Contrôle non destructif Magnétoscopie Principes physiques : Le contrôle magnétoscopique encore appelé méthode du flux de fuite magnétique repose sur le comportement particulier des matériaux ferromagnétiques lorsqu ils sont soumis à l'action d'un champ magnétique H. Ce champ magnétique peut être produit : par un conducteur rectiligne parcouru par un courant d'intensité I. A une distance r du conducteur la valeur du champ est donnée par l'expression : [A.m -1 ] par une bobine plate dont les N spires circulaires de rayon r sont parcourues par un courant d'intensité I. Le champ magnétique créé au centre d'une telle bobine a pour valeur : [A.m-1] par une bobine allongée (solénoïde) de longueur L comportant N spires circulaires parcourues par un courant d'intensité I. Le champ magnétique créé selon l'axe d'une telle bobine a pour expression : [A.m-1] Ces différentes expressions ayant pour formule de dimension le quotient d'une intensité exprimée en ampères sur une longueur en mètre soit, l unité d'intensité du champ magnétique sera l'ampère par mètre [A.m -1 ]. 1
Lorsque l'on dispose un matériau ferromagnétique dans un champ magnétique d'intensité donnée uniforme H représenté dans l'air par des lignes de force parallèles et équidistantes, on constate une déformation de celles ci au voisinage de ce matériau et une concentration de ces lignes à l'intérieur de celui-ci. Ce phénomène est basé sur l'effet directionnel exercé par le champ magnétique extérieur sur les courants atomiques circulaires dans le matériau. Sous l'influence de ce champ H, ces courants, naturellement désordonnés, deviennent parallèles et leur champ magnétique propre s'ajoute au champ excitateur H. Pour exprimer cette concentration de lignes de force dans le matériau, il convient de définir une grandeur appelée densité de flux magnétique ou induction B exprimée en Tesla 2
[T]. Il existe une relation entre l'induction et le champ magnétique H. Dans le vide ou dans l'air, l'induction est égale au produit du champ par un coefficient appelé perméabilité magnétique 0 exprimé en Henry par mètre [H.m -1 ]. et par conséquent [H.m -1 ] Nota : Dans l'ancien système d'unité CGS, 0 était égale à 1. A l'intérieur d'un matériau ferromagnétique placé dans un champ H, la densité de flux magnétique augmente en raison de la concentration des lignes de force du champ et l'expression de l'induction magnétique B devient : dans laquelle r, nombre sans dimension, est appelé perméabilité relative du matériau. Celle-ci dépend de la susceptibilité magnétique K du matériau et : Dans le cas des matériaux ferromagnétiques nous avons vu que était élevée. donc r le sera également. Toutefois, dans le cas de tels matériaux la relation B = f (H) n'est pas linéaire. En effet, si l'on considère la fonction B = f (H), exprimant la variation de l'induction en fonction du champ, elle se traduit par une courbe dite de première aimantation lorsque le matériau n'a jamais été soumis à l'action d'un tel champ (figure 11). 3
La courbe représentée correspondant à un acier de construction de nuance XC20 et présente pour des valeurs de champ inférieures à 500 A.m-1 une partie pseudo linéaire, puis un coude correspondant à un changement de pente et enfin, au-delà d'une intensité de champ magnétique d'environ 800 A.m -1 une portion à faible pente dite zone de saturation. Corrélativement, la courbe représentant la variation de la perméabilité relative r du matériau en fonction de ce champ accuse un maximum pour de faibles valeurs de ce champ, puis une décroissance rapide lorsque ce dernier augmente. Nous verrons que la valeur de la perméabilité relative r du matériau contrôlé joue un rôle important vis-à-vis de la sensibilité du contrôle magnétoscopique. Ces rappels succincts concernant les phénomène, magnétiques ayant été énoncés nous pouvons aborder le principe même de la méthode de contrôle. On sait que tous les matériaux ferromagnétiques placés dans un champ magnétique homogène sont le siège d'une induction ou d'une densité de flux magnétique importante. Supposons un barreau d'acier ferritique (milieu 2) disposé dans l'air (milieu 1) où règne un 4
