Brevet FR2244173A1 — publié le 19750411

La présente invention concerne les procédés de controle non destructif par ultrasons destinés à la recherche de défauts internes . Elle s'applique particulièrement au controle de pièces dont une seule face est accessible aux transducteurs Les techniques actuellement utilisées pour le controle des grands réservoirs soudés par exemple, sont le plus fréquemment des méthodes manuelles où les transducteurs sont maintenus et déplacées au contact des pièces .Les transducteurs travaillent en émetteur récepteur , en ondes longitudinales ou en ondes transversales ; c'est à dire qu'un pulse ultrasonique est émis qui vient se réfléchir sur le défaut et retourne vers le transducteur Cette méthode connait de nombreuses limitations s tout d'abord il n'est pas possible d'éffectuer un enregistrement des défauts en fonction du déplacement du transducteur ( si ce n' est la photographie de l'o illo- gramme pour une position particulière du transducteur ), ensuite la sensibilité reste médiocre du fait de conditions opératoires qui ne sont jamais totalement reproductibles ( positionnement et couplage du palpeur) , enfin le fonctionnement en emetteur-récepteur implique que le défaut est trés heureusement orienté par rapport au faisceau d'ultrasons, ou bien encore que la surface du défaut est suffisarment perturbée pour retrodiffuser vers le capteur (transducteur) une partie suffisante des ondes ultrasonores. On utilise également dans l'industrie des moyens mécanisées qui assurent un balayage automatique des pièces . Ces app seillages sont généralement complétés par des dispositifs d'enregistrement de type B ou C (B-scan ou C-scan ) selon la terminologie adoptée en matière de controle par ultrasons . Ces méthodes souffrent des limitations suivantes : avec des palpeurs (transducteurs) de contact il est indispensable d'assurer mécaniquement un contact toujours régulier au cours des déplacements , et surtout , le principe de ltémetteur-récepteur ne convient pas à la détection de défauts plans ainsi que nous l'avons indiqué plus haut . Les rares cas de détection sont schématisés sur la figure I .Il permet un retour direct de l'écho vers le transducteur , de défauts à peu près bien orientés et dont la surface diffuse une énergie suffisante vers le capteur , de fissures perpendiculaires à la face inaccèssible lorque le faisceau est dirigé dans le plan de la figure I Devant ces insuffisances d'autres méthodes ont été mises au point qui sont efficaces pour détecter des fissures de direction connue et nerDendiculaires à la face d'accès. On utilise dans ce cas toute une série de transducteurs . Les ondes ultrasonores sont émises par certains transducteurs et reçues par d'autres après double réflection sur la fissure et sur la face arrière ( voir figure 2 ). loi encore, si la fissure s'écarte, même légèrement, de la normale à la surface de la pièce ,ou si ie faisceau s'écarte d'un plan perpendiculaire à la fissure , il n'y a aucune chance pour que l'écho réfléchipar le défaut puis par la face arrière,ne revienne au récepteur, lequel est en position relative fixe par rapport à l'émetteur La figure 3 correspond à une recherche de fissures planes dans une tole épaisse. Elles représentent les variations d'énergie réfléchie sur la face d'eccès en fonction sont tracées de l'orientation du défaut . Les courbes/en prenant un plan de figure perpendiculaire à la fissure et an faisant tourner progrèssivement le défaut . De plus , elles correspondent au cas où le faiscoau émås est dans le plan de la figure. Les varia tions d'énergie, représentées en coordonnées polaires , traduisent l'atténuation des ondes dans le matériau en fonction de la distance parcourue .La partie "ab des courbes correspond à une réflection directe de l'écho du défaut , sur la face d'accès ; la partie "b" correspond à une double réflection sur le défaut puis sur la face arrière ; la pointe "c" la réflection du faisceau émis sur la face arrière