Journée Green Testing Saint Louis 22 novembre 2012 Contrôle non destructif par thermographie infrarouge stimulée : Principe et exemples d applications par Jean - Luc Bodnar Groupe de Recherche En Sciences pour l Ingénieur (GRESPI) Equipe de CAractérisation THERmophysique Multi échelle (ECATHERM) UFR Sciences Exactes et Naturelles BP 1039 51687 Reims cedex 02 Tèl 03 26 91 32 52 06 70 75 59 41 Email : jl.bodnar@univ-reims.fr 1
Sommaire Introduction Principe du contrôle non destructif par thermographie infrarouge stimulée Exemples de dispositifs de thermographie infrarouge stimulée Exemples d applications de la thermographie infrarouge stimulée dans le domaine du Contrôle Non Destructif : des matériaux métalliques des matériaux du bâtiment des œuvres d art de l imagerie tomographique Conclusion 2
Introduction Les techniques de contrôle non destructif déjà utilisées dans le monde industriel sont nombreuses. On peut citer : Le contrôle optique (photographies UV, visibles et infrarouges, en lumière naturelle, polarisée ou rasante, interférométrie, speckle, projection de franges, spectroscopie ), la radiographie X (γ), l analyse acoustique, Les ultrasons Le ressuage La magnétoscopie Les courants de Foucault. Ces méthodes, très diverses, sont très performantes dans leurs domaines d applications mais, ne sont bien sûr, pas universelles 3
Introduction De nouvelles méthodes de contrôle non destructives peuvent donc encore trouver leur place dans le domaine de l analyse industrielle. Parmi celles-ci nous pouvons citer la thermographie infrarouge stimulée Voyons ici le principe de cette méthode de contrôle non destructif et quelques exemples d applications industrielles 4
Principe de la thermographie infrarouge stimulée 5
Principe de la thermographie infrarouge stimulée 6
Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée 7
Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée La thermographie infrarouge stimulée fait essentiellement appel à deux phénomènes thermophysiques : La conduction thermique, Le rayonnement thermique. Le signal photothermique est donc sensible à tous les paramètres liés à ces phénomènes : La conductivité thermique Le produit chaleur massique et masse volumique La diffusivité thermique L'émissivité... 8
Possibilités de la thermographie infrarouge stimulée et à toutes les propriétés des matériaux qui leur sont corrélés : Homogénéité du matériau, épaisseur d un revêtement, Présence ou non de défauts : fissures, délaminages, porosité, inclusion, joint de grain, défaut d adhérence, Aspect de surface du matériau : lisse, rugueux, propre, oxydé, fissuré, Etude de 1'avancement d'une transformation physico-chimique (séchage, sédimentation, vieillissement des matériaux, polymérisation, diffusion d impuretés, ). 9
Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée 10
Principaux atouts : Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée Elle est non destructive Elle est sans contact Elle peut ne demander que 1'accès à un seul côté de l échantillon Elle permet de faire des mesures à distance Elle est facilement personnalisable en fonction des besoins Elle est utilisable sur de nombreux types d échantillons (métalliques, diélectriques, semi-conducteurs, massifs ou composites,..) Elle est simple d'utilisation Elle peut être très rapide Elle permet l étude des 100 premiers micromètres des matériaux 11
Avantages et inconvénients de la thermographie infrarouge stimulée Principaux inconvénients : Elle est limitée à l étude des matériaux minces (jusqu'à quelques millimètres d épaisseur) Elle peut être dépendante des propriétés radiatives de surface 12
Les différentes façons de mettre en œuvre la thermographie infrarouge stimulée 13
Excitation sinusoïdale et détection synchrone 14
Exemple de signal d excitation utilisé 15
Exemple de signal photothermique obtenu 16
Principe d une analyse sinusoïdale 17
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode sinusoïdale 18
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode sinusoïdale Principal avantage de la méthode : Très bon rapport signal sur bruit ainsi que l'accès à deux paramètres caractéristiques : l'amplitude et la phase du signal photothermique. Principal inconvénients de la méthode Lenteur d'analyse qui permet difficilement une analyse industrielle (en ligne de production) 19
Excitation pulsée et détection continue (Flash, créneau ou flying spot) 20
Exemple de signal d excitation utilisé 21
Exemple de signal photothermique obtenu 22
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode pulsée 23
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode pulsée Principal avantage de la méthode : Obtention d une réponse très riche en informations, car donnant accès à la réponse impulsionnelle du matériau (méthode flash). Principal inconvénient de la méthode : Obligation, pour obtenir une excitation proche d'une fonction de Dirac, de déposer une énergie importante pendant un court laps de temps ce qui n'autorise pas l analyse de matériaux sensibles (matériaux biologiques, œuvres d art, ). 24
Principe de l analyse aléatoire 25
Principe de l analyse aléatoire 1) Excitation aléatoire de l échantillon analysé 2) Recueil de la réponse physique 3) Calcul de la réponse impulsionnelle (celle fournie par analyse flash) 3 bis) Calcul de la réponse harmonique multifréquentielle (celle fournie par analyse harmonique) 26
Exemple de signal d excitation utilisé 27
Exemple de signal photothermique obtenu 28
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode aléatoire 29
Principal avantage et principal inconvénient de la méthode aléatoire Principal avantage de la méthode : Obtention, sous contraintes énergétiques moindres, d une réponse très riche en informations, car donnant accès à la réponse impulsionnelle et à la réponse harmonique multifréquentielle du matériau. Principal inconvénient de la méthode : Méthode plus complexe que les méthodes sinusoïdale ou pulsée. 30
Puissance d excitation de la source lumineuse lors de l analyse photothermique aléatoire 31
Puissance d excitation de la source lumineuse lors de l analyse photothermique pulsée 32
Principe de la détection de défauts par thermographie infrarouge stimulée 33
Principe de la détection de délaminage par thermographie infrarouge stimulée 34
Principe de la détection de délaminage 35
Principe de la détection de fissures par thermographie infrarouge stimulée 36
Cas d une fissure débouchante 37
Cas d une fissure non débouchante 38
Analyse d échantillons industriels fissurés par thermographie infrarouge stimulée par induction 39
Analyse d une rotule forgée 40
L échantillon étudié 41
Le dispositif expérimental utilisé 42
Le résultat expérimental obtenu par magnétoscopie 43
Le résultat expérimental obtenu thermographie infrarouge stimulée 44
Analyse d une tige filetée 45
Le résultat expérimental obtenu par magnétoscopie 46
Le résultat expérimental obtenu thermographie infrarouge stimulée 47
Conclusion 48
Conclusion Cet exposé visait à présenter une méthode de contrôle non destructif particulière : la thermographie infrarouge stimulée et quelques exemples d applications industrielles. Nous avons ainsi montré que cette méthode permettait le contrôle non destructif : de matériaux métalliques de matériaux du bâtiment d œuvres d art de l imagerie tomographique 49
La méthode peut aussi permettre des analyses quantitatives : - La mesure de paramètres thermophysiques (diffusivité thermique transversale ou longitudinale, effusivité thermique, ) - La mesure d une épaisseur de revêtement - La mesure de la profondeur à laquelle se trouve un défaut - La mesure de température - 50