champ H comme indiqué sur la figure ci contre. Si l'on considère les phénomènes observés aux limites c'est-à-dire le long des faces du barreau respectivement parallèles et perpendiculaires aux lignes de force du champ les deux lois suivantes peuvent être énoncées : Il existe une continuité du vecteur champ monétique tangentiel par rapport à une surface parallèle au flux magnétique créé. par le champ H ( = B.S, S étant la section de la pièce. et B l'induction dans la pièce ) qui s'écrit : Il existe également une continuité du vecteur induction par rapport à une paroi perpendiculaire au flux magnétique qui se traduit par : Si est la perméabilité magnétique de l'air et r2 la perméabilité magnétique relative du barreau d'acier, l'expression peut encore s'écrire : d'où en devisant les deux termes par 0 : La différence de potentiel magnétique qui existe de part et d'autre de la surface perpendiculaire aux lignes de force du champ sera égale à : Elle sera donc proportionnelle à la valeur de la perméabilité magnétique relative r2 dans le matériau ainsi qu'à l'intensité du champ magnétiseur appliqué H donc à H n2. Le même phénomène sera observé dans le cas d'un défaut débouchant en surface ( voir figure ). C'est cette différence de potentiel magnétique qui créé un champ de fuite magnétique à la surface de la pièce au droit du défaut. Celui-ci est en mesure d'attirer de fines particules ferromagnétiques ( poudres d'oxyde magnétique de fer ) à la façon d'un petit aimant traçant ainsi le dessin du défaut. La détection ainsi que l identification d'une discontinuité non magnétique en surface va dépendre de l'existence, de la finesse et du contraste de son spectre magnétique qui 5
sont la résultante d'un grand nombre de paramètres appelés facteurs de sensibilité. Les principaux d'entre eux sont : l'intensité de l'induction B dans la pièce contrôlée qui dépend de l'intensité du champ magnétiseur H L'expérience montre qu'il est recommandé d'utiliser une induction magnétique d'intensité assez grande, sans toutefois atteindre des valeurs trop élevées. La justification de cette affirmation repose sur le phénomène de réfraction magnétique ( figure ci après ). La loi est la suivante : au passage d'un milieu à forte perméabilité relative r, ( acier ferromagnétique ) dans l'air, les lignes d'induction subissent une forte déviation qui obéit à la relation : Celle-ci indique que pour les valeurs élevées de r, l'angle est voisin de 90 et que les lignes d'induction dans l'air sortent quasi perpendiculairement à la surface. Par ailleurs il y a conservation de la composante normale de l'induction de part et d'autre de la surface soit : Cette composante normale de l'induction dans l'air ( B 1n ) nous intéresse particulièrement puisque c'est elle qui va fixer les particules ferromagnétiques au droit des défauts. B 1n étant proportionnelle à B 2, l'induction dans l acier, celle ci doit être suffisamment importante. Une règle pratique qui a fait ses preuves consiste à utiliser une induction delà du coude de la courbe dite de première aimantation ( figure 11 ), mais au-delà du début de la 6
partie à faible pente de cette courbe, c'est à dire au commencement de la saturation magnétique du matériau. Pour un matériau très ferromagnétique, tel l'acier de nuance XC 20 considéré, l'induction optimale serait d'environ 1,5 Tesla pour un champ magnétiseur de 1500 A.m -1 ( figure 11 ). Dans le cas des aciers de construction courants, il est cependant recommandé d'utiliser un champ magnétique tangentiel H t1 d'intensité comprise entre 2,4 et 4 ka.m -1 ( soit entre 2 400 et 4 000 A.m -1 ) qui est mesurable à l'aide d'un appareil adapté appelé «mesureur de champ tangentiel». En se reportant aux courbes de la figure 11, on voit que les valeurs de champ précitées correspondent à des valeurs de perméabilité relative r comprises pour l'acier XC 20 entre 300 et 500 donc assez élevées auxquelles correspond un angle dans l'air très voisin de 90. Pour des valeurs de champ supérieures à 4 ka.m -1, la perméabilité magnétique relative décroît rapidement, le rapport augmente, donc 1 également. Le vecteur induction dans l'air B 1 se couche sur la surface ce qui réduit sa composante normale B 1n, d'où une moins bonne fixation de la poudre ferromagnétique au droit d'un défaut ( figure 13 ). La profondeur «p» et l'orientation relative de l'induction et des défauts La distorsion des lignes d'induction dans le matériau est maximale lorsque le défaut 7
