MESURES DE DEFAUTS PAR ULTRASONS LASER DANS DES

MESURES DE DEFAUTS PAR ULTRASONS LASER DANS DES SOUDURES
D'ALLIAGE D'ALUMINIUM
1
2
1
3
2
Gaël Diot , Afia Kouadri-David , Laurent Dubourg , Jihed Flifla , Sylvain Guegan , Eric Ragneau
1
2
Institut Maupertuis, Contour Antoine de St Exupéry, Campus de Ker Lann, Bruz, 35170, France
2
INSA de Rennes, 20 Avenue des Buttes de Coësmes, Rennes, 35708, France
3
ECAM de Rennes, Campus de Ker Lann, Bruz, 35170, France
Résumé
Lors de la soudure laser d'alliages d'aluminium, des défauts internes, tels que les fissures ou les porosités sont
observables. Le contrôle non destructif (CND) en ligne semble être une alternative pour la qualité de la soudure.
Actuellement, les CND permettant de contrôler l'intérieur d'une soudure se limitent aux rayons-X ou aux
ultrasons. Cependant, ces techniques sont chères (rayons-X) ou avec contact (ultrasons), limitant ainsi leurs
usages. Nous présentons ici l'utilisation de la technique des Ultrasons Laser (UL) appliquée au contrôle des
porosités dans une soudure par transparence de tôles de 2 mm d'épaisseur. Cette technique utilise deux lasers :
un laser impulsionnel Nd:YAG pour générer les ultrasons dans la matière et un laser interféromètre hétérodyne
Nd:YAG pour mesurer les échos. Cette technique de CND apporte une flexibilité certaine pour toutes les
considérations géométriques et état de surface de la pièce inspectée. Les premières mesures ont permis de
détecter des trous échantillons de 2 mm de diamètre dans des tôles pleines en alliage d'aluminium 5754.
Introduction
Les alliages d'aluminium sont de plus en plus utilisés dans les industries automobiles et aéronautiques.
Cependant, les techniques d'assemblage et particulièrement les techniques de soudage peuvent générer des
défauts. Ces défauts se catégorisent comme suit : les fissures, les porosités et les défauts de géométrie. Les deux
premières catégories peuvent être présents au sein même de la soudure et ne pas être détectées avec les moyens
de contrôle classique.
Les rayons-X et l'inspection visuelle sont les méthodes de contrôle traditionnellement utilisées pour évaluer la
qualité des soudures. Cependant, les rayons-X s'adaptent mal au contrôle en ligne et l'inspection visuelle ne
détecte que les défauts de surface.
Dans ce travail, nous nous concentrons sur la détection de porosités incluses dans les soudures. Nous avons
utilisé les ultrasons générés par laser (UL) pour réaliser la mesure : c'est une technique sans contact, applicable
sur géométries quelconques et donc sur la soudure à contrôler.
Les UL mettent en œuvre un système de deux lasers : un premier laser impulsionnel générant l'excitation par
échauffement local du matériau. Le deuxième laser est un interféromètre hétérodyne qui va mesurer le
déplacement de la surface provoqué par les vibrations acoustiques. L'un des paramètres des UL est le contrôle
de la durée d'impulsion du laser de génération. Plus cette durée est courte, plus la fréquence centrale du signal
générée est élevée. Ceci implique, que tous les différents types d'ondes sonores existants sont générés lors de
l'impact laser, des ondes de matière, telles les ondes longitudinales et transversales, aux ondes de surface telles
que les ondes de Rayleigh [1, 2].
Les études montrent la possibilité de détection en utilisant les ondes de surface sur pièces cylindriques [3, 4].
Dans le cas de soudures, la détection de fissures débouchantes a été réalisée [5], ainsi que la mesure de la
profondeur de la fissure débouchante. Ceci est possible en utilisant la technique du TOFD pour enregistrer le
signal diffracté par la pointe de la fissure [6]. Ces méthodes sont utilisées pour le contrôle de pièce en service,
particulièrement dans le domaine nucléaire. Dans ces publications [3-6], il est fait l'hypothèse que la soudure
n'est pas alignée dans le sens de propagation des ondes sonores.
D'autres études menées sur des soudures FSW montrent la capacité de détection des UL sur soudures. Les tests
montrent une détectabilité de défauts de l'ordre de 200 µm [8].
Notre objectif est de développer un système rapide, sans contact et non destructif capable d'assurer la qualité
finale des soudures.
