GREEN TESTING : METHODES ALTERNATIVES AU RESSUAGE ET A LA MAGNETOSCOPIE GREEN TESTING: ALTERNATIVES METHODS TO PENETRANT TESTING AND MAGNETIC PARTICLE INSPECTION BOUTEILLE P. (1), PELLETIER A. (2), CRESCENZO E. (3), CHAMBARD JP. (4) (1) CETIM 52, avenue Félix Louat 60300 SENLIS France Tél. +33 (0)3 44 67 36 23 e-mail : patrick.bouteille@cetim.fr (2) IXTREM 7, rue du Verger - 71530 SASSENAY France Tél. +33 (0)3 85 45 46 40 e-mail : ixtrem@wanadoo.fr (3) CONVERGENCE INNOVATIONS 71, route de Chalon - 71590 GERGY France Tél. +33 (0)3 85 45 46 40 e-mail : convergence.innovations@wanadoo.fr (4) HOLO 3 7, rue du Général Cassagnou 68300 SAINT LOUIS France Tél. +33 (0)3 89 69 82 08 e-mail : jpchambard@holo3.com Le ressuage et la magnétoscopie sont des méthodes non destructives largement utilisées dans l industrie pour la détection de défauts de surface. Mais ces techniques ont un impact non négligeable sur la santé des opérateurs et sur l environnement (champ magnétique, émission de COV, traitement des déchets ). Pour réduire ces impacts, IXTREM, Cetim et Holo3 se sont engagés dans un projet appelé Green Testing soutenu par la Commission Européenne, qui est arrivé à son terme. Dans ce cadre, les partenaires ont développé et testé quatre méthodes alternatives de contrôle : thermographie infrarouge par induction, ondes guidées ultrasonores, magnétoscopie basse fréquence et résonance acoustique. Nous présentons dans cette communication les résultats des essais de comparaison entre la magnétoscopie et le ressuage d un côté et les méthodes alternatives développées de l autre. Ces essais ont été réalisés sur des composants fournis par des industriels de différents secteurs (automobile, aéronautique, ferroviaire, pétrochimie, nucléaire ). Ils ont démontré les potentialités des méthodes alternatives pour la détection des défauts de surface sur des pièces aussi variées que des pièces forgées, des pièces embouties, des pièces de fonderie ou des soudures. Penetrant testing and magnetic particle inspection are non-destructive methods which are widely used in industry for detecting surface defects. However these techniques have a significant impact on the operators health and on the environment (magnetic field, VOC emissions, waste...). To reduce these impacts, IXTREM, Cetim and Holo3 are partners in a project supported by the European Commission called Green Testing. In this context, four alternative control methods were developed and tested: infrared thermography using induction heating, ultrasonic guided waves, low frequency magnetic particle inspection and acoustic resonance. This paper compares the results between MPI and PT on one hand and the alternative methods developed on the other hand. These tests were performed on components supplied by different industrial sectors (automotive, aerospace, railway, petrochemical, nuclear...). They demonstrated the potential of alternative methods for the detection of surface defects on parts as different as forgings, stampings, castings or welds.
