diagramme représentant la longueur réelle du réflecteur en fonction de sa longueur mesurée pour différents positions du défaut dans le champ sonore [KRAU-83]. Nous verrons dans le chapitre IV que l erreur commise sur la dimension de défauts de petite taille tels que les soufflures peut être supprimée lors du processus de fusion lorsque ces défauts sont également détectés par le contrôle RX. V.2. Expertise du contrôle ultrasonore Bien que l'observation d'un écho sur l'écran de visualisation des signaux ultrasonores soit la première signature de la présence d'un défaut, elle ne constitue pas une condition suffisante. Certains échos peuvent provenir d'autres sources que les défauts telles que les réflexions liées à la géométrie de la soudure. La partie inférieure de la soudure, généralement courbe, fournit

29 une grande surface de réflexion pour l'onde ultrasonore (particulièrement pour les palpeurs à 45 inspectant la racine). Lorsque l'expert observe un écho dans cette partie de la soudure, il étudie particulièrement la région. La seule information de position ne permet généralement pas non plus d'affirmer qu'il s'agit d un excès de pénétration naturel du métal à la racine. Il peut s'agir par exemple d'un défaut de manque de pénétration à la racine. Dans les deux cas, les amplitudes des échos sont comparables et les positions calculées sont proches. Une technique consiste alors à déplacer le palpeur de chaque côté de la soudure et à mesurer la position du défaut à partir des temps de parcours. Si le défaut est situé du côté droit de la soudure pour le traducteur de droite et du côté gauche pour le traducteur de gauche alors c'est un manque de pénétration à la racine. Dans le cas d'un excès de pénétration, chaque traducteur observe le défaut de l'autre côté de la soudure par rapport à sa position. Une autre source d'échos parasites est liée à la constitution du métal. Lorsque les grains du métal sont de taille importante, les joints de grains constituent alors des réflecteurs pour l'onde incidente. Ils sont toutefois de très faible amplitude dans l'acier ordinaire et contribuent à former le bruit du signal. D'une manière imagée, ce bruit est généralement appelé «pelouse». L'intérêt majeur du contrôle ultrasonore est de pouvoir détecter aisément les défauts plans lorsqu'ils sont orientés perpendiculairement au faisceau incident. La distinction entre les défauts plans et les défauts volumiques est délicate et requiert une analyse détaillée des signaux. L'Institut de Soudure Français (ISF)a élaboré une procédure automatique en cascade visant à distinguer les défauts plans des défauts volumiques [KOPP-98]. Cette procédure est en cours de normalisation (IS.US , EN 1713)

30 1 Ad DAC -10dB oui Aucune classification requise Défaut plan non 2 Ad DAC +6dB oui Défaut volumique 3 non Ad DAC - 6dB et Ad -Adi 9 db oui 4 non Ascan montre un écho unique et lisse oui non 5 Ascan montre un écho unique dentelé ou de multiples échos ET la courbe échodynamique transversale est de forme variable oui non Ad : Amplitude maximale de l'écho du défaut DAC : courbe amplitude distance: représentation des amplitudes de référence en fonction de la profondeur (différents temps de parcours) sur des trous de =3mm Adi : plus grande amplitude d'un écho pour un angle d'incidence différent Figure III.40. : procédure en cascade de l'institut de Soudure Français pour la distinction entre défauts non classés, défauts plans et défauts volumiques Pour les étapes 1 à 3, seule l'amplitude de l'écho est utilisée. L'amplitude maximale de l'écho du défaut A d est comparée à l'amplitude de référence DAC sur un trou calibré de diamètre 3mm. L'étape 3 considère l'amplitude maximale A di observée suivant un autre angle d'incidence. Lors du contrôle automatique effectué dans le cadre de notre étude, cette opération n'est pas possible et nous ne pouvons malheureusement pas utiliser cette procédure. Notons que l étape 5 fait appel à la courbe échodynamique d'amplitude du signal le long du déplacement du traducteur. En effet, le signal d'un défaut plan se présente sous la forme d'un pic dont l'enveloppe est formée de plusieurs petits pics. Lorsque l'opérateur déplace le palpeur le long du défaut, il observe des changements de forme du signal. Les petits pics se déplacent sur l'enveloppe de l'écho. L'étape 5 utilise cette propriété en comptant le nombre de petits pics présents sur l'enveloppe du signal. Les étapes 4 et 5 doivent également être vérifiées pour deux angles d'incidence différents. Les fissures importantes et les nids de soufflures sont difficiles à classer par la procédure cascade. Cette procédure est dédiée au contrôle manuel, et s'avère difficile à mettre en œuvre sur un banc de contrôle ultrasonore industriel. Une étude sur un grand nombre de défauts (490) à montré certaines restrictions concernant cette procédure, notamment sur la nature du défaut lorsque l amplitude est supérieure à 6dB [GEOR-94a]. Les paramètres que nous utilisons sont nécessairement plus simple que ceux utilisés pour la procédure cascade, et il nous faudra

31 &KDSLWUH,, (WXGH GHV WHFKQLTXHV GH FRQWU{OH 5; HW 86 donc adopter une démarche prudente lors de la modélisation des connaissances du contrôle ultrasonore. V.3. Le contrôle automatique par ultrasons V.3.1. Chaîne de mesure L appareillage ultrasonore se compose d un ensemble mécanique maintenant les palpeurs sur le tube à contrôler, et d un système d acquisition des signaux TOMOSCAN ( RDTech), relié à un ordinateur (figure II.41.). Système d acquisition US multi-voies Acquisition US et Traitements Pompe à eau moteur / encodeur Réservoir d eau Figure II.41. : Chaîne d acquisition ultrasonore Figure II.42. : Photographie du support des traducteurs L ensemble mécanique supportant les palpeurs est représenté sur la figure II.42.. Les palpeurs sont vissés sur des sabots et maintenus sur cet ensemble par un système de ressorts. La