Conditions expérimentales
Les expériences menées sur les UL ont été réalisées au CETIM de Senlis ; à l'aide d'un laser impulsionnel
Spectra-Physics Quanta-Ray DCR-11 Nd:YAG, utilisé à la longueur d'onde λ = 1064 nm. La fréquence
maximale de répétition de tir est de 10 Hz, avec une énergie par pulse de 275 mJ et une durée de pulse de 10 ns.
Le spot laser a un diamètre de 6,4 mm, il est focalisé à l'aide d'une lentille de focale
f = 20 mm.
L'interféromètre laser hétérodyne SH-140 de Thalès est un laser Nd:YAG continu, ayant une longueur d'onde λ
= 532 nm. La bande passante d'acquisition est de 200 kHz à 45 MHz.
Figure 2. Schéma expérimental de mesure par
transmission. L'onde ultrasonore est générée par le laser
impulsionnel et l'enregistrement est réalisé par
l'interféromètre hétérodyne.
Les pièces inspectées sont des tôles d'alliage
d'aluminium 5754 de 2 mm d'épaisseur, soudées par
transparence. Ces pièces ont été soudées à l'aide d'un
laser Nd:YAG continu à 4 kW. Chaque échantillon a ensuite été caractérisé par rayons-X, à l'aide d'un tube de
240 kV (figure 3). La mesure a été réalisée à 100 kV. La résolution du capteur est de 1024x1024 pixels. Chaque
radiographie
a
une
résolution
de
0,1 mm.px-1.
Nous avons réalisé un ensemble d'échantillons possédant ainsi des états de surfaces différents, des tailles et des
densités de porosités variées. Les paramètres de soudage laser ont été choisis pour obtenir une pénétration de
l'ordre de 3 mm dans les tôles.
Les mesures ont été réalisées par transparence, configuration qui permet d'optimiser le rapport signal à bruit,
voir figure 2. Comme l'interféromètre est placé sur un rail motorisé, les mesures sont réalisées en balayant la
plaque avec l'interféromètre, comme illustré figure 4.
Figure 4. Schéma d'une
mesure par transmission
avec balayage de
l'interféromètre.
Théorie des ultrasons
Comme
précisé
dans
l'introduction, le système
des UL génère un ensemble de différentes ondes sonores. Leur identification ainsi que la connaissance du
parcours de chaque onde est importante dans l'analyse des résultats. Cette section introduit succinctement les
différents types d'ondes générées.
Les ondes se propageant dans la matière sont au nombre de deux (figure 5), les ondes de compression (ou ondes
longitudinales) et les ondes de cisaillement (ou ondes transversales).
a)
Figure 5. a) Représentation des
ondes longitudinales ; b)
Représentation des ondes
transversales.
b)
Ces deux types d'ondes peuvent
interagir avec l'intérieur de la
soudure et ainsi renseigner de
possibles défauts dans le
matériau.
Il existe en plus, deux types d'ondes de surface : les ondes de Rayleigh et les ondes de Love. Cependant, les
ondes de Love ne se manifestent pas par une déformation en surface de la matière et requiert des méthodes de
détection particulières.
a)
b)
.
Figure 6. a) Représentation des ondes de Love ; b) Représentation des ondes de Rayleigh.
En mode par transmission, nous nous attendons à ne pas recevoir d'onde de surface, vu que l'excitation a lieu sur
la surface opposée à la mesure. La physique prévoit tout de même la possibilité de l'existence d'une onde de
surface [1, 2]. En effet, lors de la réflexion de l'onde de compression sur le fond de la tôle, une partie de l'énergie
va se convertir sous forme d'onde de Rayleigh. Il est donc possible d'observer des ondes de surfaces lors de
mesures par transmission.
Ces différents types d'ondes ont des vitesses de propagations différentes. Dans l'alliages d'aluminium 5754, les
valeurs trouvées dans la littérature sont les suivantes [1] :
Table 1. Vitesse de propagation des ondes sonores dans l'alliage d'aluminium 5754 à 20°C
Type d'onde
Vitesse en m.s-1
Onde longitudinale
6320
Onde transversale
3130
Onde de Rayleigh
2900
Autre point à prendre en compte : le diagramme de directivité des différents types d'ondes. Ces diagrammes
vont permettre d'anticiper la présence et la propagation des ondes de matière. Les diagrammes présentés figure 7
et 8 font l'hypothèse d'une source ponctuelle. La figure 7 montre le diagramme de directivité des ondes
longitudinales et transversales dans le cas d'un régime thermo-élastique. La figure 8, montre ces mêmes
diagrammes pour les mêmes ondes dans le cas d'un régime d'ablation [1, 3]. Le régime thermo-élastique
implique une énergie plus faible de la part du laser et n'échauffe que localement la matière. Le régime d'ablation
par contre, vaporise une partie de la matière en surface à chaque impact.