1. PRESENTATION DU PROJET GREEN TESTING 1.1 Incidences environnementales du ressuage et de la magnétoscopie La magnétoscopie et le ressuage sont des méthodes de contrôle non destructif très efficaces et faciles d emploi. Elles sont donc très utilisées dans l industrie pour la détection des défauts de surface. Malheureusement, elles présentent des risques potentiels pour les opérateurs et pour l environnement. D une part, ces méthodes utilisent des produits contenant généralement des composés organiques volatiles (COV) présentant des risques d effet de serre (solvants de nettoyage, produits pénétrants rouges ou fluorescents et révélateurs pour le ressuage, produits magnétiques pour la magnétoscopie). Elles produisent aussi une quantité importante de déchets (effluents, chiffons, emballages vides) et consomment beaucoup d énergie, nécessaire notamment pour les opérations de séchage, d aimantation et de désaimantation des pièces. D autre part, ces deux méthodes ont un impact non négligeable sur la santé des opérateurs. Ils sont exposés aux vapeurs de solvants, aux produits organiques et aux champs électromagnétiques. Les nouvelles directives Européennes visent à réduire l utilisation de méthodes énergétivores, créatrices de déchets et potentiellement dangereuses pour la santé des opérateurs. Conscients des contraintes liées aux méthodes de contrôle classiques, un nombre croissant d industriels cherche à s orienter vers des méthodes de contrôle alternatives, plus écologiques, pouvant offrir des résultats comparables. 1.2 Objectifs du projet Green Testing Pour réduire l impact environnemental du ressuage et de la magnétoscopie, le CETIM, IXTREM et HOLO3 se sont engagés dans un projet européen Life+ appelé Green Testing. Dresser un inventaire des bonnes pratiques et des nouveaux moyens existants pour réduire de façon significative les impacts environnementaux des techniques par ressuage et magnétoscopie est un des objectifs du projet Green Testing qui arrive à son terme. Ainsi, les travaux du consortium ont montré que l optimisation des techniques d application et d élimination des produits permet de réduire par deux au minimum les quantités utilisées. Ils ont également confirmé que l utilisation de produits à base aqueuse (produits nettoyants, pénétrants, indicateurs magnétiques ) n altère pas les résultats du contrôle. Cette étude a été complétée par le développement d une station écologique de contrôle par ressuage et d un système de traitement des eaux de lavage du pénétrant (Figure 1). Figure 1 : Station de traitement des eaux de lavage du pénétrant de ressuage
Le deuxième objectif du projet est la réalisation de quatre démonstrateurs mettant en œuvre des technologies alternatives au ressuage et à la magnétoscopie. Les partenaires ont choisi de développer : la magnétoscopie à basse fréquence, la thermographie infrarouge avec excitation par induction, les ondes guidées ultrasonores, la résonance acoustique. Pour cela, des essais de comparaison entre la magnétoscopie et le ressuage d un côté et les méthodes alternatives de l autre ont été réalisés sur des pièces industrielles Les résultats obtenus sont détaillés dans le paragraphe suivant. 2. RESULTATS OBTENUS A L AIDE DES METHODES ALTERNATIVES 2.1 Magnétoscopie basse fréquence La magnétoscopie à basse fréquence est un procédé dérivé de la magnétoscopie classique à 50 Hz, utilisant des champs magnétiques sinusoïdaux variant entre 5 et 99 Hz. Figure 2 : Générateur de courant basse fréquence de puissance 15 kva Les essais réalisés en laboratoire chez IXTREM ont montré les avantages de cette technique en termes de qualité de détection. En effet, à plus basse fréquence, la magnétoscopie permet d améliorer de façon notable le contraste et de révéler des défauts plus en profondeur qu à 50 Hz. Ainsi, sur l exemple ci-dessous, le défaut sur la bielle est plus marqué à 10 Hz qu à 50 Hz. 50 Hz 10 Hz 20 mm 25 mm Figure 3 : Contrôle par magnétoscopie d une bielle à 50 Hz (à gauche) et à 10 Hz (à droite)