est plan et disposé perpendiculairement à ces lignes d'induction. En effet, l'air ou le milieu constituant ce défaut sont caractérisés par une perméabilité magnétique égale ou très voisine de 0 et jouent dans ce cas le rôle d'une barrière qui s'oppose à la propagation des lignes d'induction. Si le défaut débouche, le flux de fuite magnétique dans l'air est maximal et sa détection sera le plus souvent assurée ( figure 14 a ). Si la partie supérieure du défaut se trouve à une distance ( ou profondeur ) p de la surface de la pièce, il se créera une concentration des lignes d'induction dans le ligament de métal situé au-dessus du défaut et 8
le flux de fuite magnétique dans l'air sera très atténué ( figure 14 b ). Dans ce cas, la détection de la discontinuité sera le plus souvent aléatoire et dépendra comme nous le verrons de la nature du champ magnétiseur H. Enfin si le défaut est plan et disposé parallèlement à la surface de matériau, les lignes d'induction dans ce dernier s'écouleront de part et d'autre du défaut sans aucune perturbation quant à leur trajectoire. Aucun flux de fuite magnétique ne sera dans ce cas observé en surface au droit du défaut ( figure 14 c ). La nature du champ magnétiseur H Les considérations précédentes étaient basées sur l'existence d'un flux magnétique uniforme à l'intérieur du matériau. Une telle situation n'est généralement pas observée dans la pratique industrielle des contrôles magnétoscopiques en raison de la forme de la pièce qui influence le choix du mode d'aimantation de celle-ci et la nature du champ magnétiseur. Quelle que soit la forme du circuit utilisé pour produire ce champ, quatre types de courants peuvent être utilisés : un courant continu, un courant puisé redressé double alternance, un courant puisé simple alternance un courant alternatif Des essais ont été réalisés par M. TOITOT sur des barreaux parallélépipédiques en acier de nuance XC 12 comportant des trous borgnes à fonds plats. Les distances «p» de ces fonds plats à la surface des barreaux s'échelonnaient de 1 à 20 mm ( figure 15 ). Ces barreaux ont été disposés dans l'entrefer d'un électroaimant successivement alimenté par les quatre types de courants précités. L'intensité de chaque courant à été augmentée progressivement par paliers afin d'obtenir un accroissement correspondant du 9
champ donc de l'induction dans les barreaux. C'est la composante tangentielle H t de ce champ qui a été mesurée lors de chaque palier lors de la recherche du ou des trous décelables au moyen d'une poudre ferromagnétique. L'aimantation ayant été maintenue pendant 5 secondes lors de chaque palier ( temps à caractère industriel ), les résultats obtenus sont exprimés par les courbes de la figure 16 qui représentent pour chaque type de courant, donc de champ, la profondeur de détection maximale «d» en fonction de la valeur de la composante tangentielle du champ Ht. Bien que de tels trous ne soient pas entièrement représentatifs des défauts réels, ils n'en démontrent pas moins l'influence des champs utilisés sur la profondeur de détection des défauts. Si celle-ci atteint 4 à 5 mm pour un champ continu de 2,4 à 4 ka.m -1 qui sont les valeurs extrêmes du domaine recommandé, elle n'est en revanche que de 0,5 mm environ pour un champ alternatif de mêmes valeurs qui est le plus fréquemment utilisé en raison de la simplicité et de la compacité des équipements qui le produisent. Ce résultat s'explique par l'effet de peau accentué qui caractérise les courants alternatifs et par conséquent les champs alternatifs de fréquence industrielle ( f = 50 Hz ). Parmi les autres facteurs de sensibilité qu'il convient de citer et qui jouent un rôle 10
