LES CONTROLES ULTRASONS SANS CONTACT ET LEURS

LES CONTROLES ULTRASONS SANS
CONTACT ET LEURS APPLICATIONS
POSSIBLES DANS L'INDUSTRIE
SIDERURGIQUE, AERONAUTIQUE ET
NUCLEAIRE (Laser / EMAT)
Auteurs : Eric CRESCENZO
Société IXTREM - Chalon sur Saône (F)
Richard DEWHURST et Paul MURRAY
UMIST – Manchester (Angleterre)
1 - OBJECTIFS
L'objet de ce programme de recherche financé dans le cadre du 4ième programme de recherche
de l'Union Européenne a été de développer un appareillage compact de génération d'ultrasons
par laser (ou EMAT), de détection optique ou électromagnétique (EMAT) des ondes
ultrasonores en retour, couplé à une détection électromagnétique des défauts de surface
(courants de Foucault) ; l'objectif final étant de contrôler la totalité de l'épaisseur d'un
matériau sans contact direct des capteurs avec la pièce à contrôler.
2 - RAPPEL
La génération d'ultrasons par impact laser due à un effet thermoélastique de surface a été
investiguée il y a quelques années par Hutchins (1988) et Struby et Drain en 1990.
La détection optique des ultrasons par interférométrie est complexe, onéreuse et pas très bien
adaptée pour mettre en évidence les ondes transversales, mais plutôt longitudinales. La
détection optique est par ailleurs fortement conditionnée par la qualité de l'état de surface.
L'utilisation des EMAT (electromagnetic acoustic transducteur) n'est pas récente et date de
1979 (Frost). La génération d'ultrasons par EMAT se heurte à des problèmes de faible
rendement de conversion électrique / acoustique, obligeant de disposer d'une source de
courant pulsé puissante pour alimenter les bobines émettrices.
La réception EMAT est délicate car les signaux obtenus en retour sont d'amplitude très faible
(quelques dizaines de microvolt) et par conséquent, très sensible aux perturbations
électromagnétiques ambiantes.
Pour palier à ces différents problèmes, un groupement de recherche Européen, piloté par la
société IXTREM, comprenant des centres de recherche, de différents pays spécialisés dans les
matériaux nouveaux, l'optique, l'électronique, et le développement logiciel, s'est formé.
Les objectifs de ce groupement de recherche ont été de concevoir :
-
Une source laser portable adaptée au contrôle ultrasons en utilisant un système
optique par fibre permettant à l'opérateur de travailler dans de bonnes conditions
de sécurité
-
Un capteur EMAT, travaillant en réception, suffisamment sensible et résolutif pour
permettre la détection simultanée de différents types d'ondes ultrasonores
(longitudinales, transversales, de surface)
-
Une plate-forme d'acquisition et de traitement de signaux par ultrasons et courants
de Foucault permettant d'alimenter un ensemble de détection mixte ultrasons /
courant de Foucault, et d'être synchronisé avec la source laser
-
Un ensemble de détection mixte EMAT/courant de Foucault (recherches en cours)
3 - MATERIEL ET METHODE
a) Source laser - tête optique
-
Laser Nd : YAG 50mJ
ultra stable fréquence de tir réglable jusqu'à 20 Hz
largeur de pulse inférieure à 8 n sec
La tête optique à été soigneusement étudiée pour optimiser grandement la génération
d'ultrasons par impact laser (la forme du faisceau laser joue un rôle très important dans la
génération des ultrasons dans le domaine thermoélastique).
b) Emat
Différentes configurations de transducteurs EMAT ont été testés et optimisés pour la
circonstance :
-
Des transducteurs classiques : bobines "spirales", en forme de créneaux
(meanderline EMAT), de bobines plates (annular EMAT) associées à une
aimantation par aimants permanents de direction normale, tangentielle, ou
association de plusieurs aimants à "polarité variable" : succession de pôle nord/sud
(ppm EMAT)
-
Versions spécifiques obtenues en enroulant directement les spires sur le ou les
aimants permanents
-
Nouvelle génération d'EMAT obtenue en introduisant des nouveaux matériaux
magnétiques pour concentrer et/ou focaliser le champ magnétique continu, ou
pulsé créé par impact laser
Les capteurs EMAT peuvent être également conçus pour détecter les variations
dimensionnelles de surface du matériau selon un plan parallèle à la surface (on plane), ou
perpendiculaire à celle-ci (out plane) due à la présence d'une onde acoustique.