Dans le cadre du projet Green Testing, la SNCF a également réalisé des essais en magnétoscopie basse fréquence sur ses pièces. Elle confirme l apport de cette technique par rapport à la magnétoscopie classique pour la détection des défauts. Ainsi l indication continue et visible sur toute la circonférence de la vis d anneau d intercirculation (Figure 4) à 10 Hz n est visible que sous la forme d indications discontinues à 50 Hz. De même, sur la roue dentée (Figure 5), le contraste est amélioré et les indications sont plus nettes à 10 Hz qu à 50 Hz. 50 Hz 10 Hz Figure 4 : Contrôle par magnétoscopie d une vis à 50 Hz (à gauche) et à 10 Hz (à droite) 50 Hz 10 Hz Figure 5 : Contrôle par magnétoscopie d une roue dentée à 50 Hz (à gauche) et à 10 Hz (à droite) L autre avantage technique de la magnétoscopie à basse fréquence confirmée par la SNCF est la possibilité de détecter des indications sous peinture non révélée à 50 Hz (Figure 6). 50 Hz 10 Hz Figure 6 : Contrôle par magnétoscopie d une bielle peinte à 50 Hz (à gauche) et à 10 Hz (à droite)
La magnétoscopie basse fréquence possède de plus de nombreux avantages écologiques et sanitaires. Tout d abord, elle consomme environ 4 fois moins d énergie que la magnétoscopie traditionnelle mettant en œuvre des générateurs de courant classiques commandés par thyristors de puissance. Par ailleurs, la sécurité des opérateurs est accrue face aux risques électromagnétiques. La SNCF a notamment vérifié à l aide de mesures qu à 10 Hz, la magnétoscopie respecte la directive européenne 2013/35/UE sur l exposition des opérateurs aux champs électromagnétiques alors que les seuils limites de cette directive sont dépassés à 50 Hz. Cependant, la magnétoscopie basse fréquence utilise les mêmes produits que la magnétoscopie classique, il n y a donc pas d amélioration environnementale sur ce point. 2.2 Thermographie infrarouge avec excitation par induction Le principe de la thermographie avec excitation par induction est détaillé ci-dessous. Figure 7 : Principe de la thermographie infrarouge avec excitation par induction Le passage d un courant électrique alternatif haute fréquence dans une bobine excitatrice crée des courants induits dans l objet conducteur d électricité placé à proximité. Ces courants appelés courants de Foucault génèrent à leur tour un échauffement de l objet par effet Joule. La présence d un défaut perturbe en plus la distribution de ces courants induits, créant une concentration de la densité de puissance autour du défaut. Cette concentration se traduit par des surchauffes locales au niveau des défauts. L inhomogénéité de la distribution de la température se propage à la surface de l objet et est détectée par la caméra infrarouge. L excitation par induction présente donc l avantage de créer une perturbation supplémentaire due à la concentration des courants de Foucault autour du défaut. Des résultats similaires entre la thermographie et la magnétoscopie ont été obtenus par le CETIM sur de nombreuses pièces industrielles. Une très bonne qualité de détection est obtenue sur des pièces de forge. Il est ainsi possible de mettre en évidence une fissure sur la longueur d une rotule (Figure 8) avec un échauffement de seulement 70 ms par induction, ce qui conduit à une consommation électrique moindre du contrôle par thermographie par rapport à la magnétoscopie.
Figure 8 : Contrôle d une rotule par thermographie (en bas) et par magnétoscopie (en haut) Il en est de même sur des éléments d assemblage tels que des écrous ou des vis où la thermographie, sans contact et sans utiliser de produits chimiques, permet de détecter des défauts de surface. Figure 9 : Contrôle d une vis (à gauche) et d un écrou (à droite) par thermographie La thermographie permet aussi de détecter les défauts vus en magnétoscopie sur des soudures (Figure 10). En adaptant la forme de la bobine, il est possible de contrôler environ 30 centimètres de soudures avec une acquisition de 300 ms. 60 mm Figure 10 : Contrôle d une soudure par magnétoscopie (à gauche) et par thermographie (à droite)