Figure 7. Diagramme
d'émissivité d'une source
ponctuelle en mode thermoélastique. Diagramme de
gauche : onde longitudinale,
diagramme de droite : onde
transversale.
Figure 8. Diagramme de
directivité d'une source
ponctuelle en mode d'ablation.
Diagramme de gauche : onde
longitudinale, Diagramme de
droite : onde transversale.
Ces diagrammes de directivité
montrent que le régime
thermo-élastique est moins
approprié dans le cadre d'une
étude de faisabilité. En effet, le régime d'ablation, outre la directivité, offre un meilleur rapport signal à bruit car
les niveaux d'énergie sont plus importants. Ce régime a donc été retenu dans toutes les expériences menées dans
cette étude. Cependant, ce mode de contrôle n'est pas, au sens stricte, non destructif, car l'impact va produire une
ablation de quelques micromètres de matière à chaque impact. Dans une étude ultérieure, il sera sans doute
possible de réaliser les mêmes mesures en régime thermo-élastique, mais cela requiert une bonne connaissance
des phénomènes de propagation et surtout des distorsions des chemins possibles.
Résultats
Les premières mesures ont été réalisées sur des tôles pleines d'alliage d'aluminium 5754 de 2 et 4 mm
d'épaisseur. Le but étant d'identifier les différents types d'ondes.
Figure 9. Mesure par transmission sur tôle pleine de 4 mm d'épaisseur, d'alliage d'aluminium 5754.
Trois ondes ayant trois vitesses de propagations distinctes sont observables. Afin d'identifier plus précisément la
nature des différentes ondes observables, un calcul de distance parcourue est réalisé selon le principe illustré
dans la figure 10.
Figure 10. Calcul des trajectoires pour chaque type d'onde ainsi que leurs échos dans le cadre d'une mesure par
transmission avec balayage de l'interféromètre.
Nous réalisons le calcul du chemin parcouru :
t=
avec
ln
vc
v c la vitesse de l'onde considérée et
l n=
e2
d
2n− 1
2
2n− 1
avec n allant de 1 au nombre d'échos considérés.
Le temps de parcours de chaque type d'onde calculé est superposé à la mesure comme illustré dans la figure 11.
Figure 11. Mesure par transmission sur tôle pleine de 4 mm d'épaisseur, avec identification des ondes. Rouge :
onde longitudinale. Vert : onde transversale. Violet : onde PS.
Le calcul montre une bonne corrélation avec le positionnement des différentes ondes. Nous réalisons la même
opération sur une tôle de 2 mm d'épaisseur (figure 12).
Figure 12. Mesure par transmission sur tôle pleine de 2
mm d'épaisseur, avec identification des ondes. Rouge : onde longitudinale. Vert : onde transversale. Violet :
onde PS. Bleu : onde de Rayleigh.
La tôle de 2 mm d'épaisseur, laisse apparaître une onde de Rayleigh, émergeant à l'impact de l'onde
longitudinale avec le fond de l'échantillon, en accord avec la théorie. Cette onde de Rayleigh est également
présente sur la tôle de 4 mm d'épaisseur mais n'ayant pas une énergie suffisante, elle n'apparait pas sur la
mesure.
La prochaine mesure a été réalisée sur un échantillon soudé. La figure 13, nous montre schématiquement
l'équivalent d'une coupe transversale de cet échantillon.
Figure 13. Représentation schématique des chemins ultrasonores dans une soudure par transparence.
La figure 13 montre, à l'aide de lancer de rayon, le chemin des ondes. Le lancer de rayon est l'approche
géométrique de l'analyse de propagation des ondes, permettant ainsi de prévoir les zones de passage des
ultrasons. La partie centrale recevra l'émission ultrasonore directement. La réflexion sur les côtés de la soudure
va ensuite se réfléchir sur la tôle inférieure, comme indiqué figure 13 en ligne interrompue. Le signal de la partie
centrale est directement lié à l'épaisseur de la soudure.
Figure 14. Mesure par transmission sur tôles soudées par
transparence de 2 mm sur 2mm d'alliage d'aluminium 5754, sans défaut.
Figure 15. Mesure par transmission sur tôles soudées par transparence de 2 mm sur 2 mm d'alliage d'aluminium
5754, avec identification des ondes. Rouge : onde longitudinale. Vert : onde transversale. Violet : onde PS.