Électroniquement, des adaptations d'impédance électrique ont été réalisées pour optimiser la
transmission les signaux de faible amplitude jusqu'à la carte électronique d'acquisition et de
traitement des signaux ultrasons.
c) Électronique
La plate-forme d'acquisition et de traitement des signaux se compose des éléments suivants :
-
Une carte d'acquisition et de traitement des signaux courant de Foucault et flux de
dispersion référence Eddix (principales caractéristiques : 1 KHz - 2MHz, 100 dB
de gain variable, injection jusqu'à 1A, ensemble de filtres Hardware et Software
passe bas, haut, bande, coupe bande).
-
Une carte d'acquisition et de traitement des signaux ultrasons standard développée
pour l'acquisition des signaux EMAT (référencée IXUS)
-
Une interface électronique de préamplification et d'adaptation d'impédance
électrique du capteur EMAT récepteur.
d) Méthode de contrôle
Trois méthodes de contrôle non-destructif utilisant une génération d'ultrasons par laser ont été
investiguées:
1) Système laser/EMAT compact utilisant un capteur récepteur EMAT annulaire (fig.1),
le faisceau laser passant par le centre du récepteur.
2) Système laser / EMAT récepteur séparés d'une distance théoriquement calculée en
fonction de l'épaisseur du matériau contrôlée et du diagramme d'émissivité ultrasonore
obtenue par impact laser en régime thermoélastique pour permettre la détection des
ondes longitudinales et transversales principalement réfléchies sur la face opposée de la
pièce (voir fig. 2). Il est à noter qu'un impact laser génère différents types d'ondes
ultrasonores, de différentes inclinaisons angulaires et qu'un capteur EMAT d'une
conception donnée n'est pas en mesure de toutes les détecter avec la même sensibilité.
3) Un système laser / EMAT récepteur séparés d'une faible distance (quelques mm) et
adapté à l'épaisseur de la pièce à contrôler (voir figure 3)
Les trois systèmes de détection sont assez complémentaires, et peuvent être utilisés en
fonction des cas à traiter.
3 - RESULTAS ET DISCUSSION
Les oscillogrammes obtenus en technique laser / EMAT sont généralement complexes,
principalement dû à la présence de nombreux types d'ondes (y compris les transformations
d'ondes), de directivité angulaire différente (voir fig. 4). L'un des principal intérêt de cette
technologie, indépendamment d'être sans contact, est de pouvoir détecter simultanément les
défauts de surface ( en utilisant les ondes de Rayleigh), et localisés en profondeur (ondes
longitudinales et transversales).
La conception d'un nouveau type d'EMAT associé à son électronique de conditionnement de
signal (adaptation d'impédance) a considérablement amélioré la résolution des signaux, et la
sensibilité de la technique comparativement à l'utilisation de capteurs EMAT traditionnels.
L'utilisation d'une source laser comparativement à un émetteur EMAT permet de générer
différents types d'ondes ultrasonores inclinées de haute fréquence (10 MHz), et d'intensité
supérieure à celle que l'on peut espérer avec un EMAT émetteur. De plus, l'impact laser peut
être généré à plusieurs cm de la surface, alors que l'efficacité d'un transducteur EMAT
diminue considérablement avec la distance (2 à 3 mm constitue généralement un maximum de
distance autorisé avec la pièce).
A l'opposé, l'utilisation d'un interféromètre pour détecter les ondes en retour sur les matériaux
métalliques s'est avéré beaucoup moins efficace qu'un capteur EMAT récepteur. Le coût et la
fragilité d'un système optique de détection constitue un inconvénient majeur comparativement
à un système de détection EMAT.