La thermographie par induction s applique également sur des matériaux non magnétiques. Un exemple de comparaison entre le contrôle par ressuage et le contrôle par thermographie sur une rotule en acier inoxydable est présenté en figure 11. Figure 11 : Contrôle d une prothèse par ressuage (à gauche) et par thermographie (à droite) La profondeur des courants de Foucault créés dans les matériaux non magnétiques est plus importante que dans les matériaux magnétiques, ce qui explique sans doute la moins bonne définition du défaut sur ce type de matériau. En conclusion, la thermographie infrarouge par induction peut constituer une alternative au ressuage et surtout à la magnétoscopie dans certains cas. La rapidité du contrôle, l automatisation possible du contrôle et de la sanction, l absence de produits chimiques font que cette technique est notamment bien adaptée au contrôle automatique et en série de pièces de géométrie simple. 2.3 Ondes guidées ultrasonores Les CND par ondes guidées ultrasonores se sont développés ces dernières années principalement pour le contrôle des pipes et des tuyauteries dans la gamme de fréquence (20 khz à 250 khz). Dans le cadre du projet Green Testing, IXTREM s est orienté vers le développement de cette technique à plus haute fréquence 500 khz à 10 MHz pour la détection de défauts fins de surface ou sous-cutanés. A l aide de traducteurs piézoélectriques à angle variable, il est ainsi possible de générer des ondes de surface qui vont être réfléchies par une discontinuité en surface. En mode Pulse- Echo (émission / réception par le même traducteur), la présence d une discontinuité sera établie par l apparition sur l oscillogramme d un «écho» de réflexion de l onde ultrasonore sur le défaut. Dans l exemple ci-dessous, le défaut sur l anneau utilisé en industrie aéronautique révélé en magnétoscopie est facilement mis en évidence en ondes guidées par l écho de réflexion. Figure 12 : Contrôle d un anneau par magnétoscopie (au milieu) et par ondes guidées (à droite) Les ondes guidées sont aussi bien adaptées pour le contrôle de soudures. En déplaçant le traducteur le long du cordon de soudure et en utilisant une représentation B-Scan, on obtient une cartographie des défauts facilement interprétable et compréhensible par les non-initiés.
La figure 13 illustre le contrôle d une soudure arasée avec des défauts débouchants. Figure 13 : Contrôle d une soudure par magnétoscopie (à gauche) et par ondes guidées (à droite) Un mauvais état de surface de la pièce à contrôler peut être une limitation à l utilisation de capteurs piézoélectriques au contact. Dans ce cas, une solution peut être l emploi d un laser pour générer les ondes ultrasonores. La réception des ondes se fait alors en mode transmission avec un capteur piézoélectrique ou sans contact par EMAT : une baisse de l amplitude du signal de réception est alors caractéristique d une discontinuité. L intérêt du laser est aussi de mieux maîtriser la génération et la propagation des ondes ultrasonores par une connaissance de la forme géométrique de l impact. A titre d exemple, un impact linéique permet de limiter la dispersion des ondes ultrasonores de surface, et par conséquent de concentrer l énergie ultrasonore principalement dans une direction précise. On présente ci-dessous les résultats obtenus pour la détection d une entaille électro-érodée située entre le laser et le capteur piézoélectrique en transmission. Sans défaut Avec défaut Figure 14 : Utilisation d un laser pour la génération d ondes ultrasonores HOLO3 a développé dans le cadre du projet Green Testing un système de tracking par caméra Infrarouge qui permet un positionnement optique du capteur sans utiliser de codeur mécanique. Appelé PIM pour Plateforme d Imagerie Multitechnique, ce système associe les données reçues par un traducteur avec sa localisation et permet ainsi de superposer le défaut sur l image de la pièce. Figure 15 : Exemple d imagerie obtenue avec le logiciel PIM