Comme précédemment, le calcul du temps de parcours est en bon accord avec les mesures expérimentales
(figure 15). La diffraction sur les raccords de tôle au sein de la soudure n'a pu être démontrée, car le calcul de la
différence de temps de parcours entre émission directe et émission diffractée ne le permet pas, dû à la proximité
des ondes entre elles.
La précédente mesure, figure 15, a été réalisée sur une partie soudée ne contenant pas de défaut. Les figures 16
et 17 présentent les mêmes mesures mais sur une zone contenant une porosité large de 1,2 mm.
Figure 16. Radiographie de la zone défectueuse. Prises de vues à 90° et 45°.
Figure 17. Mesure par transmission sur tôles soudées par transparence de 2 mm sur 2 mm avec un défaut.
À première vue, la mesure de la figure 17 ressemble à celle réalisée sur une zone sans défaut (figure 13). Nous
constatons différents points :
- nous remarquons que malgré la présence du défaut, nous observons une onde en lieu et place de l'onde
directe. Celle-ci étant normalement bloquée par la présence du défaut, nous en déduisons que l'onde observée est
le résultat de la diffraction, certainement issu des raccords de soudure.
- un simple lancer de rayon, ne permet donc pas d'anticiper complètement la réponse ultrasonore d'une telle
configuration et la figure 13 est incomplète.
- la différence la plus significative entre les deux mesures vient de l'évanouissement de l'onde transversale
sur la droite de la figure 17.
Comme les défauts, bien qu'imposant, n'apparaissent pas directement avec ce protocole de mesure, la prochaine
mesure est un B-Scan traditionnel, i.e. un point d'excitation et de mesure fixe, le système parcourant
l'échantillon. Cette mesure est réalisée sur 20 mm avec un pas de 0,1 mm entre deux mesures. La zone inspectée
contient des porosités avec des tailles variant de 0,3 mm à 1,1 mm (figure 18). Plusieurs observations peuvent
être faites :
- En considérant la première onde qui traverse l'échantillon – l'onde longitudinale – il apparait qu'elle est
directement liée à l'épaisseur de la soudure. Plus cette onde arrive tôt, plus la soudure est fine en épaisseur. Sur
les radiographies X, l'épaisseur apparaît en intensité de blanc. Plus le point est blanc, moins il y a de matière.
Les résultats de ces deux mesures sont en accord.
- Concernant les porosités contenues dans la soudure, la mesure ultrasonore montre des arcs qui convergent
vers ce qui doit être l'onde transversale. Le sommet de ces pics est indiquée en rouge figure 18. Il apparaît que
ces pics correspondent à la localisation des différentes porosités. L'interprétation physique est encore en cours
de discussion au vu de la complexité des signaux obtenus. Pour le moment, le plus probable semble être la
réflexion d'ondes transversales sur les défauts.
- Pour le moment il n'est pas possible de positionner précisément ou de dimensionner les porosités détectées.
- La plus petite porosité détectée est de 0,3 mm.
Figure 18. B-Scan sur échantillon soudé. Comparaison avec la radiographie de la même zone, (en haut).
Simulation
Afin d'apporter une aide à l'interprétation et un outil possible dans le cadre d'un traitement de signal, nous avons
développé une simulation. Le modèle retenu est un système de masses-ressorts couplés en grille, ou chaque
masse est reliée à ses huit plus proches voisins. Cette description est couramment utilisée dans la littérature pour
décrire la propagation des ondes sonores dans les solides [1, 2]. Le principe de simulation est décrit sous
l'acronyme LISA (Local Interaction Simulation Approach) dans [9, 10].
L'équation de propagation des ondes classiquement utilisée dans le cadre des simulations est la suivante :
∂2 u 1
=
Δu
∂ t 2 c2
Le modèle masse-ressort permet de découpler la dérivée spatiale de la dérivée temporelle. La dérivée temporelle
est calculée à l'aide de la définition physique de la dérivation, c'est-à-dire en considérant un petit pas de temps
Δt entre deux itérations, comme dans la méthode FDTD. Nous aboutissons à l'équation suivante :
m
un+1− 2u n +u n− 1
Δt 2
= − k un− u0
Avec u n la longueur entre deux masses à l'instant n . Le modèle implémenté est en 2D et permet de modifier
chaque valeur de raideur, de masse, de longueur au repos des ressorts, et ceci de manière dynamique, à chaque
pas de calcul. Cette approche permet de facilement modéliser des matériaux à structures complexes, possédant
de multiples interfaces (comme les joints de grains), qu'elles soient de type impédance, de type rigide ou encore
de type vide (absence de ressort pour modéliser une porosité).