important on trouve : la forme des défauts, plane ou volumique, qui, selon l'orientation de ceux-ci, favorise plus on moins l'écoulement des lignes d'induction dans le matériau. L'importance relative des défauts et de la pièce exprimée par l'expression où : s : surface de défaut, S : section de la pièce contenant le défaut. En principe plus cette importance relative est grande meilleure sera la détection du défaut. Toutefois, l'utilisation d'un champ alternatif permettra la détection de très petits défauts en surface grâce à la concentration superficielle des lignes d'induction qu'il procure. L'état de surface de la pièce en épreuve dont une trop grande rugosité peut s'opposer au libre déplacement des particules ferromagnétiques vers les plages caractérisées par une différence de potentiel magnétique élevée en raison de la présence d'un défaut. Une rugosité inférieure à 10 m parait souhaitable. Les caractéristiques des poudres et liqueurs détectrices. Encore appelées produits révélateurs, ces poudres sèches ou en suspension dans Un liquide ( liqueur ) sont caractérisées par : Leur nature, les produits de base étant des oxydes de fer Fe2O3, Fe3O4 ou encore des poudres de fer finement divisées Leur présentation : ces poudres pouvant être utilisées sèches ou encore en suspension dans un liquide qui peut être un produit pétrolier ( huile légère, kérosène, etc. ) de faible viscosité dynamique ou de l'eau additionnée d'un agent mouillant ( pour une meilleure répartition de la poudre ) et d'un inhibiteur de corrosion. Les poudres sèches peuvent être utilisées jusqu'à des températures de 400 C et elles conduisent dans tous les cas à la formation rapide des tracés des défauts. Les liqueurs mises en œuvre aux températures ambiantes sont les plus couramment utilisées. Lorsque leur concentration en poudre répond aux exigences normatives soit 4 à 6 grammes de poudre par litre, ces liqueurs procurent des spectres très fins favorables à une caractérisation satisfaisante des défauts. Les dimensions des particules comprises entre 30 et 300 m pour les poudres sèches et de 0,5 à 1 m pour celles qui sont en suspension dans un liquide. 11
Leur couleur qui doit conduire à un contraste élevé avec la surface de là pièce en examen. A cet égard, la magnétite ( Fe 3 O 4 ) est de couleur gris sombre et le complexe Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 de couleur rouge violacée. Afin d'améliorer la visibilité des spectres, il existe des poudres magnétiques enrobées d'une pigmentation fluorescente lorsqu'elles sont soumises à un rayonnement ultraviolet de longueur d'onde égale à 360 manomètres. Comme pour les pénétrants fluorescents utilisés en ressuage, ces pigmentations émettent une lumière jaune-verte de longueur d'onde égale à 550 manomètres pour laquelle I œil est le plus sensible. Les poudres fluorescentes sont généralement en suspension dans un liquide et les examens sont effectués dans un local sombre. Enfin lors des contrôles réalisés en lumière du jour avec des poudres colorées non fluorescentes, le contraste des images magnétiques avec la surface de la pièce peut être amélioré par le dépôt sur celle-ci d'une fine couche de peinture blanche d'épaisseur comprise entre 10 et 30 m. Désaimantation des pièces à l'issue d'un contrôle : Il est recommandé de procéder à un nettoyage de la pièce ou partie de la pièce examinée afin de ne pas affecter l'utilisation ultérieure ou la poursuite du programme de fabrication de la pièce. De même, si cela est nécessaire, il faut contrôler l'aimantation résiduelle et 12
éventuellement procéder à une désaimantation dont l'efficacité sera également vérifiée. La désaimantation des pièces de petites dimensions ou de faible section est réalisée au moyen d'une bobine alimentée par un courant alternatif d'intensité progressivement décroissante au centre de laquelle la pièce à désaimanter est déplacée lentement. Cette procédure créé dans la pièce un cycle d'hystérésis décroissant qui annule l'induction rémanente B. La figure 17 rend compte des variations du courant de magnétisation dans la bobine et des variations correspondantes de l'induction dans la pièce. Lors de la désaimantation de pièces longues ( barres, ronds, profilés... ), l'intensité du courant de magnétisation dans la bobine peut être maintenue constante, car la diminution de l'induction dans chaque portion de pièce est obtenue par son éloignement lent et régulier de la bobine. 13