A ce jour les tests de performance ont été réalisés sur des blocs ferritiques et aluminium avec
des défauts artificiels type entailles et trous (détection selon la génératrice et trous à fond plat)
Les performances obtenues sont similaires aux US traditionnels. Par contre, nous observons
une excellente détection des défauts de surface (pas ou peu de zones mortes du système). En
effet des entailles débouchantes de 200 µ m d'extension en profondeur ont été détectées par le
système.
La détection EMAT a été optimisée par le développement de nouveaux capteurs intégrant des
matériaux magnétiques spécifiques permettant de travailler avec des entrefers de 1 à 2 mm sur
les aciers ferromagnétiques ; de 3 à 4 mm sur l'aluminium.
Le rapport signal / bruit obtenu est même suffisant pour travailler sans opération
mathématique de moyennage ; ce qui constitue une amélioration notable en terme de
performance, comparativement aux autres prototypes de laboratoire ayant fait l'objet de
publications
Cette nouvelle technologie a été mise en œuvre avec succès pour la détection et la
caractérisation des défauts dans des structures soudées bimétalliques où les ultrasons
traditionnels sont difficiles de mise en œuvre, dû à l'effet d'absorption des ondes ultrasonores
par la structure métallurgique à gros grain.
DIFFERENTS TYPES D'EQUIPEMENTS LASER / EMAT REALISES DANS LE
CADRE DE CE PROJET EUROPE
a) Equipement n°1
ƒ
Un ensemble de génération d'ultrasons par source laser portable équipée d'une
tête d'émission laser déportée grâce à l'utilisation d'une liaison à fibre optique
ƒ
Carte d'acquisition et de traitement des signaux BUS ISA intégrée dans un PC
rack pour l'acquisition des "signaux EMAT" disposant d'une interface de
communication avec la tête laser (synchronisation et sécurité d'émission laser
pour opérateur)
ƒ
Un capteur EMAT récepteur directement intégré avec la tête optique utilisée
pour générer les ultrasons ou selon une variante séparée de celle ci
ƒ
Un préamplificateur de signaux ultrasons spécifiques à l'utilisation des EMAT
(préamplificateur faible bruit avec adaptation d'impédance électrique)
b) Equipement n° 2
Idem à a) mais la carte d'acquisition et de traitement des signaux BUS ISA est remplacée par
un module électronique compact permettant son interface avec un PC book (portabilité du
matériel améliorée)
Photos 1 et 2 ⇒ équipement a)
Photo 3
⇒ équipement b)
Photo 4
⇒ vu des systèmes possibles intégrant la tête laser et le capteur EMAT
Photo 1
Photo 2
Photo 3
3
1
4
2
Photo 4
1 - Système laser / EMAT avec réglage de la distance impact laser / EMAT
2 – Système laser / EMAT avec distance laser / EMAT fixe
3 – Système compact laser / EMAT annulaire
4 – Idem 1 mais la tête laser reste fixe et le capteur EMAT est "coulissant"
EMAT annulaire
Défaut
lentille
Laser
Nd : YAG
Figure 1 Configuration laser / EMAT intégrés
Figure 2 : Configuration laser / EMAT séparés de plusieurs centimètres (fonction de
l'épaisseur de la pièce à contrôler)
Figure 3 : Configuration EMAT / laser séparés d'un faible distance
a)
b)
Figure 4 : a) oscillogramme obtenu sur une pièce avec défaut de surface et en profondeur
b) oscillogramme obtenu sur une pièce sans défaut
On remarque une modification importante de la répartition des ondes ultrasonores reçues par
le récepteur EMAT
EMAT annulaire
Défaut
lentille
Laser
Nd : YAG
Figure 1 Configuration laser / EMAT intégrés
Figure 2 : Configuration laser / EMAT séparés de plusieurs centimètres (fonction de
l'épaisseur de la pièce à contrôler)
Figure 3 : Configuration EMAT / laser séparés d'un faible distance
a)
b)
Figure 4 : a) oscillogramme obtenu sur une pièce avec défaut de surface et en profondeur
b) oscillogramme obtenu sur une pièce sans défaut
On remarque une modification importante de la répartition des ondes ultrasonores reçues par
le récepteur EMAT