Comme nous pouvons voir sur la figure 19, la mesure expérimentale et la simulation donnent des résultats
comparables.
a)
b)
Figure 19. a) B-Scan expérimental réalisé à l'aide d'un mono-élément avec une fréquence centrale de 5 MHz sur
une tôle d'aluminium de 4mm d'épaisseur. b) B-scan simulé dans les mêmes conditions que la mesure.
La simulation décrit graphiquement la reconstitution du signal derrière le défaut, grâce à la diffraction sur les
jointures des tôles au niveau de la soudure.
La simulation gère donc la propagation linéaire, mais également les effets de diffraction. Ce modèle permet
donc de prendre en compte les phénomènes non linéaires tels que la diffraction, qui nécessiterait une
implémentation particulière dans le cadre des éléments finis.
La première étape de validation de la simulation semble donc être faite avec la comparaison à la mesure réelle
dans un cas simple. Dans un cas plus compliqué, la simulation permet de mieux comprendre les différents
phénomènes de propagations qui se passent dans la pièce inspectée. La simulation a en outre confirmé
l'hypothèse comme quoi le signal se reformait derrière les défauts par diffraction sur les raccords de tôles
rencontré figure 17.
Conclusions & Perspectives
La technique des ultrasons lasers a été employée avec succès sur des échantillons d'alliage d'aluminium 5754
soudés par transparence. Nous avons montré que les défauts internes étaient détectés. Cependant, l'interprétation
des mesures ultrasonores est délicate. La localisation et le dimensionnement des défauts sont eux aussi délicats.
Afin d'affiner la détection, le développement d'un système d'imagerie peut être envisagé, permettant une
interprétation simple et fiable et qui offrirait idéalement la possibilité de localiser et de dimensionner les défauts.
Le récent développement des traitements de signaux, et particulièrement ceux concernant le concept de
retournement temporel, laissent espérer à l'aboutissement d'une telle technique. En effet, les dernières avancées
permettent de donner une image interne du matériau grâce à ce procédé. Le développement de la simulation aura
pour but d'exploiter les propriétés du retournement temporel.
Références
[1] Krautkrämer, J., Krautkrämer, H. (1990) Ultrasound testing of materials. 4th ed.
[2] Kundu, T. (2003) Ultrasonic nondestructive evaluation . CRC Press, 1st ed.
[3] Clorennec, D. (2002) Génération et détection optiques d'ondes guidées sur une pièce cylindrique.
Application au contrôle non destructif sans contact. PhD thesis.
[4] Leutenegger, T.F. (2002) Detection of defects in cylindrical structures using a time reverse numerical
simulation method. PhD thesis, Swiss Federal Institute of Technology Zurich.
[5] Ochiai, M. (2008) Development and applications of laser-ultrasonic testing in nuclear industry, in 1st
International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications.
[6] Klein, M, Ansari, H. (2008) Laser ultrasonic inspection of adhesives used in auto body manufacture, in 1st
International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and Applications.
[7] Sheng, L., Erdahl, D., Ume, C., Achari, A. (2000) A novel method and device for solder joint quality
inspection by using laser ultrasound, in Electronic Components and Technology Conference, pp. 408-415.
[8] Hedin, A. Carlson, L., Borg, M. (2008) Defect detection by laser-ultrasonics in friction stir welded joints in
aluminium profiles, in 1st International Symposium on Laser Ultrasonics: Science, Technology and
Applications.
[9] Delsanto, P. P., Johnson, P. A., Scalerandi, M. and TenCate, J. A., (2002) Lisa simulations of time-reversed
acoustic and elastic wave experiments, Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 35, pp. 3145§-3152.
[10] Delsanto, P. P., Gliozzi, A. S., Hirsekorn, M. and Nobili, M., (2006) A 2d spring model for the simulation
of ultrasonic wave propagation in nonlinear hysteretic media, Ultrasonics , vol. 44, pp. 279§-286, 7.
[11] Taflove, A. (1995) Computational
Method. Norwood, MA: Artech House.
Electrodynamics:
The
Finite-Difference
Time-Domain
Remerciements
Le projet : « Mesure de défauts, générés par les lasers de puissance sur tôle mince, à l'aide d'un capteur
innovant », est cofinancé par la Région Bretagne et l'Union Européenne. L'Europe s'engage en Bretagne avec le
Fonds de développement Régional
Les essais décrits dans cette publication ont été réalisée au CETIM à Senlis-France, au laboratoire de contrôle
non destructif. Le CETIM a apporté son expertise en ultrasons et mesures sans contact et a également donné
accès au matériel d'ultrasons lasers.