sans qu'il soit-sensiblement intercepté par le défaut qui est de chant par rapport r au faisceau ; la pavie déprimée "d" correspond à des inclinaisons où le défaut s' oppose au retour du faisceau déj3 deux fois réfléchi On voit sur ces courbes qu'un défaut incliné à I5D par rapport à la normale à la surface ne sera pas décelé par un controle par ultrasons classique puisque aucune énergie ne sera réfléchie vers la surface lorsque les ondes transversales sont inclinées à 450 ou 600 En outre, l'écho de défaut revenant sur la face d'accès n'est pas forcément saisi par le récepteur.En effet , sur la figure 4 qui représente la face supérieure de la tole , on a indiqué an E l'impact du faisceau émis ,en B la réfaction sur le défaut , en C celle sur la face arrière , en D le retour à la face supérieure Pour un angle de déviation &alpha; du faisceau sur le défaut , le retour s'éffectue en R au lieu de t . Un calcul élémentaire montre que pour des ondes transversales à 450, la distance séparant D de R est égale à 2.(2h-p).sinzx où h et p sont l'épaisseur de la tole et la profondeur du défaut .Pour un défaut situé à ioe mm dans une tole de 200mm cette distance est d'environ 50 mm pour un angle de seulement 5 . Autrement dit , si les méthodes actuelles détectantéffectivamant des fissures , elles n'offrent aucune garantie d'un examen complet Le dispositif selon l'invention élimine les limitations précédentes .Dans celui ci en effet toutes les fissures seront décelées quelque soit leur orientation . Ce dispositif augmente notablement la sensibilibilité des méthodes actuelles de controle par ultrasons ; enfin , il permet de caractériser dans une certaine mesure les fissures décelées en les localisant et en définissant leur contour apparent. Le dispositif objet de l'invention comporte d'abord deux transducteurs qui sont placés de telle sorte l'un par rapport à l'autre ,que le faisceau d'ultrasons émis par le premier traverse la pièce sous un certain angle , se réfléchit sur la face arrière , revient sur la face d'entrée où l'énergie est reprise ensuite par le se6tnd transducteur .Dans ce dispositif, la face arrière de l'objet à controler ( tola épaisse par exemple ) est utilisée systématiquement come "miroir" .La première fonction de ce dispositif est de suivre en permanence l'image du faisceau incident Etant donné que les objets à contooler sont de forte épaisseur , étant donné égale lient que la face arrière n test pas forcément régulière ( elle peut autre recouverue d'un "cladòing" ) , l'image va se déplacer constant tout autour de sa position théorique laquelle est parfaitement déterminée à tout instant à partir de considérations géousStriques : position de l'émetteur par rapport à la face d 'entrée, épaiss-r de la tole et orientetion de la face arrière Aussi, dans notre invention , le récepteur est libre de se déplacer autour de sa position théorique ; il est également pourvu d'un dispositif de "tracking" qui lui permet d'filtre sans cesse sur le faisceau réfléchi et de "coller" à celui ci. La recherche des défauts se fait par balayage du faisceau incident de façon à aus- cuiter en totalité la zone à contrrler . Lorsque le faisceau frappe une disconti nuité, il est interrompu et l'"image" reçue par le second trsnsducteur s'évanouit L'interception du faisceau se traduit par une disparition de l'image réfléchie. Nous résumerons le principe de cette méthode par la dénommination : "méthode R.T.D." (Réflection-Tracking-Disparition). Par déplacement de ce dispositif au dessus de la pièce à controler , on mettre ainsi en évidence une série de zones "blanches", c'est-à-dire sans echo de réfle- xion , qui correspondent à des interceptions de défauts . Si l'on emploiedes faisceaux focalisés ou des faisceaux cylindriques de faible diantre , on connaitera avec la précision correspondante , le-contour apparent du défaut "vu" sous l'angle du faisceau incident . Avec plusieurs groupes de palpeurs orientés différemment ,on est absolument