Le contrôle ultrasonore par ondes guidées permet de détecter de façon très précise des défauts de surface linéaires (type entailles, fissures) et de les dimensionner. Le mode de représentation B-Scan permet d obtenir une imagerie «proche» de ce qui est obtenu en ressuage et magnétoscopie (en particulier sur les tôles et assemblages soudés), ceci sans utiliser aucun produit et avec une consommation en énergie très faible. Les ondes guidées ultrasonores constituent donc une alternative intéressante et pertinente aux contrôles par ressuage et magnétoscopie. Elles offrent en plus la possibilité d opérer à distance et d examiner des zones cachées et ainsi d éviter le démontage des composants. 2.4 Résonance acoustique La résonance acoustique est une méthode comparative basée sur la réponse en fréquence de la pièce à contrôler soumis à une excitation mécanique par choc. La présence de défauts internes ou débouchants va modifier le mode de vibrations de la pièce. Par exemple, les criques et les fissures peuvent créer un déplacement du spectre de fréquences vers les basses fréquences par effet d amortissement et un dédoublement de certains pics de fréquence par des effets non linéaires. Les variations géométriques ou métallographiques dues au processus de fabrication ont aussi une conséquence directe sur sa réponse acoustique à une sollicitation mécanique. L objectif est donc de détecter les modifications du spectre fréquentiel liées à la présence de défauts en s affranchissant de celles liées aux tolérances de fabrication. Pour cela, ce procédé requiert un apprentissage sur un grand nombre de pièces saines et défectueuses afin de disposer de spectres acoustiques de référence avec et sans défauts. La sollicitation mécanique de la pièce est réalisée à l aide d un marteau. La réponse en fréquence peut être enregistrée à l aide d un accéléromètre en contact sur la pièce ou d un microphone sans contact avec la pièce. Lors de l emboutissage de carters en acier inoxydable 304L fabriqués à haute cadence pour l industrie automobile, des criques peuvent apparaitre dans les congés. Figure 16 : Crique sur un carter embouti Ce défaut n apparait que sporadiquement sur les carters et la mise en place d un contrôle non destructif est étudiée par la société d emboutissage. La résonance acoustique qui permet un contrôle global, rapide et peu coûteux semble bien adaptée à la problématique industrielle. Cette méthode a donc été testée dans le cadre du projet Green Testing sur ces carters emboutis. Pour cela, IXTREM a développé un banc de contrôle par résonance acoustique sur mesure.
Boitier d acquisition Marteau d impact et microphone Logiciel de visualisation et de traitement du signal Boitier conditionneur / amplificateur Figure 17 : Banc de résonance acoustique Afin de l isoler mécaniquement de l environnement, le support (Figure 18) est recouvert d une surface en polymère absorbant les chocs et les vibrations (1) et repose sur des silentblocs (2). Des empreintes (3) réalisées sur le polymère à la forme de la pièce à tester permettent de la maintenir et de la replacer de façon identique pour une bonne répétabilité. Un bras oscillant (4) génère un impact ponctuel et localisé. Un microphone avec une large bande passante en fréquence est placé à proximité de la pièce pour enregistrer les vibrations acoustiques. 4 3 1 2 Figure 18 : Support réalisé pour le contrôle des carters La réponse fréquentielle enregistrée sur un lot de 20 pièces bonnes est identique. Le banc d essais permet d obtenir une très bonne répétabilité de la mesure. En présence d une crique, le spectre se décale pour certaines fréquences. Pièce avec crique Figure 19 : Modification du spectre liée à la présence d une crique
La résonance acoustique est donc extrêmement rapide et facile à implanter pour un contrôle automatisé sur une chaîne de production. Elle peut nécessiter une phase d apprentissage à chaque début de lot à fabriquer en cas de forte variation matière. Toutefois, certains défauts n altèrent pas suffisamment la «signature» acoustique de la pièce et sont difficilement détectables par cette technique. Des traitements du signal plus sophistiqués permettraient sans doute d améliorer la qualité de détection de cette méthode très propre. 