assuré qu"aucun défaut ne passera au travers de cette "auscultation". Toutefois, lorsque l'état de surface du miroir est ,loealement, brutalement perturbé ,( raccords de passes successives de soudage d'un cladding ,par exemple), la réflexion peut titre déviée trop brusquement pour pouvoir Titre suivie par le système de tracking . Dans ce cas , la disparition de l'image n'est pas synonyme de la présence d'un défaut . Aussi , pour éviter une interprétation erronnée , il est prévu dans notre invention , de placer un transducteur à l'aplomb du point de réflexion sur la face arrière et de controler directement,en ondes longitudinales, l'état de surface de la face arrière . C'est une vérification de la qualité du miroir. Ainsi, à la différence des méthodes conventionnelles, où l'on s'attache à détecter et à mesurer la hauteur d'un echo sur un défaut ( à condition déjà de capter l'écho), ici, la disparition totale d'un echo de valeur à peu près constante (lorsqu'il s'agit d'une tole épaisse, par exemple) traduit l'interception faite par un défaut Ce signal aura la m'me amplitude , qu'il s'agisse d'un petit défaut équivalent au diamètre du faisceau initial ou bien d'un défaut beaucoup plus important L'efficacité et la sensibilité de la méthode R.T.D sont dons remarquables Par ailleurs , lorsqu'on examine une pièce d'épaisseur constante , le trajet complet du faisceau ,de l'émetteur au récepteur , est constant ; l'atténuation dans le métal est toujours la *e ; il en découle une bonne stabilité des mesures Le dispositif ,objet de l'invention , comporte plusieurs groupes de transducteurs qu'il est avantageux de déplacer simultanément. Ces groupes , orientés différewnent donnent d'abord l'assurance d'une auscultation complète de la pièce . Ils sont également destinés à localiser et à caractériser les défauts dont on connait la présence mais que l'on n'a pas situés (sinon que l'on sait qu'ils se trouvent sur le parcours du faisceau incident ou réfléchi ). Selon notre invention, la transcription des zones blanches (zones de silence) permet une rapide localisation et une première évaluation des formes du défaut . Sur la figure 56 s on a indiqué les zones de silence correspondant à un défaut qui a été décelé par deux groupes de transducteurs G i et t 2 composé chacun d'un émetteur et dtun récepteur asservi (fonction tracking ) , ainsi que par le groupe G.L qui ,en permanence , vérifie en ondes longitudinales l'état de surface du miroir . G.ii et G.2i sont les contours apparents vus par les faisceaux incidents; G.lr et G.2r caux vus par les faisceaux réfléchis . Les flèches 1 et 2 indiquent, an plan , les directions des ondes des groupes 1 et 2 .G.L est l'image de la zone de silence à l'aplomb du défaut , elle se trouve à la rencontre des directions i et 2 tracée à partir de G.ii et G.2i respectivement . Il y a un rapport constant entre les cotés de ce triangle , dont la dimension permet de connaitre la profondeur du défaut . Etant donné que l'état de surface du miroir n'est pas forcément régulière, les zones G.lr et (;.2r ne sont pas forcément alignées avec les cotés du triangle précédent . On peut cependant , avec facilité apprécier leur nature par recoupement avec les informations précédentes , et ainsi éliminer les fausses interprétations. Par exemple , la distance G.Ii - G.1r est en relation directe avec la profondeur du défaut déterminée par ailleurs Lorsque le défaut est une fissure perpendiculaire à la tole , on ne receuille ordinairement pas de signaux en G.L g mais G.1i et G.2i suffisent à determiner le défaut . Si de plus , la fissure est plane et située dans le plan qui contient la direction 2 , par exemple , il n'y aura qu'un seul signal G.li .Dans ce cas,6,i et G.Ir suffisent à localiser le défaut ; il y aura toutefois intérêt à receuillir confirmation en explorant la zone du défaut sous une autre direction. La recherche de fissures planes présente un grand intéret pratique Nous venons de voir que en certains cas