3. CONCLUSIONS Le remplacement du ressuage et de la magnétoscopie est un sujet qui intéresse de nombreux industriels : 150 personnes se sont déplacées au CETIM à Senlis pour la conférence finale du projet Green Testing sur ce sujet. Le consortium du projet Green Testing a mené des essais de comparaison entre ces méthodes traditionnelles et des méthodes alternatives. Les essais ont eu lieu en laboratoire et sur site industriel sur plus de 100 pièces industrielles fournies par plus de 20 industriels. Ils ont montré qu il est possible dans certains cas de remplacer le ressuage ou la magnétoscopie par des méthodes plus écologiques. La magnétoscopie basse fréquence détecte des défauts plus profonds et avec plus de contraste que la magnétoscopie classique, tout en consommant beaucoup moins d énergie et en respectant la directive européenne concernant l exposition des opérateurs aux champs magnétiques. Elle est notamment bien adaptée pour les pièces massives et les pièces revêtues. Elle a néanmoins l inconvénient d utiliser les mêmes produits. La thermographie infrarouge avec excitation par induction est une alternative possible à la magnétoscopie pour le contrôle automatique de pièces forgées ou de soudures grâce à une bonne cadence de contrôle et l automatisation possible de la détection des défauts sur les images thermiques. La thermographie est de plus une méthode écologique, économe en énergie et qui n utilise aucun produit chimique. Elle nécessite cependant une mise au point assez longue des conditions de contrôle qui la pénalise pour le contrôle en maintenance. Les ondes guidées ultrasonores permettent de mettre en évidence des défauts de surface sur des soudures ou des zones inaccessibles. Ces ondes peuvent être générées sans contact avec les pièces en utilisant des technologies laser et EMAT. Très propre, cette méthode de contrôle peut être associée à de l imagerie (B-Scan) et des systèmes de tracking. Elle est cependant limitée par l état de surface des pièces à contrôler. La résonance acoustique est une méthode de contrôle simple, rapide, peu coûteuse et très propre. Elle est recommandée pour le contrôle de pièces de série avec peu de variabilité géométrique et métallurgique. Un apprentissage sur un nombre conséquent de pièces saines et défectueuses est nécessaire pour sa mise en œuvre. La résonance acoustique a une sensibilité plus faible que le ressuage et la magnétoscopie. Dans certains cas, le ressuage et la magnétoscopie ne peuvent pas être remplacés pour des questions de coût, de temps de contrôle, d exigences client ou de performances de détection. C est pourquoi les partenaires du projet Green Testing ont aussi rédigé des guides de bonnes pratiques pour réduire les incidences environnementales de ces techniques. Tous les résultats du projet Green Testing sont disponibles sur le site internet www.greentesting.fr.
Enfin, le consortium souhaite remercier l ensemble des industriels qui ont fourni des pièces pour l évaluation des méthodes alternatives ainsi que la commission européenne qui a financé une partie de ces travaux dans le cadre du programme Life+. 4. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] Pelletier A., Crescenzo E., Besson S., Walaszek H., Bouteille P, Chambard JP., Chalvidan V., Nouvelles technologies de CND pour rendre le ressuage et la magnétoscopie écologique, CIRI 2013, Reims [2] Crescenzo E., Pelletier A., Walaszek H., Maillard S., Chambard JP., Bittendiebel S., Reverdy F., Faese F., Camus L., Jenot F., Une nouvelle approche écologique des CND par ressuage et magnétoscopie Bilan des technologies de substitution envisageables, Journées Cofrend 2011, Dunkerque [3] Pelletier A., Crescenzo E., Besson S., New approach of clean NDT for applications in Nuclear Industry, 10th International Conference on NDE, Cannes [4] Maillard S., Cadith J., Bouteille P., Legros G., Bodnar J.L., Detalle V., Non-destructive testing of forged metallic materials by active infrared thermography, IJOT, DOI 10.1007/s10765-012-1275-0, 2012 [5] Bouteille P., Legros G., Maillard S., Cadith J., Bodnar J.L., Induction active thermography as an alternative to magnetic particle inspection, Congrès QIRT, Naples (Italie), 2012 [6] Bouteille P., Legros G., Thermographie par induction : une alternative aux contrôles conventionnels sur pièces forgées, Journées Cofrend 2014, Bordeaux [7] Chambard JP., Huser A., Chalvidan V., Crescenzo E., Un logiciel dédié à l affichage et l archivage de données CND, Journées Cofrend 2014, Bordeaux