particuliers ( fissures normales à la tole et dans la direction des faisceaux ultrasonores) , notre dispositif permettait donc de caractériser ces défauts lors du premier balayage et des premiers enregistrements, à partir desquels on procède à la localisation des défauts Le dispositif selon l'invention permet également de caractériser toutes les fissures planes qulS30rientée de L à 450 par rapport à la normale à la tole Cette identification s'éffectue à l'aide d'un groupe de transducteurs couplés selon notre méthode R.T.D . .On fait pivoter ce groupe de transducteurs autour de la normale à la surface de la tole qui passe par le défaut ; en faisant progressivement varier l'angle des ondes ultrasonores voir figure 6. A tout endroit il y a interception du faisceau et le récepteur ne reçoit aucun signal . Lorsqu'enfin la fissure se présente de chant au faisceau , le défaut est en quelque sorte transparent , le faisceau se réfléchit sur la face arrière et est receuilli par le récepteur . On a une apparition brutale d'un pic d'énergie transmise . Ceci correspond aux pics "c" des figures 3 . Il n'y a aucune ambigüité possible sur la nature du défaut. Quand on désire caractériser la surface de discontinuité d'un défaut quelconque dont on connait déjà les contours apparents dans plusieurs directions, on aura avantage à utiliser le dispositif d'asservissement (réflectiontracking ) et à appliquer ce système à la poursuite de l'écho renvoyé par le défaut, lorsque le faisceau d'ultrasons balaye le défaut . Dans les méthodes habituellement employées, le récepteur est toujours en position fixe par rapport à l'émetteur . Dans notre n dispositif , les deux fonctions sont séparés , l'émétteur a une position indépendante de celle du récepteur qui suit l'écho renvoyé sur la surface .Dans les figures 3 , nous avons vu que énergie varie énormément en fonction de 11 angle d'attaque du faisceau sur la surface du défaut , et en fonction de l'inclinaison des ondes , de 11 épaisseur de la pièce La méthode est la suivante : on dirige le faisceau sur le défaut déjà localisé ; ensuite on va chercher un echo par déplacement du récepteur. -Il n'est pas sûr que l'on y parvienne ; dans ce cas on fait une nouvelle tentative avec un autre faisceau incident . Lorsque l'on a détecter un écho , on place sur cet écho le système de tracking. Dans ces conditions , on commence à balayer le défaut selon des lignes parallèles en conservant à tout moment la mawe direction au faisceau .Le récepteur va tracer uhe série de figures (courbes ) qui vont renseigner sur la nature et la géométrie du défaut Par exemple , on sera en mesure de caractériser des faces du défaut quand celles ci seront à peu près planes . En effet , une face plane balayée par des droites renverra des échos qui parcouraront eux aussi des segments de droites .(figure 7). Les méthodes de caractérisation par étude et analyse des échos sur les défauts ne perm 7pas ,sauf exception , de discriminer catégoriquement les fissures . Dans l'exemple de la figure précédente on perçoit une facette du défaut mais on ne peut rien affirmer de l'épaisseur du défaut derrière cette facette . Toutefois , il y a de grandes chances qu'une face plane soit l'apanage d'une fissure plutôt que celui d'une inclusion Une seconde indication que cette méthode de tracking permet de receuillir , concerne l'évanouissement progressif de l'écho associé avec sanfuite" sur la face supérieure. Lorsque le faisceau incident vient frapper les bords du contour apparent du défaut (disparition /apparition de la réflexion sur la face arrière) , si ces bords sont arrondis , l'echo de défaut (si il est perçu ) va s'éloigner de plus an plus vite comme le montre des raisonnements d'optique géométrique simple. ).Si les bords du contour apparent ne sont pas arrondis , et si l'on est,bien sur , en mesure de recevoir un écho du défaut , il y aura une disparition brutale de l'écho sans qu'il y ait fuite de l'écho . En de telles conditions il y a une forte présomption que le défaut soit une fissure lorsque ce défaut est un défaut réel , et non pas un défaut artificiel obetnu par usinage (trou à fond plat par exemple) .Cette méthode est aisément applicable pour déceler les facettes planes qui feraient un angle de 750 à 900 par rapport à la normale à la face des toles La précision de la méthode RTD dépend directement du diametre du faisceau d'exploration . Or le volume de la zone à controlcr par ultrasonS est souvent considérable puisque certains codes exigent le controle des zones situées de part et d'autre de la soudure ,sur une largeur égale à l'épaisseur des toles. Avec des faisceau de IO mm de diamètre ou moins , la durée du controle va Autre prohibitive .On est donc conduit à grouper toute une série d'émetteurs de façon à augmenter la dimension du faisceau d'exploration sans pour autant perdre sur la précision Par exemple les émetteurs identiques sont alignés et pareillement orientés . Le faisceau formé de la juxtaposition des faisceaux élémentaires vient frapper la face arrière selon un segment de droite (si la face est plane) , l'état de surface de ce segment est controlé en ondes longitudinales . Le système de tracking est remplace par un récepteur mosatque , formé de la juxtaposition de nombreux transduceurs , couvrant une grande surface . Les dimensions de ce récepteur sont fonction de la dimension de la série d'émetteurs , et de la dispersion des échos de réflexion qui sont habituellement suivis par le tracking . Sur la figure8 on a schématisé la bande couverte par les émetteurs , sa trace sur le miroir , et l'image reçue sur la face supérieure . Le récepteur est dimensionné pour contenir toutes les déformations de l'image au fur et à mesure du déplacement de la tete de controle.Chaque émetteur contribue à un éléement de l'image .Cet élément suit un trajet qui est individua lisé le cas échéant , et il laisse une trace d'où ressortiront les zones de silence . (voir figure). L'appareillage selon l'invention est conçu pour accomplir les fonctions précédent ment décrites . On travaillera de préférence en immersion pour une meilleure sen sibilité Sur la figure est schématisé l'appareillage avec ses groupes de transducteurs (page 4; ligne IO ) . Les positions des transducteurs émetteurs doivent entre scrupuleusement respectées lorsque cet appareillage est déplacé au dessus de la pièce à controler. Aussi , il est porté par une table xr (à mouve ments entrecroisés) qui se déplacent sans vibration sur des rails 2 par l'inter médiaire de glissières à billes 3 .Ces rails peuvent être de grande dimensions Des ressorts/appuient sur la surface de la tole des pieds Xssociés aux émetteurs 6. Les distances par rapport à la tole sont ainsi maintenues constantes Une couronne centrale 7 sur la table XY 8 peut pivoter sur elle mate. Au centre de cette couronne est placé le transducteur 9 qui sert à vérifier l'état du miroir (face arrière de la tole où vient frapper les faisceaux incidents ) . Sur cette couronne sont fixés des anneaux IO et II sur lesquels sont fixés respectivement les bras I2 et I3 portant les émetteurs I4 et 15 . Ces émetteurs sont inclinables dans les plans correspondants contentant l'axe du transducteur 9 .Des bras I6 et 17 portent chacun une petite platine support à mouvements entrecroisés 18 et I9. 21 Sur cette petite platine sont fixés le récepteur/entouré d'un groupe d'autres récepteurs servant à connander le "tracking" . La course xy recouvre le donaine de pistage possible à partir de l'image théorique . Si le faisceau incident n'est pas situé dans un plan normale à la tole , les bras I6 et I7 ne seront pas dans l'alignement des bras I2 et I3 Lorsqu'un défaut a été localisé , le transducteur 9 est placé à l'aplomb de celui ci , les distances desRcapteurs 14 et 15 au capteur 9 sont ajustées à la profon deur du défaut compte tenu de l'angle d'inclinaison des faisceaux incidents . La couronne centrale 7 est débloquée pour un balayage par rotation Ces diverses fonctions mécaniques relèvent de techniques courantes d'outillage Le dispositif objet de l'invention est destiné au controle non destructif , en particulier à celui des assemblages mécano-soudés et à celui des puces de forge. Il est particulièrement adapté & la détettionsdes fissures et n'en laisse pas échapper à l'observateur ; aussi trouve t il des applications immédiates dans toutes les construction qui exigent un haut niveau de qualité : récipients sous s pression , réalisation nucléaires , aviation REVENDICATIONS I . Dispositif de détection de défauts par ultrasons, et en particulier de fissures par accès à un seul caté des pièces à controler , caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un groupe de transducteurs s comprenant un émetteur qui dirige le faisceau sur la face arrière servant de miroir et un récepteur qui saisit-le retour du faisceau réfléchi 2 . Dispositif selon I , où le récepteur est équipé d'un système d'asservissement (tracking) de la position du récepteur en regard du faisceau réfléchi sur la face d'accès . 3 . Dispositif selon i , où l'on procède constamment à la vérification de la qualité du"miroir" sur l'aire où se réfléchit le faisceau incident. Cette vérification est réalisée de préférence à l'aide d'un émetteur-rOcepteur placé à l'aplomb de l'aire à controler 4 . Dispositif selon I , selon 2,ou selon 3 où deux groupes de transducteurs sont utilisés, qui sont réunis de telle sorte que l'aire de réflexion sur la face arrière de la pièce à controler (miroir) soit la meme pour chacun. 5 . Dispositif selon 4 , où l'on enregistre les "silences" (disparition d'écho) en fonction des coordonnées des émetteurs . La localisation des défauts décelés est faite sur ces enregistrementspar rapprochement des indications fournies par les divers émetteurs 6 . Dispositif selon 5 où l'on procède à la caractérisation d'un défaut déjà localisé par rotation d'un groupe "émetteur, récepteur ,transducteur de vérification de miroir " autour d'une normale à la surface , passant par le défaut ; et par variation progrèssive de l'inclinaison du faisceau. La distance de l'émetteur à la normale précédente doit Entre réglée de telle sorte que le faisceau soit constamment dirigé vers le défaut. 7 . Dispositif destiné à la caractérisation des défauts ,à partir de ltecho réfléchi par celui ci , utilisant le dispositif de "tracking " précédent (cf 2 ). Ici, celui ci asservit le récepteur au déplacement de l'echo de défaut en fonction du déplacement du transducteurtémetteur. 8 . Dispositif selon I, ou selon 3 , où une série d'émetteurs alignés et pareillomënt orientés émettent en meme temps ou successivement des ultrasons, et où le domaine de réception des faisceaux réfléchis est couvert d'une juxtaposition (mosaïque) de récepteurs. Les enregistrements du déplacement des émetteurs et de leur image sont individualisés . Ils renseignent sur l'état de surface du défaut. Le dispositif est également destiné à apprécier le rapport des vitesses de déplacement de l'image et du récepteur . Ce rapport permet de présumer de l' existence dune fissure en particulier par examen des zones proches du contour apparent du défaut 9 . Appareillage destiné à la mise en oeuvre du dispositif précédent. -Il comporte plusieurs groupes de transducteurs qui sont portés par une table XY à mouvements entrecroisés ; cette table est déplacée au dessus de la pièce à controlér pour éffectuer le balayage -il est caractérisé également par le fait que les groupes de transducteurs sont articulés autour d'une couronne centrale qui contient l'émetteur destiné à la vérification de l'état de surface du miroir . Les bras articulés sur cette couronne portent , certains les émetteurs , les autres les récepteurs avec leur système d'asservissement. IO . Appareillage selon 9 caractérisé par le fait que des pieds de réglage de distance sont fixés au niveau des émetteurs . Ils viennent constamment en appui sur la surface de la pièce à controler.